韓 輝，張學利*，宋 鴿，馬 悅，王 悅

（1.遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站；2.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；3.國有清原滿族自治縣大孤家林場，遼寧 撫順 113300）

水分是植被恢復的決定因素，是影響植被恢復與重建的首要因素[1]，同時，天然降水是干旱半干旱地區(qū)土壤水分的主要來源[2]。1955年樟子松在科爾沁沙地南緣的章古臺開始引種并成功以來[3]，樟子松已成為三北防護林工程中最重要的針葉造林樹種之一[4]。20世紀90年代以來，章古臺的中齡林至成熟林樟子松出現(xiàn)生長衰弱死亡，水分條件、林分密度被認為是樟子松人工林提早衰退的重要原因[3，5]。有關研究表明，章古臺地區(qū)地下水位近幾十年來不斷下降[6-7]，天然降水已經成為當?shù)卣磷铀扇斯ち炙值淖钪饕獊碓?。有研究表明，不同林齡的林分對于水分利用的策略不同，如在沙漠腹地天然綠洲地區(qū)幼齡木胡楊的主要水源為地表水，而成熟木和過熟木的主要水源為深層土壤水和地下水[8]，沙地樟子松對于水分的利用策略為9～21年生僅利用土壤水，31～41年生既利用土壤水又利用地下水[9]。也有研究表明，隨著林齡的增加，土壤干燥化效應明顯，如晉西北黃土丘陵區(qū)不同林齡檸條林地隨林齡的增加土壤干層水分恢復所需年限逐漸增加[10]，晉西黃土丘陵區(qū)人工刺槐林隨著林齡的增加，土壤干燥化程度逐漸加大[11]。但也有隨著林齡的增加，根區(qū)土壤含水量增加的現(xiàn)象，如民勤胡楊林[12]。對章古臺不同林齡樟子松林土壤水分研究[13]的監(jiān)測大多為1～2 a，本文擬通過對章古臺不同林齡樟子松人工林0～200 cm層次土壤水分連續(xù)近5年的監(jiān)測，結合同期降水量，研究不同林齡樟子松人工林的土壤水分變化，期望對科爾沁沙地南緣地區(qū)在以水定林的前提下為樟子松人工林的穩(wěn)定性以及營林方面提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在科爾沁沙地南緣的彰武縣章古臺鎮(zhèn)遼寧省沙地治理與利用研究所實驗林場，海拔平均204.5 m，年均氣溫6.3℃，全年無霜期150～160 d，年均降水量475.5 mm，蒸發(fā)量1 553.2 mm。土壤以風沙土為主，根據當?shù)劂@探資料，沙層厚度可達126～128 m，沙層顏色和機械粒徑成層更迭分布，變化比較明顯。風沙土又包括生草風沙土和流動風沙土。生草風沙土分布在固定沙丘和平緩沙地上，土壤剖面一般是0～5 cm淺灰黑色，質地疏松，較干燥；5～47 cm灰黑色，沙壤質，植物根較多，塊狀結構，較緊密濕潤；47～82 cm黃褐色，沙質，無結構，植物根較少，疏松較濕潤；82～113 cm淺黃色，沙質，無結構，植物根較少，疏松較濕潤；113 cm以下，灰白色，沙質無結構，植物根很少，疏松濕潤。流動風沙土分布在流動及半流動沙丘，自上至下為灰白色疏松沙層，無層次較濕潤[14]。樟子松林0～30 cm土層內有機質含量為4.2～5.0 g·kg-1[15]。主要代表性植物有元寶槭Acer truncatum、山里紅Crataegus pinnatifidavar.major、榆樹Ulmus pumila、山杏Prunus sibirica、樟子松、彰武小鉆楊Populus×xiaozhuanica‘zhangwu’、胡枝子Lespedeza bicolor、糙隱子草Cleistogenes squarrosa等。

1.2 試驗地設置

根據樟子松不同林齡，在章古臺設立5塊樣地，2015年調查時，林齡分別為15 a、25 a、37 a、55 a和62 a，各樣地基本情況見表1。降水數(shù)據來源于遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站氣象站。

表1 章古臺不同林齡樟子松人工林樣地基本情況

1.3 土壤含水量與降水量測定

利用便捷式土壤水分測量儀（TRIME-Pico 64/32 TDR）測量各樣地內土壤含水量。每個樣地內于林分行間每隔一段距離埋設1根測管，3次重復。4-10月每月上、中、下旬測量土壤體積含水量，雨后加測，測量層次為20、50、100、150、200 cm。觀測時間為2015-2020年，2018年儀器損壞沒有監(jiān)測。用中國華云CAWS600B自動氣象站sl3型雨量傳感器自動監(jiān)測降水量。

1.4 數(shù)據處理

采用Excel 2007軟件處理數(shù)據并作圖，采用SPSS 17.0軟件進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 不同林齡樟子松年際間土壤含水量變化

不同年份各林齡樟子松土壤含水量的變化與年降水量緊密相關，隨年降水量的變化呈現(xiàn)上下波動，也與前一年及月際間降水量差異的影響有較大關系。比如2017年7月1日以前降水很少，但是7、8月份降水比較集中，雖然前期土壤含水量低，但是后期土壤含水量較高，導致土壤含水量相對還是較高，但總體與降水量較一致。2019、2020年土壤含水量高，2015年低一些，年際間差異顯著（P＜0.05）（表2）。

年際間各樣地土壤含水量，2015年低于其它年份，差異顯著（P＜0.05），2016、2017年居中，2019、2020年高于其他年份。5年均值顯示，各樣地間土壤含水量差異顯著，55 a最高，除25 a外，與其他林齡差異均顯著，15 a最低，但15 a、25 a、37 a、62 a之間差異不顯著（P＞0.05）（表2）。

表2 不同林齡樟子松人工林2015-2020年土壤0～200 cm層土壤含水量

2.2 不同林齡樟子松月際間土壤含水量變化

為便于分析，將土壤層次簡化為0～60 cm（上層）、80～120 cm（中層）和150～200 cm（下層）3個層次。各林齡樟子松林分土壤含水量變化均顯示出相似的季節(jié)變化規(guī)律，即土壤含水量從表層到深層均表現(xiàn)出與降水季節(jié)變化相一致的規(guī)律（圖1）。土壤上層受降水量的影響最明顯，波動幅度最大，不同林齡土壤含水量由低到高依次為62年生、25年生、55年生、37年生和15年生；土壤中層含水量由低到高依次為15年生、25年生（37年生）、62年生和55年生；下層土壤含水量由低到高依次是15年生、37年生、62年生、55年生和25年生。

圖1 不同林齡樟子松人工林土壤含水量的月際間變化特征

根據5年的統(tǒng)計，可將樟子松人工林土壤含水量生長季月際變化劃分為4個時期，4-6月份為緩慢上升期，6-7月份為波動期，7-8月份為上升期，9-10月份為下降期。雖然當?shù)匾话阍?月末到7月初開始進入雨季，但季節(jié)性干旱仍頻繁發(fā)生，7月份土壤含水量有時會低于6月份。

整體來看，15年生林地土壤含水量低于其它林齡，但不同層次土壤的質地以及其他影響土壤含水量的因素沒有考慮進來。

2.3 不同林齡樟子松土壤含水量空間變化

從表3可以看出，各林齡土壤含水量都表現(xiàn)出隨土層深度增加而下降的趨勢。其中，20～50 cm層次土壤含水量較高，50～150 cm層次表現(xiàn)出明顯的遞減特征，150～200 cm有所減小或者不變，這一層次只有55年生的土壤含水量有所升高，這可能與該地的林分密度低有關，也與150～200 cm層土壤質地稍有黏性有關。不同林齡林分0～100 cm層次土壤含水量變化幅度均大于100～200 cm層次的變化幅度。

表3 不同林齡樟子松人工林土壤含水量的垂直空間變化特征

同樣，將土壤層次也簡化為0～60 cm（上層）、80～120 cm（中層）和150～200 cm（下層）3個層次再進行比較分析。從表4可以看出，土壤上層，15 a和37 a的土壤含水量較高，兩者差異不顯著，但與其他林齡均差異顯著（P＜0.05），62 a土壤含水量最低，與其他林齡差異顯著（P＜0.05），25 a和55 a之間差異不顯著（P＞0.05）。土壤中層，55 a和62 a土壤含水量較高，兩者差異不顯著（P＞0.05），與其他林齡均差異顯著（P＜0.05），15 a、25 a、37 a之間差異不顯著（P＞0.05）。土壤下層，25 a和55 a土壤含水量較高，兩者差異不顯著（P＞0.05），與其他林齡均差異顯著（P＜0.05），其他林齡之間兩兩差異顯著（P＜0.05）。

表4 不同林齡樟子松人工林土壤含水量的空間變化特征

3 討論與結論

通過對章古臺地區(qū)不同林齡的樟子松林0～200 cm土層土壤水分在2015-2020年生長季進行測定并分析，結果表明，在年際尺度上，不同林齡土壤含水量的變化與年降水量緊密相關，隨年降水量的變化而呈現(xiàn)上下波動的狀態(tài)。不同林齡樟子松土壤含水量年際變化與年際降水量變化很相似，這一論點與相關研究是一致的[16]。年際間不同林齡樟子松人工林土壤含水量差異顯著（P＜0.05），55 a最高，除25 a外，與其他林齡均差異顯著（P＜0.05），15 a最低，15 a、25 a、37 a、62 a之間差異不顯著（P＞0.05）。在章古臺地區(qū)，一般情況下4月中下旬樟子松樹液流動，10月中下旬樹液停止流動[17]，4-10月的生長季里，不同林齡樟子松人工林土壤含水量從表層到深層均表現(xiàn)出與降水季節(jié)變化相似的變化規(guī)律，這一結論與有關研究也是一致的[18-19]。土壤含水量4-6月份為緩慢上升期，6-7月份為波動期，7-8月份為上升期，9-10月份為下降期。同時，土壤上層受降水量影響最明顯，波動幅度最大，土壤含水量由低到高依次為62 a、25 a、55 a、37 a和15 a，土壤中層含水量由低到高依次為15 a、25 a（37 a）、62 a和55 a，土壤下層含水量由低到高依次是15 a、37 a、62 a、55 a和25 a。在土壤0～200 cm垂直空間變化上，不同林齡土壤含水量都表現(xiàn)出隨土層深度的增加而下降的趨勢，這也與一些研究結果相似[18，20]。土壤上層，15 a和37 a土壤含水量較高，兩者差異不顯著，但與其他林齡均差異顯著（P＜0.05）。土壤中層，55 a和62 a土壤含水量較高，兩者差異不顯著，與其他林齡均差異顯著（P＜0.05）。土壤下層，25 a和55 a土壤含水量較高，兩者差異不顯著，與其他林齡均差異顯著（P＜0.05）。不同林齡樟子松人工林垂直空間土壤水分表現(xiàn)出一致性，隨著深度的增加，土壤水分在減少，這應與當?shù)仫L沙土不同層次的質地結構有關[14]，也與根系層分布有關[21]。

總體來說，不同林齡樟子松人工林土壤水分沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，如隨林齡的增大土壤含水量降低或者升高，這應該與海拔、密度、微地形、土壤質地等多方面的影響有關。因為本試驗各樣地的條件都不太一樣，這些影響因素應該在以后的研究中加以改進。本試驗中55 a樟子松人工林土壤水分是最高的，同時也是密度最小的，這為通過密度調節(jié)改善林地土壤水分狀況成為可能，該研究對樟子松人工林經營以及科爾沁沙地南緣植被建設具有一定的科學參考價值。