不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)特征

薩如拉,呼日查,于曉雨,王子瑞

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,呼和浩特 010019)

森林中土壤作為物質(zhì)能量循環(huán)的重要場(chǎng)所,是林木生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),能夠影響林分植被種類、分布格局,森林植被能否正常生長(zhǎng)與土壤肥力密切相關(guān)[1-2]。土壤理化性質(zhì)能夠影響土壤肥力水平,還能夠反映土壤蓄水能力和保水能力,從而影響植物生長(zhǎng)[3-4]。因此,研究土壤理化性質(zhì)特征可為改良土壤性質(zhì)、提高土壤肥力以及提供林木生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等森林經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)依據(jù)[5-7]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)森林進(jìn)行土壤理化性質(zhì)研究與土壤肥力評(píng)價(jià)方面的研究,得出土壤理化性質(zhì)會(huì)直接影響林木生長(zhǎng)及健康狀態(tài),影響森林生物量,進(jìn)而影響整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)[8-12]。一定程度上,土壤理化性質(zhì)能夠反映當(dāng)前森林生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。如:韓敏等[13]對(duì)大興安嶺不同演替階段的天然落葉松林土壤肥力進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)天然落葉松成熟林土壤肥力最佳；發(fā)現(xiàn)隨著森林演替過(guò)程的推進(jìn),土壤肥力會(huì)隨之增加。管惠文等[14]對(duì)大興安嶺興安落葉松次生林在不同撫育間伐強(qiáng)度下的土壤肥力進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)間伐強(qiáng)度40%的興安落葉松次生林土壤肥力最佳。說(shuō)明適當(dāng)間伐對(duì)土壤肥力增加有明顯促進(jìn)作用。李銀祥等[15]對(duì)蠻汗山幾種典型林型土壤進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)華北落葉松人工林土壤質(zhì)量比白樺天然次生林土壤質(zhì)量更佳。說(shuō)明天然次生林一旦開(kāi)始退化,有待通過(guò)合理經(jīng)營(yíng)進(jìn)行改良土壤肥力,否則將嚴(yán)重影響其森林功能的發(fā)揮。

本文以大興安嶺白樺次生林為研究對(duì)象,研究不同干擾對(duì)白樺次生林土壤理化性質(zhì)的影響,并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法綜合評(píng)價(jià)土壤肥力,反映不同干擾下白樺次生林土壤肥力的差異。這對(duì)大興安嶺白樺次生林的生態(tài)系統(tǒng)功能修復(fù)及科學(xué)制定森林質(zhì)量提升措施具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾根河林業(yè)局。屬寒溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū),平均海拔800m以上；年平均氣溫為-5.3℃,極端氣溫-58℃,無(wú)霜期為80～90d,封凍期210 d以上；平均年降水量500mm,雨季集中在6—9月。根河市境內(nèi)永凍層分布廣泛。土壤類型主要以棕色針葉林土為主,含砂粒及石礫較多,土壤呈酸性,pH值4.5～6.5。研究區(qū)內(nèi)物種與林木資源豐富,優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為興安落葉松(Larixgmelinii),并伴生有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等喬木[16]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置

2020年8月,在研究區(qū)內(nèi),根據(jù)采伐干擾、人工條帶改造干擾、火燒干擾等3種干擾類型進(jìn)行樣地設(shè)置。共設(shè)置3塊樣地,面積均為30m×30m。樣地概況如表1所示。

1.2.2樣品采集與測(cè)定方法

在每塊樣地內(nèi)按照“S”型布點(diǎn)法均勻設(shè)置6個(gè)土壤剖面,取0～10cm,10～20cm處土壤混合樣,去除枯枝落葉及石礫,用樣品袋編號(hào)密封(3塊樣地,共18個(gè)樣品),同時(shí)取環(huán)刀土用于測(cè)量土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度等物理性質(zhì)(物理性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)方法)。將新鮮的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤化學(xué)指標(biāo)的檢驗(yàn)測(cè)定。土壤化學(xué)指標(biāo)含量測(cè)定方法如表2所示。

表1 不同干擾類型下的白樺次生林樣地概況

表2 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)含量的測(cè)定方法

1.2.3土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法

本文主要運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行森林土壤綜合評(píng)價(jià)[14]。首先建立灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣,然后運(yùn)用層次分析法以及熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重,最后通過(guò)計(jì)算得出不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度。

1.2.4數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2016統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步分析；應(yīng)用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、差異性分析、灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)所取土壤樣本,測(cè)定不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)值(表3)。由表3可知:土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀含量大小均表現(xiàn)為M>S>H；全鉀含量表現(xiàn)為M>H>S；速效氮含量表現(xiàn)為S>H>M；土壤容重、速效磷含量表現(xiàn)為H>S>M；pH,土壤孔隙度表現(xiàn)為M>S>H；土壤含水率表現(xiàn)為S>M>H,說(shuō)明土壤持水性會(huì)受到火燒干擾的嚴(yán)重影響。有研究表明,土壤因受到火燒干擾,導(dǎo)致土壤容重因土壤有機(jī)礦物團(tuán)聚體的增加而增大,從而破壞土壤持水性[17]。本文研究結(jié)果與此結(jié)論相吻合。

不同干擾類型白樺次生林樣地土壤指標(biāo)極值、平均值與變異系數(shù)如表4所示。根據(jù)表4中所示各土壤指標(biāo)變異系數(shù)數(shù)值可看出,研究區(qū)不同干擾下大興安嶺白樺次生林的各項(xiàng)指標(biāo)中:全氮、速效磷變異系數(shù)均超過(guò)50%,屬于重度變異,說(shuō)明干擾對(duì)此類土壤因子影響較大；有機(jī)質(zhì)含量變異系數(shù)為49%,屬于中度變異；土壤孔隙度、容重、含水率、全磷、全鉀、速效鉀變異系數(shù)較小,說(shuō)明較為穩(wěn)定；pH值變異系數(shù)較小為7.4%,且pH值均值為5.78,說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)各樣地均屬于弱酸性土壤。

表3 不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)指標(biāo)值

表4 不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)變異幅度

不同干擾下,大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)差異性分析結(jié)果如表5所示。3種干擾類型下的白樺次生林土壤全鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、土壤含水率差異性不顯著,土壤全磷、速效氮、速效鉀、pH、孔隙度、容重差異性較顯著(P<0.05)?？傮w來(lái)看,人工條帶改造干擾與火燒干擾白樺次生林土壤理化性質(zhì)之間有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 土壤理化性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)評(píng)度確定

2.2.1確定決策矩陣

本研究選擇11個(gè)土壤理化性質(zhì)指標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)計(jì)算,具體指標(biāo)如表3所示。

表5 不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤理化性質(zhì)差異性分析

決策矩陣由n個(gè)樣地m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值集合得出。本研究,n=3,m=11,得到?jīng)Q策矩陣(X)。

2.2.2初始化決策矩陣

根據(jù)(1)式,對(duì)決策矩陣中的實(shí)際測(cè)量指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理,得到不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤肥力決策矩陣(X′)。(1)式中x′ij和xij分別表示第j個(gè)樣地的第i個(gè)土壤肥力指標(biāo)因子的無(wú)量綱值和實(shí)測(cè)值,xi0表示第i個(gè)土壤指標(biāo)的峰值。

x′ij=xij/xi0(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

2.2.3確定灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣

根據(jù)(2)式,計(jì)算不同干擾下大興安嶺白樺次生林土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)(rij)[14]；構(gòu)成灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)矩陣(R)。

(2)

式中:si為初始化后決策矩陣(X′)中第i行最大值,λ=0.5。

2.2.4確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

不同的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)土壤整體肥力影響程度不同。采用主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合的方式,能夠較為精確地體現(xiàn)土壤各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重相結(jié)合得到綜合權(quán)重。既能夠保留數(shù)據(jù)客觀精準(zhǔn)性,又能體現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的主觀聯(lián)系。

1)利用層次分析法確定土壤指標(biāo)主觀權(quán)重。依據(jù)土壤理化性質(zhì)類型分別設(shè)置目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層。通過(guò)方根法計(jì)算得到特征向量,再進(jìn)行一致性檢驗(yàn),得出各指標(biāo)主觀權(quán)重。本文依據(jù)土壤理化性質(zhì)的不同,系統(tǒng)層含有5項(xiàng)內(nèi)容,分別為pH、有機(jī)質(zhì)、土壤物理性質(zhì)、土壤全量、土壤有效量,其分別含有1,1,3,3,3項(xiàng)指標(biāo)(表6)。系統(tǒng)層權(quán)重向量由(3)式計(jì)算得出。

(3)

表6 主客觀綜合賦權(quán)重值

2)利用熵權(quán)法計(jì)算得出土壤指標(biāo)客觀權(quán)重。根據(jù)各土壤指標(biāo)分散程度,計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán),再根據(jù)各土壤指標(biāo)對(duì)熵權(quán)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?得到客觀的權(quán)重值。熵值越小,表明土壤指標(biāo)值變異越大,則該土壤指標(biāo)可代表的信息越多,在土壤綜合評(píng)價(jià)中起到的作用也越大,進(jìn)而權(quán)重越大。熵權(quán)法能夠充分從客觀角度對(duì)指標(biāo)賦權(quán)。

3)結(jié)合以上計(jì)算得出的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重,利用(4)式計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

W3=μW1+(1-μ)W2

(4)

式中:W3為土壤性質(zhì)指標(biāo)綜合權(quán)重,W1為土壤性質(zhì)指標(biāo)主觀權(quán)重,W2為土壤性質(zhì)指標(biāo)客觀權(quán)重,μ為偏好系數(shù)(取0.5)。

計(jì)算結(jié)果如表6所示。

2.2.5確定不同干擾下白樺次生林樣地灰色關(guān)聯(lián)評(píng)度

將灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣(R)和指標(biāo)權(quán)重(W)相結(jié)合,根據(jù)(5)式計(jì)算出各樣地指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度bj。具體結(jié)果如表7所示。

(5)

關(guān)聯(lián)度越高,說(shuō)明土壤肥力越高[14]。由表7可以看出,土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)由大到小為M(0.88)>S(0.74)>H(0.65)。比較之下,人工條帶改造干擾的白樺次生林土壤肥力最佳,采伐干擾白樺次生林次之,火燒干擾白樺次生林土壤綜合性質(zhì)最差?？梢?jiàn),火燒干擾對(duì)于土壤肥力的破壞性較大,而合理適度的人工撫育或改造森林可能會(huì)起到提高土壤質(zhì)量,增強(qiáng)土壤肥力的作用,有益于森林生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)白樺次生林經(jīng)不同干擾后,土壤質(zhì)量將受到影響,進(jìn)而改變土壤肥力狀況,同時(shí)對(duì)地上林木的生長(zhǎng)發(fā)育狀況產(chǎn)生較大影響。本研究,各干擾類型下的白樺次生林土壤肥力指標(biāo)中綜合權(quán)重最高的為速效磷(0.233),其次是有機(jī)質(zhì)(0.165)。表明速效磷和有機(jī)質(zhì)是白樺次生林土壤肥力指標(biāo)中的主要指標(biāo),對(duì)土壤肥力的影響較大。3種干擾類型下的白樺次生林土壤理化性質(zhì)指標(biāo)之間均有一定的相關(guān)性,其中,全鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)、土壤含水率差異性不顯著,土壤全磷、速效氮、速效鉀、pH、孔隙度、容重差異性較顯著(P<0.05)。

2)不同干擾下的白樺次生林土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)度由大到小為人工條帶改造干擾(0.88)>采伐干擾(0.74)>火燒干擾(0.65),可見(jiàn),人工條帶改造干擾下的白樺次生林土壤肥力最好,火燒干擾下的白樺次生林土壤肥力最差。

3.2 討論

大興安嶺白樺次生林經(jīng)不同干擾后,土壤質(zhì)量受到影響,直接影響林分生長(zhǎng)狀況。人工條帶改造林土壤肥力優(yōu)于采伐林和火燒恢復(fù)林,這與前人研究結(jié)果一致[18]。土壤pH值會(huì)對(duì)土壤透水、透氣性能產(chǎn)生影響,同時(shí)影響土壤氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的有效性；弱酸性土壤最適宜地上林木生長(zhǎng)。本文所研究不同干擾類型的白樺次生林土壤pH值較為穩(wěn)定,均呈弱酸性,均值為5.78,變異系數(shù)較小,可以為林木的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的土壤環(huán)境,有利于實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。經(jīng)研究可得森林土壤中有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷、速效鉀、孔隙度的變化趨勢(shì)基本一致。測(cè)定火燒干擾白樺次生林土壤有機(jī)質(zhì)含量是研究土壤性狀特征、判斷土壤肥力狀況及恢復(fù)情況的重要步驟之一[19],火燒干擾后白樺次生林有機(jī)質(zhì)含量小于其他兩種干擾下的白樺次生林,說(shuō)明火燒干擾對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有較大影響?；馃恢笔怯绊懮稚鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素,火干擾后的森林地上植被與地下土壤理化性質(zhì)存在密不可分的影響與響應(yīng),這與孟京輝[20]等的研究一致。

對(duì)大興安嶺白樺次生林的保護(hù)及修復(fù)是長(zhǎng)期且復(fù)雜的任務(wù)。由于林木的生長(zhǎng)不僅僅與森林的干擾類型有關(guān),還與不同干擾強(qiáng)度、氣候、環(huán)境、地形地貌、動(dòng)植物多樣性等因素密不可分,多種因素都會(huì)相應(yīng)影響土壤肥力質(zhì)量,進(jìn)而影響林木生長(zhǎng)。因此,在以后的研究中要綜合考慮各種影響因素,進(jìn)一步探討干擾強(qiáng)度、環(huán)境因素等對(duì)白樺次生林土壤理化性質(zhì)特征的影響,進(jìn)一步為大興安嶺白樺次生林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、土壤肥力的恢復(fù)、森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供全面科學(xué)的參考依據(jù)。