低质山杨林生态改造后土壤肥力综合评价

毛 波，董希斌，宋启亮，陈百灵

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

低质山杨林生态改造后土壤肥力综合评价

毛 波，董希斌，宋启亮，陈百灵

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

2009年对大兴安岭低质山杨林进行顺山带宽(分别为6、10、14、18 m)分别栽植西伯利亚红松(Pinussibirica)、兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaPine)进行诱导改造；应用灰色关联度法对不同带宽生态改造后的林地土壤肥力进行综合评价。结果表明，所有的生态改造对土壤肥力均有改善作用，其中带宽以14 m，树种以兴安落叶松的诱导改造效果最佳，可为低质山杨林的改造提供参考。

山杨；生态改造；灰色关联度；土壤肥力

森林生态系统在调节气候、维持生物多样性、改善土壤性能、防止地质灾害和保障农林业生产等方面有着无可替代的重要作用[1]。世界范围内森林生态系统的退化已成为严重的环境问题[2-3]，对此，恢复森林生态系统的计划也正逐步开始实施[4]，以期改善森林生态环境，恢复森林生态系统的多种功能，从而达到提高森林中的生物多样性、增加木质林产品的产量、恢复土壤的理化性质等方面的功效[5]。土壤对植物生长和产量的形成均会产生重要影响。土壤的改变会使森林生态系统发生变化，同时，森林生态系统的变化又会引起土壤的演变，土壤在森林生态系统的物质和能量传输中有着不可或缺的作用[6]。土壤肥力状况直接影响到林木的分布、生长和产量[7]。史凤友等[8]通过对落叶松与核桃楸、椴树混交林研究发现，带状混交林有助于改善林地土壤养分，提高林分质量。杨承栋等[9]研究表明：植被覆盖度的大小对凋落物分解、微生物数量、生物化学活性和土壤理化性质等方面有显著影响。Andrews等[10]运用多元统计方法，求取目标权重并且根据非线性得分函数侧重评价了不同管理方式下土壤肥力的差异。Masto等[11]引入线性和非线性得分函数，通过逐步回归法综合生成了土壤肥力质量指数。吴玉红等[12]运用模糊层次分析法求得土壤肥力的单项指标权重，对土壤肥力进行了模糊综合评价。肖慈英等[13]将灰色关联评价法运用到土壤肥力评价中，分析结果可靠性较强。曾翔亮等[14]运用灰色关联对不同诱导改造后大兴安岭蒙古栎低质林土壤养分进行综合评价得到很好的效果。研究表明：采伐使得林地表层物质中氮含量下降[15]，总氮量也呈下降的状态[16]，土壤中磷含量上升[17]，钾元素含量在伐后初期降低速度较快[18]。总的来说，采伐作业主要影响土壤pH、有机质含量和土壤养分(N、P、K等)含量等。本文以低质山杨林为研究对象，探讨不同生态改造模式对林地土壤肥力的影响，并利用灰色关联法对各试验样地的土壤肥力进行定量综合评价，运用相关性分析法确定各个分析指标的权重系数，弥补了土壤肥力定性评价的不足，消除了土壤的空间异质性的影响，使评价结果更加准确，可为低质山杨林的更新和培育提供参考。

1 试验区概况

试验区设在黑龙江省加格达奇林业局翠峰林场的174林班，该地区位于黑龙江省大兴安岭(东经124°22′47.8″—124°24′35.2″、北纬50°34′9.15″—50°34′32″)山脉的东南坡，海拔370～420 m左右，翠古公路北侧12～14 km。土壤主要是暗棕壤和棕色针叶林土，土层厚度15～30 cm；地势平缓，平均坡度6°左右，立地条件较好。属于温寒带大陆性季风气候，冬季气候干燥寒冷，年均气温-1.4 ℃，冬长夏短，年均降水量470 mm，降水多集中于夏季6—8月。该区域的低质林主要是山杨树林(Populusdavidiana)，林分郁闭度为0.4；下层植被灌木，主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，盖度为15%；草本以铃兰(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)等为主，盖度达30%。

2 试验材料与方法

2.1 试验设计

图1 低质山杨林带状改造样地示意图

2009年9月开展低质山杨树林改造。采用顺山带状生态模式进行改造，设置原则为每条生态改造带均处于同一海拔高度，包括6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)带宽的改造带，样地面积分别为6 m×200 m、10 m×200 m、14 m×200 m、18 m×200 m，在未采伐的林地内设置对照样地(CK，20 m×200 m)，每个对照样地分别选取5个样本点。2009年开始将每条改造带平均分成3段(图1)，顺山分别栽植西伯利亚红松(Pinussibirica，A)、兴安落叶松(Larixgmelinii，B)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica，C)进行诱导改造，栽植苗木与相邻保留带留有1 m间距，株行距为2 m×1.5 m。诱导苗木栽植时的地径、苗高和蓄积量见表1。在经过不同生态模式改造完成后，当年主要进行扩穴、扶正、培土、踏实和除草等抚育工作，以后每年进行砍去竞争植物、割灌、松土、除草等抚育措施。

表1 苗木的地径、苗高和蓄积量 %

2.2 苗木生长量及土壤肥力指标测定

于2013年6月采用实地调查的方法对试验样地进行原始数据的采集，对试验区内造林苗木进行每木调查，调查的项目包括苗高、地径、生长量，工具主要有游标卡尺和卷尺。

在试验样地上，按S型布点法各选取4个样方，样方平均分布在改造带的A、B、C 3段中，第2个和第3个样方分别放在诱导改造树种的分界线上，每个样方选择5个土壤取样点，每个样地均取0～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取样，每个土壤样本为1 kg；同时用容积为100 cm3环刀在每个土壤样点取原状土，利用环刀法测量土壤的物理性质。土壤样本在实验室自然风干后研磨过筛，分析其化学性质。土壤全N采用自动凯氏法(VS-KT-P型全自动定氮仪)；速效N采用扩散法测定；全P采用酸溶-锑抗比色法测定；有效P采用氢氧化钠浸提-钼锑抗比色法测定；全K采用酸溶-火焰光度法测定；速效K采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；pH采用酸度计测定；有机质采用油浴-重铬酸钾氧化法测定[19]。

2.3 土壤肥力的综合评价方法

研究低质山杨林不同生态改造后土壤肥力变化规律，建立合理的生态改造模式调控技术以及土壤肥力质量的发展趋势模型，对低质林生态改造的评价和应用有着极其重要的影响[20]。本研究应用灰色关联度法对低质山杨林生态改造后的土壤肥力进行综合评价，先用灰色系统求出灰色关联系数，然后对灰色关联系数进行差异显著性分析，接着利用相关系数法求各个指标的权重，再求其灰色关联度。最后得到的关联度越高，说明生态改造后土壤肥力的评价越高，改造效果越好。

3 结果与分析

3.1 不同改造模式对诱导苗木生长的影响

诱导改造苗木的成活率和个体生长率见表2。由表2可知，对诱导改造树种而言，西伯利亚红松的平均成活率和生长率最高，分别为95.12%和33.87%；就不同生态改造而言，不同改造模式中S3的平均成活率和生长率最高。

表2 苗木成活率和生长量 %

3.2 土壤肥力的灰色关联综合评价

3.2.1 确定决策矩阵 决策矩阵是有由n个样地的m个评价指标实测值组成的集合，m=12，n=5，得到决策矩阵X。

3.2.2 初始化决策矩阵 采用公式(1)对决策矩阵进行初始化处理，即对不同指标进行无量纲处理。

(1)

(2)

土壤肥力指标的灰色关联系数rij构成灰色关联评价矩阵R。

对灰色关联系数进行LSD差异显著性分析，得出灰色关联系数的显著性多重比较(表3)。由表3可知，不同生态模式改造与对照样地之间达到了统计学上的差异显著性。

表3 灰色关联系数多重比较

*：*.均值差的显著性水平为0.05。

表4 不同生态改造低质山杨林土壤肥力指标的权重

表5 不同改造模式灰色关联度

wi为土壤肥力各个指标权重；rij为关联系数。

在灰色关联评价中，理想对象S是整个评价系统中最高的，不同生态改造后土壤肥力的关联度越大，说明越接近理想的土壤肥力质量，其生态改造也就越好。由表5可知：所有生态改造后低质山杨林土壤肥力的灰色关联度的区间是[0.648，0.776]，而对照样地CK的灰色关联度系数为0.607，表明各生态改造后的综合土壤肥力均有所改善。

3.3 不同诱导树种对土壤肥力的影响

分析诱导改造树种对土壤肥力的综合影响，同时对不同诱导树种灰色关联系数进行差异显著性分析，并进行S-N-Ka检验得到同类子集(表6)，综合灰色关联度见图2。由表6、图2可知，不同树种诱导改造后，土壤肥力质量均有所改善，且与对照样地间土壤肥力存在显著性差异。其中以兴安落叶松的诱导改造效果最佳。

表6 不同诱导树种灰色关联同类子集表

4 结论与讨论

图2 低质林诱导改造后土壤肥力质量灰色关联度

采用灰色关联法对大兴安岭低质山杨林在生态改造后的土壤肥力进行综合分析，其关联度从大到小的顺序为S3(0.776)>S2(0.751)>S4(0.730)>S1(0.648)>CK(0.607)。S3生态改造模式得到的灰色关联度最高，为0.776，由此可知带宽为14 m的生态改造效果最佳。从土壤肥力的灰色关联度可知，随着生态改造宽度的增加，土壤肥力的综合质量呈先升高后降低的趋势。这是因为改造宽度越大，阳光辐射面积越大，微气候越适宜采伐剩余物的分解，从而使土壤肥力的综合评价越高；然而生态改造宽度过大，出现水土流失，土壤肥力综合质量就会下降。诱导树种改造中，西伯利亚红松的平均成活率、生长率最高，分别为95.12%、33.87%。就不同生态改造而言，不同改造模式中14 m带宽诱导树种苗木的平均成活率和生长率最高。不同的指标对土壤肥力的综合评价结果的影响程度不同，因此需要对各个指标进行赋权。本研究采用相关系数法进行赋权，有效磷的权重最高，为0.099，其次是有机质权重，为0.098，说明土壤中有效磷和有机质的含量对土壤肥力的综合质量影响程度最大。土壤中有效磷的某些形态是能量传递的介质和载体，为林木的生长和繁殖做储备。土壤有机质的数量与质量变化作为土壤肥力及环境质量状况的最重要表征，是制约土壤理化性质如含水率、孔隙度、土壤密度、土壤碳通量以及土壤养分等关键因素。

低质山杨林不同生态改造后土壤肥力的综合评价不仅与经营模式有关，还与光照、经济和社会等因素密不可分，形成了现有的林地土壤肥力和现实生产力，这方面还有待研究。

[1]韩家永，李芝茹，宋启亮.基于能量原理分析森林植被对水土保持的影响[J].森林工程，2012，27(5)：8-12.

[2]Houghton R A.The worldwide extent of land-use change[J].Bioscience，1994，44(5)：305-313.

[3]Dobson A P，Bradshaw A D，Baker A J M.Hopes for the future：restoration ecology and conservation biology[J].Science，1997，277(5325)：515-522.

[4]Wenhua L.Degradation and restoration of forest ecosystems in China[J].Forest Ecology and Management，2004，201(1)：33-41.

[5]Kobayashi S.Landscape rehabilitation of degraded tropical forest ecosystems：case study of the CIFOR/Japan project in Indonesia and Peru[J].Forest Ecology and Management，2004，201(1)：13-22.

[6]陈立新.东北山地人工林生态系统土壤肥力的研究[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2000.

[7]覃其云，曹继钊，唐健，等.油茶人工林土壤肥力及对树体生长的影响[J].福建林业科技，2013(1)：33-39.

[8]史凤友，陈喜全，陈乃全，等.椴树落叶松人工混交林的研究[J].东北林业大学学报，1991，19(4)：45-52.

[9]杨承栋，焦如珍.杉木人工林根际土壤性质变化的研究[J].林业科学，1999，35(6)：2-9.

[10]Andrews S S，Mitchell J P，Mancinelli R，et al.On-farm assessment of soil quality in California′s central valley[J].Agronomy Journal，2002，94(1)：12-23.

[11]Masto R E，Chhonkar P K，Singh D，et al.Alternative soil quality indices for evaluating the effect of intensive cropping，fertilisation and manuring for 31 years in the semi-arid soils of India[J].Environmental monitoring and assessment，2008，136(1-3)：419-435.

[12]吴玉红，田霄鸿，侯永辉，等.基于田块尺度的土壤肥力模糊评价研究[J].自然资源学报，2009，24(8)：1422-1431.

[13]肖慈英，阮宏华，屠六邦.下蜀主要森林土壤肥力的灰色关联分析与评价[J].南京林业大学学报：自然科学版，2000，24(z1)：59-62.

[14]曾翔亮，董希斌，高明.不同诱导改造后大兴安岭蒙古栎低质林土壤养分的灰色关联评价[J].东北林业大学学报，2013，41(7)：48-52.

[15]Schmidt M G，Macdonald S E，Rothwell R L.Impacts of harvesting and mechanical site preparation on soil chemical properties of mixed-wood boreal forest sites in Alberta[J].Canadian Journal of Soil Science，1996，76(4)：531-540.

[16]Olsson B A，Staaf H，Lundkvist H，et al.Carbon and nitrogen in coniferous forest soils after clear-felling and harvests of different intensity[J].Forest ecology and management，1996，82(1)：19-32.

[17]Verheyen K，Bossuyt B，Hermy M，et al.The land use history(1278—1990) of a mixed hardwood forest in western Belgium and its relationship with chemical soil characteristics[J].Journal of Biogeography，1999，26(5)：1115-1128.

[18]Liu W，Fox J E D，Xu Z.Leaf litter decomposition of canopy trees，bamboo and moss in a montane moist evergreen broad，leaved forest on Ailao Mountain，Yunnan，south-west China[J].Ecological Research，2000，15(4)：435-447.

[19]国家林业局.森林土壤分析方法[M].北京：中国标准出版社，1999.

[20]刘占锋，傅伯杰，刘国华，等.土壤质量与土壤质量指标及其评价[J].生态学报，2013，26(3)：901-913.

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

林业公益性行业科研专项(201004043)；黑龙江省重大科技攻关项目(GA09B201-03)

毛波(1989—)，男，安徽宿州人，东北林业大学硕士研究生，从事森林作业与环境研究。E-mail：405488374@qq.com。

董希斌(1961—)，男，东北林业大学教授，从事森林培育研究。E-mail：xibindong@sina.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.009

S714.8

A

1002-7351(2015)02-0040-06