辽西北风沙地不同林龄樟子松人工林土壤优先流特征

2022-02-19卢慧吕刚刘建华张卓王锋佰

生态环境学报 2022年12期

卢慧，吕刚，刘建华，张卓，王锋佰

1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000；3.辽宁省沙地治理与利用研究所，辽宁阜新 123000；4.国有彰武县章土台林场，辽宁彰武 123203

优先流过程能使水和溶质快速通过大孔隙到达深层土壤或进入地下水（吕海深等，2020），影响水分在各层中的转换，对地下水位平衡具有重要影响作用，这种作用对于长期缺水的干旱半干旱地区效果尤为明显。在干旱荒漠地区，优先流提高了植被根系蓄水能力，也使得水分通过根系快速运动（张勇勇等，2017）。荒漠固沙植物贮存土壤水分和养分均较高，便于荒漠区种子萌发和生长，进而影响干旱区植被分布和组成。目前，研究土壤优先流多聚焦于林地、农地与土壤裂隙对优先流影响等方面（刘目兴等，2013；张英虎等，2015；张中彬等，2015；Yan et al.，2016；段晓倩等，2016；Lü et al.，2017；余海龙等，2019；Hou et al.，2023），而对于沙地土壤优先流的研究较为鲜见。刘元波等（1995）从干旱地水分传递过程、降雨入渗机制、入渗过程与特征3个方面研究了沙地水分再分配过程，姚淑霞等（2013）研究发现科尔沁沙地土壤的入渗性能随沙漠化程度的增强而增强，阿拉木萨等（2004）发现降雨对沙地土壤水分影响剧烈，有植被土壤降雨后土壤水分变化平缓下渗浅，随着植被年龄的增加浅层土壤截留降雨能力不断增强。吕刚等（2018）对辽西北风沙地不同植物群落入渗能力进行研究，发现草地的入渗能力较林地大。

辽西北是辽宁省沙化极其严重的区域，位于科尔沁沙漠南缘。樟子松作为良好的防风固沙树种，自人工引种到辽西北地区以来，有效地抑制了科尔沁沙地南侵，土地沙化得到有效控制。然而，随着人工樟子松林龄的增大，樟子松表现处大面积“衰退”现象，研究发现，章古台沙地樟子松人工固沙林其生命周期仅仅为60—65 a，较正常樟子松林地生命周期缩短20—40 a，随着林龄增长，土壤水分利用失衡、土壤水分短缺可能是樟子松人工固沙林衰退的主要原因（吴祥云等，2004），加之风沙土土壤含水量低，水分入渗速度快，在土壤裂隙、土壤动物、植物根系等的共同作用下容易产生土壤大孔隙，进而促进优先流的产生（Graham et al.，2011；徐宗恒等，2012），造成土壤水分渗漏，最终导致植物衰败或死亡。因此，研究辽西北风沙地不同林龄樟子松人工林地土壤优先流特征，分析植物根系对优先路径的影响，可为研究风沙地樟子松人工林衰退机制与植被重建提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省国有彰武县章古台林场内（图1），属温带季风性湿润森林草原气候，年均降水量490 mm左右，多集中在6—8月，多年平均蒸发量为1590 mm，无霜期152 d，日平均风速大于10 m·s−1为 10 d（吕刚等，2019）。土壤属风沙土，土壤颗粒以砂粒为主，沙层深厚，土壤瘠薄，有机质含量低，无土壤层次，其土壤结构松散，缺乏淀积层，土壤保墒性较差。植被属蒙古植物、长白植物系和华北植物区系交错地区，代表性的有樟子松（Pinus sylvestrisL.var.mongholica）、油松（Pinus tabulaeformisCarr.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）、荆条（Vitex negundo）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、兴安胡枝子（Lespedeza davurica）、多叶隐子草（Cleistogenes polyphylla）、百里香（Thymus mongolicus）、大针茅（Stipa grandis）等。

图1 研究区位置示意图Figure 1 Diagram of the study area

2 研究方法

2.1 样地设置

本试验于2018年7—9月在位于国有彰武县章古台林场内樟子松人工林进行，以荒草地为对照，在综合考虑造林时立地条件和造林密度的相对一致性，选择24、38、49 a等3个林龄樟子松林地为研究对象，每种类型分别布设20 m×20 m的标准样地，各个样地基本特征表1。

表1 不同林龄樟子松人工林基本特征Table 1 Basic characteristics of Pinus sylvestris var.mongolica plantation at different ages

2.2 野外染色示踪试验

本试验中在各个样地设置了3处土壤优先流观测样点，再分别选取3个开挖剖面（A、B、C）。首先用标杆围城1个20 m×20 m的样地，样方选在3—4株相邻樟子松中心且地表相对平坦处，使染色剖面距各樟子松基本等距，以减少主根对观测结果的影响。各试验样点优先流观测剖面数量为3个，以作为重复进行分析。清除样方顶部的植被和石块后，用0.65 m×0.5 m的铁板交错围起，每块铁板连接处错开5 cm距离以保证铁板间的封闭性。之后将铁板埋入地下30 cm，同时将距铁板内壁5 cm以内的土壤用木锤夯实，防止染色溶液沿铁板内壁缝隙侧漏影响观测结果。用喷壶将20 L 4 g·L−1亮蓝溶液喷洒到样地上，均匀且快速喷洒，染色后在样地表面覆盖一层塑料布和绿色植被，防止蒸发和外界的干扰。染色示踪试验效果见图2。

图2 染色示踪试验效果图Figure 2 Diagram of experimental installation for brilliant blue FCF dye tracer test

24 h之后挖掘土壤剖面，首先在水平方向前后去掉7.5 cm，然后再每隔15 cm左右开挖1个土壤染色剖面，共挖取3个染色剖面，剖面深度视染色深度而定。每次开挖剖面后用小铲子修平土壤剖面，并用毛刷刷去修整剖面时附着在其表面的多余土壤颗粒。修整完毕后用数码相机拍照，要求镜头与土壤剖面垂直以降低或消除由此产生的试验误差。在拍照过程中用两把标尺比例尺，分别置于土壤剖面顶端水平方向和染色剖面垂直方向上，便于准确计算染色的实际面积。

2.3 土壤理化性质测定

土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度用环刀法测定；土壤有机质用重铬酸钾-外加热法；土壤机械组成采用LA-300激光粒度仪测定，本试验测定的各样地土壤机械组成均采用国际制的分类方法对土壤进行分类（中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978；张洪江，2013）。具体结果见表2。

表2 土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil

2.4 根系的测定方法

在每个染色地点开挖的剖面染色区域分五层自上而下采样，每层长、宽、高分别为10 cm，将其土壤和根系分别装入塑料袋中，带回实验室进行筛选，利用清水将根系表面的土壤清洗干净，再利用 winRHIZO根系分析系统获取植物根系指标（表3）。

表3 根系指标Table 3 Root index

2.5 数据处理方法

应用Adobe Photoshop CS6和Image-proPlus 6.0软件对染色剖面图像进行处理，Excel 2007和SPSS 21.0软件、Origin 8.0软件处理数据和拟合模型。

3 结果与讨论

3.1 不同林龄樟子松人工林土壤优先流特征

由图3可知，不同林龄樟子松人工林各样地土壤剖面均出现了不同程度的优先流现象。由于土壤结构及植被根系数量和分布特征不同，其不同剖面土壤优先流特征存在差异，其中可能出现的植物根孔与动物洞穴进一步增加了土壤优先流最大染色深度的不确定性，并且当孔洞的深度达到一定长度时，还会与土壤自身孔隙发生连通，加剧优先流现象。因此取同一样地最大染色深度平均值作为该样地最大染色深度。24、38、49 a樟子松林地与对照样地土壤优先流最大染色深度依次为26.66、32.07、35.38、37.31 cm，表现为对照样地大于樟子松林地。研究发现，对照组优先流最大染色深度最大，这是由于对照组土壤为原生风沙土，自然含水率较低，而土壤自然含水率又对土壤优先流的最大入渗深度有重要影响（张勇勇等，2017），当土壤含水量较低时，土壤颗粒干燥，水分均匀入渗困难，土壤中因干旱导致的裂隙发育得较好，容易产生优先流现象，且水分入渗深度远。

图3 土壤优先流形态的垂直染色图像特征Figure 3 Vertical staining image characteristics of soil preferential flow patterns

对比不同林龄樟子松人工林地染色图像发现，优先流入渗深度随着林龄的增长明显加深，49 a樟子松林地比24 a樟子松林地增加了32.70%，这主要是由于随着林龄的增加，49 a樟子松林地根系长度、密度和重量等增幅显著，加之土壤表层枯枝落叶、苔藓、地衣通过微生物进行分解作用，分解形成的腐殖质使得树旁的土质相对疏松，有机质含量更高，促进了土壤团聚体的形成，而良好的团聚体结构对应着土壤大孔隙含量较高，优先流现象更明显（郑欣等，2018；孟晨等，2019；王金悦等，2021）。

3.2 不同林龄樟子松人工林染色面积比变化

染色面积比可直观反映土壤优先流分布特征（吕刚等，2018）。由图 4可知，随着土层深度的加深，24、38、49 a樟子松林地和对照样地的优先流染色面积比呈减小的变化趋势，各样地0—10 cm土层染色面积比依次为 97.2%、84.74%、92.8%、98.45%，且各样地之间无显著差异（P>0.05），这可能是因为表层枯枝落叶在微生物的作用下加速分解，转化为有机质，有机质含量的提高使得原本松散的沙土具有了一定粘结性，持水能力提高进而间接影响了优先流染色面积；与0—10 cm土层相比，各个样地10—20 cm土层优先流染色面积比有所减小，其数值依次为52.92%、53.1%、73.53%、91.14%，对照组最大，与24 a樟子松林地、38 a樟子松林地之间差异显著（P<0.05）；对照组和49 a樟子松林地20—30 cm中优先流染色面积比显著大于24 a、38 a樟子松林地（P<0.05）；各个样地30—40 cm土层优先流染色面积比均为最小，其数值依次为 0.98%、2.17%、6.85%、7.23%，对照样地显著大于24 a樟子松林地（P<0.05）。对比樟子松林地和对照样地优先流染色面积比可知，对照样地各个土层均大于樟子松林地，这是由于对照组土壤质地松散，土壤结构性差或基本无结构，较其他土壤持水、蓄水能力弱、入渗能力强，因此优先流现象明显（闫加亮等，2015）。土壤优先流染色面积比与樟子松林龄增长紧密相关，并且土层深度越深，这种增大现象越明显。这可能是由于随着林龄的增长，其根系逐渐向下延伸，随着根系的扩张，大孔隙含量增加的可能性越多所致，产生优先流几率增加。

图4 不同土层土壤优先流染色面积比Figure 4 Area ratio of preferential flow dyeing in different soil layers

3.3 根系对优先流的影响

土壤优先流的形成与根系分布状况关系密切（邵一敏等，2020）。由表 4可知，土壤优先流染色面积比与植物根系指标均呈正相关关系，其中根长密度与染色面积比呈极显著正相关（P<0.01），与根质量密度、根表面积密度和根体积密度未达到显著水平（P>0.05）。因此，重点分析根长密度对土壤优先流的影响。

表4 染色面积比与植物根系Spearman相关分析Table 4 Correlation Analysis between Dye Area Ratio and Spearman of Plant Roots

各个样地40—50 cm土层无染色区域，因此没有采集植物根系。由表3可知，不同样地根长密度与土层深度的增加呈反比，土层越深，根长密度越小。0—10 cm土层根长密度最大，49 a樟子松林地、对照、38 a樟子松林地、24 a樟子松林地根长密度数值依次为 7.302、6.931、4.868、3.799 cm·cm−3。30—40 cm土层根长密度则表现为 38 a樟子松林地>49 a樟子松林地>24 a樟子松林地>对照，其数值依次为 2.080、1.563、1.086、0.354 cm·cm−3，表现为不同林龄樟子松林地根系特征指标间差异显著。并且随着土层的加深，38 a樟子松林地根长密度高于 49 a樟子松林地，说明随着樟子松林龄增长，到一定年限则生长缓慢，并会出现早衰现象。

染色区不同土层根长密度贡献度见图 5。贡献度是染色区该层根系与整个剖面根系之和的比值。4个样地都是土壤表层贡献度更大，均值在 23.6%左右，这是由于植被根系在土壤表层分布密度较大，同时土壤表层死根系自身分解成为有机物，形成土壤团聚体，改善土壤理化性质。根系主要通过交错和穿插作用分布在土壤表层，使本来紧实板结的土壤变得更加松动，土壤结构发生变化，同时土壤表层死根系由于自身的死亡腐烂，转化为有机物，加快土壤团聚体的形成，进而有效改善土壤理化性质（林代杰等，2010），根系通道某种程度上促进了土壤水和溶质的运移（Jorgensen et al.，2002）。优先流区根系含量较高，土壤剖面染色面积比作为优先流程度指标，与根系含量有一定联系。

图5 染色区不同土层根长密度贡献度Figure 5 Contribution degree of root length density in different soil layers in dyeing area

图6为各个样地土壤优先流染色面积比与根长密度的关系。由图6可知，各个样地染色面积比随根长密度的增加而增加，且染色面积比与根长密度均呈显著线性相关（其拟合曲线F值依次为33.899、26.187、13.132、13.472，P<0.05）。4个样地的根长密度都在0—10 cm土层表现较好，在0—10 cm以下，植物根系数量、含量和直径均有所减小，进而导致土壤大孔隙密度和植物根系通道减小，染色面积比也随之减小。随着林龄的增长，土壤中根系腐烂及自身死亡会增多，死根系形成的路径更容易诱导优先流的产生（牛健植等，2007），在野外试验时观察到死根系周围有明显的染色。结果表明，随着樟子松林林龄的增加，根长密度也增加，染色面积比也增加，其中根系所产生的土壤大孔隙和根系死亡所产生的孔隙有决定性的影响效果。根系所产生的土壤大孔隙和根系死亡所产生的孔隙对优先流有决定性的影响效果。