章古台不同林龄樟子松人工林土壤水分研究

韩 辉，张学利*，宋 鸽，马 悦，王 悦

（1.辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站；2.辽宁省沙地治理与利用研究所，辽宁 阜新 123000；3.国有清原满族自治县大孤家林场，辽宁 抚顺 113300）

水分是植被恢复的决定因素，是影响植被恢复与重建的首要因素[1]，同时，天然降水是干旱半干旱地区土壤水分的主要来源[2]。1955年樟子松在科尔沁沙地南缘的章古台开始引种并成功以来[3]，樟子松已成为三北防护林工程中最重要的针叶造林树种之一[4]。20世纪90年代以来，章古台的中龄林至成熟林樟子松出现生长衰弱死亡，水分条件、林分密度被认为是樟子松人工林提早衰退的重要原因[3，5]。有关研究表明，章古台地区地下水位近几十年来不断下降[6-7]，天然降水已经成为当地樟子松人工林水分的最主要来源。有研究表明，不同林龄的林分对于水分利用的策略不同，如在沙漠腹地天然绿洲地区幼龄木胡杨的主要水源为地表水，而成熟木和过熟木的主要水源为深层土壤水和地下水[8]，沙地樟子松对于水分的利用策略为9～21年生仅利用土壤水，31～41年生既利用土壤水又利用地下水[9]。也有研究表明，随着林龄的增加，土壤干燥化效应明显，如晋西北黄土丘陵区不同林龄柠条林地随林龄的增加土壤干层水分恢复所需年限逐渐增加[10]，晋西黄土丘陵区人工刺槐林随着林龄的增加，土壤干燥化程度逐渐加大[11]。但也有随着林龄的增加，根区土壤含水量增加的现象，如民勤胡杨林[12]。对章古台不同林龄樟子松林土壤水分研究[13]的监测大多为1～2 a，本文拟通过对章古台不同林龄樟子松人工林0～200 cm层次土壤水分连续近5年的监测，结合同期降水量，研究不同林龄樟子松人工林的土壤水分变化，期望对科尔沁沙地南缘地区在以水定林的前提下为樟子松人工林的稳定性以及营林方面提供一些参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选择在科尔沁沙地南缘的彰武县章古台镇辽宁省沙地治理与利用研究所实验林场，海拔平均204.5 m，年均气温6.3℃，全年无霜期150～160 d，年均降水量475.5 mm，蒸发量1 553.2 mm。土壤以风沙土为主，根据当地钻探资料，沙层厚度可达126～128 m，沙层颜色和机械粒径成层更迭分布，变化比较明显。风沙土又包括生草风沙土和流动风沙土。生草风沙土分布在固定沙丘和平缓沙地上，土壤剖面一般是0～5 cm浅灰黑色，质地疏松，较干燥；5～47 cm灰黑色，沙壤质，植物根较多，块状结构，较紧密湿润；47～82 cm黄褐色，沙质，无结构，植物根较少，疏松较湿润；82～113 cm浅黄色，沙质，无结构，植物根较少，疏松较湿润；113 cm以下，灰白色，沙质无结构，植物根很少，疏松湿润。流动风沙土分布在流动及半流动沙丘，自上至下为灰白色疏松沙层，无层次较湿润[14]。樟子松林0～30 cm土层内有机质含量为4.2～5.0 g·kg-1[15]。主要代表性植物有元宝槭Acer truncatum、山里红Crataegus pinnatifidavar.major、榆树Ulmus pumila、山杏Prunus sibirica、樟子松、彰武小钻杨Populus×xiaozhuanica‘zhangwu’、胡枝子Lespedeza bicolor、糙隐子草Cleistogenes squarrosa等。

1.2 试验地设置

根据樟子松不同林龄，在章古台设立5块样地，2015年调查时，林龄分别为15 a、25 a、37 a、55 a和62 a，各样地基本情况见表1。降水数据来源于辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站气象站。

表1 章古台不同林龄樟子松人工林样地基本情况

1.3 土壤含水量与降水量测定

利用便捷式土壤水分测量仪（TRIME-Pico 64/32 TDR）测量各样地内土壤含水量。每个样地内于林分行间每隔一段距离埋设1根测管，3次重复。4-10月每月上、中、下旬测量土壤体积含水量，雨后加测，测量层次为20、50、100、150、200 cm。观测时间为2015-2020年，2018年仪器损坏没有监测。用中国华云CAWS600B自动气象站sl3型雨量传感器自动监测降水量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007软件处理数据并作图，采用SPSS 17.0软件进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同林龄樟子松年际间土壤含水量变化

不同年份各林龄樟子松土壤含水量的变化与年降水量紧密相关，随年降水量的变化呈现上下波动，也与前一年及月际间降水量差异的影响有较大关系。比如2017年7月1日以前降水很少，但是7、8月份降水比较集中，虽然前期土壤含水量低，但是后期土壤含水量较高，导致土壤含水量相对还是较高，但总体与降水量较一致。2019、2020年土壤含水量高，2015年低一些，年际间差异显著（P＜0.05）（表2）。

年际间各样地土壤含水量，2015年低于其它年份，差异显著（P＜0.05），2016、2017年居中，2019、2020年高于其他年份。5年均值显示，各样地间土壤含水量差异显著，55 a最高，除25 a外，与其他林龄差异均显著，15 a最低，但15 a、25 a、37 a、62 a之间差异不显著（P＞0.05）（表2）。

表2 不同林龄樟子松人工林2015-2020年土壤0～200 cm层土壤含水量

2.2 不同林龄樟子松月际间土壤含水量变化

为便于分析，将土壤层次简化为0～60 cm（上层）、80～120 cm（中层）和150～200 cm（下层）3个层次。各林龄樟子松林分土壤含水量变化均显示出相似的季节变化规律，即土壤含水量从表层到深层均表现出与降水季节变化相一致的规律（图1）。土壤上层受降水量的影响最明显，波动幅度最大，不同林龄土壤含水量由低到高依次为62年生、25年生、55年生、37年生和15年生；土壤中层含水量由低到高依次为15年生、25年生（37年生）、62年生和55年生；下层土壤含水量由低到高依次是15年生、37年生、62年生、55年生和25年生。

图1 不同林龄樟子松人工林土壤含水量的月际间变化特征

根据5年的统计，可将樟子松人工林土壤含水量生长季月际变化划分为4个时期，4-6月份为缓慢上升期，6-7月份为波动期，7-8月份为上升期，9-10月份为下降期。虽然当地一般在6月末到7月初开始进入雨季，但季节性干旱仍频繁发生，7月份土壤含水量有时会低于6月份。

整体来看，15年生林地土壤含水量低于其它林龄，但不同层次土壤的质地以及其他影响土壤含水量的因素没有考虑进来。

2.3 不同林龄樟子松土壤含水量空间变化

从表3可以看出，各林龄土壤含水量都表现出随土层深度增加而下降的趋势。其中，20～50 cm层次土壤含水量较高，50～150 cm层次表现出明显的递减特征，150～200 cm有所减小或者不变，这一层次只有55年生的土壤含水量有所升高，这可能与该地的林分密度低有关，也与150～200 cm层土壤质地稍有黏性有关。不同林龄林分0～100 cm层次土壤含水量变化幅度均大于100～200 cm层次的变化幅度。

表3 不同林龄樟子松人工林土壤含水量的垂直空间变化特征

同样，将土壤层次也简化为0～60 cm（上层）、80～120 cm（中层）和150～200 cm（下层）3个层次再进行比较分析。从表4可以看出，土壤上层，15 a和37 a的土壤含水量较高，两者差异不显著，但与其他林龄均差异显著（P＜0.05），62 a土壤含水量最低，与其他林龄差异显著（P＜0.05），25 a和55 a之间差异不显著（P＞0.05）。土壤中层，55 a和62 a土壤含水量较高，两者差异不显著（P＞0.05），与其他林龄均差异显著（P＜0.05），15 a、25 a、37 a之间差异不显著（P＞0.05）。土壤下层，25 a和55 a土壤含水量较高，两者差异不显著（P＞0.05），与其他林龄均差异显著（P＜0.05），其他林龄之间两两差异显著（P＜0.05）。

表4 不同林龄樟子松人工林土壤含水量的空间变化特征

3 讨论与结论

通过对章古台地区不同林龄的樟子松林0～200 cm土层土壤水分在2015-2020年生长季进行测定并分析，结果表明，在年际尺度上，不同林龄土壤含水量的变化与年降水量紧密相关，随年降水量的变化而呈现上下波动的状态。不同林龄樟子松土壤含水量年际变化与年际降水量变化很相似，这一论点与相关研究是一致的[16]。年际间不同林龄樟子松人工林土壤含水量差异显著（P＜0.05），55 a最高，除25 a外，与其他林龄均差异显著（P＜0.05），15 a最低，15 a、25 a、37 a、62 a之间差异不显著（P＞0.05）。在章古台地区，一般情况下4月中下旬樟子松树液流动，10月中下旬树液停止流动[17]，4-10月的生长季里，不同林龄樟子松人工林土壤含水量从表层到深层均表现出与降水季节变化相似的变化规律，这一结论与有关研究也是一致的[18-19]。土壤含水量4-6月份为缓慢上升期，6-7月份为波动期，7-8月份为上升期，9-10月份为下降期。同时，土壤上层受降水量影响最明显，波动幅度最大，土壤含水量由低到高依次为62 a、25 a、55 a、37 a和15 a，土壤中层含水量由低到高依次为15 a、25 a（37 a）、62 a和55 a，土壤下层含水量由低到高依次是15 a、37 a、62 a、55 a和25 a。在土壤0～200 cm垂直空间变化上，不同林龄土壤含水量都表现出随土层深度的增加而下降的趋势，这也与一些研究结果相似[18，20]。土壤上层，15 a和37 a土壤含水量较高，两者差异不显著，但与其他林龄均差异显著（P＜0.05）。土壤中层，55 a和62 a土壤含水量较高，两者差异不显著，与其他林龄均差异显著（P＜0.05）。土壤下层，25 a和55 a土壤含水量较高，两者差异不显著，与其他林龄均差异显著（P＜0.05）。不同林龄樟子松人工林垂直空间土壤水分表现出一致性，随着深度的增加，土壤水分在减少，这应与当地风沙土不同层次的质地结构有关[14]，也与根系层分布有关[21]。

总体来说，不同林龄樟子松人工林土壤水分没有表现出一致的规律性，如随林龄的增大土壤含水量降低或者升高，这应该与海拔、密度、微地形、土壤质地等多方面的影响有关。因为本试验各样地的条件都不太一样，这些影响因素应该在以后的研究中加以改进。本试验中55 a樟子松人工林土壤水分是最高的，同时也是密度最小的，这为通过密度调节改善林地土壤水分状况成为可能，该研究对樟子松人工林经营以及科尔沁沙地南缘植被建设具有一定的科学参考价值。