毛 波 董希斌 宋启亮 白永清

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (大兴安岭韩家园林业局)

随着科学技术的进步、经济的发展，以生产木材为中心的传统林业将逐渐被具有多种资源、多种功能的现代林业所代替，以实现在维持生态平衡的前提下获取森林增产物质以满足人类的需求［1］。近些年来，由于自然的或非自然的因素，大兴安岭林区林分系统功能呈逆向发展趋势，导致林区郁闭度较低、材质低劣、保水保土功能低下，几乎丧失自我恢复能力的低质林［2］。低质林对自然灾害抵抗力弱，系统稳定性差，林地生产潜力不能充分发挥的问题已经被国内外许多学者所关注［3－4］。林地土壤肥力变化的研究，是当前国内土壤学领域的前沿课题［5］，从国内外已有该方面的文献来看，大多数学者专家研究了低质人工林土壤理化性质和土壤肥力，但是目前对大兴安岭天然低质林林地土壤肥力进行定时、定位连续观测以及不同的经营措施对低质林土壤肥力的影响的研究甚少，不能够形成一个完整的系统体系。本文全面、系统地开展了低质林土壤肥力变化的研究，从分析森林土壤养分、土壤碳通量以及土壤的物理性质对森林土壤肥力的影响入手，深入系统地研究了低质林林地土壤肥力变化规律，探讨低质林土壤肥力维持和提高森林经营水平以及最适宜的改造模式。在土壤肥力的综合评价中指标因子较多，然而这些指标因子对林地土壤肥力的定量综合总价的影响程度不尽相同，虽然可以用回归分析来确定各评价指标因子的重要性，但是当被分析的样本量较少，数据又无典型的概率分布时，回归很难获得满意的结果［6－8］。经过大量的分析比较筛选出灰色关联度法，此方法在评价土壤肥力的过程中对各个指标因子的数量和数据的规律性没有特别严格的要求［9－10］。利用灰色关联方法是在采用传统权重赋值和主观确定最优参考序列后，再把待评数据与参考序列比较，利用灰色关联度法可以直接根据各个指标因子定量数据，直接得出土壤肥力的综合评价结果［11－12］。这使得评价结果表现为连续的模糊相似度，当然也可以根据需要进行人为分级。

本文以大兴安岭天然白桦低质林为研究对象，探讨不同生态改造模式对林地土壤肥力的影响，并利用灰色关联法对各试验区样地的土壤肥力进行定量综合评价，旨在为白桦低质林今后的更新和培育提供参考依据。

1 试验区概况及样地设置

试验区设在黑龙江省大兴安岭地区的加格达奇林业局翠峰林场174 林班。上层主要是白桦(Betula platyphylla Suk)，下木层主要植物为毛赤杨(Alnus cremastogyne)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、苍术(Atractylodes lancea)，地被植物主要为水莎草(Cyperus glomeratus L)、鸢尾(Ⅰris tectorum)、野豌豆(Vicia sepium Linn)、舞鹤草(Maianthemum dilatatum(Linn.)F.W.Schmidt)。

在2009年春，对白桦低质林试验区进行林窗和带状诱导改造。林窗改造试验区共3 组，6 个试验区的面积分别为:5 m×5 m(G1)、10 m×10 m(G2)、15 m×15 m(G3)、20 m×20 m(G4)、25 m×25 m(G5)、30 m×30 m(G6)，林窗沿横坡方向排列［9］。带状改造为顺山皆伐改造，顺山带状改造模式设置原则为每条皆伐带均处于同一海拔高度，每条皆伐带带长为300 m，带宽共设置4 种，分别为6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)［13］。林窗对照样地在未采伐的林地内设置3 块30 m×30 m，每个对照样地分别选取5 个样本点。

2 土壤肥力指标测定与评价方法

2.1 土壤肥力指标的收集与测定

于2013年6月在不同生态模式改造样地和对照样地上，按“S”型布点法各选取4 个样方，每个样方选择5 个土壤取样点，每个样地均取0 ～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取样，共取220 个土壤样本，每个土壤样本为1 kg。土壤样本在实验室经过自然风干处理，然后研磨过筛，分析其化学性质。用容积为100 cm3环刀在每个土壤样点取环刀样本，借以测量土壤的物理性质。土壤碳通量采用LI—8150 测量，30 min 为一个循环周期，时间为24 h。

在土壤的化学元素测定时，针对不同的化学元素有不同的测定方法，具体为:①土壤全N 质量分数，采用自动凯氏法(LY/T 1228—1999)，仪器为VS—KT—P 型全自动定氮仪;②速效N 质量分数，采用扩散法(LY/T 1231—1999);③全P 质量分数，采用酸溶锑抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P质量分数，氢氧化钠浸提－钼锑抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K 质量分数，酸溶—火焰光度法(LY/T 1234—1999)，仪器为火焰光度计;⑥速效K质量分数，乙酸铵浸提—火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH 值，采用酸度计测定(LY/T 1239—1999);⑧土壤有机质采用油浴重铬酸钾(K2CrO4)氧化法(LY/T 1237—1999)。

本文所用研究数据均用SPSS19.0、Excel 和Matlab7.0 软件进行数据录入和统计。

2.2 土壤肥力的评价指标

研究天然白桦低质林不同生态改造模式后土壤肥力定量变化规律，对低质林生态改造模式的评价和应用有着极其重要的影响。土壤肥力的分析指标因子很多，宏观上包括土壤物理指标、化学指标和生物指标［14－17］。本文采用土壤密度、土壤pH 值、有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、土壤碳通量10 个指标［18］。在土壤肥力的影响指标中磷元素的存在形态有很多种，并且各个形态之间可以随着时间的转移相互转化。虽然A1、Fe、Mn 和Ca 等元素含量是决定与它们结合的磷素质量分数的主要因子，但在土壤磷素转化中，最关键的因子还是土壤pH 值。总体而言，无论是酸性土壤还是石灰性土壤，有效磷是最能反映土壤对森林供给水平的一个综合指标，无论在不同的土壤反应以及土壤颗粒的构成还是在总磷的转化、有机质的形成过程中都发挥着极大地作用，这些就决定了速效磷在土壤评价过程中选取的必要性［19］。

2.3 土壤肥力的综合评价方法

在应用灰色关联度法对低质林不同改造模式改造后进行土壤肥力的综合评价时，先用变异系数法求各个指标的权重，再求其灰色关联度，最后得到的关联度越高，说明改造后土壤肥力的评价越高，改造效果越好。

3 结果与分析

3.1 土壤肥力的传统定量评价

不同生态改造模式下天然白桦低质林地土壤肥力各指标实测值见表1。

表1 样地土壤肥力指标因子的实测值

从表1可以看出低质林不同改造过程中土壤的有机质、全磷和速效钾的评价指标和对照样地相比均有不同程度的升高。

图1、图2、图3分别为不同诱导改造后白桦低质林速效N、P、K，全N、P、K 和土壤密度与土壤碳通量的传统定量评价变化曲线，由此可以看出不同诱导改造后的土壤肥力指标呈现一定的变化趋势。

图1 不同模式改造后白桦低质林全N、P、K 的传统定量评价变化曲线

试验样地呈现弱酸性，不同的诱导改造后土壤的pH 值都在6.0 上下浮动，变化不大。采用传统的方法对土壤肥力进行定量综合评价，难以判断土壤肥力的评价指标是否呈现特殊的规律性，也难以筛选出最优的低质白桦林的生态改造模式方式，更难为森林可持续经营提供理论基础以达到最佳的经营效果。

图2 不同模式改造后白桦低质林速效N、P、K 的传统定量评价变化曲线

图3 不同模式改造后白桦低质林土壤密度、土壤碳通量的传统定量评价变化曲线

3.2 土壤肥力的灰色关联综合评价

3.2.1 确定决策矩阵

决策矩阵是由n 个样地的m 个评价指标实测值组成的集合，在中m=10，n=11，由表1可得到决策矩阵X。

3.2.2 初始化决策矩阵

对决策矩阵进行初始化处理，因为土壤肥力的10 个评价指标的量纲有所不同，会对评价结果产生不良影响，为了消除这种影响，对不同指标进行无量纲处理，由于本研究中的指标均为效益型指标，因此采用公式(1)对决策矩阵进行初始化处理。

其中:xij和x'ij分别表示第j 个试验样地的第i 种土壤肥力指标因子的实测值和无量纲值;xi0表示xij在第i 种土壤肥力指标峰值。计算出不同生态改造模下天然白桦低质林地土壤肥力的决策矩阵X'。

3.2.3 确定灰色关联判断矩阵

评价指标的理想对象矩阵S 为:

S={Si}m×1(i=1，2，…，m)。

式中:Si为初始化后的决策矩阵X'中第i 行的最大值。这样就可以很容易的得出理想对象矩阵S 为:

ST=［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］。

利用公式(2)计算出土壤肥力各个指标的灰色关联系数rij。

土壤肥力指标的灰色关联系数rij构成灰色关联评价矩阵R。

3.2.4 确定土壤肥力评价指标权重

在所选择的土壤肥力指标中，不同的指标对土壤肥力的综合评价结果的影响程度不尽相同，这就需要对每个指标赋予不同的权重。土壤肥力指标的变异系数计算方法见公式(3)。

其中:vi表示不同改造模式下低质白桦林第i 种土壤肥力指标的变异系数;σi表示不同改造模式下低质白桦林第i 种土壤肥力指标的标准差;ˉxi表示不同改造模式下低质白桦林第i 种土壤肥力指标的平均值。

不同生态改造模式低质白桦林的土壤肥力指标的权重计算见公式(4)。

按公式(3)和(4)计算出不同生态改造模式下低质白桦林土壤肥力指标的权重矩阵W。

3.2.5 确定改造模式灰色关联评度

结合灰色关联判断矩阵R 和权重矩阵W，根据公式(5)计算出各样地指标的关联度bj。

计算出各个改造模式的灰色关联度，见表2。

表2 不同改造模式灰色关联度

在灰色关联评价中，理想对象S 是整个评价系统中最高的，不同生态改造模式后土壤肥力的关联度越大，说明越接近理想的土壤肥力质量，其生态改造模式也就越好。由表2可知:所有生态改造模式后低质白桦林土壤肥力的灰色关联度的区间是［0.538，0.849］，而对照样地CK 的灰色关联度系数为0.518，表明各生态改造模式改造后的土壤肥力均优于对照样地CK。在各林窗改造模式的样地中G4(20 m×20 m)的灰色关联度最高为0.849，最接近理想对象，在所有的带状生态改造模式中S3(14 m)的灰色关联度最高为0.722。在所有的生态改造模式中，G4(20 m×20 m)的灰色关联度最高，说明林窗改造模式对土壤肥力的积累优于其他改造模式。

4 结论与讨论

林地的土壤肥力是构成林地土壤质量的一个极其重要的组成部分，包括林地土壤物理学、化学和生物学。研究林地土壤肥力，有助于发展高效和环境友好型的林地经营管理技术，借以实现森林资源的永续利用。土壤肥力的综合评价方法有很多，许多专家学者将模糊数学、系统评价模型和层次分析法分别应用到不同类型的土壤肥力评价中。何文寿等［19］用灰色系统理论对森林土壤肥力进行综合评价。蔡丽平等［20］对水土流失治理模式恢复效果进行灰色关联分析得出乔灌草混交模式、经济林+封育模式的改良土壤肥力作用显著。

通过灰色关联法对大兴安岭低质白桦林在不同生态改造模式后的土壤肥力进行综合分析，其关联度从大到小的顺序是G4(0.849)、G5(0.844)、S3(0.733)、G3(0.691)、G6(0.649)、S4(0.609)、G2(0.601)、S1(0.572)、S2(0.566)、G1(0.538)、CK(0.518)。从土壤肥力的灰色关联度可知，不管是带状诱导改造模式还是林窗诱导改造模式中，随着生态改造强度的增加，土壤肥力的综合评价都是先升高后降低，这是因为诱导改造强度越强，阳光也就越充足，改造模式中的微气候越适宜采伐剩余物的分解，从而使诱导改造模式的土壤肥力的综合评价越高，然而诱导改造模式强度过强，森林郁闭度就会骤降，出现水土流失，土壤肥力综合质量就会下降。土壤肥力综合评价的各个指标的权重都不尽相同，对各自的指标赋予不同的权重，有利于提高土壤肥力综合评价的进度。结合大兴安岭白桦低质林改造后的实测数据，利用变异系数法求取土壤肥力综合评价的各个指标的权重，得出的评价指标的权重。有机质的权重0.158 高于其余的评价指标。土壤有机质的数量与质量变化作为土壤肥力及环境质量状况的最重要表征，是制约土壤理化性质如含水率、孔隙度、土壤密度、土壤碳通量以及土壤养分等关键因素，因此，土壤中保持相对较高的有机质数量和质量水平就成为了林地持续利用和森林持续增长的先决条件。土壤碳通量的权重为0.146 仅低于有机质和土壤容重，土壤碳通量是用来衡量土壤微生物的总量和土壤活性的必要指标。林地土壤中微生物地球上生物化学的循环过程和有机质的转换都起到极其重要的作用。土壤微生物还对地表生态系统，对植物的健康，土壤的结构，土壤的肥力产生重要的影响，故土壤碳通量的值不仅体现土壤中有机质的转化和氧化能力，兼而有之的是能预测生态系统的生产力与对应气候的变化的参数之一。白桦低质林不同生态模式改造后土壤肥力的综合评价不仅与经营模式有关，还与光照、经济和社会等因素密不可分，形成了现有的林地土壤肥力和现实生产力，这方面还有待研究。

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