间伐强度对土地肥力影响的模糊综合评判

王 杰，顾凤歧

(东北林业大学 理学院，哈尔滨 150040)

0 引言

土壤作为自然界重要组成部分，对大自然有着调节作用，包括水循环[1]和养分循环等作用，促进作物生长，是社会生产劳动资料，是农业生产的基本生产资料，是一切生产和一切进步的源泉。随着人口数量的增加和生态环境的恶化，保护土地肥力问题早已引起国内和国际学者的重视[2]，针对不同类型的土地单元制定合理的保护和改善措施，使土地资源可持续利用在学术领域中一直是热点问题，因此土地肥力的定量测定必不可少，管惠文等[3]利用层次分析法、灰色关联法和熵权法对大兴安岭天然次生林各间伐强度的样地土壤肥力进行评价，并揭示了不同间伐强度土地肥力变化规律。唐国华等[4]以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，采用主成分分析法建立补植改造后土壤肥力指标的评价体系。张鼎华等[5]研究了杉木(Cunninghamialanceolata) 、马尾松(Pinusmassoniana)、建柏(Fokieniahodginsii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)和木荷(Schimasuperba)人工林的抚育间伐对林分土壤肥力的影响，结果表明，间伐后林下植被生物多样性的提高诱发了土壤微生物多样性和数量的提高，由此增强了土壤的生物活性，加速土壤养分循环。唐丽静[6]基于元素地球化学特征，采用综合指数法对研究区土地肥力状况进行了评价。戎建涛等[7]为了解不同间伐强度对柳杉人工林林地的影响，分析了弱度间伐、中度间伐和强度间伐后土地理化性质的变化，得出中度间伐对柳杉林土壤干扰影响较小，有利于改善土壤肥力和含水量。

本文以黑龙江省大兴安岭林区新林林场落叶松天然次生林为研究对象，研究不同间伐强度处理5 a后落叶松林土地肥力的变化特征，土地采用模糊综合评判分析模型对土地肥力进行测定和计算，实验结果证明该方法合理有效，发现适当的间伐强度有利于保护土地肥力，对于保护土壤和合理利用土地资源提供合理化建议，具有学术价值。

1 试验区概述

大兴安岭位于黑龙江省和内蒙古自治区东北部，地理位置处于东经119°30′～127°,北纬46°26′～53°34′，是内蒙古高原与松辽平原的分水岭，北起黑龙江畔，南至西拉木伦河上游谷地；全长1 200 km，宽200～300 km，平均海拔600 m左右；大兴安岭为多年冻土带，处多年冻土带南部；冬长夏短，冬寒夏暖，昼夜温差较大，年平均气温-2.8 ℃，最低温度-52.3 ℃，属寒温带大陆性季风气候，每年的6—8月，日照时间长达17 h。目前大兴安岭木材材质下降[8]，土地退化，生物多样性下降，并伴有逆生长态势，对生物圈的可调节作用造成严重影响，其中土壤肥力下降严重是一个很重要的原因，因此需要对土壤性质进行大量研究，通过以上研究及时调整营林措施，加快森林生态系统的恢复。

2 研究方法

2.1 样地设置

天然落叶松林试验区设置在新林林场106林班1小班，作业面积约80 hm2，位于道路两旁，坡度2°左右，坡向为西北方向；土壤为暗棕壤，厚度约16 cm。林分类型为天然次生林，主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)，有少许樟子松(Pinussylvestris)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(Quercusmongolica)和山杨(Populusdavidiana)等。平均林龄50 a，平均胸径15 cm，平均树高13.5 m，林分郁闭度0.65。具体试验区概况见表1。

表1 天然林试验区植被构成Tab.1 Vegetation composition in natural forest test area

在天然落叶松林实验区内，共设计了31种不同间伐强度的试验样地，每块样地的面积相等均为1 hm2,即为100 m×100 m,在2007年进行过抚育间伐作业，样地分别为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)分别为：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 数据收集与整理

论文数据参考2016年黑龙江省大兴安岭统计年鉴、土地利用现状调查、土壤资源调查报告，调查小组还进行现场实地考察分析和采样调查。使该研究更具有真实性、准确性和科学性。

2.3 样品采集

在大兴安岭试验区内，穿过主要土壤类型和地质单元，同时选择东西南北4个方向布设样点，采样时清理地表表层未分解的有机物和杂草[9]，在31个样地分别选取东西南北4个方向面积同为1 hm2的样方，每个样方由该点周围50 m范围内的20个采样点的土壤样品组成，样点全部取土壤剖面为0～10 cm，充分混合后用四分法取样，取重带回实验室，鲜土在实验室做自然风干处理，然后去除杂质并研磨过筛，用于分析土壤肥力。

2.4 土壤肥力评价方法

土壤肥力是大兴安岭林木的生长基础，土壤肥力也是土壤各方面综合性能的体现，土壤肥力的高低直接影响着大兴安岭林木生长情况，保护土地肥力并对土地资源实现最优利用，科学并合理地评价土壤肥力成为重要话题，通过土地肥力评价可以掌握当前状态下土地健康发展趋势并制定缓解和防御恶化措施。定性评价和定量评价是国内外学者在进行土地健康评价时普遍运用的方法，定性评价方法基于有关专家学者的经验，不需繁杂的计算和方法支撑，主观性比较大，应用较少。定量评价方法首先建立合理的土地健康指标评价体系，并结合相关分析、判别分析、加权综合法、聚类分析、内梅罗指数法和主成分分析法等数学方法,从多个维度对土壤肥力做出综合评价，得到土地肥力状况分级结果，在土壤肥力评价时，选取真实性、合理性和科学性的评价指标，本实验对试验区内的31个样地，选取有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和速效钾7个有代表性的评价指标，以此划分土地肥力等级，指标的测定方法见表2,测定后得到的数据见表3。

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

3 模糊综合评价方法分析

模糊数学评价方法是在模糊的环境中，综合考虑影响评价结果的多种因素[10]，基于某种目的对评价对象做出综合判断和决策[11]。

3.1 模糊综合评判模型方法和步骤

(1)确定评价因素集，本研究U包括有机质质量、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷和速效钾7个因素xi，即U={x1,x2,···,x7}。

(2)建立评判矩阵[12]，模糊关系矩阵用rij表示。

(3)确定评价指标权重值：各因素的重要程度不同，为了反映各个因素的重要程度，对各个因素xi应该赋予一定的权数ωi，利用测度贴近度计算出相关矩阵[2]即

再利用Ax=λx求出相关矩阵的特征值λi根据[13]：

表3 天然林土壤元素含量

求出权重集ω={ω1，ω2,···,ω7}。最后根据[14]

3.2 测度贴近度定义及权重

对表3数据利用Matlab编程求解，得到相关矩阵m为：

3.3 确定相关矩阵特征根和特征根权重

表4 相关阵的特征值和特征向量Tab.4 Eigenvalues and eigenvectors of the correlation matrix

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

通过计算结果可看出速效钾的权数最高，说明速效钾在很大比重上影响土地肥力。

3.4 确定评判矩阵

把表3数据进行极差标准化，即：

4 结果和分析

由表5可得评价值由高到低的排序依次为:

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%)。说明间伐强度40.01%的S6改造模式最适合保护土地，同样的间伐强度为56.51%的S15样地改造模式是最不适合保护土壤肥力，S0(0%)样地的评价值排序为第28位，说明适当的间伐强度有利于保护土地肥力，同时可确定间伐强度范围在[34.2%，53.09%]闭区间内样地的土地肥力优于对照样地0%;由图1可知随着土地间伐强度的增大，评价值呈倒V字形，也就是先增大再减小，所以可以得到样地间伐强度范围为36.11%～42.01%，有利于保护土地肥力。

图1 大兴安岭样地评价得分折线图Fig.1 Daxing’an Mountains plot evaluation score line chart

表5 大兴安岭样地得分评分排序

5 结论与讨论

土壤是维持动物、植物和微生物生命活动的物质基础，土壤肥力的下降不仅降低了土壤对污染物的降解，土地甚至沙化、贫痔化，给人类带来的损失将是不可预估的， 考虑到土地修复期长和资源的不可逆性，合理地利用和保护土地资源就显得尤为重要。

(1)本文利用模糊贴近度的方法求出各指标权重，权重结果为：ω有机质质量=0.022 9、ω全氮=0.030 3、ω全磷=0.046 2、ω全钾=0.108 8、ω水解氮=0.141 4、ω有效磷=0.145 6、ω速效钾=0.504 8。通过计算结果可以看出速效钾的权重最高，说明它是植物生长发育的保证，容易被植物吸收利用，因此速效钾可作为评判土壤肥力的重要指标。

(2)通过以上研究方法可以明确地给出31块样地土壤肥力的评分由大到小排序： 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%)。能够明显地看出S6样地改造方式优于其他30个样地的改造方式，可以得出结论：间伐强度范围为36.11%～42.01%的土地改造最利于保护土壤肥力。以上应用模糊综合评判对大兴安岭林区新林林场31块不同间伐强度土地土壤肥力做出综合评价[16]，权重向量的计算方法改进，利用模糊贴近度求出，结果显示该方法可行。

近年来，大兴安岭新林林场的植物生长状况不容乐观，木材质量下降严重，因此土壤肥力问题不容忽视，要把土壤肥力问题作为首要的和基础的问题。