集對(duì)分析法在大興安嶺用材林土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

崔 莉，朱玉杰，董希斌

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

土壤是林木生長(zhǎng)的根本，是所有林業(yè)活動(dòng)能夠繼續(xù)進(jìn)行的必要條件。林木成長(zhǎng)不僅與所處環(huán)境的陽(yáng)光、空氣和溫濕度等各種條件相關(guān)，同時(shí)也離不開(kāi)土壤。土壤為林木進(jìn)行各項(xiàng)相關(guān)活動(dòng)提供支撐作用[1]。同時(shí)，土壤是生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的重要組成成分，它為植物生長(zhǎng)提供各種養(yǎng)分[2]。土壤肥力狀況直接影響到林木的分布、生長(zhǎng)和產(chǎn)量[3]。土壤是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的重要影響因素。土壤性質(zhì)，尤其是土壤化學(xué)性質(zhì)，是植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。土壤化學(xué)性質(zhì)不僅受氣候、植被、地形以及成土過(guò)程等自然因素的影響，而且與耕作、土地利用方式以及經(jīng)營(yíng)措施[4]等人為因素密切相關(guān)。不同的采伐強(qiáng)度和采伐方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響各不相同[5-6]，主要在土壤養(yǎng)分影響因子的差異上[5-7]。對(duì)于土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)研究比較少，目前已采用的有模糊綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法[8]。本文主要采用集對(duì)分析法對(duì)大興安嶺不同采伐強(qiáng)度改造后的用材林林地進(jìn)行土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)，探討合理的采伐強(qiáng)度。為森林撫育和更新起到良好的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省大興安嶺新林林業(yè)局新林林場(chǎng)的106、107、108和109林班內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°41′～125°25′，北緯51°20′～52°10′。平均海拔高度為561 m；該地區(qū)地勢(shì)較為平緩，坡度不超過(guò)6°。土壤為暗棕壤且平均厚度在14 cm左右，主要林分類(lèi)型為興安落葉松，偶見(jiàn)白樺，下木以杜鵑為主，地被物主要是越桔。屬于寒溫帶大陸性氣候，平均年氣溫為-2.6℃，年平均降水量為513.9 mm。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

2.1 樣地設(shè)置

每個(gè)樣地面積為0.04 hm2，整體試驗(yàn)地?cái)U(kuò)展區(qū)面積為50 hm2，根據(jù)不同的采伐強(qiáng)度設(shè)置20塊樣地，樣地編號(hào)為1～20，其中1號(hào)樣地未采伐，作為對(duì)照樣地，2～20號(hào)樣地作為試驗(yàn)樣地。各樣地坐標(biāo)及采伐強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 樣地坐標(biāo)及采伐強(qiáng)度

2.2 數(shù)據(jù)采集

2012年8月份進(jìn)行土壤采集，在不同采伐強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)分取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg，自然風(fēng)干后過(guò)篩研磨，用化學(xué)方法測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，分析方法見(jiàn)表2。

表2 土壤分析方法

2.3 數(shù)據(jù)處理

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進(jìn)行分析計(jì)算，再導(dǎo)入Matlab進(jìn)行計(jì)算分析。

2.4 集對(duì)分析法的基本原理及方法

集對(duì)分析法(Set Pair Analysis，簡(jiǎn)稱SP，A)是一種處理不確定系統(tǒng)的分析方法，最早是由趙克勤[9]在1989年全國(guó)系統(tǒng)理論會(huì)上提出的。集對(duì)分析法從同、異和反三個(gè)方面反映采集的土樣與土壤養(yǎng)分兩個(gè)集合之間的隸屬關(guān)系，主要表現(xiàn)在確定性和非確定性兩個(gè)方面。在集對(duì)分析方法分析過(guò)程中，“同一”和“對(duì)立”是確定的，“差異”是不確定的，從這三個(gè)方面對(duì)事物分析研究，認(rèn)為三者之間互相影響、互相制約、互相聯(lián)系，又在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化。集對(duì)分析法主要應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)[10-11]，本文應(yīng)用集對(duì)分析法對(duì)大興安嶺地區(qū)不同強(qiáng)度采伐后樣地的土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

在用集對(duì)分析法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于逆向(正向)指標(biāo)，在只有Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，假定總體共有N個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中S個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)于Ⅰ類(lèi)(Ⅲ類(lèi))標(biāo)準(zhǔn)，有P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)差于Ⅲ類(lèi)(Ⅰ類(lèi))標(biāo)準(zhǔn)，有F個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。土樣的聯(lián)系度表達(dá)式可以表示為：

(1)

式中：i為差異度系數(shù)；j為對(duì)立度系數(shù)。a+b+c=1。

根據(jù)集對(duì)分析法的理論，公式(1)中，同一度a值越大，表明土樣樣本的養(yǎng)分等級(jí)高；而對(duì)立度c值越大，表明土樣養(yǎng)分等級(jí)較低；差異度b值是不確定的，由式a+b+c=1就可以綜合評(píng)價(jià)某一地區(qū)的土樣養(yǎng)分[10-11]。

假定有N個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和M級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)，則聯(lián)系度表達(dá)式為：

(2)

式中：b1，b2，b3，…bM-2為差異度系數(shù)。對(duì)于某一或正向指標(biāo)k的聯(lián)系度μk(k=1，2，…，N)可寫(xiě)成式(3)[10-12]。

xk2

…

xkM

0≤xkt≤xkM。

(3)

土壤評(píng)價(jià)中因?yàn)楦髦笜?biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不相同，絕對(duì)值差別較大，所以進(jìn)行單因子權(quán)重衡量，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)綱量化處理，公式如下：

(4)

進(jìn)行歸一化得：

(5)

求各單項(xiàng)指標(biāo)的μ和ω的乘積和[8]：

(6)

其中：μi為第i個(gè)樣本的聯(lián)系度。

采用級(jí)別特征值法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。級(jí)別特征值越小，表明土壤養(yǎng)分越高[13]。

3 土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

興安落葉松用材林經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度采伐改造后，各樣地的土壤養(yǎng)分影響因子的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采伐強(qiáng)度較小時(shí)，各樣地的養(yǎng)分影響因子數(shù)值變化不大，采伐強(qiáng)度在20%～30%時(shí)，土壤養(yǎng)分影響因子幾乎都高于對(duì)照樣地。采伐強(qiáng)度繼續(xù)增大，土壤養(yǎng)分影響因子大體數(shù)值開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，且都低于對(duì)照樣地。為了更準(zhǔn)確地探究采伐強(qiáng)度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行集對(duì)分析綜合評(píng)價(jià)。

表3 新林土壤養(yǎng)分指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 大興安嶺土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

本文選用全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分普查養(yǎng)分分級(jí)表為土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表4)，將土壤中養(yǎng)分含量分為六級(jí)，將第六級(jí)的上限設(shè)置為第五級(jí)的下限。在土樣養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，一級(jí)即為集對(duì)分析法中所指的“同一”，六級(jí)即為所要研究的“對(duì)立”，中間等級(jí)的部分則是所要研究的“差異”。

表4 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 各樣地的模糊聯(lián)系度表達(dá)式

根據(jù)各樣地的土壤養(yǎng)分實(shí)測(cè)結(jié)果，以一號(hào)樣地為例，參照土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知全氮、全磷屬于一級(jí)，N=7，S=2；水解氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)屬于三級(jí)，F(xiàn)2=3；全鉀和速效鉀屬于四級(jí)，F(xiàn)3=2；F1=F4=P=0，帶入公式(2)，可得1號(hào)樣地的聯(lián)系度表達(dá)式為：

(7)

同理可推知2-20號(hào)樣地的聯(lián)系度表達(dá)式：

(8)

(9)

………

(10)

比較各樣地模糊聯(lián)系度表達(dá)式的差異度系數(shù)，得出同一度、差異度、對(duì)立度差別不大。所得結(jié)論不明確，繼續(xù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.3 土樣權(quán)重計(jì)算

求各樣地的養(yǎng)分影響因子的權(quán)重系數(shù)，并利用權(quán)重系數(shù)處理模糊聯(lián)系度表達(dá)式，以一號(hào)樣地為例，先求出權(quán)重系數(shù)，再與模糊聯(lián)系度表達(dá)式相結(jié)合。以1號(hào)樣地為例：

(11)

μ全氮=1+0i1+0i2+0i3+0i4+0j。

μ全磷=1+0i1+0i2+0i3+0i4+0j。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

分別求權(quán)重：

可得1號(hào)樣地的聯(lián)系度表達(dá)式為：

μ1=μ有機(jī)質(zhì)ω有機(jī)質(zhì)+μ全氮ω全氮+μ全磷ω全磷+μ全鉀ω全鉀+μ水解氮ω水解氮+μ有效磷ω有效磷+μ速效鉀ω速效鉀=0.112+0.210i1+0.459i2+0.219i3+0i4+0j。

(17)

同理可得其它組的聯(lián)系度表達(dá)式。

得出土樣評(píng)價(jià)矩陣

3.4 計(jì)算級(jí)別特征值

定義G為土壤養(yǎng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量，由表4可知，GT=(1，2，3，4，5，6)。

各樣地級(jí)別特征值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，將所得級(jí)別特征值定義為土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

(18)

表5 各樣地級(jí)別特征值

4 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)集對(duì)分析法計(jì)算得到各個(gè)樣地土壤養(yǎng)分的級(jí)別特征值，結(jié)果表明：在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，與未經(jīng)采伐的對(duì)照試驗(yàn)樣地相比，采伐強(qiáng)度小于19%時(shí)，土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均大于對(duì)照樣地，土壤綜合養(yǎng)分呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)；采伐強(qiáng)度為19%時(shí)，土壤養(yǎng)分最優(yōu)，且優(yōu)于對(duì)照樣地；之后隨著采伐強(qiáng)度的增大，土壤綜合養(yǎng)分下降，采伐強(qiáng)度超過(guò)50%，土壤綜合養(yǎng)分變化相差不大。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，采伐強(qiáng)度較低時(shí)，土壤綜合養(yǎng)分未得到明顯的提高和改善，反而低于對(duì)照樣地，這可能是由于不論任何強(qiáng)度采伐都會(huì)造成一定程度的土壤擾動(dòng)，低強(qiáng)度采伐由于采伐作業(yè)過(guò)程中各種人為因素所以致使采伐后的土壤養(yǎng)分下降；20號(hào)樣地(采伐強(qiáng)度19%)，土壤養(yǎng)分最優(yōu)，5號(hào)樣地(采伐強(qiáng)度20.86%)與之相差不大，這主要是因?yàn)椴煞ジ脑旌螅种胁煞ナＳ辔镌黾樱瑫r(shí)林中透光率增加，土壤溫度升高，林中微氣候發(fā)生變化，微氣候與生長(zhǎng)季節(jié)溫濕狀況的改善可以對(duì)土壤生物學(xué)和化學(xué)過(guò)程有良好的促進(jìn)作用，有利于土壤養(yǎng)分的釋放和改善土壤肥力[14]，此外，土壤溫度升高會(huì)誘發(fā)土壤中微生物的多樣性和數(shù)量的提高，增強(qiáng)了土壤的生物活性，加速了土壤養(yǎng)分的循環(huán)[15]；采伐強(qiáng)度較大時(shí)，由于采伐作業(yè)時(shí)工作條件的限制，對(duì)森林生境的影響較大，林中水土流失量增大，從而直接對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生負(fù)面影響，另外，隨著采伐強(qiáng)度增加，林中透光率大大增加，影響微生物的活性和數(shù)量，對(duì)林中采伐剩余物的分解能力下降[15]，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的下降。

本文采用集對(duì)分析法對(duì)不同采伐強(qiáng)度的樣地土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)權(quán)重計(jì)算，不同土壤養(yǎng)分級(jí)別影響因子權(quán)重各不相同，確定各級(jí)別影響因子的權(quán)重，有利于提高土壤綜合評(píng)價(jià)的精度，避免了模糊分析的評(píng)價(jià)不合理，集對(duì)分析法評(píng)價(jià)概念比較清晰，理論較為嚴(yán)謹(jǐn)，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠，可以合理進(jìn)行土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)。利用集對(duì)分析法分析采伐強(qiáng)度對(duì)林分土壤養(yǎng)分的影響，對(duì)今后的森林經(jīng)營(yíng)和撫育有重要的指導(dǎo)作用。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]趙麗宏.試論森林土壤及其在林業(yè)發(fā)展中的作用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，2：210.

[2]Hatten J，Zabowski D，Scherer G，et al.A comparison of soil properties after contemporary wildfire and fire suppression [J].Forest Ecology and Management，2005，220(1)：227-241.

[3]覃其云，曹繼釗，唐 健，等.油茶人工林土壤肥力及對(duì)樹(shù)體生長(zhǎng)的影響[J].福建林業(yè)科技，2013，40(1)：33-39.

[4]Schoenholtz S H，Miegroet H V，Burger J A.A review of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality：challenges and opportunities [J].Forest Ecology and Management，2000，138(1)：335-356.

[5]張 泱，宋啟亮，董希斌.不同采伐強(qiáng)度改造對(duì)小興安嶺低質(zhì)林土壤理化性質(zhì)的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(11)：22-24.

[6]劉美爽，董希斌，郭 輝，等.小興安嶺低質(zhì)林采伐改造后土壤理化性質(zhì)變化分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(10)：36-40.

[7]宋啟亮，董希斌，李 勇，等.采伐干擾和火燒對(duì)大興安嶺森林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響[J].森林工程，2010，26(5)：4-7.

[8]武 偉，唐明華，劉洪斌.土壤養(yǎng)分的模糊綜合評(píng)價(jià)[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(3)：270-272.

[9]趙克勤.集對(duì)分析及其初步應(yīng)用[J].大自然探索，1994，13(1)：67-72.

[10]肖 丹，肖 江，王士黨.集對(duì)分析法在洞庭湖區(qū)淺層水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26(2)：94-97.

[11]郭曉靜，周金龍，郭 林，等.熵權(quán)集對(duì)分析法在新疆塔里木盆地地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2012，40(2)：56-59.

[12]童英偉，劉志斌，常 歡.集對(duì)分析法在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，8(6)：84-86.

[13]陳守煜.湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)級(jí)別特征值與識(shí)別模型[J].黑龍江水專(zhuān)學(xué)報(bào)，1999，26(1)：1-8.

[14]王 成，龐學(xué)勇，包維楷.低強(qiáng)度林窗式疏伐對(duì)云杉人工純林地表微氣候和土壤養(yǎng)分的短期影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(3)：541-548.

[15]李學(xué)友，張新玲，王立海.森林采伐作業(yè)對(duì)森林微環(huán)境的主要影響[J].森林工程，2010，26(4)：11-13.