塞罕壩不同坡度、坡位土壤特征及其對(duì)樟子松幼樹的影響

鄧婷，籍翠瑩，錢甲龍，王金珊，劉強(qiáng)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000）

冀北壩上地區(qū)位于河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處，屬森林-草原-荒漠交錯(cuò)帶，降雨量少、氣候惡劣、土壤貧瘠、無霜期短，是典型的北方半干旱生態(tài)脆弱區(qū)。該地區(qū)是北方防沙帶重點(diǎn)保護(hù)和恢復(fù)區(qū)域，受極端立地條件和氣候條件的限制，適生樹種以華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）和樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongholica）為主，經(jīng)歷了60 余年的造林和營林建設(shè)，樟子松在冀北荒漠化防治方面發(fā)揮了重要作用，但現(xiàn)階段仍有部分干旱石質(zhì)荒山等裸露地塊需要進(jìn)行植被恢復(fù)，相關(guān)技術(shù)措施缺乏理論支撐。

在立地條件差和全球氣候變化雙重因素的影響下，困難立地樟子松人工林已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的退化［1］，很多學(xué)者針對(duì)這一問題以樟子松天然林為對(duì)象開展了樹木生長及其氣候響應(yīng)［2-3］、對(duì)極端干旱的生長彈性［4］、樹輪穩(wěn)定同位素分析等方面研究［5］。結(jié)果表明，在寒冷地區(qū)溫度是限制樟子松生長的主要因素［6-7］，而在干旱地區(qū)水分是限制樟子松生長的主要因素［8-9］。樹木生長狀態(tài)、葉片功能性狀是反映植被對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)［10-11］，其葉片功能性狀可較好地反映植物對(duì)環(huán)境的資源利用策略［12］?，F(xiàn)有研究主要集中在葉片功能性狀與環(huán)境因子（如海拔、經(jīng)緯度）的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，然而，這些研究多以大尺度為背景，對(duì)較小空間尺度如坡度、坡位造成影響的關(guān)注甚微。宋玲玲等［13］系統(tǒng)分析了高寒區(qū)植物功能性狀與環(huán)境因子的關(guān)系，研究表明地形和土壤因子決定小尺度或局部特征的分布。目前，針對(duì)特殊區(qū)域微地形土壤特征與植被生長的協(xié)同效應(yīng)的研究較少，而相關(guān)結(jié)論是困難立地修復(fù)成效評(píng)價(jià)中的重要環(huán)節(jié)［14］。坡度和坡位作為微地形內(nèi)的主要地形因子，與土壤穩(wěn)定性［15］、養(yǎng)分空間分布［16］、土壤的侵蝕過程和地表土壤顆粒的分布等［17］均密切相關(guān)。綜合分析微地形對(duì)區(qū)域植被和土壤特征的影響為困難立地營造林技術(shù)和理論體系的形成提供了理論依據(jù)。

樟子松以其突出的耐寒和耐旱生物學(xué)特性［18］，成為冀北壩上地區(qū)困難立地主要造林樹種之一，在荒漠化治理過程中發(fā)揮了重要作用。本研究以河北省塞罕壩機(jī)械林場2012 年開展的石質(zhì)荒山攻堅(jiān)造林區(qū)的樟子松人工林為對(duì)象，分析單木屬性因子、葉片功能性狀和土壤特征在坡地與平地之間的差異，揭示樟子松幼樹生長和功能對(duì)不同坡度、坡位的響應(yīng)機(jī)制，探究半干旱地區(qū)貧瘠土地條件下造林的可行性，為我國干旱石質(zhì)荒山的造林、經(jīng)營和管護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北圍場滿族蒙古族自治縣最北部，東經(jīng)116°51’~117°39’，北緯42°02’~42°36’，海拔1018~1940 m，屬于冀北高原，是內(nèi)蒙古高原的南緣。林場氣候?qū)贉貛Ш疁匦愿咴瓪夂?，年平均氣?0.8 ℃，無霜期平均73 d，年平均日照2 457.2 h，日照率56%，平均降水量463.2 mm。塞罕壩全場總經(jīng)營面積93 333.3 hm2，有林地面積76 666.7 hm2，森林覆蓋率達(dá)到82%，林木總蓄積量達(dá)到1036 萬m3。土壤以灰色森林土、山地棕壤和風(fēng)沙土為主。研究主要困難立地類型為石質(zhì)荒山。該地區(qū)的主要喬木樹種有華北落葉松、樟子松、白樺（Betula platyphylla）等，灌木植物有稠李（Padus racemosa）、金露梅（Potentilla fruticosa）、山荊子（Malus baccata）等，草本植物有蒙古蒿（Artemisia mongolica）、地榆（Sanguisorba officinalis）、展枝唐松草（Thalictrum squarrosum）等。

1.2 樣地布設(shè)及樣本選取

河北省塞罕壩機(jī)械林場于2012 年開展干旱石質(zhì)荒山攻堅(jiān)造林試驗(yàn)，造林樹種為樟子松，平均林分密度為2112 株·hm-2，直至2022 年未采取修枝或撫育間伐等經(jīng)營措施。本研究于2022 年7 月在以上區(qū)域進(jìn)行樣地布設(shè)和數(shù)據(jù)收集。按照地形設(shè)置1 塊平地，坡度為0°~10°（平地），3 塊坡地，各級(jí)坡度為10°~20°（緩坡）；20°~30°（中坡）；>30°（陡坡），共設(shè)置4 塊大樣地，每塊坡地按上、中、下坡位均設(shè)置3 塊20 m×30 m 的固定樣地，共計(jì)樣地12塊。對(duì)樣方內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹高（Tree height， H）、地徑（Ground diameter， GD）、冠幅（Crwon width， CW）和年生長量（Annal growth of tree height， HGa）等，樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of basic information of sample plots

在樣地內(nèi)按“S”型隨機(jī)選取30 棵長勢良好無病蟲害的樟子松為葉片采集樣木，在每株樣木冠層南側(cè)中部同方向枝條采集30 枚生長成熟、沒有病蟲害的葉片，用于葉片功能性狀指標(biāo)的測定。由于該區(qū)土層較薄，因此采集了0~10、10~20 cm的土壤樣品。取樣時(shí)先清除地表層枯落物及其他物，挖取10 cm×10 cm×20 cm 的土，測樣地的石礫含量。用環(huán)刀及鋁盒等采集0~10、10~20 cm的土樣，以原點(diǎn)為起點(diǎn)，沿樣地對(duì)角線上、中、下采集土樣，用塑料袋封存編號(hào)轉(zhuǎn)移于室內(nèi)用于土壤容重、含水率等相關(guān)數(shù)據(jù)測定。

1.3 樣品處理及測定

1.3.1 葉片形態(tài)指標(biāo)測定

將采集到的葉片樣品平整與Leaf1000 葉片圖像分析儀掃描成圖，并計(jì)算葉片面積、曲率等。將測過葉面積的葉片放入烘箱105 ℃殺青2 h 后85 ℃烘干48 h 至恒重，用電子天平（精度為0.001）稱取葉干重（Dry weight， WD），根據(jù)葉面積（Leaf area， LA）計(jì)算比葉面積（SLA=LA/WD）。

1.3.2 土壤物理性質(zhì)測定

采用環(huán)刀法測定以下指標(biāo)：

式中，m為空環(huán)刀重量（g）；m0為裝有土壤的環(huán)刀重量（g）；m1為浸泡24 h 土壤環(huán)刀重量（g）；m2為控水2 h 土壤環(huán)刀重量（g）；m3為控水24 h 土壤環(huán)刀重量（g）；m4為烘干后土壤環(huán)刀重量（g）；BD 為土壤容重（g·cm-3）；Pt、Pc和Pn分別為土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度（%）；Wm、Ws、Wp和Wf分別為土壤自然含水量、飽和持水量、毛管持水量和田間持水量（%）；V為環(huán)刀體積（cm3）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel2010 和SPSS18.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。利用有交互作用的雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)坡度（10°~20°、20°~30°、>30°和平地）與坡位（上、中、下坡位）兩個(gè)因子對(duì)樟子松幼樹單木因子、葉片功能性狀和土壤指標(biāo)的影響，用單因素方差分析（ANOVA）分別對(duì)上、中、下坡位的不同坡度間樟子松幼樹單木因子、葉片功能性狀和土壤指標(biāo)差異進(jìn)行檢驗(yàn)，如果差異顯著則用LSD 法（方差齊性）或Tamhane 法（方差不齊）進(jìn)行多重比較。采用Spearman 相關(guān)性分析法評(píng)價(jià)不同因子間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果分析

2.1 坡度、坡位對(duì)樹木生長、葉片功能性狀和土壤特征的綜合影響

整體看3 個(gè)坡地樟子松幼樹地徑高于平地，緩坡和陡坡樹高、冠幅高于平地（表2）。坡地葉面積均值高于平地，而比葉面積低于平地，3 個(gè)坡地相比平地分別減少了2.6%、2.7%、10.4%。坡地土壤容重低于平地，3 個(gè)坡地相比平地分別減少了5.9%、18.5%、15.9%?？偪紫抖绕露炔町悶槠碌鼐档陀谄降?，毛管孔隙度坡度差異為坡地高于平地，3 個(gè)坡地相比平地分別增加了0.8%、4.6%、0.9%。非毛管孔隙度坡度差異為坡地高于平地，3 個(gè)坡地相比平地分別增加了1.4%、0.9%、2.7%。中坡和陡坡土壤含水量低于平地，分別減少了50.5%、41.8%。飽和持水量、毛管持水量和田間持水量坡度差異均為坡地高于平地，且均表現(xiàn)為中坡>陡坡>緩坡>平地（表2）。

表2 不同坡度樹木生長、葉片功能性狀和土壤特征的差異Table 2 Differences in tree growth， leaf functional traits， and soil characteristics under different slopes

對(duì)不同坡度和坡位下樟子松幼樹生長、葉片功能性狀和土壤特征進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（表3），結(jié)果表明坡度對(duì)樹木生長、葉面積、比葉面積和除非毛管孔隙度以外的土壤特征均有顯著影響（P<0.05）；坡位對(duì)生長因子和比葉面積影響顯著（P<0.05），土壤指標(biāo)中僅對(duì)非毛管孔隙度顯著（P<0.05）；二者的交互作用對(duì)樹高、冠幅、年生長量、葉面積和比葉面積均有顯著差異（P<0.05），土壤指標(biāo)中對(duì)毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量和田間持水量影響不顯著（P>0.05）。

表3 坡度與坡位的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis with slope gradient and slope position

2.2 坡度和坡位對(duì)樟子松幼樹生長的影響

樟子松幼樹單木屬性因子在不同坡度間存在一定的變化。不同坡度，地徑、樹高、冠幅和年生長量在3 個(gè)坡位（上、中、下坡位）均表現(xiàn)為陡坡顯著高于其他坡度（圖1）。不同坡位，地徑在緩坡、中坡和陡坡均表現(xiàn)為坡下顯著高于坡中和坡上，分別高出5.7% 和10.1%、12.0% 和18.3%、8.3%和8.7%；樹高和冠幅在坡度較緩的地形，坡下比坡中和坡上分別高出20.1%、28.0% 和10.4%、20.1%，冠幅在坡度較陡的地形，坡中顯著高于坡上和坡下；年生長量在不同的坡度條件下，均表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上（圖1）。

圖1 不同坡度和坡位下樟子松幼樹單木屬性因子的差異Fig.1 Differences in individual tree attribute factors of young pine trees Sylvestris sylvestris under different slopes and positions

2.3 坡度和坡位對(duì)樟子松幼樹葉片功能性狀的影響

不同坡度，葉面積在上坡位，陡坡顯著高出緩坡、中坡21.8%和33.7%，在中坡位緩坡顯著高于中坡、陡坡18.8%和10.6%，在下坡位緩坡和陡坡顯著高出中坡19.8%和13.8%；比葉面積在上坡位，緩坡顯著高于其他坡度，在中、下坡位中坡高于緩坡和陡坡（圖2）。同一坡度，葉面積在坡位上無顯著差異，但在坡度較高的地形，坡上高出坡中、坡下24.8%和20.8%；比葉面積在坡度較緩的地形表現(xiàn)為坡上>坡中>坡下，在中坡表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上（圖2）。

圖2 不同坡度和坡位下樟子松幼樹葉片功能性狀的差異Fig.2 Differences in leaf functional traits of young pine Sylvestris sylvestris under different slope and position

2.4 坡度和坡位對(duì)樟子松幼樹土壤屬性指標(biāo)的影響

2.4.1 坡度和坡位對(duì)樟子松幼樹土壤物理性質(zhì)的影響

不同坡度條件下土壤物理性質(zhì)差異顯著，容重表現(xiàn)為在3 個(gè)坡位，緩坡比中坡和陡坡均高出了24.6% 和 13.2%、8.1% 和 16.2%、7.3% 和0.9%；總孔隙度在上坡位，中坡顯著高于其他坡度，在中坡位，陡坡顯著高于其它坡度；毛管孔隙度表現(xiàn)為在上坡位，緩坡和中坡顯著高出陡坡7.9%、17.3%，在中坡位，陡坡比緩坡和中坡分別增加了8.3%和7.7%；非毛管孔隙度在坡度上無顯著差異（圖3）。容重、總孔隙度和毛管孔隙度在坡位上均無顯著差異（表3），非毛管孔隙度在中坡和陡坡，坡上顯著高于坡中和坡下，分別高出了27.9%和47.9%、30.7%和47.0%（圖3）。

圖3 土壤容重和孔隙度在不同坡度和坡位間的差異Fig.3 Comparisons of soil bulk density and porosity at different slopes and positions

2.4.2 坡度和坡位對(duì)樟子松幼樹土壤水分特征的影響

樟子松幼樹土壤水分特征在不同坡度間存在一定的變化，自然含水量在上、中、下3 個(gè)坡位，緩坡顯著高于其他坡度；飽和持水量在上坡位，中坡顯著高出緩坡、陡坡34.3%和23.2%，在中坡位陡坡顯著高于緩坡和中坡，分別高出了23.1%、15.5%，在下坡位無顯著差異；毛管持水量在上坡位，中坡顯著高于其它坡度，在中坡位陡坡表現(xiàn)最高，在下坡位無顯著差異；田間持水量在上坡位，中坡顯著高于其它坡度，在中坡位，中坡和陡坡高于緩坡，分別高出了9.1%和10.4%，在下坡位無顯著差異（圖4）。不同坡位，自然含水量、飽和持水量、毛管持水量和田間持水量在不同微地形之間無顯著差異（表3）。

圖4 土壤含水量和持水量在不同坡度和坡位間的差異Fig.4 Comparisons of natural capacity and water-holding capacity at different slopes and positions

3 討論

3.1 不同坡度、坡位條件下樟子松幼樹單木生長指標(biāo)的差異

本研究中，樟子松幼樹不同坡度、坡位之間的樹高、冠幅、地徑和年生長量均有顯著差異，陡坡樟子松幼樹單木生長指標(biāo)均顯著高于平地，緩坡和中坡幼樹地徑高于平地（表2）。李義強(qiáng)等［19］關(guān)于坡度對(duì)植物根系生長特征的影響研究中得出隨著坡度增大，植物主根直徑逐漸增大的結(jié)論；蔣南南等［20］相關(guān)研究也表明根系生物量坡下顯著低于坡中、坡上，且隨坡度的增加根冠比呈逐漸增大的趨勢。樟子松幼樹可以通過調(diào)整根系生物量的分布來適應(yīng)貧瘠的環(huán)境，以使自身獲得最有效的資源利用。中坡樟子松幼樹樹高、冠幅和年生長量平均值低于平地（表2），這可能是因?yàn)橹衅碌氖[含量最大（高達(dá)48.3%），影響了樟子松幼樹的生長，胡慧等［21］研究表明20%石礫含量能促進(jìn)幼苗根系活力的增加和根系伸長，但石礫過高會(huì)使土壤中水分和養(yǎng)分缺失，從而對(duì)幼苗根系生長和分布產(chǎn)生負(fù)面影響。緩坡和中坡幼樹樹高、冠幅、地徑和年生長量均表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，陡坡冠幅、地徑和年生長量也均表現(xiàn)為下坡最高，上坡最低（圖1），此結(jié)果與陳聰?shù)龋?2］研究結(jié)果一致。有研究表明在干旱、半干旱地區(qū)，水分是影響植被生存和生長的重要因素［23-24］，土壤含水量與植被的生長呈正相關(guān)關(guān)系［25］，由于重力作用，坡上儲(chǔ)存雨水量較小，大部分雨水順流而下儲(chǔ)存在坡下，同時(shí)土壤養(yǎng)分積累較好，肥力較強(qiáng)，這就造成了不同立地水分空間分布的差異性［26］。

3.2 不同坡度、坡位條件下樟子松幼樹葉片功能性狀的差異

葉功能性狀與生長環(huán)境密切相關(guān)，植物通過調(diào)節(jié)葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部生理特征來適應(yīng)林分環(huán)境的變化，將這種變化體現(xiàn)在植物功能性狀特征上［27］。本研究中，坡地比葉面積平均值低于平地，其中陡坡比葉面積最?。ū?），王雪艷等［28］的研究中也得出比葉面積小的植物在貧瘠的環(huán)境中適應(yīng)性更強(qiáng)的結(jié)論。坡地葉面積平均值高于平地，且陡坡葉面積最大（表2），與黨晶晶等［29］研究結(jié)果相反，可能原因有二：一是不同坡度的光環(huán)境不同，坡度越大，垂直光照強(qiáng)度和光照面積越小［30］。這種情況下，樟子松為了獲得充足的光照資源，需增大葉面積以提高光捕獲能力［31］；二是坡度越大，土壤養(yǎng)分流失越嚴(yán)重［32］，植被覆蓋率越低［33］，樟子松的種間和種內(nèi)競爭減小，導(dǎo)致樟子松葉面積增大。3 個(gè)坡地葉面積在不同坡位間無顯著差異（表3），緩坡比葉面積在不同坡位間有顯著差異，表現(xiàn)為坡上>坡中>坡下，中坡表現(xiàn)為隨坡位上升先增大后減小的趨勢，陡坡在不同坡位之間無顯著差異，但表現(xiàn)為坡上>坡下>坡中的趨勢（圖2），這與歐芷陽等［34］的研究結(jié)果相似。

3.3 不同坡度、坡位條件下樟子松幼樹土壤特征的差異

土壤機(jī)械組成反映土壤中礦物質(zhì)顆粒大小及其組成比例，容重與孔隙度反映土壤松緊程度和孔隙狀況，含水量與持水量則反映土壤儲(chǔ)水與調(diào)水能力［35-37］。本研究中，坡地容重、總孔隙度低于平地；石礫含量和非毛管孔隙度高于平地（表2），且陡坡土壤非毛管孔隙度最高，容重小，可能是因?yàn)槠螺^大，石礫含量高，土壤在形成過程中受侵蝕較重，土壤質(zhì)地較粗，但其透水透氣性較好。郝寶寶等［38］研究表明，毛烏素沙地十年生樟子松人工林的土壤總孔隙度范圍為40%~45%，毛管孔隙度的范圍為25%~30%，低于本研究坡地，說明本研究樣地土壤質(zhì)地情況改良效果明顯。另外，坡位不同也會(huì)影響水分流動(dòng)與下滲、土壤機(jī)械組成及屬性［39］，本研究中容重、總孔隙度和毛管孔隙度在不同坡位之間均無顯著差異（表3），但土壤容重在中坡和陡坡表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上的趨勢，孔隙度在陡坡表現(xiàn)為坡上<坡下，非毛管孔隙度在坡位間差異顯著，表現(xiàn)為隨坡位上升而增加的趨勢（圖3），劉海翔等［40］的研究也得出孔隙度隨坡位增加而減小，非毛管孔隙度坡上>坡下的結(jié)論?？傮w表明由于樣地坡上土壤非毛管孔隙度高，容重小，因而坡上土壤入滲速率快而持水性能低，坡下土壤相反，這與婁淑蘭等［41］的研究結(jié)果一致。

土壤持水性能與土壤的孔隙狀況密切相關(guān)，非毛管孔隙在吸水后將水分快速運(yùn)移下滲，而毛管孔隙水運(yùn)動(dòng)速度較慢，可以長時(shí)間保存［42］。本研究中，坡地土壤含水量低于平地，飽和持水量、毛管持水量和田間持水量高于平地（表2）。飽和持水量、毛管持水量和田間持水量在坡位間均無顯著差異，但表現(xiàn)為隨著坡度的增加坡中>坡上>坡下的趨勢（表3）。曹恭祥等［43］研究表明樟子松林土壤最大持水量范圍為39.4%~43.3%，毛管持水量范圍為32.1%~36.6%，田間持水量為26.3%~29.7%，與平地范圍接近，均顯著低于坡地，說明樟子松幼樹的種植減小了坡地與平地間土壤含水量差異的幅度，且減小了坡地中坡位與下坡位間土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量差異的幅度，土壤水文狀況改良效果明顯。這與宋思?jí)舻龋?4］在金沙江干熱河谷區(qū)研究結(jié)果類似，而與以往大多對(duì)長緩坡研究發(fā)現(xiàn)的土壤透氣性隨坡位上升而逐漸減小的結(jié)果略有差異［45］。這可能是因?yàn)樯降赝寥莱炙芰χ饕芡寥廊葜?、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和石礫含量等因素的共同影響［46］。

4 結(jié)論

對(duì)塞罕壩機(jī)械林場不同地貌條件下樟子松幼樹單木因子、葉片功能性狀和土壤屬性指標(biāo)開展了研究，得出：（1）坡度、坡位對(duì)樹木生長指標(biāo)存在顯著差異，其中陡坡、下坡位樟子松幼樹的長勢最好。（2）坡度對(duì)樟子松幼樹葉片功能性狀影響顯著，坡地樟子松幼樹采用降低比葉面積的方式來適應(yīng)干旱的環(huán)境。（3）不同坡度土壤容重、毛管孔隙度、自然含水量、飽和持水量、毛管持水量和田間持水量存在顯著差異，不同坡位土壤指標(biāo)中僅非毛管孔隙度存在顯著差異。相較于平地和陡坡地形，緩、中坡區(qū)土壤表現(xiàn)出更優(yōu)秀的持水能力，促進(jìn)了樟子松幼樹生長。