晉南不同密度油松人工林土壤水分的物理特性1)

杜滿(mǎn)義 封煥英 裴順祥 張連金 法蕾 郭嘉 辛學(xué)兵

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京,102300)

油松(Pinustabuliformis)是我國(guó)特有樹(shù)種，具有耐干旱、耐瘠薄，生長(zhǎng)迅速，根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，在水土保持、涵養(yǎng)水源和改良土壤等方面發(fā)揮重要作用。油松是我國(guó)北方溫性針葉林中分布最廣的森林群落，也是暖溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候區(qū)的地帶性植被。山西廣泛分布大面積油松天然林和人工林，油松在區(qū)域森林植被資源中占有重要的地位，是森林經(jīng)營(yíng)的重要對(duì)象[1-2]。林分密度是森林經(jīng)營(yíng)中重要的可控因子，林分密度一直是森林生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)營(yíng)學(xué)的重要研究課題[3]。林分密度是指單位林地面積上的立木株數(shù)，是人工林群落結(jié)構(gòu)的數(shù)量指標(biāo)[4]，決定林木個(gè)體的生長(zhǎng)空間和發(fā)育過(guò)程，對(duì)林分的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、林分質(zhì)量及林下植被多樣性產(chǎn)生重要的影響[5-6]。林分密度調(diào)控是改善人工林群落結(jié)構(gòu)的主要途徑，林分密度會(huì)顯著影響林分冠層結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性，改變林地的光照、水分和溫度等環(huán)境，群落生態(tài)因子重新分配，植物對(duì)環(huán)境資源的分配利用方式發(fā)生變化[7-9]。合理的林分密度能夠使油松人工林的針葉化程度顯著降低，地力衰退減緩，生產(chǎn)力增加，層次結(jié)構(gòu)和生物多樣性豐富，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗逆性增強(qiáng)，養(yǎng)分利用效率和養(yǎng)分循環(huán)速率提高，促進(jìn)林地可持續(xù)發(fā)展[10-13]。因此，營(yíng)造密度適宜的油松人工林，科學(xué)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)存油松林人工林是維持林地生產(chǎn)力，提高人工林穩(wěn)定性與可持續(xù)性的重要措施之一。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分、群落發(fā)生和發(fā)展的基礎(chǔ)、林木生長(zhǎng)和微生物作用等多種生態(tài)過(guò)程的重要載體，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[12]。林分密度直接影響土壤含水量和土壤的通透性，進(jìn)而影響植被根系水分吸收、植被水分利用效率以及植被生長(zhǎng)特性等[14]。土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤蓄水保肥能力以及土壤養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)化和利用均有重要影響，從而影響林木生長(zhǎng)發(fā)育和林地生產(chǎn)力。研究土壤水分理化性質(zhì)對(duì)進(jìn)一步了解林地土壤肥力狀況、林木生長(zhǎng)以及土壤蓄水性能具有重要意義[15-16]。因此，本文以晉南3種不同林分密度油松人工純林為研究對(duì)象，采用野外觀測(cè)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析林分密度對(duì)土壤水分物理特性的影響。旨在探討不同林分密度下土壤水分物理性質(zhì)的差異，評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量狀態(tài)，為區(qū)域油松人工林的質(zhì)量精準(zhǔn)提升和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省中條山國(guó)有林場(chǎng)管理局十河林場(chǎng)(111°50′～112°E，35°31′～35°51′N(xiāo))，中條山素有“華北地區(qū)動(dòng)植物資源寶庫(kù)”美譽(yù)。十河林場(chǎng)地處中條山中部，地勢(shì)東高西低，屬于大起伏侵蝕中山地貌，海拔1 000～1 961 m；屬于溫帶季風(fēng)氣候型，年均氣溫12.3 ℃，最低氣溫-19.1 ℃，最高氣溫41.3 ℃，≥10 ℃年活動(dòng)積溫4 160 ℃；全年無(wú)霜期220 d左右；年均降水量568.3 mm，主要集中在7—9月；土壤類(lèi)型主要為棕壤、淋溶褐土及褐土，多中厚土層，有機(jī)質(zhì)含量較高。主要森林植被類(lèi)型包括：油松(Pinustabuliformis)、華山松(Pinusarmandii)林、遼東櫟(Quercuswutaishansea)林、橿子櫟(Quercusbaronii)林、白樺(Betulaplatyphylla)林等；主要灌木植被類(lèi)型包括：連翹(Forsythiasuspensa)灌叢、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)灌叢、黃櫨(Cotinuscoggygriavar.pubscence)灌叢、繡線菊(Spiraeasalicifolia)灌叢、黃刺玫(Rosaxanthina)灌叢等；主要草本植物群落包括：羊胡草(Bothriochloaischaemum)草叢、蒿類(lèi)(Artemisaspp.)草甸等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2018年6—8月，在全面踏查的基礎(chǔ)上，采用典型抽樣法，選取林齡相近，坡向、坡度和海拔等地形因子、土壤類(lèi)型基本相似的地段，分別設(shè)置低密度(D1:500株·hm-2，)、中密度(D2:1 250株·hm-2)和高密度(D3:2 475株·hm-2)油松人工純林樣地，樣地面積均為20 m×20 m，每種林分密度樣地3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9塊樣地。對(duì)樣地基本狀況(立地因子和植被)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，主要指標(biāo)包括：林齡、林分密度、平均胸徑、平均樹(shù)高、郁閉度等；采用便攜式GPS、羅盤(pán)儀等測(cè)定各樣地的坡度、坡向、海拔及經(jīng)緯度等(見(jiàn)表1)。

表1 油松人工林研究樣地概況

2.2 土壤樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

2018年9月，在每個(gè)樣地內(nèi)，按照“S”型選取3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，采樣時(shí)先除去地面凋落物，按照(土層深度h)0

指標(biāo)測(cè)定包括：最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤密度。測(cè)定方法按照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[17]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0軟件下完成，正態(tài)分布性檢驗(yàn)采用K-S檢驗(yàn)方法；不同混交類(lèi)型，不同土層深度的數(shù)據(jù)變量的差異運(yùn)用單因素方差分析，最小顯著差法進(jìn)行多重比較；采用Peason相關(guān)系數(shù)對(duì)土壤各物理參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分密度對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

由表2可知，不同林分密度的土壤密度差異顯著。高密度油松人工林0

不同林分密度的土壤孔隙度的變化總體表現(xiàn)為：高密度油松人工林土壤00.05)。

表2 不同林分密度的土壤密度和土壤孔隙度

土層深度(h)/cm總孔隙度/%2475株·hm-21250株·hm-2500株·hm-2非毛管孔隙度/%2475株·hm-21250株·hm-2500株·hm-20

3.2 林分密度對(duì)土壤持水特性的影響

由表3可知，不同林分密度間0

表3 不同林分密度的土壤持水特性

3.3 不同林分密度土壤特性指標(biāo)的相關(guān)性

由表4可知，土壤密度與土壤總孔隙、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量以及田間持水量均存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中土壤密度與最大持水量相關(guān)性最強(qiáng)，相似系數(shù)達(dá)-0.940；土壤總孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度與持水性能指標(biāo)多存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表4 不同林分密度土壤特性指標(biāo)相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

不同林分密度的油松人工林土壤密度和土壤孔隙度存在差異，主要表現(xiàn)為高密度油松人工林0

林分密度對(duì)表層0

土壤表層在森林水分循環(huán)中起著重要的作用，是森林水文作用的第三個(gè)活動(dòng)層，是森林貯存水分的主體[15]。大氣降水可以沿著土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下滲，毛管孔隙中的毛管水可以較長(zhǎng)時(shí)間保存在土壤中，體現(xiàn)在對(duì)水分的靜態(tài)涵養(yǎng)，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)；非毛管孔隙能較快容納降水并及時(shí)下滲，主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，更有利于森林的水源涵養(yǎng)和水土保持[34-35]。土壤持水能力取決于土壤質(zhì)地、土壤厚度和土壤孔隙度等因素。本研究所采集土壤樣品在相近區(qū)域范圍內(nèi)，土壤本底及取樣地點(diǎn)環(huán)境的空間異質(zhì)性可以忽略不計(jì)，進(jìn)一步突顯了林分密度對(duì)土壤持水特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)高密度(2 475株·hm-2)油松林0

林分密度差異不改變土壤屬性垂直分異的基本規(guī)律，即土壤密度隨土層深度增加不斷增大，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標(biāo)均隨土層深度增加而不斷降低。一方面是因?yàn)樯蠈油寥缹?duì)下層土壤存在擠壓，重力因素導(dǎo)致土層越深被擠壓越緊[31]，另一方面是因?yàn)橹参锏蚵湮锖椭参锔荡罅看嬖谟诒韺油寥乐?，尤其是森林中的?xì)根主要分布在0

綜上所述，油松人工林林分密度能夠顯著影響土壤水分物理特性，晉南區(qū)域高密度油松林(2 500株·hm-2)能夠顯著降低土壤密度，增加土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量和田間持水量；密度效應(yīng)對(duì)表層土壤水分物理特性的影響超過(guò)深層次土壤，表層水分物理特性變化更為強(qiáng)烈；不同林分密度油松人工林土壤隨土層深度的增加，土壤密度不斷增大，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，最大持水量、毛管持水量和田間持水量等均不斷降低，土壤密度與土壤孔隙度、土壤持水特性指標(biāo)表現(xiàn)出相反的增減趨勢(shì)。