晋北半干旱区樟子松人工林土壤水分含量及持水性研究

高 嘉

(山西省桑干河杨树丰产林实验局，山西 大同 037000)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐寒、耐干旱的优良特性，被“三北”地区大量引种栽植[1]。山西大同、朔州两市地处晋北半干旱区，也属“三北”地区，从20纪70年代开始大量栽植樟子松人工林，目前已经形成稳定林分。土壤容重、孔隙度、持水性能等土壤物理性质决定土壤中水、气、热及植物营养元素的供应能力[2]。目前关于樟子松人工林土壤物理性质的研究还较少。本研究以晋北半干旱区樟子松人工林土壤为研究对象，采用室外调查与室内试验相结合的方法，研究不同林龄、不同林分密度及土层对土壤物理性质的影响，以期为樟子松人工林林分调控及幼苗更新提供依据[3]。

1 研究区概括

研究地点为地处晋北半干旱区的朔州市怀仁县金沙滩镇、大同市云州区西坪镇。研究地主要地形为平原农区，海拔900～1 200 m，年均气温5.3～7.2 ℃，无霜期120～130 d，年降水量330～450 mm，主要土壤类型为栗钙土、淡栗钙土，土壤质地为沙壤，结构疏松。气候特点为干旱、寒冷、冬春风沙大[4]。调查样地概况如表1所示。

表1 樟子松人工林样地基本信息

2 材料与方法

2.1 试验设计

2019年9月中旬，针对晋北半干旱区樟子松人工林林分情况，按树龄设置5块具代表性样地。在每一样地内挖取2个土壤剖面深至80 cm，根据《中华人民共和国林业行业标准LY/T 1215-1999森林土壤水分-物理性质的测定》采用环刀法间隔20 cm采集原状土(0～20 cm间隔10 cm)。带回实验室进行测定，每样点重复3次。

2.2 样品分析与处理

土壤样品分析与测定在山西省杨树林局科技服务中心土壤化验室进行，所有样品在2019年10月测定完毕。原始数据记录后采用EXCEL2016进行数据整理，IBM SPSS Statistic 26.0软件进行多重比较、Origin 2018绘制图表。采用Duncan氏新复极差法进行多重比较、pearson相关性分析土壤物理性质，显著性水平为P<0.05，数据均以平均数±标准差表示。

3 结果与分析

3.1 樟子松人工林土壤容重及含水量分析

由表2可知，不同林龄樟子松人工林土壤容重均值存在显著差异(P<0.05)，不同深度土层间存在极显著差异(P<0.001)。樟子松人工林土壤质量含水量、容积含水量均值在不同林分密度及土层间存在极显著差异(P<0.001)。

如图1A～C所示，樟子松人工林土壤容重均值林龄24～25 a者(1.549 g·cm-3)远低于林龄38 a者(1.613 g·cm-3)。而各土层土壤容重在不同林龄、不同林分密度间表现并不一致的。0～10 cm土层林龄38 a土壤容重最低(1.364 g·cm-3)，而林龄24～25 a土壤容重最高(1.558 g·cm-3)。其余土层却呈现相反状况，林龄24～25 a土壤容重远低于林龄32 a、38 a。0～10 cm土层林分密度为1 000株·hm-2土壤容重最低(1.439 g·cm-3)，林分密度2 500株·hm-2者(1.580 g·cm-3)最高；其余土层却出现相反状况，林分密度越大土壤容重越低。0～10、60～80 cm土层土壤容重均值分别为1.493、1.517 g·cm-3，显著低于其余土层。

图1 不同林龄、不同林分密度樟子松人工林土壤容重及含水量

樟子松人工林土壤质量含水量、土壤体积含水量，林分密度1 000 株·hm-2者分别为6.483 g·kg-1、10.000 g·L-1，最高；林分密度2 500株·hm-2者为4.260 g·kg-1、6.300 g·L-1，最低。土壤水分在不同土层中分布并不均匀，呈现两头高中间低的特点。土层0～10、60～80 cm含水量远高于中间土层。

3.2 樟子松人工林土壤孔隙度分析

由表2可知，樟子松人工林土壤毛管孔隙度在不同林龄间存在极显著差异(P<0.01)；土壤通气度在不同林分密度间存在显著差异(P<0.05)；土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤通气度在不同土层存在极显著差异(P<0.001)。

图1D～F显示，樟子松人工林林龄为24～25 a土壤毛管孔隙度均值为44.69%，显著高于林龄32、38 a(P<0.05)。樟子松人工林同一土层不同林龄土壤毛管孔隙度表现并不一致，0～10 cm土层林龄32 a土壤毛管孔隙度为57.44%，显著高于林龄24～25、38 a，而林龄24～25 a在10～20、20～40、40～60 cm土层的土壤毛管孔隙度较林龄32、38 a高。土壤毛管孔隙度同土层不同林分密度间表现也不一致，0～10、10～20、20～40 cm土层林分密度1 666株·hm-2显著高于林分密度1 000、2 500株·hm-2；40～60、60～80 cm土层林分密度1 000株·hm-2者最高。不同土层土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度呈现显著差异，其中0～10 cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度最高，60～80、40～60 cm土层次之，而10～20、20～40 cm最低。土壤通气度因林分密度不同而不同，林分密度1 000株·hm-2均值显著低于1 666、2 500株·hm-2。

3.3 樟子松人工林土壤持水性能分析

由表2可知，樟子松人工林土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量均值在不同林龄及不同林分密度间均没有显著差异，但在不同土层间都具有极显著差异(P<0.001)。

表2 不同林龄、不同林分密度及土层深度对樟子松人工林土壤物理性质的影响

如图2所示，樟子松人工林土壤毛管持水量、田间持水量，同土层不同林龄及不同林分密度间差异显著(P<0.05)：0～10、10～20 cm层土壤毛管持水量、田间持水量林龄32 a显著高于林龄24～25、38，20～40、40～60、60～80 cm三个土层林龄24～25 a高于林龄32、38 a；0～10、10～20 cm层土壤毛管持水量、田间持水量林分密度1 666株·hm-2显著高于林分密度1 000、2 500株·hm-2，20～40、40～60、60～80 cm三土层林分密度1 000株·hm-2者最高。樟子松人工林土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量在不同土层间表现基本一致，即0～10 cm层高，40～60、60～80 cm层次之，10～20、20～40 cm层最低。

图2 不同林龄、不同林分密度樟子松人工林土壤持水量

3.4 樟子松人工林土壤物理性质相关性分析

从pearson相关性分析结果(表3)可看出，樟子松人工林土壤容重与多数土壤物理指标(除土壤体积含水量、土壤通气度)存在极显著负相关(P<0.01)；土壤孔隙度与土壤持水性之间均存在极显著正相关(P<0.01)；土壤含水量与土壤通气度间存在极显著负相关(P<0.01)。

表3 樟子松人工林土壤物理性质相关性

4 结论与讨论

土壤越疏松多孔土壤容重越小[5]。晋北半干旱区樟子松人工林土壤物理性质分析表明不同林龄主要影响到土壤容重与土壤毛管孔隙度，较低林龄(24～25 a)土壤容重最低。林分密度主要影响到土壤含水量，林分密度越小含水量越高。樟子松人工林土壤物理性质差异主要体现在土层深度，最表层土壤最疏松、持水性能最高，中间土层10～40 cm土壤最紧实，孔隙度最小持水性能最差，而底层土壤相对疏松，持水性能较好含水量较高。

他人研究认为章古台地区27 a生樟子松人工林有机质、全氮、速效钾含量最高[6],辽西地区樟子松人工林树龄35 a达到近成熟龄改善效果最好[7]。本研究中晋北半干旱区林龄24～25 a樟子松人工林各土层土壤容重均值最低，虽然较高林龄(32 a、38 a)林地表层土层土壤孔隙度及持水量较高，但在整个土层中林龄24～25 a表现最佳。综合分析认为在本研究区樟子松人工林成熟较早，树龄25 a左右达到近成熟,土壤改善效果最佳。本研究结果与他人油松天然林林分密度不改变土壤属性垂直分布总体格局研究结论[8]不一致, 即樟子松人工林林分密度对不同土层土壤物理性质的影响不同，总体是中等密度(1 666株·hm-2)林分表层土壤孔隙度及持水性能较高，较低密度(1 000株·hm-2)林分深层土壤孔隙度及持水性能较高，较高密度(2 500株·hm-2)土壤容重较小、质量及容积含水量较低，较深层土壤持水量较高，建议本地区樟子松人工林林分密度宜选择1 000～1 666株·hm-2。