間伐強度對土地肥力影響的模糊綜合評判

王 杰，顧鳳歧

(東北林業大學 理學院，哈爾濱 150040)

0 引言

土壤作為自然界重要組成部分，對大自然有著調節作用，包括水循環[1]和養分循環等作用，促進作物生長，是社會生產勞動資料，是農業生產的基本生產資料，是一切生產和一切進步的源泉。隨著人口數量的增加和生態環境的惡化，保護土地肥力問題早已引起國內和國際學者的重視[2]，針對不同類型的土地單元制定合理的保護和改善措施，使土地資源可持續利用在學術領域中一直是熱點問題，因此土地肥力的定量測定必不可少，管惠文等[3]利用層次分析法、灰色關聯法和熵權法對大興安嶺天然次生林各間伐強度的樣地土壤肥力進行評價，并揭示了不同間伐強度土地肥力變化規律。唐國華等[4]以大興安嶺闊葉混交低質林為研究對象，采用主成分分析法建立補植改造后土壤肥力指標的評價體系。張鼎華等[5]研究了杉木(Cunninghamialanceolata) 、馬尾松(Pinusmassoniana)、建柏(Fokieniahodginsii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)和木荷(Schimasuperba)人工林的撫育間伐對林分土壤肥力的影響，結果表明，間伐后林下植被生物多樣性的提高誘發了土壤微生物多樣性和數量的提高，由此增強了土壤的生物活性，加速土壤養分循環。唐麗靜[6]基于元素地球化學特征，采用綜合指數法對研究區土地肥力狀況進行了評價。戎建濤等[7]為了解不同間伐強度對柳杉人工林林地的影響，分析了弱度間伐、中度間伐和強度間伐后土地理化性質的變化，得出中度間伐對柳杉林土壤干擾影響較小，有利于改善土壤肥力和含水量。

本文以黑龍江省大興安嶺林區新林林場落葉松天然次生林為研究對象，研究不同間伐強度處理5 a后落葉松林土地肥力的變化特征，土地采用模糊綜合評判分析模型對土地肥力進行測定和計算，實驗結果證明該方法合理有效，發現適當的間伐強度有利于保護土地肥力，對于保護土壤和合理利用土地資源提供合理化建議，具有學術價值。

1 試驗區概述

大興安嶺位于黑龍江省和內蒙古自治區東北部，地理位置處于東經119°30′～127°,北緯46°26′～53°34′，是內蒙古高原與松遼平原的分水嶺，北起黑龍江畔，南至西拉木倫河上游谷地；全長1 200 km，寬200～300 km，平均海拔600 m左右；大興安嶺為多年凍土帶，處多年凍土帶南部；冬長夏短，冬寒夏暖，晝夜溫差較大，年平均氣溫-2.8 ℃，最低溫度-52.3 ℃，屬寒溫帶大陸性季風氣候，每年的6—8月，日照時間長達17 h。目前大興安嶺木材材質下降[8]，土地退化，生物多樣性下降，并伴有逆生長態勢，對生物圈的可調節作用造成嚴重影響，其中土壤肥力下降嚴重是一個很重要的原因，因此需要對土壤性質進行大量研究，通過以上研究及時調整營林措施，加快森林生態系統的恢復。

2 研究方法

2.1 樣地設置

天然落葉松林試驗區設置在新林林場106林班1小班，作業面積約80 hm2，位于道路兩旁，坡度2°左右，坡向為西北方向；土壤為暗棕壤，厚度約16 cm。林分類型為天然次生林，主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，有少許樟子松(Pinussylvestris)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和山楊(Populusdavidiana)等。平均林齡50 a，平均胸徑15 cm，平均樹高13.5 m，林分郁閉度0.65。具體試驗區概況見表1。

表1 天然林試驗區植被構成Tab.1 Vegetation composition in natural forest test area

在天然落葉松林實驗區內，共設計了31種不同間伐強度的試驗樣地，每塊樣地的面積相等均為1 hm2,即為100 m×100 m,在2007年進行過撫育間伐作業，樣地分別為S0(0%)、S1(49.63%)、S2(43.45%)、S3(3.42%)、S4(16.75%)、S5(36.11%)、S6(40.01%)、S7(42.01%)、S8(25.48%)、S9(44.03%)、S10(38.73%)、S11(32.76%)、S12(58.54%)、S13(47.87%)、S14(13.74%)、S15(56.51%)、S16(50.62%)、S17(54.37%)、S18(53.09%)、S19(20.86%)、S20(11.27%)、S21(23.34%)、S22(34.38%)、S23(30.01%)、S24(6.23%)、S25(67.25%)、S26(27.85%)、S27(9.43%)、S28(59.92%)、S29(19%)、S30(51.48%)。

平均林分密度(株/hm2)分別為：ρ0=956，ρ1=447，ρ2=492，ρ3=925，ρ4=779，ρ5=609，ρ6=527，ρ7=507，ρ8=701，ρ9=485，ρ10=581，ρ11=641，ρ12=348，ρ13=464，ρ14=813，ρ15=371，ρ16=437，ρ17=396，ρ18=411，ρ19=734，ρ20=841，ρ21=726，ρ22=626，ρ23=666，ρ24=893，ρ25=241，ρ26=678，ρ27=860，ρ28=333，ρ29=752，ρ30= 429。

2.2 數據收集與整理

論文數據參考2016年黑龍江省大興安嶺統計年鑒、土地利用現狀調查、土壤資源調查報告，調查小組還進行現場實地考察分析和采樣調查。使該研究更具有真實性、準確性和科學性。

2.3 樣品采集

在大興安嶺試驗區內，穿過主要土壤類型和地質單元，同時選擇東西南北4個方向布設樣點，采樣時清理地表表層未分解的有機物和雜草[9]，在31個樣地分別選取東西南北4個方向面積同為1 hm2的樣方，每個樣方由該點周圍50 m范圍內的20個采樣點的土壤樣品組成，樣點全部取土壤剖面為0～10 cm，充分混合后用四分法取樣，取重帶回實驗室，鮮土在實驗室做自然風干處理，然后去除雜質并研磨過篩，用于分析土壤肥力。

2.4 土壤肥力評價方法

土壤肥力是大興安嶺林木的生長基礎，土壤肥力也是土壤各方面綜合性能的體現，土壤肥力的高低直接影響著大興安嶺林木生長情況，保護土地肥力并對土地資源實現最優利用，科學并合理地評價土壤肥力成為重要話題，通過土地肥力評價可以掌握當前狀態下土地健康發展趨勢并制定緩解和防御惡化措施。定性評價和定量評價是國內外學者在進行土地健康評價時普遍運用的方法，定性評價方法基于有關專家學者的經驗，不需繁雜的計算和方法支撐，主觀性比較大，應用較少。定量評價方法首先建立合理的土地健康指標評價體系，并結合相關分析、判別分析、加權綜合法、聚類分析、內梅羅指數法和主成分分析法等數學方法,從多個維度對土壤肥力做出綜合評價，得到土地肥力狀況分級結果，在土壤肥力評價時，選取真實性、合理性和科學性的評價指標，本實驗對試驗區內的31個樣地，選取有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀7個有代表性的評價指標，以此劃分土地肥力等級，指標的測定方法見表2,測定后得到的數據見表3。

表2 天然林土壤元素含量的測定方法Tab.2 Determination method of soil element content in natural forest

3 模糊綜合評價方法分析

模糊數學評價方法是在模糊的環境中，綜合考慮影響評價結果的多種因素[10]，基于某種目的對評價對象做出綜合判斷和決策[11]。

3.1 模糊綜合評判模型方法和步驟

(1)確定評價因素集，本研究U包括有機質質量、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀7個因素xi，即U={x1,x2,···,x7}。

(2)建立評判矩陣[12]，模糊關系矩陣用rij表示。

(3)確定評價指標權重值：各因素的重要程度不同，為了反映各個因素的重要程度，對各個因素xi應該賦予一定的權數ωi，利用測度貼近度計算出相關矩陣[2]即

再利用Ax=λx求出相關矩陣的特征值λi根據[13]：

表3 天然林土壤元素含量

求出權重集ω={ω1，ω2,···,ω7}。最后根據[14]

3.2 測度貼近度定義及權重

對表3數據利用Matlab編程求解，得到相關矩陣m為：

3.3 確定相關矩陣特征根和特征根權重

表4 相關陣的特征值和特征向量Tab.4 Eigenvalues and eigenvectors of the correlation matrix

求出權重向量ω=(0.022 9，0.030 3，0.046 2，0.108 8，0.141 4，0.145 6，0.504 8)。

通過計算結果可看出速效鉀的權數最高，說明速效鉀在很大比重上影響土地肥力。

3.4 確定評判矩陣

把表3數據進行極差標準化，即：

4 結果和分析

由表5可得評價值由高到低的排序依次為:

S6(40.01%)、S5(36.11%)、S7(42.01%)、S11(32.76%)、S13(47.87%)、S8(25.48%)、S22(34.38%)、S10(38.73%)、S2(43.45%)、S9(44.03%)、S21(23.34%)、S20(11.27%)、S4(16.75%)、S17(54.73%)、S26(27.85%)、S3(3.42%)、S24(6.23%)、S27(9.43%)、S12(58.54%)、S30(51.48%)、S29(19%)、S23(30.01%)、S19(20.86%)、S14(13.74%)、S28(59.92%)、S18(53.09%)、S16(50.62%)、S1(49.63%)、S0(0%)、S25(67.25%)、S15(56.51%)。說明間伐強度40.01%的S6改造模式最適合保護土地，同樣的間伐強度為56.51%的S15樣地改造模式是最不適合保護土壤肥力，S0(0%)樣地的評價值排序為第28位，說明適當的間伐強度有利于保護土地肥力，同時可確定間伐強度范圍在[34.2%，53.09%]閉區間內樣地的土地肥力優于對照樣地0%;由圖1可知隨著土地間伐強度的增大，評價值呈倒V字形，也就是先增大再減小，所以可以得到樣地間伐強度范圍為36.11%～42.01%，有利于保護土地肥力。

圖1 大興安嶺樣地評價得分折線圖Fig.1 Daxing’an Mountains plot evaluation score line chart

表5 大興安嶺樣地得分評分排序

5 結論與討論

土壤是維持動物、植物和微生物生命活動的物質基礎，土壤肥力的下降不僅降低了土壤對污染物的降解，土地甚至沙化、貧痔化，給人類帶來的損失將是不可預估的， 考慮到土地修復期長和資源的不可逆性，合理地利用和保護土地資源就顯得尤為重要。

(1)本文利用模糊貼近度的方法求出各指標權重，權重結果為：ω有機質質量=0.022 9、ω全氮=0.030 3、ω全磷=0.046 2、ω全鉀=0.108 8、ω水解氮=0.141 4、ω有效磷=0.145 6、ω速效鉀=0.504 8。通過計算結果可以看出速效鉀的權重最高，說明它是植物生長發育的保證，容易被植物吸收利用，因此速效鉀可作為評判土壤肥力的重要指標。

(2)通過以上研究方法可以明確地給出31塊樣地土壤肥力的評分由大到小排序： S6(40.01%)、S5(36.11%)、S7(42.01%)、S11(32.76%)、S13(47.87%)、S8(25.48%)、S22(34.38%)、S10(38.73%)、S2(43.45%)、S9(44.03%)、S21(23.34%)、S20(11.27%)、S4(16.75%)、S17(54.73%)、S26(27.85%)、S3(3.42%)、S24(6.23%)、S27(9.43%)、S12(58.54%)、S30(51.48%)、S29(19%)、S23(30.01%)、S19(20.86%)、S14(13.74%)、S28(59.92%)、S18(53.09%)、S16(50.62%)、S1(49.63%)、S0(0%)、S25(67.25%)、S15(56.51%)。能夠明顯地看出S6樣地改造方式優于其他30個樣地的改造方式，可以得出結論：間伐強度范圍為36.11%～42.01%的土地改造最利于保護土壤肥力。以上應用模糊綜合評判對大興安嶺林區新林林場31塊不同間伐強度土地土壤肥力做出綜合評價[16]，權重向量的計算方法改進，利用模糊貼近度求出，結果顯示該方法可行。

近年來，大興安嶺新林林場的植物生長狀況不容樂觀，木材質量下降嚴重，因此土壤肥力問題不容忽視，要把土壤肥力問題作為首要的和基礎的問題。