抚育间伐强度对大兴安岭落叶松次生林土壤肥力的影响

管惠文，董希斌，曲杭峰，陈 蕾，张期奇

（东北林业大学 森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

森林作为重要的陆地生态系统[1]，具有调节气候、改善土壤质量、保护生物多样性、减轻地质灾害等无可替代的作用[2-4]。然而目前世界范围内森林生态系统严重退化，不仅数量锐减，而且质量也随之下降，对此，必须实施恢复森林生态环境的有关措施[5-9]，提高森林生物多样性、增加林产品产量、改善土壤的理化性质，从而恢复森林生态系统的各项功能。

土壤能够影响植物的生长和产量[10-12]，进而使森林生态系统发生变化，同时，森林生态系统的变化又会使土壤产生演变[13-15]，土壤在森林的物质能量运输中起着不容忽视的作用[16-17]，因此，林地土壤质量在一定程度上反映森林生态环境的好坏。李静鹏[18]等以采伐迹地上发育来的稀树灌丛、针叶林、针阔混交林和常绿阔叶林为研究对象，比较各群落土壤因子间的差异，研究表明天然更新的常绿阔叶林则更有利于生物多样性的增加与土壤养分的保蓄。崔潇潇[19]等运用地统计学方法和模糊综合评判法评价了北京市大兴区土壤肥力并揭示肥力质量空间变化规律。吴玉红[20]等以杨凌为研究区域，结果表明全磷和碳酸钙是影响研究区土壤肥力的限制性因子。金慧[21]等通过对不同海拔区内牛皮杜鹃种群构件的观察与测定,对其与土壤因子之间进行灰色关联度分析，获得牛皮杜鹃种群对土壤因子的生态适应性信息，揭示了其生长及分布的相对稳定机理。采伐会扰动土壤层的物质分布，Sirpa[22]等通过对芬兰东部的北方森林中挪威云杉的研究，发现采伐改变了森林生态系统营养物质的流动，采伐前四年和采伐后三年的土壤取样对照，在枯枝落叶层、淋溶层、沉淀层元素含量不同，说明采伐后不同土壤分层化学性质变化情况存在差异，主要体现在水溶性P、S、Ca、Mg等方面。同时，有许多专家学者对于不同间伐强度对土壤肥力的影响进行了有关研究，马芳芳等[23]以辽东山区日本落叶松人工林为研究对象，研究不同间伐强度处理5 a后落叶松林土壤理化性质的变化特征；杨会侠[24]对弱度、中度、强度、极强度4种间伐强度和未间伐（对照）的红松人工林土壤理化性质进行研究。但目前普遍存在研究期较短的问题，对于间伐对于土壤肥力的影响应该从其长期效果来观测。

本文以大兴安岭不同抚育间伐强度的落叶松天然次生林为研究对象，研究经间伐10 a后不同间伐强度对森林林地土壤肥力的影响，并通过灰色关联的方法综合定量性地评价改造样地的土壤性能，反映改造10 a后的不同间伐强度下的土壤肥力差异，为更好地反映森林土壤的质量以及选择合理的落叶松天然次生林间伐强度提供借鉴和参考。

1 试验区概况和研究方法

1.1 试验区概况

试验区地处黑龙江省大兴安岭地区新林林业局13、106、108、109、165林班，地理坐标位置为 124°05′46.7″～ 124°30′00.8″E，51°38′14.4″～51°47′7.1″N，平均海拔在600 m左右。地势平缓，坡度在10°以下。林地土壤类型为棕色森林土，质地为沙壤土，土壤厚度为16 cm左右。试验区年平均气温为-2.6 ℃，冬季干燥寒冷，夏季时间较短，气候分明，属于典型的寒温带大陆性气候。年降水量为 480～510 mm，雨季集中在6—9月份，全年的冻结期大约为7个月，结冰一般出现在9月下旬，终冻在4月下旬。

2007年3月，在试验区设置7个落叶松次生林抚育改造样地，编号为1～7，每个样地的面积为60 m×60 m，林地内灌木以兴安杜鹃Rhododendron dauricumL.为主，平均盖度为27%，草本以越桔Vaccinium Vitis-Idaea为主，平均盖度为62%。其中1号样地未采伐，其他样地基于蓄积量进行不同强度的抚育间伐，采伐的主要树种为成熟落叶松，经采伐后的剩余物采用堆腐法处理，具体样地设置如表1所示。2015年，间伐样地内分别补植兴安落叶松Larix gmelinii、兴安樟子松Pinus sylvestris、红皮云杉Picea koraiensisNakai、西伯利亚红松Pinus sibirica促进林分更新，后期进行适当的管理和维护，确保其成活率，并对其进行科学的抚育，主要包括浇水、除草、培土、扩穴等。对更新苗木的成活率和生长率进行统计，具体数值如表2所示。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方法

2017年8月，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7个样地内分别取样，在对照样地与改造样地中按照“S”型布点法各选择4个面积为1 m2的样方，每个样方内选择5个取样点取土，按照四分法混合取样，在每个实验样点取土壤剖面深度为0～10 cm的土壤样本1 kg带回实验室用来进行室内实验数据测定。在野外取得的土壤样本会在室内进行风干处理，研磨过筛，然后对反映土壤养分的元素含量进行测定。测定方法和测定元素，如表3所示。同时在样方内用容积为100 cm3环刀在每个土壤样点取环刀样本，借以测量土壤的物理性质，包括土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙、总孔隙度、最大持水量5项指标。

表1 样地概况†Table 1 General information of sample plots

表2 苗木成活率和生长率Table 2 Seedling survival rate and growth ratio %

表3 森林土壤元素含量的测定方法Table 3 Determination method for elements in forest soil

试验得到的数据运用Excel进行数据整理和初步处理，并利用SPSS软件进行灰色关联预测。

1.2.2 综合评价方法

2.3 将收割机存放于干燥通风、地高坚硬的车库内，并用木墩在轮胎附近的机架坚固处加以支撑，4个支撑点应在同一水平面上，以免机架变形。支撑高度以轮胎离地面20～50 mm为宜，放出轮胎内的2/3气体，以免轮胎过早老化。把收割台放下，用枕木垫起，使液压油缸的柱塞杆完全收缩进液压缸内，让液压泵卸下负荷。将收割台缓冲弹簧调整螺栓拧松，使其处于自由状态。

研究间伐10 a后，不同间伐强度下天然落叶松林内土壤肥力的差异性，对于建立合理的森林土壤质量评价体系以及改善森林生态环境有着十分重要的影响。本研究应用灰色关联法[25]对抚育间伐后的林地土壤肥力进行综合评价，首先运用改进层次分析法和熵权法求出各个指标的权重，再计算出灰色关联度，从而依据关联度的大小评价林地的土壤质量。得到的关联度越高，说明抚育间伐后林地的土壤肥力越高，说明此间伐强度对于改善土壤质量效果较好，是可取的改造方式。

2 结果与分析

2.1 确定决策矩阵

由已知经验选取对土壤肥力有较大影响的土壤化学性质和物理性质共13项指标进行综合评价分析，具体测量值如表4所示。

决策矩阵是由n个样地的m个评价指标的实测值组成的集合，其中n=7，m=13，得到决策矩阵X。

表4 土壤肥力各指标值Table 4 Index values of soil fertility

2.2 初始化决策矩阵

根据公式（1）对决策矩阵中不同的测量指标进行无量纲化处理，计算出不同间伐强度的落叶松天然次生林土壤肥力性能决策矩阵X′。

式中：x′ij和xij分别表示第j个样地的第i个土壤肥力指标因子的无量纲值和实测值；xi0表示第i个指标的峰值。

2.3 确定评价指标权重

在所选择的土壤肥力指标中，不同的指标对于最终评价结果的影响是不同的，本文选取主客观结合确定权重的方法来确定指标权重，使得到的组合权重能更有效的反映指标间的关系，既体现了专家在研究领域的权威性又可以尽可能的反映客观事实。本次选取的主观权重法为改进层次分析法，客观权重法选用熵权法。

1）运用改进层次分析法确定主观权重，首先要设置目标层、系统层、指标层，然后采用方根法计算特征向量，即各指标权重值。同时进行一致性检验，当通过检验时就可以确定各指标权重。本文中13个指标可以分为5个系统层，为pH、有机质、土壤全量、土壤有效量、土壤物理性质，分别含有1、1、3、3、5个指标，设置方法如表5所示。系统层的权重是由系统层的指标数量与初步的系统层的权重共同确定，具体见公式（2）。

2）运用熵权法确定客观权重，根据各项指标的实测数据建立判断矩阵，最终得到的熵值越小，说明该指标提供的信息量越多，指标所占权重越大，决策时会起到更加重要的作用，这种方法充分体现了指标权重的客观性。

3）将主观权重与客观权重相结合，采取线性综合赋权确定综合权重，具体计算见公式（3）。

式中：W3表示土壤养分指标综合权向量；W1表示土壤养分指标主观权向量；W2表示土壤养分指标客观权向量；μ表示偏好系数，取值范围为0～1，本文中取0.5。

表5结果表明，有效磷的综合权重为最高，为0.222，其次是有机质的权重，为0.145，这说明有效磷和有机质对土壤肥力的影响较大。

2.4 确定灰色关联判断矩阵

根据公式（4）计算出林地土壤肥力各个指标的灰色关联系数rij。

表5 主客观综合赋权确定指标权重值Table 5 Weight values of indicators determined by subjective and objective comprehensive empowerment

其中：si为初始化后的决策矩阵X′中第i行的最大值，λ=0.5。

得到由林地水文性能各个指标的灰色关联系数rij构成的灰色关联评价矩阵R。

2.5 确定不同间伐强度样地灰色关联评度

结合灰色关联判断矩阵R和指标权重W，根据公式（5）计算出各样地指标的关联度bj，结果如表6所示。

关联度越高，说明抚育间伐后林地的土壤肥力越高。由表6可以看出，土壤肥力灰色关联（度间伐强度）由大到小排序为0.73（40.01%）＞0.70（29%）＞0.65（16.75%）＞0.64（9.43%）＞0.63（53.09%）＞0.60（0）＞0.55（67.25%）， 因此抚育间伐强度为40.01%的落叶松天然次生林林地的土壤肥力为最佳。且除7号样地外，经不同强度间伐后的落叶松林的土壤肥力均优于未采伐的对照样地，说明在一定间伐强度范围内，间伐能够改善林地内的土壤肥力。

表6 不同间伐强度林分土壤肥力灰色关联评度Table 6 Grey correlation evaluation of soil fertility in the forests with different thinning intensities

3 结论与讨论

林分经抚育间伐后，土壤质量受到影响，从而直接影响林分的生长状况。本文以大兴安岭落叶松次生林抚育间伐后的土壤肥力指标为切入点，研究间伐10 a后，不同抚育间伐强度对土壤肥力的影响，确定最适合大兴安岭落叶松的间伐经营方式，改善森林微气候。

本研究采用主客观综合赋权的方式确定土壤肥力指标权重，结合专家经验和数据客观性，结果表明有效磷的权重为最高，为0.222，其次是有机质的权重，为0.145，这说明有效磷和有机质对土壤肥力的影响较大。相关研究表明，土壤中有效磷的部分形态能够作为能量传递的载体，储备林木生长所必需的物质基础[26]，而土壤有机质含量与土壤的物理性质如孔隙度、土壤容重等指标具有显著的相关性[27]，是土壤肥力的重要指标，所以二者在土壤肥力的综合质量评价中是关键性因素。

采用灰色关联法对不同间伐强度下大兴安岭落叶松天然次生林的土壤肥力进行综合评价，其灰色关联度由大到小排序为间伐强度40.01%（0.73）＞29%（0.70）＞16.75%（0.65）＞9.43%（0.64）＞53.09%(0.63)＞ 0%（0.60）＞ 67.25%（0.55），间伐强度为40.01%的改造样地灰色关联度最高，为0.73，由此可知，间伐强度为40.01%的改造效果最佳。且除7号样地外，经不同强度间伐后的落叶松林的土壤肥力均优于未采伐的对照样地，说明间伐强度在9.43%～53.09%范围内能够改善林地内的土壤肥力。马芳芳[23]等人的研究结果也表明40%的抚育间伐强度下土壤肥力最佳，杨会侠[24]认为中等抚育间伐效果最佳，与本文适宜间伐强度的不同可能与研究林分树种组成差异有关。总体而言，随间伐强度增加，土壤肥力的综合质量呈现出先升高再下降的趋势，这主要是因为采伐后太阳辐射增加，微生物迅速分解枯枝落叶，土壤肥力升高，但当强度过高，森林微气候发生急剧变化，植被数量锐减，缺乏植被的遮挡，林地水土经冲刷后流失，土壤肥力也随之下降。

大兴安岭落叶松次生林的改造将是长期、复杂的过程，由于植物生长周期、森林生态系统更新等因素的影响，土壤的肥力状态不仅与经营模式有关，还与光照、降水、经济和社会等因素密不可分，形成了现有的林地土壤肥力质量。因此必须对森林环境进行多方位的监测，考虑多种影响因素，这方面还有待进一步研究，以期为更好地改良林地土壤提供科学指导。