低质林改造后土壤养分变化综合评价

陈百灵，董希斌，毛 波，宋启亮，唐国华

（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）

低质林改造后土壤养分变化综合评价

陈百灵，董希斌，毛 波，宋启亮，唐国华

（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）

实验样地设置在小兴安岭马永顺林场第500林班内，对小兴安岭低质林进行不同带宽的顺山及横山带状改造，并在未改造样地处设置对照样地，利用变异系数及灰色系统理论对土壤养分变化情况进行分析研究。结果表明：带状改造对土壤pH值影响较弱，对土壤中全N、水解N、全K、速效K、有效P影响适中，对有机质影响较大，对土壤中全P的影响最大；各实验样地土壤养分综合评价灰色关联度在改造后的第2年明显下降，改造后的第4年达到最小值，随后逐渐升高，在改造后的第7年或第8年达到最大值即土壤养分情况最佳；顺山改造使土壤养分情况明显改善，且8 m顺山改造效果最好，灰色关联度为0.718 0；所有横山改造中，6 m横山改造效果最好，灰色关联度为0.680 2，所有横山改造结果均高于对照样地。综上所述，8 m顺山改造效果最好。

低质林改造；土壤养分变化；灰色关联度分析

土壤作为森林生态系统必不可少的组成部分，具有保持水土、涵养水源、为植物生长提供养分、为生物繁衍提供物质基础等重要作用[1-5]。与此同时，土壤具有对生态系统中循环的物质及能量进行再分配和净化等作用[6-12]。低质林由于受到强烈的自然和非自然因素的干扰破坏，系统组成成分缺失，植被总盖度低，林木生长缓慢，质量低劣，林下土壤受到严重侵蚀，最终表现为保水保土功能差，整个林分生态系统几乎丧失自我恢复的能力，其生态效益和经济效益均处于低劣状态[13]。2013年毛波等[14]针对小兴安岭土壤状况进行研究，并认为8 m和10 m带状改造后的土壤养分较好。郭辉等[15]对小兴安岭的枯落物进行过研究，认为顺山带改造或弱度抚育改造较好。张忠华等[16]对土壤养分与树种分布进行研究，认为喀斯特山区土壤养分变异系数在10%～80%之间。但对改造后时间上连续的土壤养分综合评价还未见报道。鉴于此，本研究经过不同带宽顺山及横山改造后，采用灰色系统理论[17]对2007年至2014年小兴安岭低质林改造后土壤的pH值、有机质、全N、水解N、全P、有效P、全K、速效K指标进行分析，并对土壤养分进行综合评价，优化出最佳改造模式，为今后小兴安岭低质林的持续经营提供理论基础。

1 样地设置

实验样地设置在黑龙江省伊春市铁力林业局马永顺林场第500林班内。该实验林场位于小兴安岭南麓，地势从东北向西南逐渐降低，平均海拔为513 m，坡度较缓，约为25°。属温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨[18]。初霜一般在9月初，终霜一般在5月初，年均降水量约为641 mm，降雨集中在7、8月份。土壤为暗棕壤，含有大量有机质和水分。研究区林型主要为针阔混交林，平均树高 18.5 m，平均林龄66 a，林分密度535 株·hm-2，蓄积量 91 m3·hm-2，平均胸径 20 cm，地被物主要为三棱草Cyperus iria，下木层主要植物为山高梁Spodiopogon cotulifer。

于2007年对实验区低质林进行顺山及横山带状改造，伐除带内非目的阔叶林分，顺山改造要求为每条顺山改造带均处于同一海拔高度，带距为100 m，设置6 m（S1）、8 m（S2）、10 m（S3）及15 m（S4）4种带宽，将未改造样地作为对照（SCK），各改造带间设置同等宽度保留带。横山改造要求为每条横山改造带均沿不同海拔高度，带距为100 m，设置6 m（H1）、8 m（H2）、10 m（H3）及15 m（H4）4种带宽，对照带（HCK）及保留带设置同顺山改造。保留带为针阔混交林。于2008年在改造带内造林。顺山改造带顺山坡模式，保留带的枯落物更易落在改造带内，使改造带枯落物量大于横山改造带；横山改造带横山坡方向设置，拦截降雨的能力较好[19]。

2 数据收集及研究方法

2.1 土壤数据的收集和测定

在顺山改造带内，沿“S”型由上至下设置5个样点，横山改造带内沿S型由左至右设置5个样点，分别单点取样，取0～10 cm土层土壤1 kg作为样品进行分析。从2007年至2014年，于每年6月连续8年采集土壤样本，于实验室内进行自然风干、研磨过筛后，进行土壤养分指标的测定。土壤养分指标测定方法及标准均按照1999年森林土壤测定林业行业标准进行[20-21]。

2.2 综合评价方法

2.2.1 变异系数法

本文利用变异系数考量土壤养分异质性。变异系数法的原理为均值(μ)除标准差（σ），对数据的进行无量纲化，并表征了数据的离散程度，准确地反映带状改造的影响。变异系数越大代表改造模式对各项指标的影响程度越大。为更好地体现改造模式对土壤养分的影响，将影响程度划分为弱度变异（0～10%）、中弱度变异（10%～40%）、中中度变异（40%～60%）、中强度变异（60%～80%）、强度变异（80%～100%）、极强度变异（100%以上）。

2.2.2 灰色系统理论

灰色系统理论可以通过对“部分”已知的信息生成开发，以全面了解所研究的问题，非常适合土壤养分的评价。对于每个指标，选出系统中质量最高的样本作为理想对象，灰色关联度值越高，与理想对象越接近，根据与理想对象的接近程度对各改造效果进行评价[22]。

（1）确定决策矩阵。由n样地m个指标实测值，构成一个m×m的决策矩阵。

（2）初始化决策矩阵。由于指标不同其度量单位不同，造成数据具有不可公度性，为消除这种不良影响对数据进行初始化处理，即去除量纲。即用每一个实测值Xij除以理想矩阵中对应指标的值Xi0，得到初始化后的无量纲值X′ij，如公式(1)。

（3）计算灰色关联矩阵。确定评价指标的最佳矩阵S。Si为初始化得到的矩阵X′中第i行的最大值，由此得到理想矩阵S。

由公式（2）得出灰色关联系数rij[23]。

由rij构成灰色关联判断矩阵R。其中λ为0.5。

（4）计算指标权重。各指标对最终评价值贡献程度不同，应赋予不同的权重值。利用相关系数法求各指标权重，利用SPSS19.0计算8个指标相关系数vij。由相关系数法求权重，见公式(3)。

（5）计算综合评价灰色关联值。利用求得的灰色关联判断矩阵R及各指标的权重值，利用公式(4)计算出各样地灰色关联度。

3 土壤养分评价

3.1 土壤养分变化情况

(1)在8年中，小兴安岭土壤pH值变异系数在3.85%～7.14%之间，变化较小，属于弱度变异程度。顺山改造及横山改造对pH值影响较小。

(2)小兴安岭土壤养分有机质变异系数12.27%～55.35%，变异程度差异较大。横山改造对照带变异系数最小，HCK、H1、H4、SCK、S3、S4属于中弱度变异程度，S1、S2、H2、H3均属于中中度变异程度。顺山改造中S1、S2变异系数大于对照样地，6、8 m带宽顺山改造对土壤中有机质影响较大；S3、S4变异系数小于对照样地，10、12 m顺山改造对有机质影响较小。横山改造中改造带有机质变异系数均大于对照样地，至第8年，横山改造带有机质含量均小于对照带，横山改造最终效果是不利于有机质的蓄积。

(3)横山改造对照带全N含量变异系数最小，属于中弱度变异，横山改造不同带宽全N含量变异系数均大于对照带，横山改造对土壤全N含量影响较大且养分变化不规律。顺山改造全N含量变异系数为13.37%～25.88%，属于中弱度变异程度，且整体趋势一致，在改造后的第2年含量下降之后趋于平稳。

(4)土壤中全P含量的变异程度较大，顺山改造全P含量变异系数在77.34%～95.64%间，S2、S4、SCK属于中强度变异，S1、S3属于强度变异。横山改造全P含量变异系数为44.04%～62.72%，除H1属中强度变异外，其他横山改造带属于中中度变异。10块样地整体趋势一致，在改造后的第2年含量下降，接下来的4 a内含量较为平稳，在第7年达到最大值，第8年小幅度下降。

(5)小兴安岭土壤养分全K含量前6 a变化较平稳，第7年含量有所下降，第8年含量回升。顺山改造带全K含量变异系数均大于对照样地，范围在8.81%～16.76%之间。除SCK属弱度变异外，其他均属于中弱度变异。横山改造全K变异系数并无明显规律，介于14.38%～22.93%之间，均属于中弱度变异。均值介于13.42%～18.44%之间，属于全国第二次土壤普查中级土壤。由表1得横山及顺山改造对土壤中全K属于中弱度影响。

表1 各带状改造指标变异系数Table 1 Variation coefficients for every soil nutrients in each tested plots %

(6)土壤养分中水解N变异系数除S1比对照带高17%外，其他改造带变异系数均小于对照样地，属于中弱度变异，带状改造对水解N变异系数影响较弱。水解N含量变化趋势基本一致，丰谷期基本间隔一年，除改造后第5、6年同处低谷期外，其他年份满足上述规律，与全量养分变化规律同步。

(7)横山改造土壤有效P含量变异系数在9.08%～21.62%间，均高于对照样地，除HCK外均属于中弱度变异，改造后有效P含量均值有所增加。顺山改造变异系数在11.14%～22.58%间，同属中弱度变异。土壤中有效P含量明显较低，但土壤中全P含量较高，土壤中P的有效化较差，P在pH值为6.5～7.5时有效化较高，由于小兴安岭土壤pH值均小于6.5，抑制了P的转化。

(8) 2种带状改造中速效K变异系数均小于对照样地，顺山改造变异系数为8.92%～20.12%，S3、S4属弱度变异，其他样地均属中弱度变异。横山改造变异系数为11.08%～27.44%，属于中弱度变异。带状改造减小了土壤中速效K的变异程度。土壤中速效K与全K变化趋势大致相反，由于植被减少，地表径流增加土壤的淋溶作用增加且植物树干及地表微生物在进行生物反应需要的速效K量较大，土壤中消耗的全K再恢复需要一段时间，全K与速效K含量上表现为丰谷期交替出现，全K逐渐转化为速效K。

3.2 土壤养分灰色理论综合评价

(1) 确定决策矩阵[24]。效益型指标有全N、全P、全K、水解N、有效P、速效K及有机质，即以上指标值越大越好，土壤全量养分、速效养分及有机质越高，越有利于植物的生长及森林生态系统的持续发展。pH值为固定性指标，即越趋近于一个固定值越好，土壤中的生物反应及化学反应都需要在一定的酸碱条件下发生，通过对低质林的研究发现土壤为微酸性时，有利于各类反应的发生。将8 a的数据分次计算，本文中以2007年为例进行计算。由2007年的10个样地8个指标构成一个8×10的决策矩阵X。

（2）由公式（1）、（2）得到灰色关联判断矩阵R。

(3) 确定土壤养分指标权重。由相关系数法求权重，利用公式(3)，得到小兴安岭低质林土壤养分各指标的权重矩阵w。

(4)计算小兴安岭低质林土壤养分综合评价灰色关联度。利用上述求得的灰色关联判断矩阵R及各指标的权重矩阵w，利用公式(4)计算出不同带状改造灰色关联度（见表2）。

在顺山改造中S3与SCK在8 a内变化趋势基本一致，改造后前6 a土壤养分灰色关联度变化较小且趋势较平缓，第7年土壤养分灰色关联度达到最大值，分别为0.762 0、0.741 5。S1、S2、S4前4 a土壤养分灰色关联度变化趋势基本一致，在第4年土壤养分灰色关联度达到最小值，分别为0.566 1、0.551 7、0.552 3。S2、S4土壤养分灰色关联度随后逐渐增大直至第8年达到最大值（0.718 0、0.675 9），而S1在第7年达到最大值（0.623 6），在第8年略微减小。顺山改造中前6 a包括对照样地在内的5个实验区土壤养分灰色关联度较为接近且趋势基本一致，顺山改造后的第7年、第8年差异较大，且土壤养分评价较高。土壤养分明显得到改善，最大值出现在S3中改造后的第7年，为0.762 0。S3历年评价指标均高于其他顺山改造样地。

表2 各年份不同带状改造灰色关联度Table 2 Scores of all reformed plots during 8 years

在横山改造中，HCK土壤养分灰色关联度较低且变化较小。H1、H2、H3、H4土壤养分灰色关联度变化趋势基本一致，在改造后的第1年，由于植被迅速减少，林分受到较大影响，土壤养分灰色关联度下降较快，在改造后的4 a内持续下降，在改造后第4年除对照样地外均达到最小值，随后土壤养分灰色关联度逐渐增大，除H3外均在改造后的第8年达到最大值。H3在改造后的第7年达到最大值，第8年略微减小。在横山改造中H1改造效果较好，所有横山改造灰色关联度值均高于对照样地，横山改造明显有利于土壤养分的改善。

将顺山带状改造及横山带状改造进行对比，改造后第2年、3年、4年、6年包括对照样地在内的10块实验区土壤养分灰色关联度差异较小，且年间变化较为接近。10块样地历年变化具有相似性，在改造后的第2年明显下降，改造后的第4年达到最小值，随后逐渐升高在改造后的第7年或第8年达到最大值。

4 结论与讨论

土壤养分的组成及含量与植物的生长、森林的持续经营、生态系统中物质的循环具有密不可分的联系[25-27]。低质林进行改造后，森林微气候中湿度及光照迅速增加，加快土壤中水分的气化过程，促进林分枯落物的分解，使土壤的理化性质变化较大[28]。低质林改造对pH值影响较小，对土壤养分中全N、水解N、全K、速效K、有效P属于中度影响，且土壤养分中全N与水解N含量显示同趋变化，带状改造后林内气候较为干燥，且小兴安岭地区土壤显弱酸性，有利于固氮菌存活及繁殖[29]。全K与速效K含量变化趋势相反，这是由于土壤中全K含量与速效K含量受离子浓度的影响处于动态平衡。有机质对带状改造响应较为适中，属中度变异，不同带宽改造与补植后，林内枯落物的组成与数量发生改变，光照增加，雨水充足，森林微气候改变[30-31]，影响枯落物的分解，导致有机质含量变化。带状改造对土壤中全P含量影响较大，因为植株刚栽进土壤中需要大量P进行光合作用，消耗较大。土壤中除K元素外，全量养分与速效养分显著不相关（P＞0.05），植物在生长各个阶段所需要的元素不尽相同，导致土壤养分中全量养分与速效养分含量差异性显著。10块样地在8 a中全P变化趋势一致，带状改造后含量迅速下降随后平缓上升，第7年含量最高随后略微减小。土壤中全K含量变化趋势较为一致，在改造后第2年顺山改造带含量有所上升，横山改造带略微下降在随后的4 a内变化趋势较为平缓，第7年明显下降后第8年大幅度上升。土壤养分来源有成土母质风化及有机质分解产生等，使有机质与综合评价结果趋势较为一致。土壤养分综合评价中权重排序为水解N＞全K＞有机质＞速效K＞pH值＞有效P＞全P＞全N。相关系数法求权重综合地反映了指标间的相关性，即相关性越大，影响程度越大，权重越大。N作为蛋白质构成的主要元素，可以合成植物生长过程中所需的各种酶，进而影响植株整体生长发育，对其他指标影响也较大，权重较大[32]。殷金岩等[33]曾对城市绿地土壤养分进行研究，认为土壤有机质是制约土壤养分的主要因素。

变异系数显示顺山及横山带状改造对土壤养分各指标影响程度，进而影响总体土壤养分。从8 a后改造效果来看，除S1样地外改造样地土壤养分均有所改善。顺山改造带中各样地土壤养分综合灰色关联度评价值年间变化较为一致，前6 a综合评价关联度变化趋势较为平缓，第7年各样地均有所增长，至改造后的第8年除S2、S4有小幅度上升外其他3块样地小幅度下降，除S1外各样地顺山改造后综合灰色关联度评价高于对照样地，顺山改造除6 m带宽外对土壤养分均有明显改善。至第8年，顺山8 m带状改造土壤养分得分最高，为0.718 0，最接近理想模式，效果最好，该结论与毛波等[10]的研究结果一致。随着顺山改造带宽的增加，阳光越来越充足，越有利于枯落物的分解，改造效果逐渐升高，当顺山改造带宽过大时，林分树冠骤降，导致水土流失，土壤养分随之降低。横山改造中对照样地土壤养分灰色关联度评价在8 a中变化较小，至改造后第8年改造带均高于对照样地。至第8年，横山改造中6 m改造带得分最高，为0.680 2，土壤养分得到明显改善。横山改造带顺山坡设置，能有效防止水土流失，带宽越小，效果越好。不同带宽横山改造土壤养分综合灰色关联度评价值在时间上变化趋势较为一致，在第2年小幅下降后第4年处于低谷随后逐渐升高至第7年或第8年达到最大值。森林植被经过植株移除及幼苗的栽植后，经过8 a时间，森林生态系统重新构建后，达到稳定，土壤养分综合得分有所升高。综合横山及顺山带状改造效果，顺山8 m带宽改造模式最佳。森林生态系统循环周期较长，植株生长时间也较长，对土壤养分的监控是一个漫长的过程,还需进行持续观测。

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Comprehensive evaluation of soil nutrient change in low-quality forest after reformation

CHEN Bai-ling, DONG Xi-bin, MAO Bo, SONG Qi-liang, TANG Guo-hua
(Heilongjiang Province Key Lab.of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China )

The experiments was taken in the 500th compartment of Mayongshun Forest Farm, Xiaoxing’anling Mountain.The tested low-quality forest forests were improved along the vertical and horizontal hill direction with ribbon state, different band width, the control sample plots were set up in the unimproved sample plots and the soil nutrient change situations were analyzed and studied by using variation coefficients and gray system theory.The results show that the ribbon state reformation had little effect on soil pH, had moderate effects on total nitrogen, available nitrogen, total potassium, available potassium, available phosphorus, had greater impact on organic matter, and had the greatest impact on total phosphorus; In the second year after the transformation, the soil nutrients gray correlation comprehensive evaluation in the experimental plots significantly decreased, in the fourth year after the transformation, that dropped down to the minimum value, then gradually increased, and reached a maximum in the seventh year or eighth year after the transformation, that is, the soil nutrients were in the best status; The reformation along the mountain vertical direction had positive effects on the soil nutrients, and the effect with 8-meter wide reformation belt along the vertical direction was the best, whose score of grey correlation degree was 0.7180; That of the 6-meter wide reformation belt along the mountain horizontal direction was better than that any other reformation belts, whose score of grey correlation degree was 0.6802; All the scores of the reformation belts along the mountain horizontal direction were better than CK.In summary, the 8-meter wide reformation belt along the mountain vertical direction had the best effectiveness.

low-quality forest transformation; soil nutrients changes; grey correlation analysis

S714.2

A

1673-923X(2015)09-0065-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.09.011

2015-01-16

林业公益性行业科研专项（201004043）

陈百灵，硕士研究生 通讯作者：董希斌，教授，博士研究生导师：E-mail:xibindong@sina.com

陈百灵，董希斌，毛 波，等.低质林改造后土壤养分变化综合评价[J].中南林业科技大学学报，2015, 35(9): 65-70.

[本文编校：谢荣秀]