立地土壤水分对脂松人工幼林生长的影响1)

付娇娇　王庆成　张娇　朱凯月

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



立地土壤水分对脂松人工幼林生长的影响1)

付娇娇王庆成张娇朱凯月

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

摘要在帽儿山地区引种栽培的12年生脂松试验林中，设立上、中、下坡位3种常规尺度立地类型及设立凹地、凸地、伐桩附近、平缓坡地(对照)4种微立地类型，研究立地、微立地土壤水分物理性质变化对脂松林木生长的影响。结果表明：①立地、微立地对土壤水分物理性质有显著影响(p<0.05)，土壤含水量从大到小依次为：下坡位、中坡位、上坡位；凹地、伐桩、对照、凸地。②上坡位脂松生长最好，胸径(5.7 cm)分别比中、下坡位高11.8%(p<0.05)和29.6%(p<0.05)；树高(4.3 m)分别比中、下坡位高3.1%(p>0.05)和14.5%(p<0.05)。③与对照相比，凸地有利于脂松生长，凹地和伐桩对脂松生长产生负影响。凸型微立地上，脂松胸径、树高略高于对照(p>0.05)；而凹型微立地上胸径、树高分别比对照低40.5%(p<0.05)和24.9%(p<0.05)；伐桩附近微立地上，脂松胸径、树高略低于对照(p>0.05)。含水量过高不利于脂松的生长，脂松造林应选择排水良好的上、中坡位；种植点的配置上，应避开容易产生季节性积水的凹地。

关键词脂松(Pinus resinosa Ait.)；脂松人工林；立地类型；微立地类型；土壤水分

分类号S724

Effect of Soil Moisture under Different Site/microsite Conditions on Growth of YoungPinusresinosaPlantation Stand

Fu Jiaojiao, Wang Qingcheng, Zhang Jiao, Zhu Kaiyue

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(4)：34-37,40.

We set downhill, middle solpe and upperhill sites, and concave, convex, close to stump microsites and reference within middle slope site in a 12-year-old red pine plantation stand at Maoershan Experimental Forest Farm. We detected the Variation in soil moisture and physical properties between different sites and microsites. The moisture content of soil on different slope positions was in an descending order of downhill, middle slope, and upperhill. The ranking of moisture content of soil within microsites was in an descending order of concave, close to stump, reference, and convex. The greatest growth of red pine trees was with trees on the upperhill site, with DBH (5.7 cm) of 11.8% (p<0.05) and 29.6% (p<0.05) greater, and height (4.3 m) of 3.1% (p>0.05) and 14.5% (p<0.05) greater than those on middle slope and downhill sites, respectively. Compared with reference microsite, the convex microsite had greater tree growth, while concave and close to stump microsite had a negative effect. Tree DBH and height on convex microsites were slightly greater (p>0.05) than those on reference microsites, while compared with concave microsites they were significantly lower. The tree growth on close to stump microsite was also lower than that on reference microsites (p>0.05). The relatively high soil moisture content retarded the red pine growth in this area. The upperhill and the middle-slope site with good drainage are suitable site for the establishment of red pine plantation in this area. Avoiding concave microsite which would produce timely waterlogging will benefit tree growth.

KeywordsRed pine (PinusresinosaAit); Red pine plantations; Site; Microsites; Soil moisture and physical properties

微立地为小地形和表面土壤特征相同的地块，其范畴可小至1 m2，大则超过5 m2[1]。微立地可以由自然因素形成(如，局部地形差异、土壤差异、风倒产生的洼地、倒木等)，亦可由经营活动(如，采伐、整地等导致剩余物堆积、伐桩以及整地对局部地形的影响)[2]。微立地差异，不仅包括地形和土壤性质的不同，在其范围内树木生长所需的光照、温度、水分、养分等生态因子状况也各异[3]。因而，在人工造林或更新时，微立地对人工林生长也会产生重要的影响。欧美在20世纪70年代开始了微立地对植物生长影响的研究，特别在工业用材林林地管理方面十分注重微立地的作用[3-6]。我国自20世纪90年代中期以来也开展了微立地相关的研究[2-3，7]，从微立地尺度上研究林木生长和立地条件的关系，为充分发挥土地和树种的潜力，缩短人工林轮伐期奠定基础[2]。以往的研究，主要集中于微立地对人工幼林生长的影响，研究结果仅限于林木生长早期阶段[2-3，7]，微立地影响的长期效果研究尚少。

脂松(PinusresinosaAit.， Red pine)，亦谓挪威松(Norway pine)，是北美东北部地区的乡土树种，分布范围极其广泛[8]。脂松产区的气候条件与我国东北地区极为相似，为该种向我国东北地区的成功引进提供了重要基础。2002年，我国东北地区开始脂松优良种源的引种栽培工作；2004年，帽儿山地区营造了脂松种源试验林和引种栽培试验林。帽儿山地区和产区土壤类型存在较大的差异，与脂松分布区的沙质新成土相比，引种区的暗棕壤肥力相对较高，但在透气性和排水性方面较差[9-10]。脂松喜排水良好的土壤，土壤水分是影响引种区脂松生长的重要因子。研究表明：不同土壤水分含量会对脂松的生长和生理特性产生不同程度的影响；脂松比较耐干旱，而不耐涝渍，中等水湿及偏轻度干旱立地较适宜脂松苗木生长[11]。不同立地间土壤水分状况差异显著[12-13]，相同立地内不同微立地间土壤水分物理性质存在较大差异[3]。王付刚等[14]调查了帽儿山脂松试验林造林当年和翌年微立地对脂松幼树生长的影响，结果表明：中坡位脂松生长最好，且显著高于上、下坡位。杨俊等[7]对微立地土壤物理性质差异及与脂松幼林生长的影响进行了研究，结果表明：凹地形和伐桩对脂松生长呈负影响，差异显著；凸地形对脂松生长呈正影响，差异不显著。然而，随着林木生长、树高增加、冠幅增大、根系吸收能力增强等，微立地对脂松生长的影响尚不明确。

本文以帽儿山地区引种栽培的12年生脂松为研究对象，分析微立地尺度的土壤水分物理性质变化及立地、微立地对脂松生长的影响，进一步确定土壤水分状况对脂松生长的影响，为在微立地尺度上更准确的适地适树营造脂松人工林提供参考。

1研究区概况

研究地位于东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站(127°18′0″～127°41′6″E，45°2′20″～45°18′16″N)。该地属长白山系张广才岭西北坡小岭余脉，为典型低山丘陵地带。平均海拔300 m，年平均气温2.8 ℃，年降水量724 mm，7—8月份雨量占全年总量的52%，年蒸发量1 094 mm，年日照时间2 471 h，无霜期120～140 d。

脂松试验林造林时间为2004年，面积15 hm2。造林地为次生林采伐迹地，坡向为阳坡或半阳坡，坡度10°～25°。株行距1.5 m×2.0 m(3 333株/hm2)。

2研究方法

2014年10月，在脂松林内，分为上、中、下3个坡位，各设立3个15 m×15 m标准地，共9个。在各标准地内，分别测定脂松的树高、胸径、近5 a的树高连年生长量。依据地形和地表状况，在标准地内划分为凹形微立地、凸形微立地、伐桩(直径≥15 cm)附近微立地3种微立地类型，每种微立地类型3个重复；以无明显特征的平缓坡地为对照(由于脂松人工林内上坡位和下坡位坡面平缓，微立地不典型，故仅在中坡位标准地内进行微立地划分)。凸形和凹形微立地的范畴为1～5 m2，选择位于中心的林木测定。伐桩附近微立地，在以其为中心半径60 cm范围内选择林木测定。

不同坡位土壤取样，分别在每个标准地内采用十字取样法布置采样点(5点)，在0～10 cm深度中间取环刀和铝盒土壤样品，用于测定土壤水分物理性质。测定凸地形和凹地形土壤水分物理性质，在凸、凹地形的中心附近；伐桩在其附近60 cm内取点。在0～10 cm深度中间取环刀和铝盒土壤样品，每个微地形重复3次。采用烘干法测定土壤水分含量、用环刀法测土壤密度、孔隙度、持水量等土壤水分物理性质[15]。降水数据，由黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站提供。

数据处理，采用SPSS(SPSS公司，13.0)对数据进行描述统计和正态检验，然后进行单因素方差分析，并用LSD法进行多重比较和Pearson相关性分析。

3结果与分析

3.1不同立地土壤水分物理性质

坡位对土壤水分物理性质有显著影响(见表1)。下坡位的含水量最高(81.8%)，分别比上、中坡位高26.4%(p<0.05)和19.6%(p<0.05)；上坡位和中坡位间差异不显著(p>0.05)。土壤密度从大到小依次为：上坡位、中坡位、下坡位，各坡位间无显著差异(p>0.05)。饱和持水量、毛管持水量、田间持水量，从大到小依次为：下坡位、中坡位、上坡位，且差异显著(p<0.05)。下坡位的总孔隙度最高(66.9%)，比上坡位高15.5%(p<0.05)，比中坡位高5.8%(p<0.05)。

表1　12年生脂松人工林不同坡位土壤水分物理性质

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。

不同微立地类型土壤水分物理性质存在显著差异(见表2)。土壤含水量，从大到小依次为：凹地、伐桩、对照、凸地。凹地、伐桩土壤含水量，分别比对照高57.2%(p<0.05)和11.2%(p>0.05)，凸地土壤含水量比对照低2.9%(p>0.05)。土壤密度，从大到小依次为：凸地、伐桩、对照、凹地。凸地、凹地土壤密度与对照差异显著(p<0.05)，伐桩土壤密度与对照差异不显著(p>0.05)。饱和持水量、毛管持水量和田间持水量均存在显著差异，从大到小依次为：凹地、伐桩、对照、凸地。总孔隙度，从大到小依次为：凹地、伐桩、凸地、对照；凹地、伐桩总孔隙度与对照差异显著(p<0.05)，凸地总孔隙度与对照差异不显著(p>0.05)。

表2　12年生脂松人工林不同微立地土壤水分物理性质

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05)。

3.2不同立地条件对脂松生长的影响

不同坡位脂松生长存在显著差异(见表3)。上坡位脂松平均树高最高，比中、下坡位分别高出3.1%(p>0.05)和14.5%(p<0.05)；中、下坡位间，树高差异显著(p<0.05)。在胸径方面，也表现为上坡位最大，分别比中坡位、下坡位高11.8%和29.6%(p<0.05)；中、下坡位间，胸径差异显著(p<0.05)。

表3　12年生脂松人工林不同坡位林木树高、胸径

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

坡位由上到下脂松的逐年高生长量呈递减趋势，不同年份相同坡位脂松的生长量与年均降水量负相关(见表4)。2013年，年平均降水量最高(928.4 mm)，该年脂松高生长量最低，且不同坡位脂松高生长量表现为：上坡位比中、下坡位分别高12.6%(p>0.05)和66.7%(p<0.05)；中坡位和下坡位差异显著(p<0.05)。2011年，年平均降水量最低(553.6 mm)，该年脂松高生长量最高，且不同坡位脂松高生长量表现为：上坡位比中、下坡位分别高5.9%(p>0.05)和18.7%(p<0.05)；中坡位和下坡位差异显著(p<0.05)。2010、2012、2014年，高生长量均表现为：上、中坡位显著高于下坡位(p<0.05)，上坡位高于中坡位，但差异不显著(p>0.05)。

微立地对脂松生长产生显著影响(见表5)。凹型微立地上，树高、胸径比对照分别低24.9%(p<0.05)和40.5%(p<0.05)。伐桩微立地上，树高、胸径分别比对照低6.5%(p>0.05)4.9%和(p>0.05)。凸型微立地上，树高比对照低2.4%(p>0.05)；胸径比对照高出0.9%(p>0.05)。

表4年均降水量对脂松人工林不同坡位脂松逐年高生长量的影响

年份年平均降水量/mm坡位高生长量/cm2010592.10上(58.10±0.72)a中(56.24±0.08)a下(43.12±0.27)b2011553.06上(62.74±1.00)a中(59.20±3.20)a下(49.63±3.01)b2012639.08上(45.75±3.00)a中(45.05±1.12)a下(33.11±0.25)b2013928.40上(42.28±2.29)a中(37.55±1.40)a下(22.08±0.89)b2014617.15上(55.06±1.44)a中(48.20±1.81)a下(40.59±2.61)b

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

表5　脂松人工林不同微立地脂松树高、胸径

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

微立地类型对脂松逐年高生长量产生显著影响，总体趋势从大到小依次为：凸地、对照、伐桩、凹地，不同年份相同微立地脂松的生长量与年均降水量负相关(见表6)。年均降水量最高的2013年，脂松高生长量最低，且不同微立地上脂松高生长量表现为：凸地比对照高出7.4%(p>0.05)；凹地和伐桩分别比对照低48.7%(p<0.05)、1.2%(p>0.05)；凸地与凹地差异显著，凸地与伐桩差异不显著。年均降水量最低的2011年，脂松高生长量最高，且不同微立地脂松高生长量表现为：凸地比对照高3.1%(p>0.05)；凹地、伐桩比对照分别低21.2%(p<0.05)、3.5%(p>0.05)；凸地和凹地差异显著(p<0.05)，凸地和伐桩差异不显著(p>0.05)。2010、2012、2014年，高生长量均表现为：凸地高于对照，差异不显著(p>0.05)；凹地低于对照，差异显著(p<0.05)；伐桩低于对照，差异不显著(p>0.05)。

3.3土壤水分物理性质与脂松生长相关性

脂松的生长，与土壤密度、非毛管孔隙度呈正相关，与其它变量均为负相关(见表7)。脂松胸径生长，与含水量、毛管持水量、田间持水量之间呈极显著负相关(p<0.01)，与饱和持水量呈显著负相关关系(p<0.05)，与毛管孔隙度呈显著负相关关系(p<0.05)，与土壤密度呈显著正相关关系(p<0.05)。树高生长，与含水量、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量间均呈极显著负相关(p<0.01)，与毛管孔隙度呈显著负相关关系(p<0.05)，与土壤密度呈极显著正相关关系(p<0.01)。

表6年均降水量对脂松人工林不同微立地脂松逐年高生长量的影响

年份年均降水量/mm微立地类型高生长量/cm2010592.10对照(57.84±0.08)ac凹地(48.69±1.38)b凸地(60.67±1.39)a伐桩(53.36±3.10)bc2011553.60对照(59.20±3.20)a凹地(46.67±2.20)b凸地(61.00±3.98)a伐桩(57.16±3.31)ab2012639.08对照(45.05±1.12)a凹地(32.00±2.31)b凸地(39.22±3.58)ab伐桩(36.88±3.44)ab2013928.40对照(37.55±1.40)a凹地(19.25±1.13)b凸地(40.33±3.79)a伐桩(37.12±4.92)a2014617.15对照(48.20±1.81)a凹地(35.28±3.55)b凸地(48.56±4.95)a伐桩(41.31±2.90)ab

注：表中数据为平均值±标准误；数字后同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

表7　12年生脂松人工林生长与土壤水分物理性质的相关性

注：** 表示在0.01水平显著；*表示在0.05水平显著。

4结论与讨论

对于生长在适宜海拔范围内的林木，坡位是影响其生长的关键地形因子之一[2，12，16]。上坡位和中坡位脂松的树高、胸径高于下坡位，差异显著(p<0.05)，上坡位高于中坡位，但差异不显著(p>0.05)(见表3)。原因是上、中坡位水分因重力作用能够迅速排出，土壤含水量较低，下坡位为水分积聚区，土壤含水率最高(见表1)，而脂松的树高、胸径生长与含水量呈极显著负相关关系(p<0.01)(见表7)。本文研究结果与王付刚等[14]的研究结果不同，王付刚等认为中坡位脂松生长状况最好，且显著高于上、下坡位，原因是幼树刚移植对水分要求较高，而上坡位含水量低，幼树可能受到干旱胁迫。脂松逐年高生长量因降水量的增加而降低(见表4)。这是由于帽儿山地区土壤相对脂松原产区排水能力较差[11]，容易产生季节性积水，因此对脂松的生长构成限制。

由于土壤水分和通气状况等的不同，造成不同微立地间土壤水分物理性质存在较大差异[3]。凹地土壤含水量显著低于对照(见表2)。这是由于凹地地势低洼，地表径流、地下径流都容易在凹地聚集，尤其是雨后更容易积水，导致凹地土壤储存了较多的水分。凸地地势较高，土壤储存的水分较少，因而凸地土壤含水量低于对照(见表2)。伐桩和其根系的腐烂，导致伐桩附近的土壤较松软，含有较多的水分，但是由于孔隙度较大(见表2)，部分水分能流失，所以伐桩附近土壤含水量低于对照，但差异不显著(p<0.05)(见表2)。

不同的土壤水分物理性质，使土壤呼吸、土壤微生物和土壤动物种群及活动以及根系活动、养分转化和吸收出现差异，必然导致林木生长不同([2])。凹地不利于脂松的生长，凹型微立地上脂松的树高、胸径显著低于对照；伐桩附近脂松树高、胸径生长也低于对照，但差异不显著(p<0.05)；凸地利于脂松生长，但凸型微立地上脂松的树高、胸径生长与对照差异并不显著(见表5)。这与杨俊等([7])研究结果基本一致。2010—2014年间，年平均降水量最高为2013年，最低为2011年(见表6)。对照立地上脂松2013年高生长量(37.5cm)最低，2011年高生长量最高(见表6)。2013年，凹地脂松高生长量比对照低18.3cm；2011年，凹地脂松高生长量比对照低12.5cm(见表6)。说明降水量对脂松的生长产生显著影响，降水量高不利于脂松的生长，且降水量越高，凹地的负影响越大。

3结论

3种木材的5种不同形态试样中粉末样的点燃时间远小于其它形态样，而杉木、水曲柳的标准样、组拼样、颗粒样点燃时间相差不大。3种木材的颗粒样燃烧持续时间均最短，燃烧更剧烈，其中杉木、水曲柳的热释放速率明显高于其它形态样的热释放速率；粉末样燃烧持续时间均最长，热释放速率及热释放速率峰值均最低，同时粉末样的产烟速率也最低。同种木材不同形态试样的热释放总量相差不大；不同木材热释放总量不同，从大到小依次为木荚豆、水曲柳、杉木。利用锥形量热仪法分析木材的燃烧性能，当不能取得标准试样规格时，利用组拼方法获得的试样进行燃烧试验的结果与标准试样较接近，但颗粒样和粉末样与之相比则有较大差异。

参考文献

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收稿日期：2015年10月28日。

作者简介：第一付娇娇，女，1988年10月生，东北林业大学林学院，硕士研究生。E-mail：1006740389@qq.com。通信作者：王庆成，东北林业大学林学院，教授。E-mail：wqcnefu@163.com。

1)国家科技支撑计划项目(2011BAD37B02)。

责任编辑：张玉。