基于物元模型分析人工造林对土壤养分的影响
2016-07-26郭洋洋姚云峰秦富仓黎英华刘军华
郭洋洋, 姚云峰, 秦富仓, 黎英华, 刘军华
(1.内蒙古农业大学 生态环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010018; 2.内蒙古赤峰市敖汉旗水利局， 内蒙古 赤峰 024300)
基于物元模型分析人工造林对土壤养分的影响
郭洋洋1, 姚云峰1, 秦富仓1, 黎英华1, 刘军华2
(1.内蒙古农业大学 生态环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010018; 2.内蒙古赤峰市敖汉旗水利局， 内蒙古 赤峰 024300)
摘要：[目的] 分析人工造林对于土壤养分的影响，为合理造林提供一定的理论依据。[方法] 以内蒙古自治区敖汉旗1983与2013年的土壤养分数据作为基础，运用层次分析法与物元模型对1983和2013年内的土壤数据进行养分分级，并进一步描述了各土壤养分变化特征。[结果] 5种类型土壤的有机质与全氮在造林30 a后呈上升趋势；磷与钾呈逐渐减少趋势。造林后，土壤养分等级普遍呈增加趋势。[结论] 造林使土壤有机质增加，合理的人工林结构有助于维持土壤肥力。
关键词：物元模型; 土壤养分; 土壤评价等级
文献参数： 郭洋洋, 姚云峰, 秦富仓, 等.基于物元模型分析人工造林对土壤养分的影响[J].水土保持通报，2016,36(3)：321-328.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.055
面对中国森林资源短缺和发展不平衡的问题，人工造林技术被提上了日程，随着中国经济的大力发展，环境破坏日益严重，生态环境建设也被列入了发展战略中。而人工造林是提高生态效益，保护生态环境的重要方式之一，所以，研究人工造林给整个生态系统以及生态环境的某一部分带来的影响变得尤为重要。土壤养分是反映土壤肥力的客观指标，由于土壤受到自然和非自然的因素的影响，不同的土壤养分含量也具有不同的时空分布格局[1]。近些年来，很多方法被用来研究土壤的养分，比如主成分分析法[2]、灰色关联度分析方法[3]、模糊综合法[4-6]和人工神经网络法[7]等，物元模型是通过单指标的关联函数和模型的集成得到土壤养分的综合水平数据，使土壤养分的结果更加客观准确。
本研究拟基于物元模型研究人工造林对生态系统中土壤的影响来进行分析。通过对2013年的采集数据和1983年采集的数据所得出的土壤养分综合水平进行比较，得出土壤养分30 a的变化，同时分析人工造林对土壤养分的影响，以期为合理造林提供一定的理论依据。
1研究区概况
试验地点设在赤峰市敖汉旗，海拔高度范围在350～800 m，全旗年降水量从南到北递减，平均为310～460 mm，年蒸发量平均为2 200～2 600 mm，为年降雨量的6～8倍。敖汉旗属温带气候，年平均气温4.9～7.5 ℃，年积温2 700～3 200 ℃，冬季平均气温-9.8～-7.3 ℃，夏季平均气温20～22 ℃。土壤类型主要有棕壤、褐土、栗钙土、草甸土、风沙土和沼泽土。1983年第2次土壤普查时，全旗总面积8 300 km2,其中土壤面积8 213.7 km2，耕地面积为2 234 km2，占全旗总面积27.02%，荒山荒地面积3 342 km2，约占全旗总面积40.1%，林地面积150 km2，约占全旗总面积的1.8%。截至2009年，敖汉旗有林面积达3 526.7 km2，占总土地面积的42.5%，是建国初有林面积的33倍，是1978年前的4倍。成为“中国人工造林第一县”。据统计，2013年时，林地面积3 945 km2，约占全旗总面积的47.57%。
2材料与方法
2.1土样采集与测定方法
土样采集于2013年按不同土壤类型进行的，样地的位置与1983年土壤普查时一致。本次研究在土石山区和黄土丘陵区根据不同坡向(东、西、南、北)和不同坡位(坡上、坡中、坡麓)划分小样地，并在各小样地上进行“S”型采样。共采集混合土样195个。样品采集地在1983年时均为荒山荒地，现均为人工造林地区。主要的测定项目包括有机质、全氮、全钾、全磷。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法；全氮测定采用凯氏法；全磷测定采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法；全钾测定采用氢氧化钠熔融法。
2.2土壤养分因子权重的确定
参照全国第二次土壤普查的土壤养分调查指标及分级标准(表1)以及1983年调查所具有的土壤养分的基本数据，选取有机质、全氮、全磷、全钾作为本次研究的评价因子，采用层次分析法(AHP)赋权值。本文应用层次分析法软件(yaahp)来进行层次分析，确定了土壤养分评价因子权重。有机质的权重是0.434 4；全氮的权重是0.244 3；全磷的权重是0.176 8；全钾的权重是0.144 5。
表1 土壤养分分级标准 %
2.3综合评判的物元模型
(1)“物元”定义。给定事物的名称M,它关于特征c的量值为v,以有序三元R=(M,c,v)组作为描述事物的基本元,简称物元。其中M，c，v为物元的3大要素，若事物M以n个特征c1,c2,…,cn和相应的量值v1,v2,…,vn来描述,则可表示为:
(1)
(2) 经典域的确定。
(2)
式中:N0j——所划分的第j个评价等级(j=1,2,…,m)；ci——表示第i个评价指标；x0ji——ci对应评价等级j的取值范围,即经典域；
(3) 节域的确定。
(3)
式中：P——表示评价等级的全体；Xpi——P关于ci的取值范围,即P的节域；
(4) 待评事物各指标关于各等级的关联度的确定。
ρ(vi,x0ji)与ρ(vi,xpi)分别表示点vi与经典域区间X0ji和节域区间Xpi的距；
关联度Kj(vi)实际上刻划的是待评事物各指标关于各评价等级j的归属程度,若Kj(vi)=maxKj(vi), j ∈(1,2,…,m),则评定指标vi属于等级j。
(5) 事物P0关于等级j的关联度的计算。
(5)
若Kj(P0)=maxKj(P0)， j∈(1,2,…,m)，则评定P0属于等级j。为揭示更多的分异信息，现将物元模型的逻辑值由闭合区间[0,1]拓展为[+∞，-∞][8]。
若Kj(P0)>0,则待评事物符合某级标准,且其值越大,符合程度越高；若-1 3结果与分析 3.1土壤养分等级划分 式中：om1——有机质；tn——全氮；tp——全磷；tk——全钾。下角标数字1到5表示5种土壤类型。 结合1983和2013年土壤养分化验数据(表2)，运用物元模型公式(3)分别得到1983年土壤养分节域(Rp)和2013年土壤养分节域(Rq)。 表2 1983年土壤养分参数 % 将1983和2013年测得的41个样点土壤养分数据分别代入到公式(4)和(5)中进行综合关联度的分析，并根据综合关联度判断土壤养分级别，具体结果见表3—4。 3.2土壤养分指标变化特征 3.2.1风沙土土壤养分指标变化特征从评价等级上来看，风沙土属于极贫乏等级，但是从养分的单一指标来看，1983年的有机质为0.033%，2013年我们实测的土壤有机质为0.114%，明显高于1983年测得的土壤有机质；全氮、全磷、全钾含量则均较1983年低，分别是1983年的76.2%，59.0%和87.4%。风沙土上植被种类多为柠条锦鸡儿等豆科植物，豆科植物在植被演替早期具有明显增加土壤有机质的作用。贾举杰等[9]在研究中也认为在弃耕地演替早期添加豆科植物，能够增加土壤有机碳，提高土壤肥力。 表3 敖汉旗1983年土壤养分等级评价结果 注：N01,N02,N03,N04,N05为实测土壤养分与全国第二次土壤普查的土壤养分调查指标及分级标准各等级的关联度；MAX为最大关联度；字母e, w, s, n分别代表东坡、西坡、南坡和北坡。下同。1983和2013年均无棕壤的坡上e数据。 表4 敖汉旗2013年土壤养分等级评价结果 3.2.2草甸土土壤养分指标变化特征草甸土在经过30 a的植树造林改造后土壤养分有很大的提高，土壤等级也从过去的极贫乏变为贫乏。草甸土为隐域性土壤，成土时间较短，大多为农区，受开垦等一系列人为活动的干扰较大，表层多数为沙土或沙壤。草甸土上多为小叶杨防护林，但农田面积较大，所以林地面积小和人为干扰大是土壤改造缓慢的主要原因。草甸土的有机质、全氮和全磷均较1983年高，只有全钾较1983年低。这是由于草甸土农区种植的作物主要为绿豆、黑豆、大豆等豆科作物，能够明显增加土壤有机质，提高土壤的肥力，这与王大勇等[10]的研究结果一致。 3.2.3褐土土壤养分指标变化特征褐土土壤养分变化较大，有机质、全氮含量在南坡坡中、东坡坡中较30 a前低，其余样地均较1983年高。针对土壤养分评级的对比中也显示出南坡坡中由原来的适量变为贫乏，而东坡坡中还维持原来的贫乏状态，这可能与造林树种的选择不合理、人为活动的干扰有关。全磷的变化则是除北坡坡麓外均较1983年低，而全钾的变化未呈现一定的规律性。从对养分评级的评价结果来看，东坡的坡中和坡麓以及北坡的坡中维持原来的土壤养分状态，养分等级未发生改变，南坡和西坡的坡中地带土壤等级下降，其余样地土壤养分等级均上升(图1)。 注：1东坡坡上； 2东坡坡中； 3东坡坡麓； 4西坡坡上； 5西坡坡中； 6西坡坡麓； 7南坡坡上； 8南坡坡中； 9南坡坡麓； 10北坡坡上；11北坡坡中； 12北坡坡麓。下同。 图1褐土土壤养分指标变化 4讨论与结论 4.1讨 论 针对敖汉旗林下土壤养分与30 a前未造林时养分进行比较分析，并利用物元模型对养分等级进行划分，更好、更直接的描述了土壤养分在这30 a的变化，同时也将属于和不属于这种定性的描述转变为定量描述[11]。敖汉旗的6种土壤类型上广泛分布着人工林，本文针对5种类型土壤的养分指标分别进行了测定。 3.2.4栗钙土土壤养分指标变化特征如图2所示，栗钙土土壤养分等级总体表现为上升趋势。但其中东坡和南坡的坡麓样地土壤等级下降，由原来的适量和贫乏转变为极贫乏等级，南坡坡上和西坡坡麓维持原来的等级未变，其他样地土壤等级均上升。从土壤各个养分指标来看，东坡和南坡的坡麓地带有机质含量和全氮含量均较1983年低，其他位置均普遍高于1983年；而土壤的全磷含量则是均较1983年低；除北坡坡中的全钾高于1983年，其余均较1983年低。林木对土壤中磷和钾的吸收大于草本或灌木，所以磷和钾均表现为下降趋势。但是林木的死亡根系和枯落物对土壤有机质的补充远大于草本或灌木，这是导致有机质上升的原因。 3.2.5棕壤土壤养分指标变化特征如图3所示，棕壤是森林分布面积最大的土壤类型，主要树种为油松和山杏。在经过30 a的造林改造后，棕壤土壤养分等级均较高。但南坡的坡上、坡中和坡麓的改良效果不明显，土壤养分等级未发生变化，北坡坡中地带土壤养分更是下降，土壤等级下降。其他样地的土壤等级均上升，整体土壤养分等级也高于其他土壤类型。从各个养分因子来看，棕壤有机质含量整体较1983年高，在林分结构和功能较好的地区，由于枯落物增厚对土壤表层有机质的补充，一些样地的有机质含量有大幅度的上升，比如东坡坡麓样地的土壤有机质由1983年的0.9%上升为2013年的2.09%，西坡坡上样地的土壤有机质由1983年的0.66%上升为2013年的2.72%。南坡和北坡的坡中全氮含量较1983年低，其他样地均高于1983年。2013年西坡坡麓和坡上的全磷含量较1983年高，其他样地均低于1983年。土壤中全钾的含量也只有南坡和东坡的坡中、北坡坡麓和坡上高于30 a前，其余样地均较1983年低。 图2 栗钙土土壤养分指标变化 图3 棕壤土壤养分指标变化 研究区有机质在造林30 a后普遍呈上升趋势，这主要是由于林分结构合理，随着林龄的增加，枯落物累积量也增大，枯落物对地表土壤有机质的补充增多，所以有机质逐渐增加。Coleman等[12-13]的研究也认为，凋落物的累积造成更多较难分解的土壤有机质碎片，该成分被认为是土壤长期碳贮量的重要组成部分。 氮在植物的生长过程中是必不可少的元素，应随着植物的生长逐渐减少，但是本研究中氮的变化却是相反的，这也就从一定程度表明造林树种的林分结构合理，能够更好的维持土壤肥力，丁扬等[14]在针对苏北杨树人工林的生物量和碳储量的研究中得出的结果相近。 磷是植物体内多种重要化合物的组成成分，且磷对植物的光合作用具有促进作用，这可能是磷减少的原因。 钾在植物体内是以游离状态存在的，同时也能促进光合作用，所以这可能是钾减少的原因，但是磷和钾的消耗具体机理还需要进一步研究。 4.2结 论 利用层次分析法和物元模型将1983和2013年内的土壤数据进行养分分级,更直接的描述了造林对土壤改良的作用。从5种类型土壤的养分变化可知，人工造林使土壤有机质增加,合理的人工林结构有助于维持土壤肥力。针对于人工林对土壤中磷和钾的影响机理应进行进一步的研究。 [参考文献] [1]何文寿.宁夏农田土壤耕层养分含量的时空变化特征[J].土壤通报,2004,35(6):170-174. 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[Results] After 30-year afforestation, the content of organic matter and nitrogen in five different types of soil were increasing, while the content of phosphorus and potassium were decreasing. Soil nutrient level showed an increasing trend as well. [Conclusion] Afforestation can increase the content of soil organic matter, and the reasonable artificial forest structure is helpful to maintain soil fertility. Keywords:matter element model; soil nutrient; soil evaluation grade 资助项目：内蒙古应用研究与开发计划项目“农林牧耦合生态系统固碳关键技术”(2010732); 中国科学院战略性先导科技专项“京津风沙源治理工程(内蒙片)固碳速率和潜力研究”(XDA05060602) 第一作者：郭洋洋(1991—),女(汉族),内蒙古自治区赤峰市人,硕士研究生,研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail:yangyang1845@163.com。
