毛烏素沙地南緣不同林齡樟子松人工林土壤物理性質(zhì)差異性研究

郝寶寶，艾 寧，賈艷梅，宗巧魚，劉 姣，劉長(zhǎng)海*

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西延安 716000;2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000;3.陜西省治沙研究所，陜西 榆林 719000)

土壤作為植被賴以生存的主要環(huán)境因素之一［1］，其物理性質(zhì)可用來評(píng)價(jià)植被水源涵養(yǎng)功能和植被穩(wěn)定生長(zhǎng)的主要指標(biāo)［2］。關(guān)于土壤物理性質(zhì)方面的研究主要集中在不同植被類型和不同立地條件下等之間的比較，而少有不同林齡方面的研究，邱新彩等［3］對(duì)油松人工林研究表明林齡的增加可以改善油松人工林的土壤理化性質(zhì)，秦佳雙等［4］對(duì)不同年齡階段馬尾松人工林研究發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增長(zhǎng)對(duì)土壤改善起到促進(jìn)作用，且表層土壤處于較好狀態(tài)，深層土壤改善效果逐漸增大，危炳忠［5］研究表明林齡對(duì)杉木人工林的土壤物理特性差異存在明顯的影響，土壤含水量和持水性能表現(xiàn)為:幼齡林較高，成熟林次之，中齡林最低。雖然已有較多關(guān)于土壤物理特性的相關(guān)報(bào)道，但目前尚未有對(duì)毛烏素沙地南緣樟子松人工林土壤物理性質(zhì)方面的研究，這嚴(yán)重限制了該區(qū)域人工造林樹種對(duì)土壤特性改良的客觀評(píng)價(jià)。

樟子松(Pinus sylvesiris var.mongolica)屬歐洲赤松的一個(gè)地理變種，在我國(guó)大興安嶺和呼倫貝爾部分地區(qū)均有自然分布，后因其耐寒、耐旱、抗風(fēng)沙等生長(zhǎng)特性被廣泛應(yīng)用于三北防護(hù)林的修復(fù)工程中，成為我國(guó)北方荒漠化地區(qū)重要的造林樹種之一［6］。毛烏素沙地南緣地區(qū)從上個(gè)世紀(jì)60年代起引種栽培沙地樟子松，隨著造林面積的持續(xù)增加，樟子松林在固沙和生態(tài)環(huán)境改善中取得了顯著效果［7］。目前，針對(duì)樟子松人工林土壤造林技術(shù)［8］、養(yǎng)分變化［9］、理化性質(zhì)［10］、生長(zhǎng)特性［11］、水分變化［12］等方面的研究較多，但這些研究主要集中在林地表層的土壤物理性質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)下層土壤性質(zhì)變化及其是否達(dá)到顯著水平的研究較少，且不夠深入也不夠系統(tǒng)。同時(shí)，研究不同林齡土壤物理特性的變動(dòng)，也有利于認(rèn)識(shí)土壤生態(tài)系統(tǒng)的演化過程［13］。筆者研究立足于該地區(qū)，通過對(duì)不同林齡樟子松人工林土壤物理性質(zhì)差異性和垂直分布特征的研究，旨在闡明沙地人工林土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律，為認(rèn)識(shí)沙地人工林營(yíng)造后土壤性狀演變提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期今后為毛烏素沙地樟子松人工林長(zhǎng)期可持續(xù)經(jīng)營(yíng)以及沙化土地有效防治提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地南緣的榆陽區(qū)，地理坐標(biāo):108°58'～110°24'E，37°49'～38°58'N，土地面積7 053 hm2，屬于典型的大陸性邊緣季風(fēng)氣候，四季冷暖分明，晝夜溫差較大，干濕各異，平均海拔1 113.8 m，年平均降水量365.7 mm，主要集中在7～9 月，占全年降雨量的70%以上，年平均氣溫8.3℃。土壤主要以風(fēng)沙土為主，植被覆蓋度較低，生態(tài)環(huán)境脆弱，主要造林樹種有樟子松、楊柴(Hedysarum mongolicum)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、油松(Pinus tabuliformis Carr)、山杏(Armeniaca sibirica (L.)Lam)、側(cè)柏(Platycladus orientalis (L.)Franco)、沙柳(Salix psammop)花棒(Hedysarum scoparium)等。

1.2 樣地布設(shè)及樣品采集

在充分踏查的基礎(chǔ)上，于2018 年8 月，根據(jù)海拔、坡向、坡度、林分等立地條件相似原則，選取5 種不同林齡的樟子松人工林為研究對(duì)象，分別設(shè)置10 ×10 m 標(biāo)準(zhǔn)樣地，剔除表層枯落物，挖出土壤剖面后利用環(huán)刀(體積為100 cm3)進(jìn)行取樣，取樣深度為100 cm，分別為0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm，共6 層，地理信息數(shù)據(jù)采用GPS 進(jìn)行記錄，同時(shí)記錄每個(gè)樣點(diǎn)的海拔、樹高、樹高等詳細(xì)信息見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤物理指標(biāo)中的土壤容重、最大持水量和毛管持水量采用環(huán)刀浸水法測(cè)定得出，土壤含水量、土壤蓄水量、總孔隙度和毛管孔隙度由計(jì)算得出［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于所得數(shù)據(jù)采用Excel 整合處理，Spss19.0軟件進(jìn)行方差分析，Origin8.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡樟子松人工林土壤含水量和蓄水量分析

圖1 不同林齡樟子松人工林土壤含水量和土壤蓄水量變化;

從圖1 中可知不同林齡樟子松人工林由于其生理生態(tài)的變化對(duì)土壤含水量和土壤蓄水量有一定的影響，各林齡樟子松林地在同一土層均存在顯著差異(P ＜0.05)。其中，土壤含水量在垂直分布上具有相似規(guī)律，各林齡樟子松人工林地表現(xiàn)為底層較高;而隨著林齡的增長(zhǎng)土壤含水量在垂直分布上有一定的影響，總體表現(xiàn)為先增高后降低再增高的趨勢(shì);不同林齡樟子松在0～100 cm 土壤含水量變動(dòng)范圍為2.03%～4.91%，大小依次表現(xiàn)為樣地5 ＞樣地2 ＞樣地3 ＞樣地4 ＞樣地1。

土壤蓄水量隨著土層深度的增加，不同林齡樟子松人工林總體呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，且同一土層間存在顯著差異性(P ＜0.05)，隨著林齡的增長(zhǎng)呈先增加后減少再增加的變化過程，總體蓄水量大小呈現(xiàn)為54 a 和28 a 林地較高，10 a 林地最低。

2.2 不同林齡樟子松人工林土壤孔隙狀況和容重分析

圖2 不同林齡樟子松人工林土壤孔隙度和土壤容重變化

從圖2 中可知，不同林齡樟子松人工林地總孔隙度和毛管孔隙度在不同土層變化規(guī)律不同，在同一土層存在顯著性差異(P ＜0.05)，其中，總孔隙度隨著林齡增加總體有一定增加的趨勢(shì)，隨著土層深度的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，毛管孔隙度呈現(xiàn)為先增加后減少再增加的變化趨勢(shì)。

各林齡樟子松人工林土壤容重均呈現(xiàn)為隨著土層深度的增加而增大，這說明林齡對(duì)土壤容重垂直變化規(guī)律無明顯影響。在0～80 cm 土層深度不同林齡相同土層的土壤容重差異顯著(P ＜0.05)，在80～100 cm 土層深度，不同林齡相同土層的土壤容重差異不顯著，這可能是因?yàn)檎磷铀扇斯ち指祵?duì)80～100 cm 土壤影響較小。而隨著林齡的增加，土壤容重呈現(xiàn)為減小趨勢(shì)，大小依次為樣地5 ＜樣地4 ＜樣地3 ＜樣地2 ＜樣地1，變動(dòng)范圍為1.43 g·cm-3～1.58 g·cm-3，這說明毛烏素沙地南緣樟子松人工林隨著生長(zhǎng)年限的增加對(duì)土壤容重的改良作用逐漸增強(qiáng)。

2.3 不同林齡樟子松人工林土壤持水量分析

圖3 不同林齡樟子松人工林土壤持水量變化

土壤的持水能力可以用最大持水量、毛管持水量等指標(biāo)來表示，由圖(3)可知不同林齡樟子松人工林持水狀況存在一定差異性。最大持水量隨著土層深度的增加，10 a 林地?zé)o明顯變化規(guī)律，其它林齡總體呈現(xiàn)為先減小后增大趨勢(shì)，且在同一土層深度差異性顯著(P ＜0.05)，隨著林齡的增加總體呈現(xiàn)為增大趨勢(shì)，在54 a 林地最高，28 a次之，10 a 最低。各林地毛管持水量隨著土層深度的增加變化規(guī)律不同，但在同一土層深度存在顯著性差異(P ＜0.05)，隨著林齡的增長(zhǎng)總體呈現(xiàn)為先增加后減少再增加的趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

在毛烏素沙地南緣地區(qū)，在黃土高原地區(qū)土壤水分是限制植被穩(wěn)定生長(zhǎng)的重要因素之一，因此研究干旱與半干旱地區(qū)植被演變過程中土壤水分的特征對(duì)這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)與有效管理有重大意義［8］。筆者研究分析發(fā)現(xiàn)，不同林齡樟子松人工林土壤含水量存在顯著性差異，這與牛沙沙［15］、張金鑫［16］等研究結(jié)果一致，其原因可能為植物生長(zhǎng)過程中耗水量的差異所導(dǎo)致［17］。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)不同林齡樟子松人工林土壤含水量在垂直分布上具有相似規(guī)律，均表現(xiàn)為先減少后增加趨勢(shì)。這與其它研究結(jié)果一致［18-19］，其原因可能受樟子松人工林地下根系分布對(duì)土壤吸水的影響造成這一現(xiàn)象。不同林齡樟子松人工林平均土壤含水量大小依次為樣地5 ＞樣地2 ＞樣地3 ＞樣地4 ＞樣地1。這可能是因?yàn)闃拥? 生沙地樟子松人工林處于生長(zhǎng)迅速期，草本植被較少保水性差，林分冠幅小，蒸騰失水較多，導(dǎo)致樣地1 生林地土壤含水量最低;樣地5 生沙地樟子松人工林生長(zhǎng)緩慢，土壤表層枯落物較厚，保水性能較好，導(dǎo)致樣地5 a 生林地土壤含水量最高;而隨著栽植年限的增加，樟子松林蒸騰作用會(huì)有所加強(qiáng)［20～21］，且隨著樟子松林的冠幅增大，林冠截留作用也明顯加強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)充到林內(nèi)土壤的降水顯著減少［22］，最終導(dǎo)致樟子松林內(nèi)土壤含水量的下降，從而造成樣地2 ＞樣地3 ＞樣地4 這一現(xiàn)象。

土壤容重和孔隙度均為土壤的基本物理性質(zhì)，其中，土壤容重是土壤緊實(shí)度的重要指標(biāo)，而土壤孔隙度則直接影響著土壤通氣和蓄水性能［13］。本研究中發(fā)現(xiàn)，樟子松人工林土壤容重隨著林齡增加呈減小趨勢(shì)，隨著土層深度的增加呈增大趨勢(shì);而總孔隙度隨著林齡的增加無明顯變化規(guī)律，隨著土層深度的增加呈減小趨勢(shì)，這與曹恭祥［23］、王顯軍［24］等研究結(jié)果相類似。其原因可能為樟子松隨著林齡的增長(zhǎng)，根系的生長(zhǎng)過程和生物量的不斷累積影響著土壤容重的變化［25～26］。由此可以表明，樟子松人工林林齡和土壤土層深度均能夠影響土壤容重和孔隙度，隨著樟子松人工林栽植時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤緊實(shí)度和通氣性能都得到一定改善效果。

土壤持水性能是評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水循環(huán)的重要指標(biāo)［27］，與土壤結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，能夠反映土壤的保水、供水能力［28］。本研究發(fā)現(xiàn)樟子松人工林地最大持水量和毛管持水量均表現(xiàn)為表層較高，這與王丹［29］對(duì)不同林齡土壤物理性質(zhì)研究結(jié)果基本一致。不同林齡間存在差異性顯著(P ＜0.05)，樣地5 a 生樟子松人工林地明顯高于其它林地，其中土壤最大持水量和土壤蓄水量均表現(xiàn)為成熟林較高，幼林齡則較低，這與其它研究結(jié)果相似［30～31］，由此可見，隨著樟子松人工林栽植時(shí)間的增長(zhǎng)能夠讓土壤結(jié)構(gòu)逐步改善，進(jìn)而使土壤持水性能逐步得到提高。