馮 偉, 楊文斌, 黨宏忠, 李 衛(wèi), 韓 輝, 宋曉東, 張學(xué)利

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京100091; 2.遼寧省固沙造林研究所, 遼寧 阜新 123000)

不同密度樟子松固沙林土壤水分特征

馮 偉1, 楊文斌1, 黨宏忠1, 李 衛(wèi)1, 韓 輝2, 宋曉東2, 張學(xué)利2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京100091; 2.遼寧省固沙造林研究所, 遼寧 阜新 123000)

[目的] 探討樟子松固沙林合理栽植密度,為進一步深入分析樟子松固沙林水量動態(tài)平衡、衰退原因及林分穩(wěn)定性評價提供參考。 [方法] 以科爾沁沙地南緣3種密度(400,600和800株/hm2)的33 a樟子松固沙林為研究對象,連續(xù)監(jiān)測了生長季降雨、0—200 cm土壤含水量、200 cm以下滲漏量,分析了3種密度下土壤水分特征及差異。 [結(jié)果] (1) 3種密度下土壤水分時空變化趨勢基本一致,0—30 cm為降雨影響劇烈層,60 cm以下受>40 mm降雨影響,降雨結(jié)束后均表現(xiàn)蒸滲型水分消退特征,之后轉(zhuǎn)換為蒸散型;(2) 0—200 cm土壤體積含水量大小為：400株/hm2>600株/hm2>800株/hm2,且差異顯著(p<0.05);(3) 200 cm以下均有水分滲漏,其中800株/hm2最低,為0.4 mm。[結(jié)論] 豐水年3種密度林分基本能夠維持水量平衡,但正常降水或極端降水年份會增加土壤蓄存水消耗,可能出現(xiàn)水分虧缺或衰退現(xiàn)象。建議生產(chǎn)中樟子松固沙林適宜密度應(yīng)控制在400株/hm2左右。

樟子松; 土壤體積含水量; 水分滲漏量

水分是沙區(qū)植被建設(shè)極為重要的生態(tài)限制因素。干旱、半干旱沙區(qū)降水少、蒸發(fā)強、土壤含水量低，土壤水是影響植被建設(shè)的首要因素[1-3]。降水是該區(qū)土壤水分主要補給來源，合理有效利用有限水資源成為固沙植被長期穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)[4]。中國沙區(qū)植被建設(shè)取得了舉世矚目的成就，有效遏制了沙漠化的發(fā)展，促進了局地生態(tài)恢復(fù)[5]，然而，大規(guī)模固沙造林均以完全固定流沙為第一目的，大都遵循覆蓋度大于40%這一標準，結(jié)果出現(xiàn)密度大、水分失衡等問題，造成大面積固沙植被衰退或死亡現(xiàn)象，影響了沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)及防風(fēng)固沙效益的可持續(xù)性[5-6]。針對沙區(qū)因土壤進一步旱化、地下水位持續(xù)下降而引起的植被衰退、土地退化等一系列生態(tài)問題，沙地土壤水分動態(tài)特征已成為沙地生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定和生態(tài)恢復(fù)研究中急需解決的關(guān)鍵問題。

地處農(nóng)牧交錯帶的科爾沁沙地是中國最大的沙地，也是沙漠化最嚴重的地區(qū)之一。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)作為該區(qū)防風(fēng)固沙的主要樹種之一，在防治土地沙漠化及三北防護林建設(shè)中起著非常重要的作用，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國沙地樟子松人工林面積達到3.0×105hm2，其在三北沙區(qū)帶來了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益[7]。然而，20世紀90年代以來樟子松固沙林出現(xiàn)了大面積衰退或死亡現(xiàn)象[8]，據(jù)調(diào)查，遼寧省3.83×104hm2樟子松人工固沙林中有2.50×104hm2發(fā)生衰退現(xiàn)象，約占65.27%[9]。樟子松固沙林衰退是由生物和非生物因素共同作用引起，屬于林木衰退病的一種[10]。大量研究表明樟子松林提早衰退的主導(dǎo)因素之一是土壤旱化及水分虧缺失衡，然而這些研究多為定點、定時取樣測定[7-13]，缺乏系統(tǒng)、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)分析樟子松固沙林土壤水分動態(tài)過程及土壤水分虧缺狀況還缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐，同時，樟子松固沙林土壤深層滲漏水量缺乏直接的實測數(shù)據(jù)。因此，本文采用自動監(jiān)測系統(tǒng)對科爾沁沙地3種密度(400,600和800株/hm2)33 a樟子松林下0—200 cm深度土壤水分、200 cm以下滲漏水量進行野外實時監(jiān)測，分析3種密度樟子松林土壤水分特征及差異，探討樟子松固沙林合理栽植密度，為進一步深入分析樟子松固沙林水量動態(tài)平衡、衰退原因分析及林分穩(wěn)定性評價提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南緣遼寧省固沙造林研究所試驗林場三家子工區(qū)(42°43′N，122°22′E)，行政區(qū)劃隸屬于遼寧省彰武縣章古臺鎮(zhèn)。境內(nèi)海拔224.5 m，屬亞濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均風(fēng)速3.8 m/s，平均相對濕度62%，平均降水475.5 mm，平均潛在蒸發(fā)量1 553 mm，為降水的3.3倍，地下水位大于4 m。年平均氣溫6.3 ℃，無霜期155 d。土壤類型以風(fēng)沙土為主，物理性砂粒含量較高，沙層厚度達126 m。植被類型多樣，沙生植被為主體，主要植物有山里紅(Crataeguspinnatifidavar.majorN.E.Br.)、榆樹(UlmuspumilaL.)、山杏〔Armeniacasibirica(Linn.)Lam.〕、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、差巴嘎蒿(ArtemisiahalodendronTurcz et Bess.)、中華隱子草〔Cleistogeneschinensis(Maxim.)Keng〕、小黃柳(SalixgordejeviiY.L.Chang et Skv.)等。

1.2 研究方法

在三家子工區(qū)選擇33 a樟子松固沙林作為監(jiān)測樣地，密度分別為400株/hm2(株行距6.0 m×4.2 m，胸徑18.37 cm，樹高9.18 m，冠幅4.3 m×4.2 m)；600株/hm2(株行距3.0 m×5.6 m，胸徑20.20 cm，樹高10.40 m，冠幅5.0 m×5.2 m)；800株/hm2(株行距3.0 m×4.2 m，胸徑16.83 cm，樹高9.45 m，冠幅4.0 m×3.8 m)。3塊樣地均由1980年采用2年生裸根苗營造的10 hm2林分(起初密度為1 420株/hm2)在2000年采取隔行去行、隔株去株的間伐方式獲得，立地條件基本一致，林下植被蓋度、種類基本相同。

2013年4月15日在3塊樣地分別選擇長勢良好的兩行樹中間部位挖取320 cm深土壤剖面，從下到上依次將土壤深層水量滲漏測試記錄儀[14]排水部(15 cm)、計量部(35 cm)、集流部(5 cm，礫石、陶粒填充)、毛管持水部(65 cm，原狀土填充)緊靠完整剖面一側(cè)嵌入，此時毛管持水部上沿在土壤200 cm深度，計量部將記錄滲漏到200 cm以下水量；同時在滲漏測試記錄儀右側(cè)40 cm處剖面按10，20，30，60，90，120，150和200 cm安裝ECH2O-5(±2%)(EC-5)土壤水分傳感器(美國Decagon Devices Inc.，Pullman，WA)連續(xù)監(jiān)測土壤體積含水量；原狀土回填，澆水踏實。同時，在3家子工區(qū)氣象站內(nèi)(距試驗地300 m)安裝美國AVALON公司AV-3 665 R型雨量傳感器(精度0.2 mm)。

采用RR-1 016型數(shù)采器記錄降雨量、土壤體積含水量、深層滲漏量，其中土壤含水量、滲漏水量每10 min記錄1次，降雨量每30 min記錄1次。為減少擾動及凍融作用的影響，選擇2013年6—10月數(shù)據(jù)分析不同密度樟子松林土壤水分特征及差異。數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降雨特征

研究區(qū)2013年6月1日至10月31日降雨55 d(圖1)，累積降雨498.8 mm。55 d降雨中，日降雨量≤10 mm的降雨42 d，累積降雨92.6 mm，占同期降雨的18.6%；10～20 mm的降雨5 d，累積降雨73.8 mm，占同期降雨的14.8%；20～30 mm的降雨2 d，累積降雨45.4 mm，占同期降雨的9.1%；≥30 mm降雨6 d，累積降雨287.0 mm，占同期降雨的57.5%。表明研究區(qū)降雨頻次較多，其中≥30 mm的降雨對降雨總量貢獻大。從月降雨分布看，研究區(qū)降雨主要集中在7，8月。

圖1 研究區(qū)2013年6-10月降雨特征

2.2 土壤水分時間變化特征

3種密度樟子松林土壤水分時間上變化趨勢基本一致，均隨著降雨增加各層含水量呈增加趨勢，降雨結(jié)束達到最大值后隨之降低(圖2)；其中10 cm土壤含水量變化頻繁，對>5 mm降雨均產(chǎn)生響應(yīng)；20 cm，30 cm土壤對>10 mm降雨均產(chǎn)生響應(yīng)；60 cm以下土層對相同降雨的響應(yīng)是有差異的，7月1—2日的101.4 mm降雨3種密度樟子松林60—150 cm含水量均產(chǎn)生響應(yīng)，僅800株/hm2林分200 cm含水量產(chǎn)生響應(yīng)；7月15—16日的100.4 mm降雨3種密度60—200 cm含水量均產(chǎn)生響應(yīng)，但400株/hm2在響應(yīng)時間上滯后于其他兩種密度；8月14日50.2 mm，10月9日42.4 mm降雨僅影響到400和800株/hm2樟子松林90 cm土層，對600株/hm2樟子松林90 cm以下土壤水分影響較弱(主要因為在2005年60 cm以上添加過草炭，增加了土壤持水能力)。以上結(jié)果表明，3種密度林分60 cm以下土壤僅受>40 mm降雨影響，其中>100 mm降雨入滲深度達150 cm以下。3種密度林分土壤含水量時間變化上各層土壤含水量最大值和最小值(圖2)之間均差異顯著(p<0.05)，表明試驗期間498.8 mm降雨對3種密度樟子松林0—200 cm深度土壤水分均產(chǎn)生了顯著影響。

從表1看出，3種密度樟子松林平均土壤含水量垂直變化上均隨土層深度增加呈先增加后減少趨勢，且最大值與最小值之間差異顯著(p<0.05)，其中400株/hm2樟子松林最大值出現(xiàn)在30 cm，最小值出現(xiàn)在200 cm；600株/hm2樟子松林最大值出現(xiàn)在60 cm，最小值出現(xiàn)在200 cm；800株/hm2樟子松林最大值出現(xiàn)在30 cm，最小值出現(xiàn)在150 cm。3種密度林分除10 cm，30 cm層600和800/hm2之間土壤含水量差異不顯著外，其余各層土壤含水量3種密度之間均差異顯著(p<0.05)，且400株/hm2林分20，30，60，90，120和150 cm深度土壤含水量均顯著(p<0.05)高于其他2種密度，200 cm深度顯著(p<0.05)高于800株/hm2林分。0—200 cm土壤平均含水量為：400株/hm2>600株/hm2>800株/hm2，且差異顯著(p<0.05)。3種密度樟子松林立地條件與林下植被蓋度相同，種類組成也基本相同，因此不考慮其他植被對土壤水分的消耗差異，因此說明隨著密度增加顯著增加了土壤水分的消耗，從0—200 cm平均體積含水量大小看，800比400株/hm2樟子松林低6.14%±0.18%。

表1 3種密度樟子松固沙林各層土壤平均體積含水量

注：同一行不同大寫字母表示不同密度處理間差異顯著(p<0.05)； 同一列不同小寫字母表示不同土壤深度間差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤水分季節(jié)變化特征

從圖3看出，3種密度樟子松林平均土壤含水量隨著雨季到來均呈現(xiàn)增加趨勢，均在降雨量最高的7月達到最大值，隨著8，9，10月降雨量減少，3種密度樟子松林平均土壤含水量沒有出現(xiàn)大幅度變化，呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢。8月累計降雨94.0 mm，但并沒有顯著增加3種密度樟子松林土壤含水量，只是減緩了土壤含水量下降趨勢，說明其雖然沒有增加土壤含水量，但卻對土壤水分的消耗起到補給作用。土壤含水量10月與6月相比，400株/hm2降低2.01%±0.12%，600株/hm2增加0.94%±1.91%，800株/hm2降低1.29%±1.94%，但差異不顯著。以上結(jié)果初步說明降雨基本可以滿足3種密度樟子松林對水分的需求，沒有顯著消耗土壤中原有蓄存水。從各月土壤含水量大小看，均為400株/hm2>600株/hm2>800株/hm2，進一步證明隨著種植密度增加，加大了土壤水分消耗。

圖2 3種密度樟子松固沙林各層土壤水分時間動態(tài)變化

圖3 3種密度樟子松固沙林土壤水分變化與降雨的關(guān)系

2.4 土壤水分滲漏特征

試驗期間3種密度樟子松林下200 cm深度均產(chǎn)生了不同程度滲漏，400株/hm2林分滲漏量最大，為1.7 mm，主要集中在6—9月，且在10月僅400株/hm2林分有水分滲漏；600株/hm2林分滲漏量為0.8 mm，主要集中在6—8月；800株/hm2林分滲漏

量為0.4 mm，主要集中在6—7月。以上結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)有小部分降雨通過滲漏補給了200 cm以下土壤水，并隨著種植密度增加補給作用減弱，但這種補給作用是微弱的。

2.5 土壤水分消退過程

圖4反應(yīng)了3種密度樟子松林降雨后連續(xù)3 d的土壤水分變化規(guī)律(此期間沒有發(fā)生降雨事件)，均表現(xiàn)出蒸滲型土壤水分消退特征。400株/hm2樟子松林0—70 cm為水分消退層，70—200 cm為水分補給層；600株/hm2樟子松林0—35 cm為水分消退層，35—200 cm為水分補給層但特征不明顯，主要因為2005年60 cm以上土層作過添加草炭處理，土壤質(zhì)地發(fā)生改變；800株/hm2樟子松林0—70 cm為水分消退層，70—200 cm為水分補給層。隨著時間增加，3種密度樟子松林土壤水分消耗均轉(zhuǎn)換為蒸散型水分消退過程，也就是說土壤水分的減少將是由于樟子松及地上植被土壤蒸散消耗。

圖4 3種密度樟子松固沙林各層土壤水分消退過程

3 結(jié)論與討論

試驗期間498.8 mm累積降雨對3種密度樟子松林0—200 cm深度土壤水分均產(chǎn)生了顯著(p<0.05)影響，且土壤水分時空變化趨勢基本一致，其中0—30 cm為降雨影響劇烈層，60 cm以下僅受>40 mm降雨影響，降雨結(jié)束后均表現(xiàn)蒸滲型水分消退特征，之后轉(zhuǎn)換為蒸散型。同時，隨著密度增加土壤含水量顯著降低，0—200 cm土壤平均含水量為：400株/hm2>600株/hm2>800株/hm2，且差異顯著(p<0.05)。

章古臺地區(qū)1983—2012年均降水474.7 mm，2012年降水772.6 mm，2013年降水605.6 mm。2012，2013年為豐水年，2012年降水為樟子松2013年生長提供了較好的水分條件，本研究中3種密度樟子松林6月與10月土壤含水量差異不顯著，2013年降水很好的補給了土壤水分消耗，且3種密度林分均有少量水分滲漏到200 cm以下，表明3種密度林分均未顯著消耗土壤中原有蓄存水，且對200 cm以下土壤水有一定補給作用，在豐水年能夠維持正常水量平衡。但如果遇到連續(xù)正常降水或極端降水年份，將出現(xiàn)水分虧缺，可能造成衰退或死亡現(xiàn)象，此時林分會明顯增加土壤蓄存水消耗，且高密度林分土壤含水量低，不利于固沙林長期穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展，而低密度林分土壤含水量高，其土壤蓄存水供應(yīng)能力優(yōu)于高密度林分，能夠更好的應(yīng)對水分虧缺，維持林分正常生長。

苑增武等[15]研究表明樟子松人工林土壤水分變化受密度制約，土壤水分條件較好的適宜密度為625～830株/hm2；趙曉彬[16]認為沙地樟子松造林適宜密度為560株/hm2，經(jīng)自然稀疏后密度為300～400株/hm2；曾德慧等[17]利用自然稀疏法則推斷遼寧章古臺地區(qū)適宜栽植密度為3 000～3 500株/hm2；孫海紅等[18]認為600～800株/hm2是章古臺地區(qū)樟子松固沙林適宜林分密度?？茽柷呱车氐臍夂蚝屯寥罈l件下，樟子松小面積初始栽植密度應(yīng)控制在2 800株/hm2以下，并應(yīng)在生長高峰期對林木間伐，20 a樟子松林密度保持在2 100株/hm2左右為宜[11]。本研究中樟子松為33 a，在2000年時為20 a(密度1 420株/hm2)，當年發(fā)現(xiàn)有生長衰退現(xiàn)象采取了間伐方式得到了試驗中的3種密度，3種密度樟子松林分近年來未出現(xiàn)生長衰退或死亡現(xiàn)象，因此說明在大面積栽植樟子松時，對于20 a的控制密度應(yīng)<1 420株/hm2，控制在800株/hm2左右，但針對33 a密度應(yīng)控制的范圍還需進一步研究確定，但如果從生態(tài)用水方面考慮，對于防風(fēng)固沙林建議選擇低密度(400株/hm2左右)種植。在生產(chǎn)中作為三北地區(qū)主要防風(fēng)固沙樹種之一的樟子松固沙林應(yīng)當降低種植密度，減少土壤水分消耗，保證樟子松人工固沙林長期穩(wěn)定及可持續(xù)性。同時，低密度林分通過改變配置格局后，能夠完全固定流動，促進帶間植被與土壤修復(fù)[19-20]，這樣即減少了生態(tài)用水，達到了防風(fēng)固沙效果，又促進了生態(tài)恢復(fù)。

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Soil Moisture Characteristics of Sand Fixation Forest ofPinusSylvestrisvar.Mongolicawith Different Plantation Densities

FENG Wei1, YANG Wenbin1, DANG Hongzhong1, LI Wei1,HAN Hui2, SONG Xiaodong2, ZHANG Xueli2

(1.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing, 100091,China;2.LiaoningInstituteofSandFixationandAfforestation,Fuxin,Liaoning123000,China)

[Objective] To investigate the optimal density of Mongolian pine (Pinussylvestrisvar.mongolica) plantation for sand fixation in order to provide reference for the analysis of dynamic water balance, decline causes and stand stability evaluation in the study area. [Methods] We took the Mongolia pine filed in the southern edge of Horqin sandy land, Zhanggutai, Liaoning Province as a case study to monitor soil moisture variation(0—200 cm), rainfall in growing season and leakage below 200 cm. The surveys were conducted in three different Mongolia pine fields with various plantation densities (400 plants/hm2, 600 plants/hm2and 800 plants/hm2). [Results] The temporal and spatial variation trends of soil moisture in all the three plantation densities were consistent. Soil layer at 0—30 cm was influenced by rainfall dramatically, while soil layer at 60—200 cm was only influenced by rainfall >40 mm. Soil moisture regression processes dissipated from lysimeter type to evaporation-leakage type after rainfall. Soil moisture showed significant differences among three plantation densities(p<0.05) in topsoil(0—200 cm): 400 plants/hm2> 600 plants/hm2> 800 plants/hm2. Water leakage was observed in all three plantation densities below 200 cm. The 800 plants/hm2field had the least leakage. [Conclusion] In wet years, water balance can be maintained in all three densities, while water deficit and recession may occur in normal year and years with extreme precipitation. The optimal planting density of Mongolian pine is around 400 plants/hm2in the sandy land.

Pinussylvestrisvar.mongolica; soil volumetric water content; leakage

2014-07-26

2014-08-09

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“沙區(qū)土壤水分時空分布格局與區(qū)域分異規(guī)律”(2013CB429901); 國家自然科學(xué)基金項目“半干旱區(qū)低覆蓋度固沙林的水分動態(tài)及其應(yīng)對極旱年的調(diào)節(jié)機理”(31170667)

馮偉(1983—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市人,博士研究生,研究方向為荒漠化防治。E-mail:fw350@163.com。

楊文斌(1959—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事荒漠化防治及干旱區(qū)林業(yè)方面的研究。E-mail:nmlkyywb@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0189-06

S791.253， S152.7