塞罕坝不同坡度、坡位土壤特征及其对樟子松幼树的影响

邓婷，籍翠莹，钱甲龙，王金珊，刘强

（河北农业大学 林学院，河北 保定 071000）

冀北坝上地区位于河北省和内蒙古自治区交界处，属森林-草原-荒漠交错带，降雨量少、气候恶劣、土壤贫瘠、无霜期短，是典型的北方半干旱生态脆弱区。该地区是北方防沙带重点保护和恢复区域，受极端立地条件和气候条件的限制，适生树种以华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）和樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongholica）为主，经历了60 余年的造林和营林建设，樟子松在冀北荒漠化防治方面发挥了重要作用，但现阶段仍有部分干旱石质荒山等裸露地块需要进行植被恢复，相关技术措施缺乏理论支撑。

在立地条件差和全球气候变化双重因素的影响下，困难立地樟子松人工林已经出现不同程度的退化［1］，很多学者针对这一问题以樟子松天然林为对象开展了树木生长及其气候响应［2-3］、对极端干旱的生长弹性［4］、树轮稳定同位素分析等方面研究［5］。结果表明，在寒冷地区温度是限制樟子松生长的主要因素［6-7］，而在干旱地区水分是限制樟子松生长的主要因素［8-9］。树木生长状态、叶片功能性状是反映植被对环境适应性的重要指标［10-11］，其叶片功能性状可较好地反映植物对环境的资源利用策略［12］。现有研究主要集中在叶片功能性状与环境因子（如海拔、经纬度）的关系进行了深入研究，然而，这些研究多以大尺度为背景，对较小空间尺度如坡度、坡位造成影响的关注甚微。宋玲玲等［13］系统分析了高寒区植物功能性状与环境因子的关系，研究表明地形和土壤因子决定小尺度或局部特征的分布。目前，针对特殊区域微地形土壤特征与植被生长的协同效应的研究较少，而相关结论是困难立地修复成效评价中的重要环节［14］。坡度和坡位作为微地形内的主要地形因子，与土壤稳定性［15］、养分空间分布［16］、土壤的侵蚀过程和地表土壤颗粒的分布等［17］均密切相关。综合分析微地形对区域植被和土壤特征的影响为困难立地营造林技术和理论体系的形成提供了理论依据。

樟子松以其突出的耐寒和耐旱生物学特性［18］，成为冀北坝上地区困难立地主要造林树种之一，在荒漠化治理过程中发挥了重要作用。本研究以河北省塞罕坝机械林场2012 年开展的石质荒山攻坚造林区的樟子松人工林为对象，分析单木属性因子、叶片功能性状和土壤特征在坡地与平地之间的差异，揭示樟子松幼树生长和功能对不同坡度、坡位的响应机制，探究半干旱地区贫瘠土地条件下造林的可行性，为我国干旱石质荒山的造林、经营和管护提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北围场满族蒙古族自治县最北部，东经116°51’~117°39’，北纬42°02’~42°36’，海拔1018~1940 m，属于冀北高原，是内蒙古高原的南缘。林场气候属温带寒温性高原气候，年平均气温-0.8 ℃，无霜期平均73 d，年平均日照2 457.2 h，日照率56%，平均降水量463.2 mm。塞罕坝全场总经营面积93 333.3 hm2，有林地面积76 666.7 hm2，森林覆盖率达到82%，林木总蓄积量达到1036 万m3。土壤以灰色森林土、山地棕壤和风沙土为主。研究主要困难立地类型为石质荒山。该地区的主要乔木树种有华北落叶松、樟子松、白桦（Betula platyphylla）等，灌木植物有稠李（Padus racemosa）、金露梅（Potentilla fruticosa）、山荆子（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 样地布设及样本选取

河北省塞罕坝机械林场于2012 年开展干旱石质荒山攻坚造林试验，造林树种为樟子松，平均林分密度为2112 株·hm-2，直至2022 年未采取修枝或抚育间伐等经营措施。本研究于2022 年7 月在以上区域进行样地布设和数据收集。按照地形设置1 块平地，坡度为0°~10°（平地），3 块坡地，各级坡度为10°~20°（缓坡）；20°~30°（中坡）；>30°（陡坡），共设置4 块大样地，每块坡地按上、中、下坡位均设置3 块20 m×30 m 的固定样地，共计样地12块。对样方内林木进行每木检尺，记录树高（Tree height， H）、地径（Ground diameter， GD）、冠幅（Crwon width， CW）和年生长量（Annal growth of tree height， HGa）等，样地基本信息见表1。

表1 样地基本信息统计Table 1 Statistics of basic information of sample plots

在样地内按“S”型随机选取30 棵长势良好无病虫害的樟子松为叶片采集样木，在每株样木冠层南侧中部同方向枝条采集30 枚生长成熟、没有病虫害的叶片，用于叶片功能性状指标的测定。由于该区土层较薄，因此采集了0~10、10~20 cm的土壤样品。取样时先清除地表层枯落物及其他物，挖取10 cm×10 cm×20 cm 的土，测样地的石砾含量。用环刀及铝盒等采集0~10、10~20 cm的土样，以原点为起点，沿样地对角线上、中、下采集土样，用塑料袋封存编号转移于室内用于土壤容重、含水率等相关数据测定。

1.3 样品处理及测定

1.3.1 叶片形态指标测定

将采集到的叶片样品平整与Leaf1000 叶片图像分析仪扫描成图，并计算叶片面积、曲率等。将测过叶面积的叶片放入烘箱105 ℃杀青2 h 后85 ℃烘干48 h 至恒重，用电子天平（精度为0.001）称取叶干重（Dry weight， WD），根据叶面积（Leaf area， LA）计算比叶面积（SLA=LA/WD）。

1.3.2 土壤物理性质测定

采用环刀法测定以下指标：

式中，m为空环刀重量（g）；m0为装有土壤的环刀重量（g）；m1为浸泡24 h 土壤环刀重量（g）；m2为控水2 h 土壤环刀重量（g）；m3为控水24 h 土壤环刀重量（g）；m4为烘干后土壤环刀重量（g）；BD 为土壤容重（g·cm-3）；Pt、Pc和Pn分别为土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度（%）；Wm、Ws、Wp和Wf分别为土壤自然含水量、饱和持水量、毛管持水量和田间持水量（%）；V为环刀体积（cm3）。

1.5 数据处理与分析

采用Excel2010 和SPSS18.0 软件对数据进行统计分析和制图。利用有交互作用的双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验坡度（10°~20°、20°~30°、>30°和平地）与坡位（上、中、下坡位）两个因子对樟子松幼树单木因子、叶片功能性状和土壤指标的影响，用单因素方差分析（ANOVA）分别对上、中、下坡位的不同坡度间樟子松幼树单木因子、叶片功能性状和土壤指标差异进行检验，如果差异显著则用LSD 法（方差齐性）或Tamhane 法（方差不齐）进行多重比较。采用Spearman 相关性分析法评价不同因子间的相关关系。

2 结果分析

2.1 坡度、坡位对树木生长、叶片功能性状和土壤特征的综合影响

整体看3 个坡地樟子松幼树地径高于平地，缓坡和陡坡树高、冠幅高于平地（表2）。坡地叶面积均值高于平地，而比叶面积低于平地，3 个坡地相比平地分别减少了2.6%、2.7%、10.4%。坡地土壤容重低于平地，3 个坡地相比平地分别减少了5.9%、18.5%、15.9%。总孔隙度坡度差异为坡地均值低于平地，毛管孔隙度坡度差异为坡地高于平地，3 个坡地相比平地分别增加了0.8%、4.6%、0.9%。非毛管孔隙度坡度差异为坡地高于平地，3 个坡地相比平地分别增加了1.4%、0.9%、2.7%。中坡和陡坡土壤含水量低于平地，分别减少了50.5%、41.8%。饱和持水量、毛管持水量和田间持水量坡度差异均为坡地高于平地，且均表现为中坡>陡坡>缓坡>平地（表2）。

表2 不同坡度树木生长、叶片功能性状和土壤特征的差异Table 2 Differences in tree growth， leaf functional traits， and soil characteristics under different slopes

对不同坡度和坡位下樟子松幼树生长、叶片功能性状和土壤特征进行显著性检验（表3），结果表明坡度对树木生长、叶面积、比叶面积和除非毛管孔隙度以外的土壤特征均有显著影响（P<0.05）；坡位对生长因子和比叶面积影响显著（P<0.05），土壤指标中仅对非毛管孔隙度显著（P<0.05）；二者的交互作用对树高、冠幅、年生长量、叶面积和比叶面积均有显著差异（P<0.05），土壤指标中对毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量和田间持水量影响不显著（P>0.05）。

表3 坡度与坡位的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis with slope gradient and slope position

2.2 坡度和坡位对樟子松幼树生长的影响

樟子松幼树单木属性因子在不同坡度间存在一定的变化。不同坡度，地径、树高、冠幅和年生长量在3 个坡位（上、中、下坡位）均表现为陡坡显著高于其他坡度（图1）。不同坡位，地径在缓坡、中坡和陡坡均表现为坡下显著高于坡中和坡上，分别高出5.7% 和10.1%、12.0% 和18.3%、8.3%和8.7%；树高和冠幅在坡度较缓的地形，坡下比坡中和坡上分别高出20.1%、28.0% 和10.4%、20.1%，冠幅在坡度较陡的地形，坡中显著高于坡上和坡下；年生长量在不同的坡度条件下，均表现为坡下>坡中>坡上（图1）。

图1 不同坡度和坡位下樟子松幼树单木属性因子的差异Fig.1 Differences in individual tree attribute factors of young pine trees Sylvestris sylvestris under different slopes and positions

2.3 坡度和坡位对樟子松幼树叶片功能性状的影响

不同坡度，叶面积在上坡位，陡坡显著高出缓坡、中坡21.8%和33.7%，在中坡位缓坡显著高于中坡、陡坡18.8%和10.6%，在下坡位缓坡和陡坡显著高出中坡19.8%和13.8%；比叶面积在上坡位，缓坡显著高于其他坡度，在中、下坡位中坡高于缓坡和陡坡（图2）。同一坡度，叶面积在坡位上无显著差异，但在坡度较高的地形，坡上高出坡中、坡下24.8%和20.8%；比叶面积在坡度较缓的地形表现为坡上>坡中>坡下，在中坡表现为坡中>坡下>坡上（图2）。

图2 不同坡度和坡位下樟子松幼树叶片功能性状的差异Fig.2 Differences in leaf functional traits of young pine Sylvestris sylvestris under different slope and position

2.4 坡度和坡位对樟子松幼树土壤属性指标的影响

2.4.1 坡度和坡位对樟子松幼树土壤物理性质的影响

不同坡度条件下土壤物理性质差异显著，容重表现为在3 个坡位，缓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%；总孔隙度在上坡位，中坡显著高于其他坡度，在中坡位，陡坡显著高于其它坡度；毛管孔隙度表现为在上坡位，缓坡和中坡显著高出陡坡7.9%、17.3%，在中坡位，陡坡比缓坡和中坡分别增加了8.3%和7.7%；非毛管孔隙度在坡度上无显著差异（图3）。容重、总孔隙度和毛管孔隙度在坡位上均无显著差异（表3），非毛管孔隙度在中坡和陡坡，坡上显著高于坡中和坡下，分别高出了27.9%和47.9%、30.7%和47.0%（图3）。

图3 土壤容重和孔隙度在不同坡度和坡位间的差异Fig.3 Comparisons of soil bulk density and porosity at different slopes and positions

2.4.2 坡度和坡位对樟子松幼树土壤水分特征的影响

樟子松幼树土壤水分特征在不同坡度间存在一定的变化，自然含水量在上、中、下3 个坡位，缓坡显著高于其他坡度；饱和持水量在上坡位，中坡显著高出缓坡、陡坡34.3%和23.2%，在中坡位陡坡显著高于缓坡和中坡，分别高出了23.1%、15.5%，在下坡位无显著差异；毛管持水量在上坡位，中坡显著高于其它坡度，在中坡位陡坡表现最高，在下坡位无显著差异；田间持水量在上坡位，中坡显著高于其它坡度，在中坡位，中坡和陡坡高于缓坡，分别高出了9.1%和10.4%，在下坡位无显著差异（图4）。不同坡位，自然含水量、饱和持水量、毛管持水量和田间持水量在不同微地形之间无显著差异（表3）。

图4 土壤含水量和持水量在不同坡度和坡位间的差异Fig.4 Comparisons of natural capacity and water-holding capacity at different slopes and positions

3 讨论

3.1 不同坡度、坡位条件下樟子松幼树单木生长指标的差异

本研究中，樟子松幼树不同坡度、坡位之间的树高、冠幅、地径和年生长量均有显著差异，陡坡樟子松幼树单木生长指标均显著高于平地，缓坡和中坡幼树地径高于平地（表2）。李义强等［19］关于坡度对植物根系生长特征的影响研究中得出随着坡度增大，植物主根直径逐渐增大的结论；蒋南南等［20］相关研究也表明根系生物量坡下显著低于坡中、坡上，且随坡度的增加根冠比呈逐渐增大的趋势。樟子松幼树可以通过调整根系生物量的分布来适应贫瘠的环境，以使自身获得最有效的资源利用。中坡樟子松幼树树高、冠幅和年生长量平均值低于平地（表2），这可能是因为中坡的石砾含量最大（高达48.3%），影响了樟子松幼树的生长，胡慧等［21］研究表明20%石砾含量能促进幼苗根系活力的增加和根系伸长，但石砾过高会使土壤中水分和养分缺失，从而对幼苗根系生长和分布产生负面影响。缓坡和中坡幼树树高、冠幅、地径和年生长量均表现为坡下>坡中>坡上，陡坡冠幅、地径和年生长量也均表现为下坡最高，上坡最低（图1），此结果与陈聪等［22］研究结果一致。有研究表明在干旱、半干旱地区，水分是影响植被生存和生长的重要因素［23-24］，土壤含水量与植被的生长呈正相关关系［25］，由于重力作用，坡上储存雨水量较小，大部分雨水顺流而下储存在坡下，同时土壤养分积累较好，肥力较强，这就造成了不同立地水分空间分布的差异性［26］。

3.2 不同坡度、坡位条件下樟子松幼树叶片功能性状的差异

叶功能性状与生长环境密切相关，植物通过调节叶片形态结构及内部生理特征来适应林分环境的变化，将这种变化体现在植物功能性状特征上［27］。本研究中，坡地比叶面积平均值低于平地，其中陡坡比叶面积最小（表2），王雪艳等［28］的研究中也得出比叶面积小的植物在贫瘠的环境中适应性更强的结论。坡地叶面积平均值高于平地，且陡坡叶面积最大（表2），与党晶晶等［29］研究结果相反，可能原因有二：一是不同坡度的光环境不同，坡度越大，垂直光照强度和光照面积越小［30］。这种情况下，樟子松为了获得充足的光照资源，需增大叶面积以提高光捕获能力［31］；二是坡度越大，土壤养分流失越严重［32］，植被覆盖率越低［33］，樟子松的种间和种内竞争减小，导致樟子松叶面积增大。3 个坡地叶面积在不同坡位间无显著差异（表3），缓坡比叶面积在不同坡位间有显著差异，表现为坡上>坡中>坡下，中坡表现为随坡位上升先增大后减小的趋势，陡坡在不同坡位之间无显著差异，但表现为坡上>坡下>坡中的趋势（图2），这与欧芷阳等［34］的研究结果相似。

3.3 不同坡度、坡位条件下樟子松幼树土壤特征的差异

土壤机械组成反映土壤中矿物质颗粒大小及其组成比例，容重与孔隙度反映土壤松紧程度和孔隙状况，含水量与持水量则反映土壤储水与调水能力［35-37］。本研究中，坡地容重、总孔隙度低于平地；石砾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，可能是因为坡较大，石砾含量高，土壤在形成过程中受侵蚀较重，土壤质地较粗，但其透水透气性较好。郝宝宝等［38］研究表明，毛乌素沙地十年生樟子松人工林的土壤总孔隙度范围为40%~45%，毛管孔隙度的范围为25%~30%，低于本研究坡地，说明本研究样地土壤质地情况改良效果明显。另外，坡位不同也会影响水分流动与下渗、土壤机械组成及属性［39］，本研究中容重、总孔隙度和毛管孔隙度在不同坡位之间均无显著差异（表3），但土壤容重在中坡和陡坡表现为坡下>坡中>坡上的趋势，孔隙度在陡坡表现为坡上<坡下，非毛管孔隙度在坡位间差异显著，表现为随坡位上升而增加的趋势（图3），刘海翔等［40］的研究也得出孔隙度随坡位增加而减小，非毛管孔隙度坡上>坡下的结论。总体表明由于样地坡上土壤非毛管孔隙度高，容重小，因而坡上土壤入渗速率快而持水性能低，坡下土壤相反，这与娄淑兰等［41］的研究结果一致。

土壤持水性能与土壤的孔隙状况密切相关，非毛管孔隙在吸水后将水分快速运移下渗，而毛管孔隙水运动速度较慢，可以长时间保存［42］。本研究中，坡地土壤含水量低于平地，饱和持水量、毛管持水量和田间持水量高于平地（表2）。饱和持水量、毛管持水量和田间持水量在坡位间均无显著差异，但表现为随着坡度的增加坡中>坡上>坡下的趋势（表3）。曹恭祥等［43］研究表明樟子松林土壤最大持水量范围为39.4%~43.3%，毛管持水量范围为32.1%~36.6%，田间持水量为26.3%~29.7%，与平地范围接近，均显著低于坡地，说明樟子松幼树的种植减小了坡地与平地间土壤含水量差异的幅度，且减小了坡地中坡位与下坡位间土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量差异的幅度，土壤水文状况改良效果明显。这与宋思梦等［44］在金沙江干热河谷区研究结果类似，而与以往大多对长缓坡研究发现的土壤透气性随坡位上升而逐渐减小的结果略有差异［45］。这可能是因为山地土壤持水能力主要受土壤容重、孔隙度、有机质含量和石砾含量等因素的共同影响［46］。

4 结论

对塞罕坝机械林场不同地貌条件下樟子松幼树单木因子、叶片功能性状和土壤属性指标开展了研究，得出：（1）坡度、坡位对树木生长指标存在显著差异，其中陡坡、下坡位樟子松幼树的长势最好。（2）坡度对樟子松幼树叶片功能性状影响显著，坡地樟子松幼树采用降低比叶面积的方式来适应干旱的环境。（3）不同坡度土壤容重、毛管孔隙度、自然含水量、饱和持水量、毛管持水量和田间持水量存在显著差异，不同坡位土壤指标中仅非毛管孔隙度存在显著差异。相较于平地和陡坡地形，缓、中坡区土壤表现出更优秀的持水能力，促进了樟子松幼树生长。