阔叶混交低质林诱导改造后土壤养分的模糊综合评价1)

曾翔亮 董希斌 宋启亮 崔 莉

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤作为植物生长的重要介质，不仅为植物的生长提供了物理支撑，而且为植物生长提供了水分、微生物和必要的养分，是生态系统中物质和能量循环的重要场所［1］。土壤养分和土壤理化性质息息相关，不但直接影响植物的生长发育，而且也对森林群落内植物种类的分布格局具有重要影响［2］。因此，国内外许多学者对各地的土壤养分和土壤理化性质进行了大量的研究［3－6］，但由于土壤养分的影响因子众多，目前国内对土壤养分的评价还停留在定性描述以及传统的定量描述，其中定性描述已无法满足人们对土壤研究的需要，而传统的定量化描述则存在着较大的主观随意性［7］。模糊综合指数评价法是指对多种模糊因素所影响的事物或现象进行总的评价，是一种定量研究多种属性事物的方法［8］。本研究以大兴安岭林区中的阔叶混交低质林为研究对象，采用模糊综合指数法对不同诱导改造方式下阔叶混交低质林的土壤养分质量分数建立评价模型，分析比较不同诱导改造方式对林地土壤养分质量分数的影响，以期为阔叶混交低质林的改造和培育提供参考依据。

1 试验地区概况

试验地区位于加格达奇林业局翠峰林场174林班(124°23'47.8″E ～124°24'35.1″E，50°34'9.17″N ～50°34'32.0″N)，地处黑龙江省大兴安岭林区的最南部，属于限伐区，主要流经河流为甘河。该地区的平均海拔为472 m，地势平缓，坡度在10°左右，立地条件好;土壤肥沃，以暗棕壤和棕色针叶林土为主，土壤厚度为15～30 cm;林分类型为阔叶混交低质林(杨树、蒙古栎、黑桦等)，乔木平均胸径为11 cm，灌木以杜鹃为主，草本以莎草为主;属寒温带大陆性季风气候，年平均气温为－1.2℃，年平均降水量为494.8 mm。

2 研究方法

试验数据采集:对大兴安岭林区加格达奇林业局翠峰林场174林班的阔叶混交低质林进行带状改造。带状改造试验区以顺山带设置，共4条皆伐带，皆伐带的带宽依次为6、10、14、18 m，每条皆伐带平均分成3段，分别栽植樟子松、落叶松、西伯利亚红松，栽植苗木时与相邻保留林带距离1 m，株行距配置为2.0 m×1.5 m。同时，在阔叶混交低质林试验区中设置一个未采伐的对照样地(CK)。

采样时间选在2012年的6月底，在带状改造试验区每条采伐带和对照样地沿山坡上、中、下按“S”型分别选取5个采样点，每个样点取土壤剖面为0～10 cm的土壤1 kg带回实验室，鲜土在实验室做自然风干处理，然后研磨过筛，用于分析土壤养分质量分数，分析方法［9］见表1。

表1 森林土壤分析方法

将测得的数据录入Excel 2010进行基本处理后，再导入Matlab7.0中对矩阵进行计算。

模糊综合指数法:设影响土壤养分质量分数的因子有n个，由这n个因子组成土壤养分质量分数评价因子集U。

U=(U1，U2，…，Un)。

设有m种不同的土壤养分质量分数评价等级，它们组成与U相对应的土壤养分质量分数评价等级集V。

V=(V1，V2，…，Vm)。

在V和U均给定之后，土壤样本的养分因子与评价等级之间的模糊关系可用模糊矩阵R表示。

R=(rij)n×m(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)。

其中，rij表示第i种土壤养分的质量分数可以被评为第j种土壤养分质量分数等级的可能性，即i对j的隶属度。

由于土壤养分质量分数评价因子集U中各养分因子在土壤养分质量分数评价中所起的作用不一样，因此，评价时应给Ui分配相应的权重系数，它们构成土壤养分质量分数评价因子集U的权重矩阵W。

已知模糊矩阵R和权重矩阵W后，对于n种土壤养分因子，可得到其多指标模糊综合评价矩阵B。

则可求出土壤养分质量分数的模糊综合指数FC，I。

其中，G为土壤养分质量分数等级标准向量，GT=(1，2，…，m)。

FC，I值越小，说明该样地的土壤养分质量分数等级越高，土壤养分越好。

3 结果与分析

3.1 土壤养分传统定量评价

阔叶混交低质林经过不同诱导改造后，样地内各土壤养分影响因子质量分数的实测值见表2。在土壤有机质、全氮和有效磷质量分数方面，和对照样地相比，除18 m诱导改造带有所上升外，其余诱导改造带的均有不同程度地下降;而在土壤全钾质量分数方面，则正好相反，除18 m诱导改造带有略微下降外，其余诱导改造带均有不同程度地升高，其中土壤全钾质量分数最高的是14 m诱导改造带，达到了26.05 g·kg－1;而在土壤全磷和碱解氮质量分数方面，除10 m诱导改造带有所下降外，6、14、18 m诱导改造带均有不同程度地升高。

显然，采用传统方法对土壤养分进行定量评价，得到的结果粗糙，很难判断改造后样地的土壤养分质量分数是否上升，也很难筛选出最适合阔叶混交低质林的改造方法。

表2 样地土壤养分质量分数

3.2 土壤养分模糊综合评价

3.2.1 确定土壤养分评价因子和评价标准

在考虑大兴安岭的土壤特征以及专家的指导下，本研究选取差异显著、对土壤养分和植物生长影响较大的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾作为评价因子，因此，n=7。

本研究中，土壤养分质量分数评价标准参考全国第二次土壤普查养分分级标准［10］(表3)，因此，m=6。

表3 全国第二次土壤普查养分质量分数(c)分级标准

3.2.2 建立模糊关系矩阵

模糊关系矩阵R的建立主要是计算隶属度rij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)，而 rij可通过隶属函数来确定。本研究中土壤养分的影响因子与土壤养分均为S型曲线关系，因此，用S型隶属函数计算隶属度。为了便于计算，文中用折线型分段函数模拟S型隶属函数。

对于第1级土壤养分质量分数，即j=1，其隶属函数为:

对于第2～5级土壤养分质量分数，即j=2～5，其隶属函数为:

对于第6级土壤养分质量分数，即j=6，其隶属函数为:

式中，Xi是第i种养分因子的实测值;Sij是第i种养分因子的第j级评价标准，由表3可知，本研究中的S矩阵如下:

根据公式(3)、(4)和(5)，可求出对照样地和各诱导改造带的模糊关系矩阵:

其中:R1为对照样地的模糊关系矩阵，R2、R3、R4和R5分别为6、10、14、18 m诱导改造带的模糊关系矩阵。

3.2.3 计算各土壤养分因子权重

由3名放射影像科医师（其中2名医师具有中高级职称）在PACS工作站共同完成。观察内容包括病灶生长的位置、大小、形态、密度、与周围结构的关系以及增强扫描病灶的强化方式。

本研究中采用变异系数法计算各土壤养分因子的权重，采用变异系数法可以直接利用各土壤养分影响因子所包含的信息，通过计算得到各土壤养分影响因子的权重，是一种客观赋权的方法［11］。各土壤养分因子的变异系数公式如下:

式中:Vi是第i个土壤养分影响因子的变异系数，也称为标准差系数;σi是第i个土壤养分影响因子的标准差;是第i个土壤养分影响因子的平均值。

各个土壤养分影响因子的权重为:

将表2中的数据按公式(6)和(7)计算，可求出各土壤养分影响因子的权重系数，因此，得到各影响因子的权重矩阵W:

W=(0.20，0.14，0.06，0.12，0.10，0.24，0.14)。

3.2.4 计算多指标模糊综合评价矩阵

根据公式(1)，利用 Matlab7.0 计算［12］可得到各样地土壤养分质量分数的模糊综合评价矩阵B。

B2=W·R2=(0.420，0.238，0.155，0.076，0.111，0);

B3=W·R3=(0.599，0.118，0.144，0.067，0.072，0);

B4=W·R4=(0.604，0.099，0.159，0.131，0.007，0);

B5=W·R5=(0.662，0.134，0.081，0.123，0，0)。

其中，B1为对照样地的模糊综合评价矩阵;B2、B3、B4、B5分别为 6、10、14、18 m 诱导改造带的模糊综合评价矩阵。

3.2.5 模糊综合指数的计算

由表3 可知，GT=(1，2，3，4，5，6)，因此，由公式(2)可计算出各个样地土壤养分质量分数的模糊综合指数 FC，I。

FC，11=B1·G=1.93;

FC，12=B2·G=2.22;

FC，13=B3·G=1.89;

FC，14=B4·G=1.84;

FC，15=B5·G=1.66 。

其中，FC，11为对照样地土壤养分质量分数的模糊综合指数，FC，12、FC，13、FC，14和 FC，15分别为 6、10、14、18 m诱导改造带土壤养分质量分数的模糊综合指数。

4 结论与讨论

土壤养分是衡量土壤肥力的核心指标，是土壤肥力综合评价的根本［13］。森林采伐，尤其是皆伐会移除大量的地面生物量，使森林微气候发生改变，导致水热光等各种环境影响因子的再分配，从而使枯落物的分解条件发生改变，影响森林生态系统物质和能量的循环过程，并使土壤养分发生改变。研究采伐后林地土壤养分的分布特征，对于了解营养元素循环、森林生态系统土壤肥力和森林群落的更新演替规律具有重要意义［2，14］。文中采用模糊综合指数法对大兴安岭阔叶混交低质林在不同诱导改造后的土壤养分质量分数进行研究，得到各样地土壤养分质量分数的模糊综合指数(FC，I)由大到小的顺序为6 m 诱导改造带(2.22)、对照样地(1.93)、10 m诱导改造带(1.89)、14 m 诱导改造带(1.84)、18 m诱导改造带(1.66)，表明除6 m诱导改造带外，其他诱导改造带的土壤养分质量分数等级均要优于对照样地的，这主要是因为皆伐改造后的初期，森林郁闭度降低，阳光可以直达地表，土壤温度比对照样地要高，在土壤微生物的作用下，采伐迹地上留存的大量采伐剩余物变得易于分解，矿化速率加快，再加上采伐后的枯枝落叶层的有机质在降水的淋溶作用下，导致诱导改造后初期的土壤养分质量分数增加［15］;而6 m诱导改造带的土壤养分质量分数等级不如对照样地，可能是因为皆伐后样地出现水土流失，土壤养分质量分数下降。另外，从模糊综合指数计算结果可知，随着采伐带宽的增加，土壤养分质量分数等级升高，这可能是因为采伐带越宽，诱导改造带的阳光越充足，土壤温度升高的越高，诱导改造带的微气候越适宜采伐剩余物的分解，从而使诱导改造带的养分质量分数越高。

对各土壤养分影响因子科学地赋予不同的权重，有利于提高土壤养分质量分数等级评价的精度。本研究根据对大兴安岭诱导改造后样地的实测数据，采用变异系数法对各指标客观求权重，有效地避免了层次分析法等由于人为主观因素而造成的权重分配偏差。结果显示，有机质、有效磷的权重分别为0.20 和 0.24，高于全氮(0.14)、全磷(0.06)、全钾(0.12)、碱解氮(0.10)以及速效磷(0.14)，说明有机质和有效磷是影响土壤养分的主要因子。因此，在今后的低质林培育过程中可以适当地施加磷肥，以保持林地土壤肥力的长期有效性。

文中采用模糊综合指数法对各诱导改造带和对照样地的土壤养分质量分数建立评价模型，避免了定性评价和传统定量评价所存在的主观性强、结论粗糙、评价所提供的信息量少等弊端。采用模糊综合指数法的评价结果显示大兴安岭阔叶混交低质林的土壤养分质量分数等级均在2左右，说明各样地的土壤非常肥沃，这与大兴安岭的实际情况是比较相符的，也说明本研究采用模糊综合指数法对土壤养分质量分数等级进行评价，是科学可行的。另外，文中建立的模糊综合评价模型具有良好的通用性，对其他区域的土壤养分质量分数等级进行评价时，只需根据实际情况稍微进行调整，即可得到评价结果，对今后的森林经营和培育具有重要的借鉴意义。

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