林区土壤养分的模糊综合评价

荣艳芳

(青海省海东市乐都区林业局,青海 海东 810700)

过度采伐对森林资源和生态环境产生破坏，合理的采伐对资源可持续发展以及土壤养分的固定有积极效果，因此，了解不同采伐强度对用材林土壤养分的影响，确定合理的采伐强度能够促进森林发展。本文以某林区的用材林为研究对象，从不同采伐强度探讨土壤养分的等级，为同等用材林的合理采伐、土壤改良及科学的经营提供依据和参考。

对于林区土壤肥力的评价，国内外已经出现很多的研究方法，在国内普遍采用的方法有主成分分析法，灰色关联法，聚类分析法等[1，2]。

近年来，许多研究者将多元统计、模糊数学等方法引入到林区土壤肥力评价中，有效避免评价者的主观性，通过对大量数据信息的处理，得到反映林区土壤养分等级的综合指标[4]。针对多目标的模糊概念，利用模糊模式识别进行综合评价，能够得到科学有效的评价结果。林区土壤养分的高低本身就是一个模糊的概念,因为肥沃与贫瘠的林区土壤养分之间并不存在明显的界限,因此,本文采用基于模糊模式识别法对某一用材林土壤养分进行评价是可行的。通过综合评价值的对比排序可以确定最终的评价结果。

1 试验样地数据

选取20个试验样地，每个样地为20 m×20 m，每个样地的采伐强度不同，其坐标位置也不相同。详见表1。

2 确定林区土壤养分的评价标准

首先，确定评价事务的评价因素论域U=(u1u2…un)，即确定林区土壤养分的评价指标U=(有机质，全氮，全磷，全钾，水解氮，有效磷，速效钾)

其次，确定林区土壤养分的等级论域V=(v1v2…vm)，V=(一级，二级，三级，四级，五级，六级)，可得到由n个养分指标m个级别的标准值构成的标准特征值矩阵S。

S=(spq)n×m

其中,spq表示第p项养分指标的第q个级别的标准特征值。

本研究的土壤养分评价标准参考全国第二次土壤普查养分分级标准(表2)。

表2 全国第二次土壤普查养分分级标准

3 确定模糊关系矩阵

在U和V均确定后，各样本土壤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种土壤养分指标的质量分数可以被评为第j种土壤养分等级的可能性，即i对j的隶属度。

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)的过程 ，而rij可通过隶属函数来确定。根据专家介绍和以往研究表明，土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾这7项影响因子与土壤养分成S形曲线关系，即在一定范围内这些因素数值的变化与土壤养分成正相关，而低于或超过这一范围，其数值变化对土壤养分的影响就变得很小[4]。实际应用中常采用直线段来模拟，为了便于计算，文中用折线型分段函数模拟 S 型隶属函数。

对于第一级土壤养分质量分数，即j=1，其隶属函数为：

对于第二级到第五级土壤养分质量分数，即j=2～5，其隶属函数为：

对于第六级土壤养分质量分数，即j=6,其隶属函数为：

根据公式(1)～公式(3)，可以求出不同采伐强度20个样地(表1)的模糊判断矩阵：

……

4 计算多指标模糊综合评价矩阵

已知模糊关系矩阵R和由层次分析法确定权重W(0.168 1，0.111 9，0.137 2，0.108 2，0.123 2，0.198 3，0.153 1)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。

B=W°R

其中，常用的模糊算子“°”有①主因素决定型，其结果是由主因素确定综合最优的情况，其他因素在一定范围内变化时对结果影响不大，这种方法运算主要应用于结果不易分辨的情况；②主因素突出性；③加权平均型，其应用于评价中对所有因素均要以权重均衡考虑的情况。

对于本文来说，因为土壤养分因子权重接近，运用加权平均型计算比较合适，综合考虑各个指标对土壤养分的影响。

B=W·R=(b1,b2,…bm)

(4)

根据公式(4)，利用MATLAB软件[5]计算可得到各个样地土壤养分质量分数的模糊综合评价矩阵B，见表3。

表3 不同样地模糊矩阵

5 计算综合评价结果

本文采取将综合评价结果纯量化的形式，转换为综合评价值。

F=B·N

(5)

其中，N为土壤养分质量分数等级标准向量。

F值越小，说明此样地的土壤养分质量分数等级越高，土壤养分越好。

由表2可知，N=(1,2,3,4,5,6)，所以，根据公式(5)可以计算出20个样地土壤养分质量分数的综合评价值F。见表4。

表4 土壤养分质量分数综合评价值

6 结论

根据模糊综合评价法得到土壤养分质量分数的综合指数，可以看出，20号样地(19%采伐强度)、5号样地(20.86%采伐强度)F值较小，土壤养分质量分数等级较高，土壤养分较好。其次，16号样地(25.48%采伐强度)和1号对照样地土壤养分等级在20块样地中也偏高，土壤养分较好。而13号样地(53.09%采伐强度)、17号样地(67.25%采伐强度)F值较大，土壤养分质量分数等级较低，土壤养分差。

总体而言，各采伐样地土壤养分等级都处于第二等级到第四等级之间，在合理的采伐强度范围内土壤养分相比于对照样地要好，但当采伐强度过高时，土壤养分流失严重，等级偏低。