管惠文，董希斌，曲杭峰，陳 蕾，張期奇

（東北林業(yè)大學 森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林作為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)[1]，具有調節(jié)氣候、改善土壤質量、保護生物多樣性、減輕地質災害等無可替代的作用[2-4]。然而目前世界范圍內森林生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化，不僅數(shù)量銳減，而且質量也隨之下降，對此，必須實施恢復森林生態(tài)環(huán)境的有關措施[5-9]，提高森林生物多樣性、增加林產品產量、改善土壤的理化性質，從而恢復森林生態(tài)系統(tǒng)的各項功能。

土壤能夠影響植物的生長和產量[10-12]，進而使森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，同時，森林生態(tài)系統(tǒng)的變化又會使土壤產生演變[13-15]，土壤在森林的物質能量運輸中起著不容忽視的作用[16-17]，因此，林地土壤質量在一定程度上反映森林生態(tài)環(huán)境的好壞。李靜鵬[18]等以采伐跡地上發(fā)育來的稀樹灌叢、針葉林、針闊混交林和常綠闊葉林為研究對象，比較各群落土壤因子間的差異，研究表明天然更新的常綠闊葉林則更有利于生物多樣性的增加與土壤養(yǎng)分的保蓄。崔瀟瀟[19]等運用地統(tǒng)計學方法和模糊綜合評判法評價了北京市大興區(qū)土壤肥力并揭示肥力質量空間變化規(guī)律。吳玉紅[20]等以楊凌為研究區(qū)域，結果表明全磷和碳酸鈣是影響研究區(qū)土壤肥力的限制性因子。金慧[21]等通過對不同海拔區(qū)內牛皮杜鵑種群構件的觀察與測定,對其與土壤因子之間進行灰色關聯(lián)度分析，獲得牛皮杜鵑種群對土壤因子的生態(tài)適應性信息，揭示了其生長及分布的相對穩(wěn)定機理。采伐會擾動土壤層的物質分布，Sirpa[22]等通過對芬蘭東部的北方森林中挪威云杉的研究，發(fā)現(xiàn)采伐改變了森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質的流動，采伐前四年和采伐后三年的土壤取樣對照，在枯枝落葉層、淋溶層、沉淀層元素含量不同，說明采伐后不同土壤分層化學性質變化情況存在差異，主要體現(xiàn)在水溶性P、S、Ca、Mg等方面。同時，有許多專家學者對于不同間伐強度對土壤肥力的影響進行了有關研究，馬芳芳等[23]以遼東山區(qū)日本落葉松人工林為研究對象，研究不同間伐強度處理5 a后落葉松林土壤理化性質的變化特征；楊會俠[24]對弱度、中度、強度、極強度4種間伐強度和未間伐（對照）的紅松人工林土壤理化性質進行研究。但目前普遍存在研究期較短的問題，對于間伐對于土壤肥力的影響應該從其長期效果來觀測。

本文以大興安嶺不同撫育間伐強度的落葉松天然次生林為研究對象，研究經間伐10 a后不同間伐強度對森林林地土壤肥力的影響，并通過灰色關聯(lián)的方法綜合定量性地評價改造樣地的土壤性能，反映改造10 a后的不同間伐強度下的土壤肥力差異，為更好地反映森林土壤的質量以及選擇合理的落葉松天然次生林間伐強度提供借鑒和參考。

1 試驗區(qū)概況和研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)地處黑龍江省大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局13、106、108、109、165林班，地理坐標位置為 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。地勢平緩，坡度在10°以下。林地土壤類型為棕色森林土，質地為沙壤土，土壤厚度為16 cm左右。試驗區(qū)年平均氣溫為-2.6 ℃，冬季干燥寒冷，夏季時間較短，氣候分明，屬于典型的寒溫帶大陸性氣候。年降水量為 480～510 mm，雨季集中在6—9月份，全年的凍結期大約為7個月，結冰一般出現(xiàn)在9月下旬，終凍在4月下旬。

2007年3月，在試驗區(qū)設置7個落葉松次生林撫育改造樣地，編號為1～7，每個樣地的面積為60 m×60 m，林地內灌木以興安杜鵑Rhododendron dauricumL.為主，平均蓋度為27%，草本以越桔Vaccinium Vitis-Idaea為主，平均蓋度為62%。其中1號樣地未采伐，其他樣地基于蓄積量進行不同強度的撫育間伐，采伐的主要樹種為成熟落葉松，經采伐后的剩余物采用堆腐法處理，具體樣地設置如表1所示。2015年，間伐樣地內分別補植興安落葉松Larix gmelinii、興安樟子松Pinus sylvestris、紅皮云杉Picea koraiensisNakai、西伯利亞紅松Pinus sibirica促進林分更新，后期進行適當?shù)墓芾砗途S護，確保其成活率，并對其進行科學的撫育，主要包括澆水、除草、培土、擴穴等。對更新苗木的成活率和生長率進行統(tǒng)計，具體數(shù)值如表2所示。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方法

2017年8月，對試驗區(qū)內造林苗木進行每木調查，調查的項目包括苗高、地徑、生長量，工具主要有游標卡尺和卷尺。在7個樣地內分別取樣，在對照樣地與改造樣地中按照“S”型布點法各選擇4個面積為1 m2的樣方，每個樣方內選擇5個取樣點取土，按照四分法混合取樣，在每個實驗樣點取土壤剖面深度為0～10 cm的土壤樣本1 kg帶回實驗室用來進行室內實驗數(shù)據(jù)測定。在野外取得的土壤樣本會在室內進行風干處理，研磨過篩，然后對反映土壤養(yǎng)分的元素含量進行測定。測定方法和測定元素，如表3所示。同時在樣方內用容積為100 cm3環(huán)刀在每個土壤樣點取環(huán)刀樣本，借以測量土壤的物理性質，包括土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙、總孔隙度、最大持水量5項指標。

表1 樣地概況?Table 1 General information of sample plots

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

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

試驗得到的數(shù)據(jù)運用Excel進行數(shù)據(jù)整理和初步處理，并利用SPSS軟件進行灰色關聯(lián)預測。

1.2.2 綜合評價方法

2.3 將收割機存放于干燥通風、地高堅硬的車庫內，并用木墩在輪胎附近的機架堅固處加以支撐，4個支撐點應在同一水平面上，以免機架變形。支撐高度以輪胎離地面20～50 mm為宜，放出輪胎內的2/3氣體，以免輪胎過早老化。把收割臺放下，用枕木墊起，使液壓油缸的柱塞桿完全收縮進液壓缸內，讓液壓泵卸下負荷。將收割臺緩沖彈簧調整螺栓擰松，使其處于自由狀態(tài)。

研究間伐10 a后，不同間伐強度下天然落葉松林內土壤肥力的差異性，對于建立合理的森林土壤質量評價體系以及改善森林生態(tài)環(huán)境有著十分重要的影響。本研究應用灰色關聯(lián)法[25]對撫育間伐后的林地土壤肥力進行綜合評價，首先運用改進層次分析法和熵權法求出各個指標的權重，再計算出灰色關聯(lián)度，從而依據(jù)關聯(lián)度的大小評價林地的土壤質量。得到的關聯(lián)度越高，說明撫育間伐后林地的土壤肥力越高，說明此間伐強度對于改善土壤質量效果較好，是可取的改造方式。

2 結果與分析

2.1 確定決策矩陣

由已知經驗選取對土壤肥力有較大影響的土壤化學性質和物理性質共13項指標進行綜合評價分析，具體測量值如表4所示。

決策矩陣是由n個樣地的m個評價指標的實測值組成的集合，其中n=7，m=13，得到決策矩陣X。

表4 土壤肥力各指標值Table 4 Index values of soil fertility

2.2 初始化決策矩陣

根據(jù)公式（1）對決策矩陣中不同的測量指標進行無量綱化處理，計算出不同間伐強度的落葉松天然次生林土壤肥力性能決策矩陣X′。

式中：x′ij和xij分別表示第j個樣地的第i個土壤肥力指標因子的無量綱值和實測值；xi0表示第i個指標的峰值。

2.3 確定評價指標權重

在所選擇的土壤肥力指標中，不同的指標對于最終評價結果的影響是不同的，本文選取主客觀結合確定權重的方法來確定指標權重，使得到的組合權重能更有效的反映指標間的關系，既體現(xiàn)了專家在研究領域的權威性又可以盡可能的反映客觀事實。本次選取的主觀權重法為改進層次分析法，客觀權重法選用熵權法。

1）運用改進層次分析法確定主觀權重，首先要設置目標層、系統(tǒng)層、指標層，然后采用方根法計算特征向量，即各指標權重值。同時進行一致性檢驗，當通過檢驗時就可以確定各指標權重。本文中13個指標可以分為5個系統(tǒng)層，為pH、有機質、土壤全量、土壤有效量、土壤物理性質，分別含有1、1、3、3、5個指標，設置方法如表5所示。系統(tǒng)層的權重是由系統(tǒng)層的指標數(shù)量與初步的系統(tǒng)層的權重共同確定，具體見公式（2）。

2）運用熵權法確定客觀權重，根據(jù)各項指標的實測數(shù)據(jù)建立判斷矩陣，最終得到的熵值越小，說明該指標提供的信息量越多，指標所占權重越大，決策時會起到更加重要的作用，這種方法充分體現(xiàn)了指標權重的客觀性。

3）將主觀權重與客觀權重相結合，采取線性綜合賦權確定綜合權重，具體計算見公式（3）。

式中：W3表示土壤養(yǎng)分指標綜合權向量；W1表示土壤養(yǎng)分指標主觀權向量；W2表示土壤養(yǎng)分指標客觀權向量；μ表示偏好系數(shù)，取值范圍為0～1，本文中取0.5。

表5結果表明，有效磷的綜合權重為最高，為0.222，其次是有機質的權重，為0.145，這說明有效磷和有機質對土壤肥力的影響較大。

2.4 確定灰色關聯(lián)判斷矩陣

根據(jù)公式（4）計算出林地土壤肥力各個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)rij。

表5 主客觀綜合賦權確定指標權重值Table 5 Weight values of indicators determined by subjective and objective comprehensive empowerment

其中：si為初始化后的決策矩陣X′中第i行的最大值，λ=0.5。

得到由林地水文性能各個指標的灰色關聯(lián)系數(shù)rij構成的灰色關聯(lián)評價矩陣R。

2.5 確定不同間伐強度樣地灰色關聯(lián)評度

結合灰色關聯(lián)判斷矩陣R和指標權重W，根據(jù)公式（5）計算出各樣地指標的關聯(lián)度bj，結果如表6所示。

關聯(lián)度越高，說明撫育間伐后林地的土壤肥力越高。由表6可以看出，土壤肥力灰色關聯(lián)（度間伐強度）由大到小排序為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%）， 因此撫育間伐強度為40.01%的落葉松天然次生林林地的土壤肥力為最佳。且除7號樣地外，經不同強度間伐后的落葉松林的土壤肥力均優(yōu)于未采伐的對照樣地，說明在一定間伐強度范圍內，間伐能夠改善林地內的土壤肥力。

表6 不同間伐強度林分土壤肥力灰色關聯(lián)評度Table 6 Grey correlation evaluation of soil fertility in the forests with different thinning intensities

3 結論與討論

林分經撫育間伐后，土壤質量受到影響，從而直接影響林分的生長狀況。本文以大興安嶺落葉松次生林撫育間伐后的土壤肥力指標為切入點，研究間伐10 a后，不同撫育間伐強度對土壤肥力的影響，確定最適合大興安嶺落葉松的間伐經營方式，改善森林微氣候。

本研究采用主客觀綜合賦權的方式確定土壤肥力指標權重，結合專家經驗和數(shù)據(jù)客觀性，結果表明有效磷的權重為最高，為0.222，其次是有機質的權重，為0.145，這說明有效磷和有機質對土壤肥力的影響較大。相關研究表明，土壤中有效磷的部分形態(tài)能夠作為能量傳遞的載體，儲備林木生長所必需的物質基礎[26]，而土壤有機質含量與土壤的物理性質如孔隙度、土壤容重等指標具有顯著的相關性[27]，是土壤肥力的重要指標，所以二者在土壤肥力的綜合質量評價中是關鍵性因素。

采用灰色關聯(lián)法對不同間伐強度下大興安嶺落葉松天然次生林的土壤肥力進行綜合評價，其灰色關聯(lián)度由大到小排序為間伐強度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），間伐強度為40.01%的改造樣地灰色關聯(lián)度最高，為0.73，由此可知，間伐強度為40.01%的改造效果最佳。且除7號樣地外，經不同強度間伐后的落葉松林的土壤肥力均優(yōu)于未采伐的對照樣地，說明間伐強度在9.43%～53.09%范圍內能夠改善林地內的土壤肥力。馬芳芳[23]等人的研究結果也表明40%的撫育間伐強度下土壤肥力最佳，楊會俠[24]認為中等撫育間伐效果最佳，與本文適宜間伐強度的不同可能與研究林分樹種組成差異有關?？傮w而言，隨間伐強度增加，土壤肥力的綜合質量呈現(xiàn)出先升高再下降的趨勢，這主要是因為采伐后太陽輻射增加，微生物迅速分解枯枝落葉，土壤肥力升高，但當強度過高，森林微氣候發(fā)生急劇變化，植被數(shù)量銳減，缺乏植被的遮擋，林地水土經沖刷后流失，土壤肥力也隨之下降。

大興安嶺落葉松次生林的改造將是長期、復雜的過程，由于植物生長周期、森林生態(tài)系統(tǒng)更新等因素的影響，土壤的肥力狀態(tài)不僅與經營模式有關，還與光照、降水、經濟和社會等因素密不可分，形成了現(xiàn)有的林地土壤肥力質量。因此必須對森林環(huán)境進行多方位的監(jiān)測，考慮多種影響因素，這方面還有待進一步研究，以期為更好地改良林地土壤提供科學指導。