毛乌素沙地南缘不同林龄樟子松人工林土壤物理性质差异性研究

郝宝宝，艾 宁，贾艳梅，宗巧鱼，刘 姣，刘长海*

(1.延安大学生命科学学院，陕西延安 716000;2.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西 延安 716000;3.陕西省治沙研究所，陕西 榆林 719000)

土壤作为植被赖以生存的主要环境因素之一［1］，其物理性质可用来评价植被水源涵养功能和植被稳定生长的主要指标［2］。关于土壤物理性质方面的研究主要集中在不同植被类型和不同立地条件下等之间的比较，而少有不同林龄方面的研究，邱新彩等［3］对油松人工林研究表明林龄的增加可以改善油松人工林的土壤理化性质，秦佳双等［4］对不同年龄阶段马尾松人工林研究发现随着林龄的增长对土壤改善起到促进作用，且表层土壤处于较好状态，深层土壤改善效果逐渐增大，危炳忠［5］研究表明林龄对杉木人工林的土壤物理特性差异存在明显的影响，土壤含水量和持水性能表现为:幼龄林较高，成熟林次之，中龄林最低。虽然已有较多关于土壤物理特性的相关报道，但目前尚未有对毛乌素沙地南缘樟子松人工林土壤物理性质方面的研究，这严重限制了该区域人工造林树种对土壤特性改良的客观评价。

樟子松(Pinus sylvesiris var.mongolica)属欧洲赤松的一个地理变种，在我国大兴安岭和呼伦贝尔部分地区均有自然分布，后因其耐寒、耐旱、抗风沙等生长特性被广泛应用于三北防护林的修复工程中，成为我国北方荒漠化地区重要的造林树种之一［6］。毛乌素沙地南缘地区从上个世纪60年代起引种栽培沙地樟子松，随着造林面积的持续增加，樟子松林在固沙和生态环境改善中取得了显著效果［7］。目前，针对樟子松人工林土壤造林技术［8］、养分变化［9］、理化性质［10］、生长特性［11］、水分变化［12］等方面的研究较多，但这些研究主要集中在林地表层的土壤物理性质动态变化，对下层土壤性质变化及其是否达到显著水平的研究较少，且不够深入也不够系统。同时，研究不同林龄土壤物理特性的变动，也有利于认识土壤生态系统的演化过程［13］。笔者研究立足于该地区，通过对不同林龄樟子松人工林土壤物理性质差异性和垂直分布特征的研究，旨在阐明沙地人工林土壤物理性质的变化规律，为认识沙地人工林营造后土壤性状演变提供基础数据，以期今后为毛乌素沙地樟子松人工林长期可持续经营以及沙化土地有效防治提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地南缘的榆阳区，地理坐标:108°58'～110°24'E，37°49'～38°58'N，土地面积7 053 hm2，属于典型的大陆性边缘季风气候，四季冷暖分明，昼夜温差较大，干湿各异，平均海拔1 113.8 m，年平均降水量365.7 mm，主要集中在7～9 月，占全年降雨量的70%以上，年平均气温8.3℃。土壤主要以风沙土为主，植被覆盖度较低，生态环境脆弱，主要造林树种有樟子松、杨柴(Hedysarum mongolicum)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、油松(Pinus tabuliformis Carr)、山杏(Armeniaca sibirica (L.)Lam)、侧柏(Platycladus orientalis (L.)Franco)、沙柳(Salix psammop)花棒(Hedysarum scoparium)等。

1.2 样地布设及样品采集

在充分踏查的基础上，于2018 年8 月，根据海拔、坡向、坡度、林分等立地条件相似原则，选取5 种不同林龄的樟子松人工林为研究对象，分别设置10 ×10 m 标准样地，剔除表层枯落物，挖出土壤剖面后利用环刀(体积为100 cm3)进行取样，取样深度为100 cm，分别为0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm，共6 层，地理信息数据采用GPS 进行记录，同时记录每个样点的海拔、树高、树高等详细信息见表1。

表1 样地基本概况

1.3 指标测定

土壤物理指标中的土壤容重、最大持水量和毛管持水量采用环刀浸水法测定得出，土壤含水量、土壤蓄水量、总孔隙度和毛管孔隙度由计算得出［14］。

1.4 数据处理

对于所得数据采用Excel 整合处理，Spss19.0软件进行方差分析，Origin8.0 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同林龄樟子松人工林土壤含水量和蓄水量分析

图1 不同林龄樟子松人工林土壤含水量和土壤蓄水量变化;

从图1 中可知不同林龄樟子松人工林由于其生理生态的变化对土壤含水量和土壤蓄水量有一定的影响，各林龄樟子松林地在同一土层均存在显著差异(P ＜0.05)。其中，土壤含水量在垂直分布上具有相似规律，各林龄樟子松人工林地表现为底层较高;而随着林龄的增长土壤含水量在垂直分布上有一定的影响，总体表现为先增高后降低再增高的趋势;不同林龄樟子松在0～100 cm 土壤含水量变动范围为2.03%～4.91%，大小依次表现为样地5 ＞样地2 ＞样地3 ＞样地4 ＞样地1。

土壤蓄水量随着土层深度的增加，不同林龄樟子松人工林总体呈现出逐渐增加的趋势，且同一土层间存在显著差异性(P ＜0.05)，随着林龄的增长呈先增加后减少再增加的变化过程，总体蓄水量大小呈现为54 a 和28 a 林地较高，10 a 林地最低。

2.2 不同林龄樟子松人工林土壤孔隙状况和容重分析

图2 不同林龄樟子松人工林土壤孔隙度和土壤容重变化

从图2 中可知，不同林龄樟子松人工林地总孔隙度和毛管孔隙度在不同土层变化规律不同，在同一土层存在显著性差异(P ＜0.05)，其中，总孔隙度随着林龄增加总体有一定增加的趋势，随着土层深度的增加呈现减小趋势，毛管孔隙度呈现为先增加后减少再增加的变化趋势。

各林龄樟子松人工林土壤容重均呈现为随着土层深度的增加而增大，这说明林龄对土壤容重垂直变化规律无明显影响。在0～80 cm 土层深度不同林龄相同土层的土壤容重差异显著(P ＜0.05)，在80～100 cm 土层深度，不同林龄相同土层的土壤容重差异不显著，这可能是因为樟子松人工林根系对80～100 cm 土壤影响较小。而随着林龄的增加，土壤容重呈现为减小趋势，大小依次为样地5 ＜样地4 ＜样地3 ＜样地2 ＜样地1，变动范围为1.43 g·cm-3～1.58 g·cm-3，这说明毛乌素沙地南缘樟子松人工林随着生长年限的增加对土壤容重的改良作用逐渐增强。

2.3 不同林龄樟子松人工林土壤持水量分析

图3 不同林龄樟子松人工林土壤持水量变化

土壤的持水能力可以用最大持水量、毛管持水量等指标来表示，由图(3)可知不同林龄樟子松人工林持水状况存在一定差异性。最大持水量随着土层深度的增加，10 a 林地无明显变化规律，其它林龄总体呈现为先减小后增大趋势，且在同一土层深度差异性显著(P ＜0.05)，随着林龄的增加总体呈现为增大趋势，在54 a 林地最高，28 a次之，10 a 最低。各林地毛管持水量随着土层深度的增加变化规律不同，但在同一土层深度存在显著性差异(P ＜0.05)，随着林龄的增长总体呈现为先增加后减少再增加的趋势。

3 讨论与结论

在毛乌素沙地南缘地区，在黄土高原地区土壤水分是限制植被稳定生长的重要因素之一，因此研究干旱与半干旱地区植被演变过程中土壤水分的特征对这些地区生态环境修复的长期经营与有效管理有重大意义［8］。笔者研究分析发现，不同林龄樟子松人工林土壤含水量存在显著性差异，这与牛沙沙［15］、张金鑫［16］等研究结果一致，其原因可能为植物生长过程中耗水量的差异所导致［17］。同时本研究发现不同林龄樟子松人工林土壤含水量在垂直分布上具有相似规律，均表现为先减少后增加趋势。这与其它研究结果一致［18-19］，其原因可能受樟子松人工林地下根系分布对土壤吸水的影响造成这一现象。不同林龄樟子松人工林平均土壤含水量大小依次为样地5 ＞样地2 ＞样地3 ＞样地4 ＞样地1。这可能是因为样地1 生沙地樟子松人工林处于生长迅速期，草本植被较少保水性差，林分冠幅小，蒸腾失水较多，导致样地1 生林地土壤含水量最低;样地5 生沙地樟子松人工林生长缓慢，土壤表层枯落物较厚，保水性能较好，导致样地5 a 生林地土壤含水量最高;而随着栽植年限的增加，樟子松林蒸腾作用会有所加强［20～21］，且随着樟子松林的冠幅增大，林冠截留作用也明显加强，这会导致补充到林内土壤的降水显著减少［22］，最终导致樟子松林内土壤含水量的下降，从而造成样地2 ＞样地3 ＞样地4 这一现象。

土壤容重和孔隙度均为土壤的基本物理性质，其中，土壤容重是土壤紧实度的重要指标，而土壤孔隙度则直接影响着土壤通气和蓄水性能［13］。本研究中发现，樟子松人工林土壤容重随着林龄增加呈减小趋势，随着土层深度的增加呈增大趋势;而总孔隙度随着林龄的增加无明显变化规律，随着土层深度的增加呈减小趋势，这与曹恭祥［23］、王显军［24］等研究结果相类似。其原因可能为樟子松随着林龄的增长，根系的生长过程和生物量的不断累积影响着土壤容重的变化［25～26］。由此可以表明，樟子松人工林林龄和土壤土层深度均能够影响土壤容重和孔隙度，随着樟子松人工林栽植时间的增长，土壤紧实度和通气性能都得到一定改善效果。

土壤持水性能是评价森林涵养水源和调节水循环的重要指标［27］，与土壤结构有密切的关系，能够反映土壤的保水、供水能力［28］。本研究发现樟子松人工林地最大持水量和毛管持水量均表现为表层较高，这与王丹［29］对不同林龄土壤物理性质研究结果基本一致。不同林龄间存在差异性显著(P ＜0.05)，样地5 a 生樟子松人工林地明显高于其它林地，其中土壤最大持水量和土壤蓄水量均表现为成熟林较高，幼林龄则较低，这与其它研究结果相似［30～31］，由此可见，随着樟子松人工林栽植时间的增长能够让土壤结构逐步改善，进而使土壤持水性能逐步得到提高。