不同采伐強度后小興安嶺低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的灰色聚類評價1)

張 泱

(黑龍江省鐵力市人民政府，鐵力，152500)

曾翔亮 董希斌 宋啟亮

(東北林業(yè)大學)

土壤質(zhì)量的高低直接影響著地上植物的生長和分布，作為土壤質(zhì)量的核心，土壤肥力質(zhì)量是眾多土壤肥力要素綜合作用的反映，在水、熱、光等環(huán)境因子相近的條件下，土壤肥力質(zhì)量是影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要因素[1]。而土壤養(yǎng)分又是土壤肥力的重要組成部分，保持和提高土壤養(yǎng)分是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎[2－3]。王軍等[4]對黃土高原典型小流域土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性特征進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷的理論模型均為球狀模型;Richard Condit等[5]對巴拿馬中部熱帶雨林的550個樹種分布的影響因素進行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)旱季強度和土壤養(yǎng)分是最主要的影響因子。周莉等[6]對長白山闊葉紅松混交林的不同采伐年限跡地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn)采伐年限對跡地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)具有重要影響。小興安嶺林區(qū)面積1206萬hm2，木材蓄積量約為4.5億m3，是我國主要林區(qū)之一，但由于在20世紀遭受過強烈的自然和人為干擾，形成了大片植被總蓋度低、林木生長緩慢、林地土壤嚴重侵蝕的低質(zhì)林[7]。本文以小興安嶺低質(zhì)林為研究對象，采用灰色聚類方法對不同采伐強度后林地的土壤養(yǎng)分進行綜合評價，以期為今后小興安嶺低質(zhì)林的改造和培育方向提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在黑龍江省伊春林區(qū)鐵力林業(yè)局所屬馬永順林場。該林場位于小興安嶺南麓，地形特點為南高北低，地勢平緩，坡度在10°左右，海拔為117～284 m。水系為松花江支流水系，屬大陸性季風氣候，氣候溫熱濕潤，春秋兩季天氣多變，冬季漫長，且氣候寒冷干燥，夏季較短，但降水集中，年平均降水量為641 mm，年平均溫度為1.1℃，年日照時間約為2477 h。初霜在9月中旬，晚霜在5月中旬，無霜期為113～126 d。試驗區(qū)的林分類型為針闊混交林，平均林齡62 a，平均樹高18 m，下層木主要是山高粱，草本以三棱草為主，土壤以暗棕壤為主，土壤平均厚度為44 cm。

2 材料與方法

2008年1月16日—2月2日，在小興安嶺馬永順林場500林班選取典型的針闊混交低質(zhì)林進行采伐改造，建立采伐強度各不相同的7個樣地分別為:22%(Z1)、31%(Z2)、41%(Z3)、47%(Z4)、55%(Z5)、66%(Z6)、77%(Z7)。每個樣地的面積均為0.5 hm2，采伐后仍保持針闊混交林，同時在試驗區(qū)域附近的針闊混交低質(zhì)林內(nèi)設置一個未采伐的對照樣地(CK)。各試驗樣地的立地條件和林分概況見表1。

表1 試驗樣地基本概況

測定時間選在2012年4月底(采伐后第4年)，在每個采伐樣地和對照樣地的山坡上、中、下機械選取5個采樣點，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實驗室，鮮土在實驗室做自然風干處理，然后去除雜質(zhì)并研磨過篩，用于分析土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，分析方法見表2。

表2 土壤養(yǎng)分測定方法[8]

將測得的數(shù)據(jù)錄入Excel2010，進行基本的處理后，導入SPSS17.0和Matlab7.0中進行進一步的計算處理。

3 土壤養(yǎng)分測定結(jié)果

小興安嶺經(jīng)過不同強度的采伐后，各樣地土壤養(yǎng)分指標的實測平均值見表3。從表3可知，擇伐后所有樣地中，除了Z5樣地的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(37.24 g·kg－1)比對照樣地(27.61 g·kg－1)高外，其他樣地的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)均不同程度的低于對照樣地;7個采伐樣地的全氮質(zhì)量分數(shù)為1.12～1.95 g·kg－1，和對照樣地(1.07 g·kg－1)相比，均有所上升;在全磷質(zhì)量分數(shù)方面，除了Z1樣地(1.76 g·kg－1)略高于對照樣地(1.55 g·kg－1)外，其他采伐樣地均出現(xiàn)不同程度的下降;而各采伐樣地中除了Z3和Z5樣地的全鉀質(zhì)量分數(shù)稍低于對照樣地(10.48 g·kg－1)外，其他采伐樣地均有不同程度的上升;在堿解氮質(zhì)量分數(shù)和速效鉀質(zhì)量分數(shù)方面，也表現(xiàn)出類似的結(jié)果:除了Z2、Z4樣地的堿解氮質(zhì)量分數(shù)以及Z2、Z3樣地的速效鉀質(zhì)量分數(shù)略低于對照樣地CK外，其他采伐樣地的堿解氮和速效鉀質(zhì)量分數(shù)均不同程度的高于對照樣地;而經(jīng)過不同強度采伐后，各樣地的有效磷質(zhì)量分數(shù)為27.13～38.00 mg·kg－1，和對照樣地(26.63 mg·kg－1)相比，均有不同程度的上升。

表3 樣地土壤養(yǎng)分實測值

4 土壤養(yǎng)分灰色聚類評價

4.1 確定聚類樣本

評價指標是指參與土壤養(yǎng)分評價的一種可測定的土壤屬性，選擇合適的參評指標，是土壤養(yǎng)分評價的基礎，有利于提高土壤養(yǎng)分綜合評價的精度[9]。合理的評價指標體系除了應符合最小指標集外[10]，還應盡量遵循主導性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)性的原則[11]。在遵循上述原則的情況下，同時考慮小興安嶺的土壤特征以及相關專家的建議。本研究選取有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀作為小興安嶺土壤養(yǎng)分的評價指標。記樣地i=1，2，…，n為聚類對象;土壤養(yǎng)分評價指標j=1，2，…，m為聚類指標;土壤養(yǎng)分評價等級k=1，2，…，p為聚類灰數(shù);第i個聚類對象的第j個聚類指標的實測值dij為聚類白化數(shù)。表3即為由n個聚類對象的m個聚類指標實測值dij組成的土壤養(yǎng)分聚類樣本(本研究中n=8，m=7)。

4.2 確定白化函數(shù)

將土壤養(yǎng)分等級分為p級，則有p個灰類，參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準(表4)，可知本研究中p=6。

表4 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[12]

因為本研究中的土壤養(yǎng)分指標均為效益型指標，因此參考全國第二次土壤養(yǎng)分分級標準，確定第i個聚類對象的白化函數(shù)。

(1)第j個指標的第1灰類(第k=1等級土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

(2)第 j個指標的第 k灰類(第 k=2，3，4，5 等級土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

(3)第j個指標的第6灰類(第k=6等級土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

式中:fjk(dij)是聚類白化數(shù)dij的白化函數(shù)值;dij是第i個聚類對象的第j個聚類指標實測值;sjk是第j個聚類指標第k灰類的灰數(shù)(評價標準值)。

4.3 確定聚類權

聚類權是衡量各個指標對同一灰類的權重[13]，目前確定聚類權的方法有很多[14－17]，本研究采用相關系數(shù)法進行權重的計算，基本思想為m個聚類指標中，分別求出第j個聚類指標與其他m－1個聚類指標之間的相關系數(shù)(表5)，然后將它們的絕對值加在一起，我們把它定義為第j個聚類指標的總相關系數(shù)Rj。

Rj越大，表明第j個聚類指標與其他m－1個聚類指標的相關性越顯著，則第j個聚類指標的代表性就越好，第j個聚類指標數(shù)據(jù)對土壤養(yǎng)分綜合評價值的影響就越大，因此，其權重也就越大[18]。第j個聚類指標的聚類權ηj的計算公式為:

式中:ηj為第j個土壤聚類指標的灰色聚類權值;Rj為第j個土壤聚類指標的總相關系數(shù)。

表5 土壤養(yǎng)分相關系數(shù)

由表5可計算出Rj，然后根據(jù)公式(4)即可計算出各個土壤聚類指標的聚類權值，有機質(zhì)為0.191、全氮為0.113、全磷為 0.096、全鉀為 0.185、堿解氮為 0.179、有效磷為 0.137、速效鉀為 0.099。

4.4 確定灰色聚類系數(shù)

灰色聚類系數(shù)σik計算公式如下:

式中:σik為灰色聚類系數(shù)，它反映了第i聚類樣本對第k灰類的親疏程度;fjk(dij)是由聚類白化數(shù)dij計算得到的白化函數(shù)值;ηj為聚類指標j的灰色聚類權值。

根據(jù)公式(1)～(5)可求得灰色聚類系數(shù)σik，結(jié)果如表6所示。

表6 灰色聚類系數(shù)

5 結(jié)論與討論

小興安嶺的低質(zhì)林經(jīng)過不同強度的采伐后，和對照樣地(CK)相比，各個樣地的有機質(zhì)、全磷質(zhì)量分數(shù)幾乎都有不同程度的下降;而各個樣地的全氮、全鉀、速效鉀、堿解氮、有效磷質(zhì)量分數(shù)在總體上均不同程度的高于對照樣地。土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的核心指標，是土壤肥力綜合評價的根本[20]。然而，僅僅通過某項土壤養(yǎng)分指標是很難對各個樣地的土壤養(yǎng)分進行評價比較的，因此，本研究在參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準的基礎上，采用灰色聚類法對各樣地的土壤養(yǎng)分進行綜合評價，結(jié)果顯示:對照樣地CK的土壤養(yǎng)分等級為第3等級，在所有的采伐改造樣地中，樣地Z5的土壤養(yǎng)分等級最高，為第1等級;樣地Z3和Z4的土壤養(yǎng)分等級為第2等級，土壤養(yǎng)分等級次之，但仍然高于對照樣地;樣地Z1、Z2、Z6和Z7的土壤養(yǎng)分等級均為第3等級，與對照樣地的等級一樣。說明采伐強度太高或太低對低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的改善效果均不明顯，而當采伐強度為41%～55%時，樣地土壤養(yǎng)分等級均高于對照樣地，土壤養(yǎng)分得到明顯改善，尤其是當采伐強度為55%時，樣地的土壤養(yǎng)分等級為第1等級，是所有擇伐改造中效果最明顯的，從土壤養(yǎng)分的角度看，55%的采伐強度最適宜小興安嶺低質(zhì)林的改造。

森林的凋落物是土壤養(yǎng)分的主要來源，它們經(jīng)過微生物的分解和礦化作用后，會轉(zhuǎn)化成土壤的養(yǎng)分[21]。低質(zhì)林經(jīng)過采伐后，林地的枯枝落葉量減少，但林地內(nèi)會留有一定量的采伐剩余物，二者的綜合作用會使林地的土壤養(yǎng)分發(fā)生變化[22－24]。樣地Z1和Z2的土壤養(yǎng)分與對照樣地相比沒有明顯改善，可能是因為采伐強度太低，林地內(nèi)的采伐剩余物增加不明顯;而采伐強度較大的樣地Z6和Z7的采伐剩余物雖然比較多，但是卻因為移走了大量的地上植被，導致林地的枯枝落葉來源大量減少，因此土壤養(yǎng)分與對照樣地相比也沒有明顯改善;而樣地Z3、Z4和Z5的土壤養(yǎng)分升高較明顯，可能與中等采伐強度使林地的枯枝落葉減少不多，但采伐剩余物增加較多有關。

本研究采用灰色聚類法和相關系數(shù)法對各樣地的土壤養(yǎng)分建立綜合評價模型，通過對白化數(shù)據(jù)的灰化處理，避免了定性評價和傳統(tǒng)定量評價主觀隨意性大、結(jié)果粗糙的弊端，評價結(jié)果與實際情況也是比較相符的，而且所建模型具有通用性，可用于其它區(qū)域土壤養(yǎng)分的綜合評價。但是，灰色聚類法是按最大隸屬原則對樣地的土壤養(yǎng)分進行聚類的，只考慮了主要信息，而忽略了一些次要信息，但是這些次要信息對評價結(jié)果往往也具有重要影響，因此，僅僅采用灰色聚類法對土壤養(yǎng)分進行評價有一定局限性，仍有待改進。

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