低質(zhì)山楊林生態(tài)改造后土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

毛 波，董希斌，宋啟亮，陳百靈

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

低質(zhì)山楊林生態(tài)改造后土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

毛 波，董希斌，宋啟亮，陳百靈

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

2009年對(duì)大興安嶺低質(zhì)山楊林進(jìn)行順山帶寬(分別為6、10、14、18 m)分別栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica)、興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaPine)進(jìn)行誘導(dǎo)改造；應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)不同帶寬生態(tài)改造后的林地土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，所有的生態(tài)改造對(duì)土壤肥力均有改善作用，其中帶寬以14 m，樹(shù)種以興安落葉松的誘導(dǎo)改造效果最佳，可為低質(zhì)山楊林的改造提供參考。

山楊；生態(tài)改造；灰色關(guān)聯(lián)度；土壤肥力

森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、改善土壤性能、防止地質(zhì)災(zāi)害和保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)等方面有著無(wú)可替代的重要作用[1]。世界范圍內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的退化已成為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[2-3]，對(duì)此，恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)的計(jì)劃也正逐步開(kāi)始實(shí)施[4]，以期改善森林生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)的多種功能，從而達(dá)到提高森林中的生物多樣性、增加木質(zhì)林產(chǎn)品的產(chǎn)量、恢復(fù)土壤的理化性質(zhì)等方面的功效[5]。土壤對(duì)植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成均會(huì)產(chǎn)生重要影響。土壤的改變會(huì)使森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，同時(shí)，森林生態(tài)系統(tǒng)的變化又會(huì)引起土壤的演變，土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量傳輸中有著不可或缺的作用[6]。土壤肥力狀況直接影響到林木的分布、生長(zhǎng)和產(chǎn)量[7]。史鳳友等[8]通過(guò)對(duì)落葉松與核桃楸、椴樹(shù)混交林研究發(fā)現(xiàn)，帶狀混交林有助于改善林地土壤養(yǎng)分，提高林分質(zhì)量。楊承棟等[9]研究表明：植被覆蓋度的大小對(duì)凋落物分解、微生物數(shù)量、生物化學(xué)活性和土壤理化性質(zhì)等方面有顯著影響。Andrews等[10]運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)方法，求取目標(biāo)權(quán)重并且根據(jù)非線性得分函數(shù)側(cè)重評(píng)價(jià)了不同管理方式下土壤肥力的差異。Masto等[11]引入線性和非線性得分函數(shù)，通過(guò)逐步回歸法綜合生成了土壤肥力質(zhì)量指數(shù)。吳玉紅等[12]運(yùn)用模糊層次分析法求得土壤肥力的單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，對(duì)土壤肥力進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。肖慈英等[13]將灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法運(yùn)用到土壤肥力評(píng)價(jià)中，分析結(jié)果可靠性較強(qiáng)。曾翔亮等[14]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)對(duì)不同誘導(dǎo)改造后大興安嶺蒙古櫟低質(zhì)林土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得到很好的效果。研究表明：采伐使得林地表層物質(zhì)中氮含量下降[15]，總氮量也呈下降的狀態(tài)[16]，土壤中磷含量上升[17]，鉀元素含量在伐后初期降低速度較快[18]?？偟膩?lái)說(shuō)，采伐作業(yè)主要影響土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和土壤養(yǎng)分(N、P、K等)含量等。本文以低質(zhì)山楊林為研究對(duì)象，探討不同生態(tài)改造模式對(duì)林地土壤肥力的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)各試驗(yàn)樣地的土壤肥力進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用相關(guān)性分析法確定各個(gè)分析指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，彌補(bǔ)了土壤肥力定性評(píng)價(jià)的不足，消除了土壤的空間異質(zhì)性的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確，可為低質(zhì)山楊林的更新和培育提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在黑龍江省加格達(dá)奇林業(yè)局翠峰林場(chǎng)的174林班，該地區(qū)位于黑龍江省大興安嶺(東經(jīng)124°22′47.8″—124°24′35.2″、北緯50°34′9.15″—50°34′32″)山脈的東南坡，海拔370～420 m左右，翠古公路北側(cè)12～14 km。土壤主要是暗棕壤和棕色針葉林土，土層厚度15～30 cm；地勢(shì)平緩，平均坡度6°左右，立地條件較好。屬于溫寒帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季氣候干燥寒冷，年均氣溫-1.4 ℃，冬長(zhǎng)夏短，年均降水量470 mm，降水多集中于夏季6—8月。該區(qū)域的低質(zhì)林主要是山楊樹(shù)林(Populusdavidiana)，林分郁閉度為0.4；下層植被灌木，主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，蓋度為15%；草本以鈴蘭(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)等為主，蓋度達(dá)30%。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 低質(zhì)山楊林帶狀改造樣地示意圖

2009年9月開(kāi)展低質(zhì)山楊樹(shù)林改造。采用順山帶狀生態(tài)模式進(jìn)行改造，設(shè)置原則為每條生態(tài)改造帶均處于同一海拔高度，包括6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)帶寬的改造帶，樣地面積分別為6 m×200 m、10 m×200 m、14 m×200 m、18 m×200 m，在未采伐的林地內(nèi)設(shè)置對(duì)照樣地(CK，20 m×200 m)，每個(gè)對(duì)照樣地分別選取5個(gè)樣本點(diǎn)。2009年開(kāi)始將每條改造帶平均分成3段(圖1)，順山分別栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica，A)、興安落葉松(Larixgmelinii，B)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica，C)進(jìn)行誘導(dǎo)改造，栽植苗木與相鄰保留帶留有1 m間距，株行距為2 m×1.5 m。誘導(dǎo)苗木栽植時(shí)的地徑、苗高和蓄積量見(jiàn)表1。在經(jīng)過(guò)不同生態(tài)模式改造完成后，當(dāng)年主要進(jìn)行擴(kuò)穴、扶正、培土、踏實(shí)和除草等撫育工作，以后每年進(jìn)行砍去競(jìng)爭(zhēng)植物、割灌、松土、除草等撫育措施。

表1 苗木的地徑、苗高和蓄積量 %

2.2 苗木生長(zhǎng)量及土壤肥力指標(biāo)測(cè)定

于2013年6月采用實(shí)地調(diào)查的方法對(duì)試驗(yàn)樣地進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的采集，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)造林苗木進(jìn)行每木調(diào)查，調(diào)查的項(xiàng)目包括苗高、地徑、生長(zhǎng)量，工具主要有游標(biāo)卡尺和卷尺。

在試驗(yàn)樣地上，按S型布點(diǎn)法各選取4個(gè)樣方，樣方平均分布在改造帶的A、B、C 3段中，第2個(gè)和第3個(gè)樣方分別放在誘導(dǎo)改造樹(shù)種的分界線上，每個(gè)樣方選擇5個(gè)土壤取樣點(diǎn)，每個(gè)樣地均取0～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取樣，每個(gè)土壤樣本為1 kg；同時(shí)用容積為100 cm3環(huán)刀在每個(gè)土壤樣點(diǎn)取原狀土，利用環(huán)刀法測(cè)量土壤的物理性質(zhì)。土壤樣本在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后研磨過(guò)篩，分析其化學(xué)性質(zhì)。土壤全N采用自動(dòng)凱氏法(VS-KT-P型全自動(dòng)定氮儀)；速效N采用擴(kuò)散法測(cè)定；全P采用酸溶-銻抗比色法測(cè)定；有效P采用氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；全K采用酸溶-火焰光度法測(cè)定；速效K采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；pH采用酸度計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用油浴-重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[19]。

2.3 土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)方法

研究低質(zhì)山楊林不同生態(tài)改造后土壤肥力變化規(guī)律，建立合理的生態(tài)改造模式調(diào)控技術(shù)以及土壤肥力質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)模型，對(duì)低質(zhì)林生態(tài)改造的評(píng)價(jià)和應(yīng)用有著極其重要的影響[20]。本研究應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)低質(zhì)山楊林生態(tài)改造后的土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，先用灰色系統(tǒng)求出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析，接著利用相關(guān)系數(shù)法求各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，再求其灰色關(guān)聯(lián)度。最后得到的關(guān)聯(lián)度越高，說(shuō)明生態(tài)改造后土壤肥力的評(píng)價(jià)越高，改造效果越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同改造模式對(duì)誘導(dǎo)苗木生長(zhǎng)的影響

誘導(dǎo)改造苗木的成活率和個(gè)體生長(zhǎng)率見(jiàn)表2。由表2可知，對(duì)誘導(dǎo)改造樹(shù)種而言，西伯利亞紅松的平均成活率和生長(zhǎng)率最高，分別為95.12%和33.87%；就不同生態(tài)改造而言，不同改造模式中S3的平均成活率和生長(zhǎng)率最高。

表2 苗木成活率和生長(zhǎng)量 %

3.2 土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 確定決策矩陣 決策矩陣是有由n個(gè)樣地的m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值組成的集合，m=12，n=5，得到?jīng)Q策矩陣X。

3.2.2 初始化決策矩陣 采用公式(1)對(duì)決策矩陣進(jìn)行初始化處理，即對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱處理。

(1)

(2)

土壤肥力指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij構(gòu)成灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)矩陣R。

對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行LSD差異顯著性分析，得出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的顯著性多重比較(表3)。由表3可知，不同生態(tài)模式改造與對(duì)照樣地之間達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異顯著性。

表3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)多重比較

*：*.均值差的顯著性水平為0.05。

表4 不同生態(tài)改造低質(zhì)山楊林土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重

表5 不同改造模式灰色關(guān)聯(lián)度

wi為土壤肥力各個(gè)指標(biāo)權(quán)重；rij為關(guān)聯(lián)系數(shù)。

在灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)中，理想對(duì)象S是整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中最高的，不同生態(tài)改造后土壤肥力的關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明越接近理想的土壤肥力質(zhì)量，其生態(tài)改造也就越好。由表5可知：所有生態(tài)改造后低質(zhì)山楊林土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度的區(qū)間是[0.648，0.776]，而對(duì)照樣地CK的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.607，表明各生態(tài)改造后的綜合土壤肥力均有所改善。

3.3 不同誘導(dǎo)樹(shù)種對(duì)土壤肥力的影響

分析誘導(dǎo)改造樹(shù)種對(duì)土壤肥力的綜合影響，同時(shí)對(duì)不同誘導(dǎo)樹(shù)種灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析，并進(jìn)行S-N-Ka檢驗(yàn)得到同類子集(表6)，綜合灰色關(guān)聯(lián)度見(jiàn)圖2。由表6、圖2可知，不同樹(shù)種誘導(dǎo)改造后，土壤肥力質(zhì)量均有所改善，且與對(duì)照樣地間土壤肥力存在顯著性差異。其中以興安落葉松的誘導(dǎo)改造效果最佳。

表6 不同誘導(dǎo)樹(shù)種灰色關(guān)聯(lián)同類子集表

4 結(jié)論與討論

圖2 低質(zhì)林誘導(dǎo)改造后土壤肥力質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度

采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)大興安嶺低質(zhì)山楊林在生態(tài)改造后的土壤肥力進(jìn)行綜合分析，其關(guān)聯(lián)度從大到小的順序?yàn)镾3(0.776)>S2(0.751)>S4(0.730)>S1(0.648)>CK(0.607)。S3生態(tài)改造模式得到的灰色關(guān)聯(lián)度最高，為0.776，由此可知帶寬為14 m的生態(tài)改造效果最佳。從土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度可知，隨著生態(tài)改造寬度的增加，土壤肥力的綜合質(zhì)量呈先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)楦脑鞂挾仍酱螅?yáng)光輻射面積越大，微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)越高；然而生態(tài)改造寬度過(guò)大，出現(xiàn)水土流失，土壤肥力綜合質(zhì)量就會(huì)下降。誘導(dǎo)樹(shù)種改造中，西伯利亞紅松的平均成活率、生長(zhǎng)率最高，分別為95.12%、33.87%。就不同生態(tài)改造而言，不同改造模式中14 m帶寬誘導(dǎo)樹(shù)種苗木的平均成活率和生長(zhǎng)率最高。不同的指標(biāo)對(duì)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度不同，因此需要對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。本研究采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行賦權(quán)，有效磷的權(quán)重最高，為0.099，其次是有機(jī)質(zhì)權(quán)重，為0.098，說(shuō)明土壤中有效磷和有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)土壤肥力的綜合質(zhì)量影響程度最大。土壤中有效磷的某些形態(tài)是能量傳遞的介質(zhì)和載體，為林木的生長(zhǎng)和繁殖做儲(chǔ)備。土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量變化作為土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量狀況的最重要表征，是制約土壤理化性質(zhì)如含水率、孔隙度、土壤密度、土壤碳通量以及土壤養(yǎng)分等關(guān)鍵因素。

低質(zhì)山楊林不同生態(tài)改造后土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)不僅與經(jīng)營(yíng)模式有關(guān)，還與光照、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等因素密不可分，形成了現(xiàn)有的林地土壤肥力和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，這方面還有待研究。

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The Comprehensive Evaluation of Soil Fertility ofPopulusdavidianaLow-quality Forest Stands after Ecological Transformation

MAO Bo，DONG Xi-bin，SONG Qi-liang，CHEN Bai-ling

(CollegeofEngineeringandTechnology，NortheastForestryUniversity，Harbin，150040，Heilongjiang，China)

Determined and analyzed the changes about the soil fertility of populus davidiana low quality forest.With bandwidths strip reforms in the Greater Hinggan Mountains region and then planting separatelyPinussibirica,Larixgmelinii,Pinussylvestrisvar.mongolicafrom 2009.Grey system was used to theoretically investigate the soil fertility indexes of the low-quality forest after the low-quality forest alternated in different bandwidth strip reforms.We performed the comprehensive evaluation of soil fertility in different ecological transformations using grey correlation，and the results showed us that all transformation methods showed positive effects on the soil fertility.The best bandwidth of ecological transformation is 14 m，and the Mongolica induction was the best effect induced transformation of Soil fertility.We developed a comprehensive evaluation method for populus davidiana low-quality forest alteration，which can provide a basis for forest management.

Populusdavidiana；ecological transformation；grey system theory；soil fertility

2014-05-10；

2014-06-24

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004043)；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(GA09B201-03)

毛波(1989—)，男，安徽宿州人，東北林業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事森林作業(yè)與環(huán)境研究。E-mail：405488374@qq.com。

董希斌(1961—)，男，東北林業(yè)大學(xué)教授，從事森林培育研究。E-mail：xibindong@sina.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.009

S714.8

A

1002-7351(2015)02-0040-06