毛 波 董希斌

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

森林土壤作为森林生态系统的组成成分和物质基础[1]，是森林的生长发育、繁衍生息所必须的环境条件，同时对系统内外物质的重新分配起着调节作用，对水分起着环境过滤器的作用。森林土壤的肥力是森林生态系统可持续发展的基础[2]，同时，森林系统的不同经营模式又影响和制约着森林土壤的肥力变化方向和强度。土壤肥力作为土壤的基本属性，是土壤支持生物生产能力、净化环境空气能力和促进动植物与人类健康能力的集中体现，是土壤物理性质、化学性质和生物性质的综合体现[3]。因此，实时对森林土壤肥力做出综合评价，能及时的对林木的健康提供现实依据。近些年来，由于自然的或非自然的因素，小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。刘美爽等[5]通过对小兴安岭低质林改造后的土壤理化性质进行分析，得出了改造模式对土壤性质的影响。杨奇勇等[6]通过运用改进灰色关联模型，实现了土壤肥力综合评价定量化、自动化。肖慈英等[7]利用灰色关联分析方法评价了不同森林类型的凋落物及土壤的生物化学性质对土壤肥力状况的影响情况。

虽然很多学者专家研究了低质林土壤理化性质[8－13]，但是目前对小兴安岭低质林改造土壤定量评价未见报道。因此，本文以小兴安岭低质林为研究对象，经过不同改造模式改造后，应用改进灰色关联度法对改造后的土壤肥力进行综合评价，为不同模式的林地改造效果，优化出最佳的低质林改造模式提供理论依据。

1 研究区概况

调查样地位于铁力市的马永顺林场。2009年，在实验林场内选取比较典型的低质林共设置3个试验样地区[5，14]。本文所用研究样地的林分类型为阔叶混交林，平均树高18.5 m，平均林龄64 a，密度530 株·hm－2，蓄积量 90 m3·hm－2，平均胸径 19 cm，林种为用材林，地被物主要为三棱草(Carex phacota spr.)，下木层主要植物为山高梁(Sorbaria kirilowii)。

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100 m，带宽共设置4 种，分别为 S1(6 m)、S2(8 m)、S3(10 m)、S4(15 m)[5]。横山带状改造模式设置原则为每条皆伐带均沿不同海拔高度，皆伐带带长100 m，皆伐带宽共设置4种，分别为 H1(6 m)、H2(8 m)、H3(10 m)、H4(15 m)[5]。设不同采伐强度的择伐改造模式为7个小班，每个小班的面积为0.5 hm2，每个小班的采伐强度分别为 Z1(22%)、Z2(31%)、Z3(41%)、Z4(47%)、Z5(55%)、Z6(66%)、Z7(77%)[14]。对照样地选择设置在3块30 m×30 m未采伐的林地林内，并且在每个对照样地中选择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5月，在不同改造试验样地和对照样地上，按“S”型混合采样法，分别随机布置4个4 m×4 m的取样样方，取5个土壤剖面为0～10 cm的土壤样本，每个土壤样本为1 kg，共取320个土壤样本，土壤样本经实验室风干、研磨、过筛后进行化学性质分析。土壤物理性质采用环刀法测量。土壤碳通量采用LI－8150多通道土壤碳通量自动测量系统测定土壤表面CO2通量，测量周期为30 min，全天重复测量48次。

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，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，采用扩散法(LY/T 1231—1999);③全P，采用酸溶锑抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P，氢氧化钠浸提－钼锑抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K，酸溶－火焰光度法(LY/T 1234—1999)，仪器为火焰光度计;⑥速效K，乙酸铵浸提－火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH，酸度计(LY/T 1239—1999);⑧油浴重铬酸钾(K2CrO4)氧化法(LY/T 1237—1999)。

本文所用研究数据均用SPSS10.0和EXCEL软件进行数据统计。

2.2 土壤肥力的评价指标

根据土壤肥力质量综合评价指标选择的基本原则以及东北地区土壤性质与肥力研究的相关经验，同时结合观测条件，采用全N、速效N、全P、有效P、全K、速效K、pH值、有机质、土壤密度、土壤碳通量10个指标。研究中之所以把有机质作为土壤肥力指标的评价指标之一是因为有机质主要来自于动植物残体通过微生物分解、合成，是土壤肥力的基础物质，是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力的高低产生巨大的影响[15]。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[16]，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。

2.3 土壤肥力的综合评价方法

在应用改进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，先用灰色关联曲线进行分析，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 低质林不同改造模式对土壤肥力指标的灰色关联曲线

应用改进灰色关联度法，通过灰色关联图像研究小兴安岭林区低质林土壤肥力10个指标的变动关系。通过图1、2、3可知:虽然有时会存在个体差异，但整体上看低质林样地土壤中全N、全P、全K元素质量分数的高低直接影响到土壤中相应的速效N、速效P、速效K的质量分数，是因为他们会以离子形式直接作用于低质林林下植被，是影响其生长的主要营养元素。

图1 各样地土壤全N与速效N的灰色关联曲线

图2 各样地土壤全P与速效P的灰色关联曲线

图3 各样地土壤全K与速效K的灰色关联曲线

由图4结合原始数据序列分析可知:在不同改造模式下对应的样地土壤pH值变动幅度较平缓，与对照组pH值也较为接近。由图4可知S2、H3、Z3的有机质质量分数最大。土壤密度和有机质的变化趋势基本相反，改造强度越是趋于中间，土壤密度越小。土壤碳通量的变化趋势和土壤有机质基本一致。综合分析就会发现，低质林改造中土壤碳通量的随着改造带带宽和的增大而升高，这是由于改造强度的加大使得枯落物的分解速度增大，同时许多活性酶活化，但是强度过大反而会使土壤碳通量降低。

图4 各样地土壤pH值、有机质、土壤密度和土壤碳通量的灰色关联曲线

3.2 低质林带状改造模式的土壤肥力的综合评价

小兴安岭低质林不同带宽横山改造模式H1～H4，S1～S4以及对照样地共9组作为观测对象展开灰色关联度分析，依据各实验样地土壤肥力具有的的10个指标进行评价。依据灰色理论公式得到灰色关联度的结果见表1。对照CK的灰色关联度为0.672。由计算结果可知，不同横山带宽的评价对象评价结果为 H3＞H1＞CK＞H2＞H4，不同带宽顺山皆伐带的各评价指标评价结果为S2＞S3＞S1＞CK＞S4。

表1 带状改造灰色关联度数值

3.3 低质林择伐改造模式的土壤肥力的综合评价

不同采伐强度的评价指标的灰色关联度的计算结果见表2。由计算结果可知，不同采伐强度的择伐模式的评价对象评价结果为Z3＞Z2＞Z5＞Z1＞Z6＞CK＞Z7。

表2 不同采伐强度改造灰色关联度数值

3.4 低质林不同改造模式后土壤肥力的综合评价

由于3种改造模式选择相同的参考样地，故可以通过比较3种改造模式后土壤肥力的综合评价结果来判断最好的改造效果，从而优化出最佳的改造模式。计算出不同改造模式灰色关联度的平均值见表3。综合分析可得，顺山带宽改造模式最高(0.711)，不同采伐强度的择伐改造优于横山带宽改造模式。

表3 不同改造模式灰色关联度的平均值

4 结论与讨论

土壤肥力是土壤生态系统物理、化学和生物组分之间纷杂相互作用的综合体现，土壤肥力的综合评价提供了一种评价森林管理的有效方法。许多学者将模糊数学方法，灰色关联度法、层次分析法、系统评价模型等一系列的方法应用到土壤肥力的综合评价中。何文寿等[17]用灰色系统理论对森林土壤肥力进行综合评价。林培松等[18]利用灰色关联度法定量分析了韩江流域典型区域主要森林类型的土壤肥力状况并进行了综合评价。灰色关联度将定性分析转化为定量分析，适用于模糊复杂的综合土壤肥力质量评价系统，但是传统的灰色关联度法仍存在着许多缺陷和不足[19]，本文运用改进灰色关联度法，通过序列曲线变化态势的接近程度和灰色关联度定量计算相结合的形式，运用到土壤肥力的评价中，使得计算结果更符合实际情况，得到最佳的评价效果。

通过对N、P、K、pH值及有机质的关联曲线进行分析，表明各个指标对土壤肥力的影响的关联性不尽相同，土壤中的速效氮、有机质和全磷质量分数是低质林土壤肥力中的主要因子。土壤中的有机质是土壤肥力的物质基础，是土壤中最活跃的部分，对土壤肥力的高低产生着巨大的影响。磷作为植物生长的主要营养元素之一，影响着土壤肥力的质量[17]。土壤中速效氮在不同的改造模式的含量有明显的不同，因此，速效氮对不同改造模式土壤肥力的影响程度也不尽相同。

土壤肥力质量随着不同改造模式而表现出不同的差异[3，20]。不同模式改造8 m顺山皆伐带土壤肥力的灰色关联度最高为0.784。在各不同改造模式中，8、10 m和41%土壤肥力质量普遍高于其他改造模式，说明这3种改造模式更有利于土壤肥力的积累，能有效改善土壤肥力的质量。主要是因为在8、10 m和41%的改造模式内适宜的光照条件为土壤微生物创造了有利的生存条件，林地大量微生物的活动促进了土壤肥力的改善。综合分析不同改造模式土壤肥力质量的评价效果，顺山带状皆伐模式最优，不同采伐强度的择伐模式优于横山带状皆伐模式。

总体而言，改进灰色关联度法分析土壤肥力效果是理想的，该方法对不同森林类型土壤肥力诸多因素的综合优势作了排序，进行了系统的优化分析，而且应用价值较高、可靠性较强又简单易行，是多因素决策分析的一种简单有效实用的方法。改进灰色关联度法从定量和关联曲线相结合的角度反映出低质林不同改造模式土壤肥力的状况，为森林经营提供了科学依据。灰色关联度法作为一门不确定的模糊科学，也有许多不足之处，还需要科研人员做出大量的研究。另外，本文仅对低质林不同改造模式初期进行了研究，而低质林改造效果还需要长期的定位观测和分析。

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