不同密度对人工油松幼龄林生长变化和土壤水分的影响

左利萍 畅 杰 席忠诚 姚富海 郭廷健

（1.甘肃子午岭国家森林公园管理中心 甘肃庆阳 745000；2.甘肃省子午岭林业管理局正宁分局 甘肃正宁 745300；3.甘肃省烟草公司庆阳分公司 甘肃庆阳 745000）

油松（Pinus tabulaeformis）是松科常绿针叶乔木树种，生长迅速，适应能力强，具有耐干旱、耐贫瘠等特点[1]，是西北地区主要的造林树种。 随着大规模国土绿化行动开展， 庆阳市人工油松林面积也大幅度增加，但由于部分造林地块密度不合理等因素，导致庆阳地区油松林在生长过程中出现林木枯死、 病虫害发生等诸多问题。 造林密度确定是人工林经营的重要环节， 合理的林分密度能够改善人工林群落结构，也会影响林分冠层结构的空间异质性，改变林地的光照、水分、温度等环境，引起群落生态因子的重新分配，从而影响林分植被的生长[2-4]。 研究显示，造林密度和树体的生长之间存在着非常紧密的关系，影响造林后林木的胸径、冠幅、蓄积、枝下高等生长指标[5-7]。 同时，植被对土壤水分的利用和影响程度，是科学评价黄土高原地区大面积植树造林生态效益的关键[8-10]。 荒山荒地人工造林土壤水分以降水补充为主要来源，土壤水分很大程度上限制着植物的生长和生存[11-12]。 降水和植物的生长共同影响着土壤水分的变化，尤其是不合理的栽植密度导致植被过度消耗土壤水分。 如果深层土壤水分不能得以补充，造成土壤水分出现亏空，进而导致土壤退化，将会对植物的生长发育产生影响，最终导致部分植物个体死亡，群落衰败及生态系统的退化[13-14]。 本研究以庆阳地区新造油松幼龄林为研究对象，比较不同密度油松幼龄林随林龄增加生长变化差异，同时，对人工造林地土壤的水分含量、容重进行了研究，与相邻的未造林地进行对比， 分析不同密度下油松幼龄林生长和土壤水分特征， 旨在为油松林高质量可持续经营提供科学依据和理论指导。

1 研究区域概况

庆阳市位于甘肃省东端，习称“陇东”，地处北纬35°15′～37°10′、 东经 106°20′～108°45′之间， 海拔在885～2 082 m 之间。 属于森林草原和半干旱草原的过渡区域，大陆型气候，降雨量南多北少，2013-2021 年降雨量平均值为 614.62 mm， 最高为 737.4 mm（2013 年），最低为 477.9 mm（2016 年），降雨年度分配不均，主要集中在6～9 月，土壤类型为黄绵土。 研究区域概况和2020 年气候年际变化分别见表1 和表2[15]。

表1 样地基本情况

表2 2020 年研究区域气候变化情况

调查区域现有森林主要以人工林为主， 主要栽植树种为油松（Pinus tabulaeformis），林下分布有少量的灌木， 主要为胡枝子 （Lespedeza bicolor）、 甘草（Glycyrrhiza uralensis）和酸枣（Ziziphus jujuba）等。 低密度造林地林下草本盖度较大，盖度在70%～90%之间，高密度造林地林下草本盖度在30%～50%之间，主要有白莲蒿 （Artemisia sacrorum）、 冰草（Agropyron cristatum）、 荠荠菜 （Capsella bursa-pastoris）、 冷蒿（Artemisia frigida）等。

2 研究方法

2.1 样地的设置和调查

2.1.1 生长调查 调查选取与庆阳市气候条件相近的庆城县、 西峰区和宁县， 以2014 年实施的人工造林为研究对象， 尽可能选择苗木整齐、 海拔、 坡向、 坡位等立地条件一致的地块， 选取初植密度为1 650 株/hm2、3 300 株/hm2和 9 900 株/hm23 个密度阶梯设置调查样地，样地面积为600 m2，分别在造林后第 2 年（2015 年）、4 年（2017 年）、7 年（2020 年）、8 年（2021 年），对样地内林木进行每木检尺，记录栽植树种的树高、胸径、冠幅和当年新梢生长量，分析不同造林密度对林地油松生长的影响。

2.1.2 土壤含水量和容重 在调查样地内沿对角线方向设置3 个土壤采样点，除去地面枯落物，沿土壤剖 面 按 0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～30 cm、30 ～50 cm 4 层采集土壤样品， 用体积为100 m3的环刀采集样地土壤，每层取样品3 个，现场称量，带回实验室烘干后计算各层土壤水分含量和单位容积的烘干土质量，获得土壤水分含量和土壤容重。 在造林地块附近立地条件相近的未造林原生地设置样方作为对照，研究人工造林对土壤水分含量的影响。

2.2 计算公式

土壤容重：rs=G×100/V×（100+W）

土壤含水量：W=（W1-W2）/W1×100%

环刀容积：V=Πr2h

式中，rs 为土壤容重（g/cm3）；W为样品含水量（%）；G为环刀内湿样重；V为环刀容积；r为环刀内半径；Π 为圆周率（3.141 6）；h为环刀高。

2.3 数据处理

采用WPS 表格进行数据统计，SPSS 19.0 分析软件进行方差及相关性分析。

3 结果与分析

3.1 不同密度对油松幼龄林苗木生长的影响

3.1.1 不同密度对油松幼龄林苗高的影响 不同密度油松林随着林龄增加树高生长变化趋势见表3。造林第2 和第 4 年（2015 年和2017 年）调查结果显示，低密度（1 650 株/hm2）与中、高密度的油松高生长差异显著，中、高密度高生长差异不显著；林木生长到第7 年（2020 年）时,各样地林木生长差异不显著；造林第8 年调查林木高生长表现为低、 中密度差异不显著， 高密度样地林木高生长与中、 低密度差异显著。 从高生长变化情况来看，林木总体还在生长期，每个年度的林木树高都在增加；从变化规律来看，低密度林木树高生长基本稳定，中、高密度林木高生长表现为先增加后减小的趋势， 高密度的林木随着时间推移树高增长变小。

表3 不同密度对造林地油松树高的影响

3.1.2 不同密度对油松幼龄林苗木地径的影响 不同密度油松林随着林龄增加地径生长变化趋势见表4。 造林第2 年（2015 年）低密度样地林木地径和中、高密度林木地径差异显著，低密度的林木地径明显大于中、高密度林木地径，中、高密度造林样地林木地径差异不显著；随后几年调查中，样地内林木地径生长差异显著。 从地径变化情况来看，前2 次调查低、中、高密度造林苗木地径变化基本一致，造林第7 年（2020 年）和第 4 年（2017 年），高密度的造林地径增加明显小于低、中密度造林样地；高密度造林样地林木地径随时间推移增加减小， 造林第8 年地径生长仅比前一年增加0.33 cm。

表4 不同密度对造林地油松地径的影响

3.1.3 不同密度对油松幼龄林苗木冠幅的影响 不同密度油松林随着林龄增加冠幅变化趋势见表5。造林第2 年（2015 年）低密度造林样地林木冠幅和中、高密度林木冠幅差异显著， 低密度的林木冠幅明显大于中、高密度林木冠幅，中、高密度造林样地林木冠幅差异不显著；随后3 次调查中，样地内林木冠幅生长差异显著。 从冠幅变化情况来看， 造林第4 年（2017 年）和第 2 年（2015 年）调查中，冠幅增加为低密度＞高密度＞中密度； 造林第 7 年 （2020 年） 和第2 年（2017 年）变化中，冠幅增加为中密度＞低密度＞高密度；造林第 8 年（2021 年）和第 7 年（2020 年）调查样地中林木冠幅变化和前2 次调查变化基本一致，高密度造林样地林木冠幅随时间推移增加减小，造林第8 年地径生长仅比前一年增加10.33 cm。

表5 不同密度对造林地油松冠幅的影响

3.1.4 不同密度对油松幼龄林苗木当年新梢量的影响 不同密度油松林随着林龄增加年度新梢变化趋势见表6。不同密度造林样地林木当年新梢生长量差异性结果为造林第2年（2015年）和第4年（2017年）一致，表现为低密度和中、高密度差异性显著，中、高密度造林样地林木新梢差异性不显著； 造林第7 年（2020 年）和第 8 年（2021 年）一致，低、中密度造林样地林木新梢差异性不显著，高密度和中、高密度差异性显著。 从年度变化情况来看，低、中密度样地林木新梢生长量逐年增加，高密度造林样地林木在前2 次调查中，表现为增加趋势，后2 次调查中逐年减小。

表6 不同密度对造林地油松当年新梢生长量的影响

3.2 不同密度对油松幼龄林土壤水分和容重的影响

土壤是为植物生长提供养分的重要场所， 土壤水分是植物生长的重要因子， 在很大程度上影响植物生长状况。 研究显示，不同的土地利用方式可以改良土壤性质， 增强土壤对外界环境变化的适应和抵抗力[15-16]。 从不同样地垂直剖面土壤平均含水量变化可以看出，高、中、低3 个密度人工油松幼龄林林地土壤水分含量变化趋势基本一致，在近地表（0～50 cm）随着土层深度增加而增加， 低密度样地土壤水分含量高于中、高密度土壤水分含量；通过与未造林原生地比较，低密度人工油松幼龄样地在0～10 cm 和30～50 cm 土壤层中水分含量高于对照（未造林荒地），在10～30 cm 土壤层中水分含量低于对照； 中密度林地不同土壤层水分含量均高于对照 （未造林荒地）样地； 高密度造林样地0～50 cm 土壤层水分均低于对照样地。 土壤高、中、低3 个密度人工油松幼龄林林地垂直剖面土壤平容重差异不明显， 总体表现为随着土层深度增加呈现先增加后减小的趋势，中、低密度人工油松幼龄林林地样地土壤容重均略低于对照（未造林荒地）样地，高密度造林样地土壤容重高于对照样地（附图）。

附图 不同密度对造林地油松幼龄林土壤水分和容重的影响

4 讨论与结论

4.1 不同密度油松幼龄林林木生长差异分析

从林木生长调查结果可以看出，不同初植密度对人工林平均树高、地径、冠幅和年度新梢生长均有影响，随着林龄增加，3 个密度林分林木生长变化差异性不一致。 低密度（1 650 株/hm2）和中密度（3 300 株/hm2）样地林木树高随着林龄增大越来越接近， 高密度（9 900 株/hm2） 林木生长随着林龄增大明显低于中、低密度， 可见密度过大对林木树高生长有一定的影响；3 个密度油松林木地径和冠幅差异性一致， 在造林第2 年差异不显著，随着林龄增大差异显著，且随林龄增加地径和冠幅增长值均表现为低密度＞中密度＞高密度；林木木当年新稍随着造林时间推移，低、中密度样地生长值逐年增加， 说明新梢生长在缓苗期生长量相对较小，苗木适应环境后生长加快，但高密度样地林木当年新梢生长量随林龄增大生长逐渐减缓。 相关研究结果显示， 密度对林木树高影响不大，在一定的林分密度范围内影响不显著[7-19]；但也有研究表明， 林木树高与林分密度之间存在负相关关系[20-21]。 研究表明，胸径和冠幅的生长受密度变化的影响显著，韩照日格图等[22]通过研究大青山区油松人工林发现，在一定范围内随着林分密度的增大，油松的冠幅和胸径开始逐渐变小；李世界[23]等的研究发现， 油松林在 13 年前林木胸径与林分密度呈正相关， 13 年之后，林木胸径与林分密度呈负相关。本研究冠幅和地径变化规律和其他学者的研究结果一致，但高密度样地林木高生长到第8 年有减缓趋势，说明初造林密度过大时，随着林龄增大，油松生长量增大，林木生长对空间资源竞争加剧，从而使得林分密度对油松的影响加强。 林木平均树高、地径和冠幅均受到密度的影响，从样地实地情况来看，造林后第8 年高密度样地林木已出现严重的烧膛现象，树体普遍较弱，林木生长缓慢。

4.2 不同密度油松幼龄林土壤特性差异分析

本研究结果显示， 不同密度油松人工幼龄林样地土壤水分含量和容重有差异。 低密度人工油松幼龄林样地土壤水分含量高于中、高密度，说明低密度林地土壤持水能力更好； 通过与对照样地 （未造林地）比较，低密度林分土壤在0～10 cm 层中水分含量低于对照，其他层土壤水分含量均高于对照，中密度人工油松林样地各测定层土壤水分含量均高于对照， 说明人工造林较原生未造林地具有较好的水分保持能力，但土壤表层受外界影响较大，降水入渗、表层蒸散可能是导致0～10 cm 土壤表层含水量变化不一致的主要原因。 高密度造林地土壤水分含量略低于对照，这可能是造林密度过大导致林木水分消耗大，从而降低了土壤水分含量。 这与施政乐[8]、路远[9]、杨磊等[10]的研究结果基本一致，说明林分密度过大、生产力过高导致植被对土壤水分的消耗超出天然降雨的补偿能力，会影响生态系统的水平衡。 土壤容重大小反应土壤结构、透气性、透水性能及保水能力的高低，土壤容重越小，说明土壤结构、透气性能越好。高、中、低3 个密度造林样地土壤容重值相近，中、低密度林分土壤容重小于对照区（原生地未造林地）样地，说明人工造林后土壤的结构和透气性得到改善，高密度造林样地土壤容重高于对照样地， 说明造林密度过大，不能改善土壤质量。