不同采伐强度后小兴安岭低质林土壤养分的灰色聚类评价1)

张 泱

(黑龙江省铁力市人民政府，铁力，152500)

曾翔亮 董希斌 宋启亮

(东北林业大学)

土壤质量的高低直接影响着地上植物的生长和分布，作为土壤质量的核心，土壤肥力质量是众多土壤肥力要素综合作用的反映，在水、热、光等环境因子相近的条件下，土壤肥力质量是影响森林生态系统生产力的主要因素[1]。而土壤养分又是土壤肥力的重要组成部分，保持和提高土壤养分是实现农业和林业可持续发展的基础[2－3]。王军等[4]对黄土高原典型小流域土壤养分的空间异质性特征进行研究，发现土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷的理论模型均为球状模型;Richard Condit等[5]对巴拿马中部热带雨林的550个树种分布的影响因素进行调查研究，发现旱季强度和土壤养分是最主要的影响因子。周莉等[6]对长白山阔叶红松混交林的不同采伐年限迹地的土壤养分质量分数进行研究，发现采伐年限对迹地土壤养分质量分数具有重要影响。小兴安岭林区面积1206万hm2，木材蓄积量约为4.5亿m3，是我国主要林区之一，但由于在20世纪遭受过强烈的自然和人为干扰，形成了大片植被总盖度低、林木生长缓慢、林地土壤严重侵蚀的低质林[7]。本文以小兴安岭低质林为研究对象，采用灰色聚类方法对不同采伐强度后林地的土壤养分进行综合评价，以期为今后小兴安岭低质林的改造和培育方向提供参考依据。

1 试验区概况

试验区设在黑龙江省伊春林区铁力林业局所属马永顺林场。该林场位于小兴安岭南麓，地形特点为南高北低，地势平缓，坡度在10°左右，海拔为117～284 m。水系为松花江支流水系，属大陆性季风气候，气候温热湿润，春秋两季天气多变，冬季漫长，且气候寒冷干燥，夏季较短，但降水集中，年平均降水量为641 mm，年平均温度为1.1℃，年日照时间约为2477 h。初霜在9月中旬，晚霜在5月中旬，无霜期为113～126 d。试验区的林分类型为针阔混交林，平均林龄62 a，平均树高18 m，下层木主要是山高粱，草本以三棱草为主，土壤以暗棕壤为主，土壤平均厚度为44 cm。

2 材料与方法

2008年1月16日—2月2日，在小兴安岭马永顺林场500林班选取典型的针阔混交低质林进行采伐改造，建立采伐强度各不相同的7个样地分别为:22%(Z1)、31%(Z2)、41%(Z3)、47%(Z4)、55%(Z5)、66%(Z6)、77%(Z7)。每个样地的面积均为0.5 hm2，采伐后仍保持针阔混交林，同时在试验区域附近的针阔混交低质林内设置一个未采伐的对照样地(CK)。各试验样地的立地条件和林分概况见表1。

表1 试验样地基本概况

测定时间选在2012年4月底(采伐后第4年)，在每个采伐样地和对照样地的山坡上、中、下机械选取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，然后去除杂质并研磨过筛，用于分析土壤养分质量分数，分析方法见表2。

表2 土壤养分测定方法[8]

将测得的数据录入Excel2010，进行基本的处理后，导入SPSS17.0和Matlab7.0中进行进一步的计算处理。

3 土壤养分测定结果

小兴安岭经过不同强度的采伐后，各样地土壤养分指标的实测平均值见表3。从表3可知，择伐后所有样地中，除了Z5样地的有机质质量分数(37.24 g·kg－1)比对照样地(27.61 g·kg－1)高外，其他样地的有机质质量分数均不同程度的低于对照样地;7个采伐样地的全氮质量分数为1.12～1.95 g·kg－1，和对照样地(1.07 g·kg－1)相比，均有所上升;在全磷质量分数方面，除了Z1样地(1.76 g·kg－1)略高于对照样地(1.55 g·kg－1)外，其他采伐样地均出现不同程度的下降;而各采伐样地中除了Z3和Z5样地的全钾质量分数稍低于对照样地(10.48 g·kg－1)外，其他采伐样地均有不同程度的上升;在碱解氮质量分数和速效钾质量分数方面，也表现出类似的结果:除了Z2、Z4样地的碱解氮质量分数以及Z2、Z3样地的速效钾质量分数略低于对照样地CK外，其他采伐样地的碱解氮和速效钾质量分数均不同程度的高于对照样地;而经过不同强度采伐后，各样地的有效磷质量分数为27.13～38.00 mg·kg－1，和对照样地(26.63 mg·kg－1)相比，均有不同程度的上升。

表3 样地土壤养分实测值

4 土壤养分灰色聚类评价

4.1 确定聚类样本

评价指标是指参与土壤养分评价的一种可测定的土壤属性，选择合适的参评指标，是土壤养分评价的基础，有利于提高土壤养分综合评价的精度[9]。合理的评价指标体系除了应符合最小指标集外[10]，还应尽量遵循主导性、稳定性和生产性的原则[11]。在遵循上述原则的情况下，同时考虑小兴安岭的土壤特征以及相关专家的建议。本研究选取有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾作为小兴安岭土壤养分的评价指标。记样地i=1，2，…，n为聚类对象;土壤养分评价指标j=1，2，…，m为聚类指标;土壤养分评价等级k=1，2，…，p为聚类灰数;第i个聚类对象的第j个聚类指标的实测值dij为聚类白化数。表3即为由n个聚类对象的m个聚类指标实测值dij组成的土壤养分聚类样本(本研究中n=8，m=7)。

4.2 确定白化函数

将土壤养分等级分为p级，则有p个灰类，参考全国第二次土壤普查养分分级标准(表4)，可知本研究中p=6。

表4 全国第二次土壤普查养分分级标准[12]

因为本研究中的土壤养分指标均为效益型指标，因此参考全国第二次土壤养分分级标准，确定第i个聚类对象的白化函数。

(1)第j个指标的第1灰类(第k=1等级土壤养分)白化函数为:

(2)第 j个指标的第 k灰类(第 k=2，3，4，5 等级土壤养分)白化函数为:

(3)第j个指标的第6灰类(第k=6等级土壤养分)白化函数为:

式中:fjk(dij)是聚类白化数dij的白化函数值;dij是第i个聚类对象的第j个聚类指标实测值;sjk是第j个聚类指标第k灰类的灰数(评价标准值)。

4.3 确定聚类权

聚类权是衡量各个指标对同一灰类的权重[13]，目前确定聚类权的方法有很多[14－17]，本研究采用相关系数法进行权重的计算，基本思想为m个聚类指标中，分别求出第j个聚类指标与其他m－1个聚类指标之间的相关系数(表5)，然后将它们的绝对值加在一起，我们把它定义为第j个聚类指标的总相关系数Rj。

Rj越大，表明第j个聚类指标与其他m－1个聚类指标的相关性越显著，则第j个聚类指标的代表性就越好，第j个聚类指标数据对土壤养分综合评价值的影响就越大，因此，其权重也就越大[18]。第j个聚类指标的聚类权ηj的计算公式为:

式中:ηj为第j个土壤聚类指标的灰色聚类权值;Rj为第j个土壤聚类指标的总相关系数。

表5 土壤养分相关系数

由表5可计算出Rj，然后根据公式(4)即可计算出各个土壤聚类指标的聚类权值，有机质为0.191、全氮为0.113、全磷为 0.096、全钾为 0.185、碱解氮为 0.179、有效磷为 0.137、速效钾为 0.099。

4.4 确定灰色聚类系数

灰色聚类系数σik计算公式如下:

式中:σik为灰色聚类系数，它反映了第i聚类样本对第k灰类的亲疏程度;fjk(dij)是由聚类白化数dij计算得到的白化函数值;ηj为聚类指标j的灰色聚类权值。

根据公式(1)～(5)可求得灰色聚类系数σik，结果如表6所示。

表6 灰色聚类系数

5 结论与讨论

小兴安岭的低质林经过不同强度的采伐后，和对照样地(CK)相比，各个样地的有机质、全磷质量分数几乎都有不同程度的下降;而各个样地的全氮、全钾、速效钾、碱解氮、有效磷质量分数在总体上均不同程度的高于对照样地。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[20]。然而，仅仅通过某项土壤养分指标是很难对各个样地的土壤养分进行评价比较的，因此，本研究在参考全国第二次土壤普查养分分级标准的基础上，采用灰色聚类法对各样地的土壤养分进行综合评价，结果显示:对照样地CK的土壤养分等级为第3等级，在所有的采伐改造样地中，样地Z5的土壤养分等级最高，为第1等级;样地Z3和Z4的土壤养分等级为第2等级，土壤养分等级次之，但仍然高于对照样地;样地Z1、Z2、Z6和Z7的土壤养分等级均为第3等级，与对照样地的等级一样。说明采伐强度太高或太低对低质林土壤养分的改善效果均不明显，而当采伐强度为41%～55%时，样地土壤养分等级均高于对照样地，土壤养分得到明显改善，尤其是当采伐强度为55%时，样地的土壤养分等级为第1等级，是所有择伐改造中效果最明显的，从土壤养分的角度看，55%的采伐强度最适宜小兴安岭低质林的改造。

森林的凋落物是土壤养分的主要来源，它们经过微生物的分解和矿化作用后，会转化成土壤的养分[21]。低质林经过采伐后，林地的枯枝落叶量减少，但林地内会留有一定量的采伐剩余物，二者的综合作用会使林地的土壤养分发生变化[22－24]。样地Z1和Z2的土壤养分与对照样地相比没有明显改善，可能是因为采伐强度太低，林地内的采伐剩余物增加不明显;而采伐强度较大的样地Z6和Z7的采伐剩余物虽然比较多，但是却因为移走了大量的地上植被，导致林地的枯枝落叶来源大量减少，因此土壤养分与对照样地相比也没有明显改善;而样地Z3、Z4和Z5的土壤养分升高较明显，可能与中等采伐强度使林地的枯枝落叶减少不多，但采伐剩余物增加较多有关。

本研究采用灰色聚类法和相关系数法对各样地的土壤养分建立综合评价模型，通过对白化数据的灰化处理，避免了定性评价和传统定量评价主观随意性大、结果粗糙的弊端，评价结果与实际情况也是比较相符的，而且所建模型具有通用性，可用于其它区域土壤养分的综合评价。但是，灰色聚类法是按最大隶属原则对样地的土壤养分进行聚类的，只考虑了主要信息，而忽略了一些次要信息，但是这些次要信息对评价结果往往也具有重要影响，因此，仅仅采用灰色聚类法对土壤养分进行评价有一定局限性，仍有待改进。

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