晉南不同密度油松人工林土壤水分的物理特性1)

杜滿義 封煥英 裴順祥 張連金 法蕾 郭嘉 辛學兵

(中國林業(yè)科學研究院華北林業(yè)實驗中心，北京,102300)

油松(Pinustabuliformis)是我國特有樹種，具有耐干旱、耐瘠薄，生長迅速，根系發(fā)達等特點，在水土保持、涵養(yǎng)水源和改良土壤等方面發(fā)揮重要作用。油松是我國北方溫性針葉林中分布最廣的森林群落，也是暖溫帶濕潤半濕潤氣候區(qū)的地帶性植被。山西廣泛分布大面積油松天然林和人工林，油松在區(qū)域森林植被資源中占有重要的地位，是森林經營的重要對象[1-2]。林分密度是森林經營中重要的可控因子，林分密度一直是森林生態(tài)學和森林經營學的重要研究課題[3]。林分密度是指單位林地面積上的立木株數，是人工林群落結構的數量指標[4]，決定林木個體的生長空間和發(fā)育過程，對林分的結構、生產力、林分質量及林下植被多樣性產生重要的影響[5-6]。林分密度調控是改善人工林群落結構的主要途徑，林分密度會顯著影響林分冠層結構的空間異質性，改變林地的光照、水分和溫度等環(huán)境，群落生態(tài)因子重新分配，植物對環(huán)境資源的分配利用方式發(fā)生變化[7-9]。合理的林分密度能夠使油松人工林的針葉化程度顯著降低，地力衰退減緩，生產力增加，層次結構和生物多樣性豐富，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗逆性增強，養(yǎng)分利用效率和養(yǎng)分循環(huán)速率提高，促進林地可持續(xù)發(fā)展[10-13]。因此，營造密度適宜的油松人工林，科學經營現存油松林人工林是維持林地生產力，提高人工林穩(wěn)定性與可持續(xù)性的重要措施之一。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分、群落發(fā)生和發(fā)展的基礎、林木生長和微生物作用等多種生態(tài)過程的重要載體，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[12]。林分密度直接影響土壤含水量和土壤的通透性，進而影響植被根系水分吸收、植被水分利用效率以及植被生長特性等[14]。土壤物理性質對土壤蓄水保肥能力以及土壤養(yǎng)分的吸收、轉化和利用均有重要影響，從而影響林木生長發(fā)育和林地生產力。研究土壤水分理化性質對進一步了解林地土壤肥力狀況、林木生長以及土壤蓄水性能具有重要意義[15-16]。因此，本文以晉南3種不同林分密度油松人工純林為研究對象，采用野外觀測和室內分析相結合的方法，系統(tǒng)分析林分密度對土壤水分物理特性的影響。旨在探討不同林分密度下土壤水分物理性質的差異，評價土壤質量狀態(tài)，為區(qū)域油松人工林的質量精準提升和可持續(xù)經營提供科學依據。

1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省中條山國有林場管理局十河林場(111°50′～112°E，35°31′～35°51′N)，中條山素有“華北地區(qū)動植物資源寶庫”美譽。十河林場地處中條山中部，地勢東高西低，屬于大起伏侵蝕中山地貌，海拔1 000～1 961 m；屬于溫帶季風氣候型，年均氣溫12.3 ℃，最低氣溫-19.1 ℃，最高氣溫41.3 ℃，≥10 ℃年活動積溫4 160 ℃；全年無霜期220 d左右；年均降水量568.3 mm，主要集中在7—9月；土壤類型主要為棕壤、淋溶褐土及褐土，多中厚土層，有機質含量較高。主要森林植被類型包括：油松(Pinustabuliformis)、華山松(Pinusarmandii)林、遼東櫟(Quercuswutaishansea)林、橿子櫟(Quercusbaronii)林、白樺(Betulaplatyphylla)林等；主要灌木植被類型包括：連翹(Forsythiasuspensa)灌叢、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)灌叢、黃櫨(Cotinuscoggygriavar.pubscence)灌叢、繡線菊(Spiraeasalicifolia)灌叢、黃刺玫(Rosaxanthina)灌叢等；主要草本植物群落包括：羊胡草(Bothriochloaischaemum)草叢、蒿類(Artemisaspp.)草甸等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2018年6—8月，在全面踏查的基礎上，采用典型抽樣法，選取林齡相近，坡向、坡度和海拔等地形因子、土壤類型基本相似的地段，分別設置低密度(D1:500株·hm-2，)、中密度(D2:1 250株·hm-2)和高密度(D3:2 475株·hm-2)油松人工純林樣地，樣地面積均為20 m×20 m，每種林分密度樣地3個重復，共計9塊樣地。對樣地基本狀況(立地因子和植被)進行了詳細調查，主要指標包括：林齡、林分密度、平均胸徑、平均樹高、郁閉度等；采用便攜式GPS、羅盤儀等測定各樣地的坡度、坡向、海拔及經緯度等(見表1)。

表1 油松人工林研究樣地概況

2.2 土壤樣品采集及指標測定

2018年9月，在每個樣地內，按照“S”型選取3個土壤采樣點，采樣時先除去地面凋落物，按照(土層深度h)0

指標測定包括：最大持水量、毛管持水量、田間持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤密度。測定方法按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準進行[17]。

2.3 數據處理

數據統(tǒng)計分析在SPSS 19.0軟件下完成，正態(tài)分布性檢驗采用K-S檢驗方法；不同混交類型，不同土層深度的數據變量的差異運用單因素方差分析，最小顯著差法進行多重比較；采用Peason相關系數對土壤各物理參數進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 林分密度對土壤物理性質的影響

由表2可知，不同林分密度的土壤密度差異顯著。高密度油松人工林0

不同林分密度的土壤孔隙度的變化總體表現為：高密度油松人工林土壤00.05)。

表2 不同林分密度的土壤密度和土壤孔隙度

土層深度(h)/cm總孔隙度/%2475株·hm-21250株·hm-2500株·hm-2非毛管孔隙度/%2475株·hm-21250株·hm-2500株·hm-20

3.2 林分密度對土壤持水特性的影響

由表3可知，不同林分密度間0

表3 不同林分密度的土壤持水特性

3.3 不同林分密度土壤特性指標的相關性

由表4可知，土壤密度與土壤總孔隙、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量以及田間持水量均存在極顯著負相關關系(P<0.01)，其中土壤密度與最大持水量相關性最強，相似系數達-0.940；土壤總孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度與持水性能指標多存在極顯著的正相關關系(P<0.01)。

表4 不同林分密度土壤特性指標相關性

4 結論與討論

不同林分密度的油松人工林土壤密度和土壤孔隙度存在差異，主要表現為高密度油松人工林0

林分密度對表層0

土壤表層在森林水分循環(huán)中起著重要的作用，是森林水文作用的第三個活動層，是森林貯存水分的主體[15]。大氣降水可以沿著土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下滲，毛管孔隙中的毛管水可以較長時間保存在土壤中，體現在對水分的靜態(tài)涵養(yǎng)，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)；非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，主要體現在動態(tài)調節(jié)，更有利于森林的水源涵養(yǎng)和水土保持[34-35]。土壤持水能力取決于土壤質地、土壤厚度和土壤孔隙度等因素。本研究所采集土壤樣品在相近區(qū)域范圍內，土壤本底及取樣地點環(huán)境的空間異質性可以忽略不計，進一步突顯了林分密度對土壤持水特性的影響。研究發(fā)現高密度(2 475株·hm-2)油松林0

林分密度差異不改變土壤屬性垂直分異的基本規(guī)律，即土壤密度隨土層深度增加不斷增大，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標均隨土層深度增加而不斷降低。一方面是因為上層土壤對下層土壤存在擠壓，重力因素導致土層越深被擠壓越緊[31]，另一方面是因為植物凋落物和植物根系大量存在于表層土壤中，尤其是森林中的細根主要分布在0

綜上所述，油松人工林林分密度能夠顯著影響土壤水分物理特性，晉南區(qū)域高密度油松林(2 500株·hm-2)能夠顯著降低土壤密度，增加土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量和田間持水量；密度效應對表層土壤水分物理特性的影響超過深層次土壤，表層水分物理特性變化更為強烈；不同林分密度油松人工林土壤隨土層深度的增加，土壤密度不斷增大，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，最大持水量、毛管持水量和田間持水量等均不斷降低，土壤密度與土壤孔隙度、土壤持水特性指標表現出相反的增減趨勢。