不同树种水土保持林对坡面土壤水肥状况的影响

梁潇洒，王雪，娄义宝

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000)

不同树种水土保持林对坡面土壤水肥状况的影响

梁潇洒，王雪，娄义宝

(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000)

摘要通过测定不同树种林分下土壤的肥力及物理性状，采用改进层次分析法( AHP)对土壤肥力水平进行综合评价，并结合各土壤入渗及持水特征对土壤水平进行对比。结果表明:在中坡，山楂林分土壤肥力综合水平、蓄持水能力都高于杨树林分，但其稳定入渗速率低于杨树林分;坡顶处，核桃林土壤肥力及入渗能力均高于荒草地，但其容重较大;板栗林土壤入渗及持水状况好于荒草地，但土壤肥力水平低于后者。

关键词层次分析;土壤肥力;入渗;持水;对比分析

水土保持林能够改善土壤内在的理化性状、提高土壤抗蚀性，是保持水土、防止土壤侵蚀的特有林种。不同树种的水土保持林对林下土壤的理化性质的影响不同［1，2］。通过了解不同树种对林下土壤理化性质的影响状况，能够帮助我们选择、培育树种，从而发挥更好的水土保持作用。

层次分析法(简称AHP方法)是一种定性与定量相结合的决策分析方法，对各种类型问题的决策分析具有较广泛的实用性。目前，AHP法已被广泛应用于生态、土壤肥力等评价中。但在运用AHP法进行评价过程中，专家的判断差异可能会对权重的判定产生一定的影响，继而影响评价结果的准确性。为避免上述缺陷，可采用样本各指标实测数据标准差Si来反映各指标对综合评价的影响大小程度，并用Si构建判断矩阵，可对AHP法进行改进［2］。

本文采用改进的AHP法通过对指标设置不同权重，对杨树、核桃、板栗、山楂林下土壤肥力状况进行综合评价，同时结合部分土壤物理性质对土壤水、肥条件进行对比，探讨不同坡位不同树种对土壤性状产生的影响。

1　研究区概况及研究方法

1.1研究区概况

研究区坐落于柳江盆地。介于119°30'—119° 40' E，40°02'—40°14' N之间。盆地南北长约20 km，东西宽约12 km，北、东、西三面为山，仅南面向渤海开口，地貌形态为南北向延伸、中浅切割的低山丘陵区。本区处于中纬度地带，为暖温带半湿润季风区，属于暖温带半湿润季风性气候。四季分明，光照充足，水热资源丰富。年降水量为400～1 000 mm，年平均降雨量695.5 mm，多集中于7—8月，可

达年降水量的70%。

1.2研究方法

选取杨树、山楂、板栗、核桃林下土壤作为研究对象，每个对象设置5个取样点，对其土壤理化性质进行分析，取各指标的平均值用于综合评价分析。指标为土壤容重、土壤含水率、土壤入渗状况(环刀法)、土壤有机质含量(油浴法)、土壤水解性氮含量(扩散吸收法)、全氮量(半微量开式法)、有效磷含量( NaHCO3浸提，钼锑抗比色法)、全磷量( HClO4—H2SO4消煮，钼锑抗比色法)、速效钾含量(火焰光度计法)、全钾量(火焰光度计法)［5－6］。实验数据采用Excel及Matlab7.0进行处理。

表1　试验地基本概况

1.3改进层次分析法综合评价模型的构建

1.3.1土壤肥力隶属度函数的构建当上述所选定的各项指标的数值超过或者低于某一数值时，与土壤肥力的相关性较低，且各指标量纲的不同使得各指标数值之间有很大的差异。使用各因素对土壤肥力的隶属度作为评价指标，可以减小上述差异。

根据所选指标对植物影响特征，选用S型隶属度函数，建立函数如下:

式中x1和x2分别是评价指标的下限和上限值。经过上述公式的处理，可以得到各评价指标的隶属度值，并可建立土壤肥力评价指标隶属度矩阵Zm×n= { zij}，i = 1～m，j = 1～n; i为指标个数，j为样本数。

1.3.2判断矩阵的建立从综合评价的角度看，评价指标内部变化的程度越大，则其为综合评价传递的信息越多，因此反映样本内数据变化程度的标准差Si可用来反映各评价指标对综合评价的影响程度，并用于构建判断矩阵An×n［6］。矩阵An×n内部值aij用下式计算［7］:

式中，Smax和Smin分别为{ S( i) i =1～n}的最大值和最小值;相对重要性程度参数值bm= min{ 9，int ［Smax/Smin+0.5］}，min和int分别为取最小和取整函数。

矩阵An×n的最大特征值所对应的特征向量即为权重。

1.3.3判断矩阵的一致性检验为了使判断矩阵在逻辑上是合理的，应对判断矩阵进行一致性检验。当一致性指标CR＜0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性。矩阵一致性的检验公式为:

表2　平均随机一致性指标RI

1.3.4土壤肥力综合评价模型的建立由评价各指标的隶属度值结合其权重可以建立土壤综合评价的模型:

式中: FI为第k个采样点的土壤肥力质量指数值，zki为第k个采样点的第i个指标的隶属度值; wi为第i个指标的权重值。

1.3.5土壤肥力的综合评价结果根据上述改进的AHP法并对评价指标选择合适上下限值，构建判断矩阵An×n及隶属度矩阵Zm×n如下:

利用Matlab7.0求得矩阵An×n的最大特征值λmax= 7.219 3，利用方根法求得特征向量为( 0.102 3，0.039 1，0.036 3，0.045 1，0.465 4，0.046 4，0.265 4)T;将λmax代入一致性检验公式得CR =0.026 9＜0.1，满足判断矩阵的一致性检验，即所得到的特征向量可作为对应评价指标的权重值。

表3　不同林下土壤肥力评价指标权重值

结合权重得到四种林下土壤综合评指数FI大小排序，中坡:山楂林0.969＞杨树林0.782;坡顶:核桃林0.484＞荒草地0.460＞板栗林0.277。

表4　不同林下土壤肥力指标

2　结果分析

2.1土壤肥力分析

从已测数据和分析结果来看，中坡位置山楂林下土壤肥力指数高于杨树;坡顶位置土壤肥力指数核桃＞荒草地＞板栗林。各评价指标中，坡顶的荒草地有机质含量过高，可能是由于荒草地常年枯死的草本植物不断在土壤中积累造成的;核桃林下土壤肥力略好于荒草地，说明种植核桃可对土壤肥力起到改良作用，而板栗林低于荒草地水平，则可能是板栗对土壤肥力的消耗比较大。中坡的山楂林下土壤各肥力指标水平都较高，说明其林下土壤生产能力、生产潜力都较大。

2.2土壤入渗及持水特征分析

土壤入渗及持水能力直接影响着土壤的抗蚀性及水土保持作用。入渗能力强的土壤，能够将降水及时入渗，延缓径流的形成;另外，入渗到土壤中的水分除少量在深层渗漏以外，其绝大部分都直接转化为土壤水储存在“土壤水库”中［9］，这就为植物生长发育提供更多的水分。土壤容重、孔隙度影响土壤的持水能力。土壤容重较小时，土粒间距较大，土体疏松，孔隙度大，土壤具有较强的水分蓄持能力;土壤容重大时，土壤结构较致密，孔隙度小，土壤水分蓄持能力差［10］。土壤含水量则对土壤入渗及持水都有影响，同一土壤结构状态下，土壤入渗率随土壤含水量的增加而减小，同时由于土壤含水量大，其所能继续蓄持的水量减少。

从测定的结果来看，在中坡，山楂林下土壤容重、含水量均小于杨树，其所能蓄持的水量要大于杨树。所以，在发生较大降水时，山楂林下土壤产流量小于杨树。但杨树林下土壤稳定入渗率要高于山楂，即在降水强度较大时，杨树林下

土壤产流的速度要慢于山楂。坡顶位置，板栗林土壤容重及稳定入渗率都高于荒草地，且其含水量小于荒草地。说明与荒草地相比，栽植板栗后，土壤的持水及入渗能力均有所提高，土壤的水土保持效果得到提高;核桃林土壤的稳定入渗率、含水量高于荒草地，但其容重较之荒草地有所增长，即核桃林土壤另外可蓄持水量小于荒草地，但前者在降雨强度较大时，前期降水能及时入渗，推迟地表径流的产生。从另一方面来说，荒草地在降雨强度较大时，易形成地表径流，从而导致水土流失的发生。

表5　各林下部分土壤物理指标

3　总结

3.1山楂林下土壤肥力及入渗、持水状况都较好，是良好的坡面水土保持树种。

3.2荒草地土壤入渗能力差，要进行水土保持治理，以防止坡面径流造成的水土流失。

3.3板栗林对土壤入渗及持水能力有改善作用，但对土壤肥力有较大消耗，需要通过管护培肥，以保证其正常生长。

3.4核桃林下土壤孔隙度较小，可通过翻耕等降低其土壤容重，从而更有利于植物生长。

参考文献:

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［8］汪应洛.系统工程［M］.2版.北京:机械工业出版社，2001

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［10］李卓，吴普特，冯浩，等.容重对土壤水分蓄持能力影响模拟试验研究［J］.土壤学报，2010，47( 7) : 611－620

Effects of Different Tree Species for Soil Water Conservation on Soil Moisture Content and Fertility on Slope

Liang Xiaosa，Wang Xue，Lou Yibao
( Environmental Science and Engineering Institute，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

AbstractBy measuring the physicochemical properties of soil understory with different slope positions，soil fertility was comprehensively evaluated by adopting improved analytic hierarchy process ( AHP).Soil level was compared by the characteristics of soil infiltration and water retention capacity.Result shows that at the middle of the slope，comprehensive levels of soil fertility and water holding of Crataegus pinnatifida are all higher than that of Populus simonii，but its steady infiltration rate is lower than that of Populus simonii; at the top，the soil fertility and water infiltration capacity of Juglans regia are higher than that of wild grass ground，but it have greater bulk gravity; the soil infiltration and water retention capacity of Castanea mollissima are higher than that on wild grass ground，but its fertility level is below than that of the latter.

Key wordsanalytic hierarchy process; soil fertility; infiltration; water holding; comparative analysis

作者简介:梁潇洒( 1993－)，男，本科在读，从事水土保持与荒漠化防治研究.

收稿日期:2015－06－17

文章编号:1005－5215( 2015)09－0005－03

中图分类号:S714

文献标识码:Adoi:10.13601/j.issn.1005－5215.2015.09.002