晉北半干旱區(qū)樟子松人工林土壤水分含量及持水性研究

高 嘉

(山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局，山西 大同 037000)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐寒、耐干旱的優(yōu)良特性，被“三北”地區(qū)大量引種栽植[1]。山西大同、朔州兩市地處晉北半干旱區(qū)，也屬“三北”地區(qū)，從20紀70年代開始大量栽植樟子松人工林，目前已經(jīng)形成穩(wěn)定林分。土壤容重、孔隙度、持水性能等土壤物理性質(zhì)決定土壤中水、氣、熱及植物營養(yǎng)元素的供應(yīng)能力[2]。目前關(guān)于樟子松人工林土壤物理性質(zhì)的研究還較少。本研究以晉北半干旱區(qū)樟子松人工林土壤為研究對象，采用室外調(diào)查與室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，研究不同林齡、不同林分密度及土層對土壤物理性質(zhì)的影響，以期為樟子松人工林林分調(diào)控及幼苗更新提供依據(jù)[3]。

1 研究區(qū)概括

研究地點為地處晉北半干旱區(qū)的朔州市懷仁縣金沙灘鎮(zhèn)、大同市云州區(qū)西坪鎮(zhèn)。研究地主要地形為平原農(nóng)區(qū)，海拔900～1 200 m，年均氣溫5.3～7.2 ℃，無霜期120～130 d，年降水量330～450 mm，主要土壤類型為栗鈣土、淡栗鈣土，土壤質(zhì)地為沙壤，結(jié)構(gòu)疏松。氣候特點為干旱、寒冷、冬春風(fēng)沙大[4]。調(diào)查樣地概況如表1所示。

表1 樟子松人工林樣地基本信息

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

2019年9月中旬，針對晉北半干旱區(qū)樟子松人工林林分情況，按樹齡設(shè)置5塊具代表性樣地。在每一樣地內(nèi)挖取2個土壤剖面深至80 cm，根據(jù)《中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T 1215-1999森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》采用環(huán)刀法間隔20 cm采集原狀土(0～20 cm間隔10 cm)。帶回實驗室進行測定，每樣點重復(fù)3次。

2.2 樣品分析與處理

土壤樣品分析與測定在山西省楊樹林局科技服務(wù)中心土壤化驗室進行，所有樣品在2019年10月測定完畢。原始數(shù)據(jù)記錄后采用EXCEL2016進行數(shù)據(jù)整理，IBM SPSS Statistic 26.0軟件進行多重比較、Origin 2018繪制圖表。采用Duncan氏新復(fù)極差法進行多重比較、pearson相關(guān)性分析土壤物理性質(zhì)，顯著性水平為P<0.05，數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標準差表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 樟子松人工林土壤容重及含水量分析

由表2可知，不同林齡樟子松人工林土壤容重均值存在顯著差異(P<0.05)，不同深度土層間存在極顯著差異(P<0.001)。樟子松人工林土壤質(zhì)量含水量、容積含水量均值在不同林分密度及土層間存在極顯著差異(P<0.001)。

如圖1A～C所示，樟子松人工林土壤容重均值林齡24～25 a者(1.549 g·cm-3)遠低于林齡38 a者(1.613 g·cm-3)。而各土層土壤容重在不同林齡、不同林分密度間表現(xiàn)并不一致的。0～10 cm土層林齡38 a土壤容重最低(1.364 g·cm-3)，而林齡24～25 a土壤容重最高(1.558 g·cm-3)。其余土層卻呈現(xiàn)相反狀況，林齡24～25 a土壤容重遠低于林齡32 a、38 a。0～10 cm土層林分密度為1 000株·hm-2土壤容重最低(1.439 g·cm-3)，林分密度2 500株·hm-2者(1.580 g·cm-3)最高；其余土層卻出現(xiàn)相反狀況，林分密度越大土壤容重越低。0～10、60～80 cm土層土壤容重均值分別為1.493、1.517 g·cm-3，顯著低于其余土層。

圖1 不同林齡、不同林分密度樟子松人工林土壤容重及含水量

樟子松人工林土壤質(zhì)量含水量、土壤體積含水量，林分密度1 000 株·hm-2者分別為6.483 g·kg-1、10.000 g·L-1，最高；林分密度2 500株·hm-2者為4.260 g·kg-1、6.300 g·L-1，最低。土壤水分在不同土層中分布并不均勻，呈現(xiàn)兩頭高中間低的特點。土層0～10、60～80 cm含水量遠高于中間土層。

3.2 樟子松人工林土壤孔隙度分析

由表2可知，樟子松人工林土壤毛管孔隙度在不同林齡間存在極顯著差異(P<0.01)；土壤通氣度在不同林分密度間存在顯著差異(P<0.05)；土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤通氣度在不同土層存在極顯著差異(P<0.001)。

圖1D～F顯示，樟子松人工林林齡為24～25 a土壤毛管孔隙度均值為44.69%，顯著高于林齡32、38 a(P<0.05)。樟子松人工林同一土層不同林齡土壤毛管孔隙度表現(xiàn)并不一致，0～10 cm土層林齡32 a土壤毛管孔隙度為57.44%，顯著高于林齡24～25、38 a，而林齡24～25 a在10～20、20～40、40～60 cm土層的土壤毛管孔隙度較林齡32、38 a高。土壤毛管孔隙度同土層不同林分密度間表現(xiàn)也不一致，0～10、10～20、20～40 cm土層林分密度1 666株·hm-2顯著高于林分密度1 000、2 500株·hm-2；40～60、60～80 cm土層林分密度1 000株·hm-2者最高。不同土層土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度呈現(xiàn)顯著差異，其中0～10 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度最高，60～80、40～60 cm土層次之，而10～20、20～40 cm最低。土壤通氣度因林分密度不同而不同，林分密度1 000株·hm-2均值顯著低于1 666、2 500株·hm-2。

3.3 樟子松人工林土壤持水性能分析

由表2可知，樟子松人工林土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量均值在不同林齡及不同林分密度間均沒有顯著差異，但在不同土層間都具有極顯著差異(P<0.001)。

表2 不同林齡、不同林分密度及土層深度對樟子松人工林土壤物理性質(zhì)的影響

如圖2所示，樟子松人工林土壤毛管持水量、田間持水量，同土層不同林齡及不同林分密度間差異顯著(P<0.05)：0～10、10～20 cm層土壤毛管持水量、田間持水量林齡32 a顯著高于林齡24～25、38，20～40、40～60、60～80 cm三個土層林齡24～25 a高于林齡32、38 a；0～10、10～20 cm層土壤毛管持水量、田間持水量林分密度1 666株·hm-2顯著高于林分密度1 000、2 500株·hm-2，20～40、40～60、60～80 cm三土層林分密度1 000株·hm-2者最高。樟子松人工林土壤最大持水量、毛管持水量、田間持水量在不同土層間表現(xiàn)基本一致，即0～10 cm層高，40～60、60～80 cm層次之，10～20、20～40 cm層最低。

圖2 不同林齡、不同林分密度樟子松人工林土壤持水量

3.4 樟子松人工林土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

從pearson相關(guān)性分析結(jié)果(表3)可看出，樟子松人工林土壤容重與多數(shù)土壤物理指標(除土壤體積含水量、土壤通氣度)存在極顯著負相關(guān)(P<0.01)；土壤孔隙度與土壤持水性之間均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤含水量與土壤通氣度間存在極顯著負相關(guān)(P<0.01)。

表3 樟子松人工林土壤物理性質(zhì)相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

土壤越疏松多孔土壤容重越小[5]。晉北半干旱區(qū)樟子松人工林土壤物理性質(zhì)分析表明不同林齡主要影響到土壤容重與土壤毛管孔隙度，較低林齡(24～25 a)土壤容重最低。林分密度主要影響到土壤含水量，林分密度越小含水量越高。樟子松人工林土壤物理性質(zhì)差異主要體現(xiàn)在土層深度，最表層土壤最疏松、持水性能最高，中間土層10～40 cm土壤最緊實，孔隙度最小持水性能最差，而底層土壤相對疏松，持水性能較好含水量較高。

他人研究認為章古臺地區(qū)27 a生樟子松人工林有機質(zhì)、全氮、速效鉀含量最高[6],遼西地區(qū)樟子松人工林樹齡35 a達到近成熟齡改善效果最好[7]。本研究中晉北半干旱區(qū)林齡24～25 a樟子松人工林各土層土壤容重均值最低，雖然較高林齡(32 a、38 a)林地表層土層土壤孔隙度及持水量較高，但在整個土層中林齡24～25 a表現(xiàn)最佳。綜合分析認為在本研究區(qū)樟子松人工林成熟較早，樹齡25 a左右達到近成熟,土壤改善效果最佳。本研究結(jié)果與他人油松天然林林分密度不改變土壤屬性垂直分布總體格局研究結(jié)論[8]不一致, 即樟子松人工林林分密度對不同土層土壤物理性質(zhì)的影響不同，總體是中等密度(1 666株·hm-2)林分表層土壤孔隙度及持水性能較高，較低密度(1 000株·hm-2)林分深層土壤孔隙度及持水性能較高，較高密度(2 500株·hm-2)土壤容重較小、質(zhì)量及容積含水量較低，較深層土壤持水量較高，建議本地區(qū)樟子松人工林林分密度宜選擇1 000～1 666株·hm-2。