遼西北風(fēng)沙地不同林齡樟子松人工林土壤優(yōu)先流特征

盧慧，呂剛，劉建華，張卓，王鋒佰

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；4.國有彰武縣章土臺林場，遼寧 彰武 123203

優(yōu)先流過程能使水和溶質(zhì)快速通過大孔隙到達(dá)深層土壤或進(jìn)入地下水（呂海深等，2020），影響水分在各層中的轉(zhuǎn)換，對地下水位平衡具有重要影響作用，這種作用對于長期缺水的干旱半干旱地區(qū)效果尤為明顯。在干旱荒漠地區(qū)，優(yōu)先流提高了植被根系蓄水能力，也使得水分通過根系快速運(yùn)動（張勇勇等，2017）。荒漠固沙植物貯存土壤水分和養(yǎng)分均較高，便于荒漠區(qū)種子萌發(fā)和生長，進(jìn)而影響干旱區(qū)植被分布和組成。目前，研究土壤優(yōu)先流多聚焦于林地、農(nóng)地與土壤裂隙對優(yōu)先流影響等方面（劉目興等，2013；張英虎等，2015；張中彬等，2015；Yan et al.，2016；段曉倩等，2016；Lü et al.，2017；余海龍等，2019；Hou et al.，2023），而對于沙地土壤優(yōu)先流的研究較為鮮見。劉元波等（1995）從干旱地水分傳遞過程、降雨入滲機(jī)制、入滲過程與特征3個方面研究了沙地水分再分配過程，姚淑霞等（2013）研究發(fā)現(xiàn)科爾沁沙地土壤的入滲性能隨沙漠化程度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，阿拉木薩等（2004）發(fā)現(xiàn)降雨對沙地土壤水分影響劇烈，有植被土壤降雨后土壤水分變化平緩下滲淺，隨著植被年齡的增加淺層土壤截留降雨能力不斷增強(qiáng)。呂剛等（2018）對遼西北風(fēng)沙地不同植物群落入滲能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)草地的入滲能力較林地大。

遼西北是遼寧省沙化極其嚴(yán)重的區(qū)域，位于科爾沁沙漠南緣。樟子松作為良好的防風(fēng)固沙樹種，自人工引種到遼西北地區(qū)以來，有效地抑制了科爾沁沙地南侵，土地沙化得到有效控制。然而，隨著人工樟子松林齡的增大，樟子松表現(xiàn)處大面積“衰退”現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)，章古臺沙地樟子松人工固沙林其生命周期僅僅為60—65 a，較正常樟子松林地生命周期縮短20—40 a，隨著林齡增長，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（吳祥云等，2004），加之風(fēng)沙土土壤含水量低，水分入滲速度快，在土壤裂隙、土壤動物、植物根系等的共同作用下容易產(chǎn)生土壤大孔隙，進(jìn)而促進(jìn)優(yōu)先流的產(chǎn)生（Graham et al.，2011；徐宗恒等，2012），造成土壤水分滲漏，最終導(dǎo)致植物衰敗或死亡。因此，研究遼西北風(fēng)沙地不同林齡樟子松人工林地土壤優(yōu)先流特征，分析植物根系對優(yōu)先路徑的影響，可為研究風(fēng)沙地樟子松人工林衰退機(jī)制與植被重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省國有彰武縣章古臺林場內(nèi)（圖1），屬溫帶季風(fēng)性濕潤森林草原氣候，年均降水量490 mm左右，多集中在6—8月，多年平均蒸發(fā)量為1590 mm，無霜期152 d，日平均風(fēng)速大于10 m·s?1為 10 d（呂剛等，2019）。土壤屬風(fēng)沙土，土壤顆粒以砂粒為主，沙層深厚，土壤瘠薄，有機(jī)質(zhì)含量低，無土壤層次，其土壤結(jié)構(gòu)松散，缺乏淀積層，土壤保墑性較差。植被屬蒙古植物、長白植物系和華北植物區(qū)系交錯地區(qū)，代表性的有樟子松（Pinus sylvestrisL.var.mongholica）、油松（Pinus tabulaeformisCarr.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）、荊條（Vitex negundo）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、興安胡枝子（Lespedeza davurica）、多葉隱子草（Cleistogenes polyphylla）、百里香（Thymus mongolicus）、大針茅（Stipa grandis）等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Diagram of the study area

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本試驗于2018年7—9月在位于國有彰武縣章古臺林場內(nèi)樟子松人工林進(jìn)行，以荒草地為對照，在綜合考慮造林時立地條件和造林密度的相對一致性，選擇24、38、49 a等3個林齡樟子松林地為研究對象，每種類型分別布設(shè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，各個樣地基本特征表1。

表1 不同林齡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 野外染色示蹤試驗

本試驗中在各個樣地設(shè)置了3處土壤優(yōu)先流觀測樣點，再分別選取3個開挖剖面（A、B、C）。首先用標(biāo)桿圍城1個20 m×20 m的樣地，樣方選在3—4株相鄰樟子松中心且地表相對平坦處，使染色剖面距各樟子松基本等距，以減少主根對觀測結(jié)果的影響。各試驗樣點優(yōu)先流觀測剖面數(shù)量為3個，以作為重復(fù)進(jìn)行分析。清除樣方頂部的植被和石塊后，用0.65 m×0.5 m的鐵板交錯圍起，每塊鐵板連接處錯開5 cm距離以保證鐵板間的封閉性。之后將鐵板埋入地下30 cm，同時將距鐵板內(nèi)壁5 cm以內(nèi)的土壤用木錘夯實，防止染色溶液沿鐵板內(nèi)壁縫隙側(cè)漏影響觀測結(jié)果。用噴壺將20 L 4 g·L?1亮藍(lán)溶液噴灑到樣地上，均勻且快速噴灑，染色后在樣地表面覆蓋一層塑料布和綠色植被，防止蒸發(fā)和外界的干擾。染色示蹤試驗效果見圖2。

圖2 染色示蹤試驗效果圖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左右開挖1個土壤染色剖面，共挖取3個染色剖面，剖面深度視染色深度而定。每次開挖剖面后用小鏟子修平土壤剖面，并用毛刷刷去修整剖面時附著在其表面的多余土壤顆粒。修整完畢后用數(shù)碼相機(jī)拍照，要求鏡頭與土壤剖面垂直以降低或消除由此產(chǎn)生的試驗誤差。在拍照過程中用兩把標(biāo)尺比例尺，分別置于土壤剖面頂端水平方向和染色剖面垂直方向上，便于準(zhǔn)確計算染色的實際面積。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤容重、土壤含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度用環(huán)刀法測定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤機(jī)械組成采用LA-300激光粒度儀測定，本試驗測定的各樣地土壤機(jī)械組成均采用國際制的分類方法對土壤進(jìn)行分類（中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978；張洪江，2013）。具體結(jié)果見表2。

表2 土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil

2.4 根系的測定方法

在每個染色地點開挖的剖面染色區(qū)域分五層自上而下采樣，每層長、寬、高分別為10 cm，將其土壤和根系分別裝入塑料袋中，帶回實驗室進(jìn)行篩選，利用清水將根系表面的土壤清洗干凈，再利用 winRHIZO根系分析系統(tǒng)獲取植物根系指標(biāo)（表3）。

表3 根系指標(biāo)Table 3 Root index

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Adobe Photoshop CS6和Image-proPlus 6.0軟件對染色剖面圖像進(jìn)行處理，Excel 2007和SPSS 21.0軟件、Origin 8.0軟件處理數(shù)據(jù)和擬合模型。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同林齡樟子松人工林土壤優(yōu)先流特征

由圖3可知，不同林齡樟子松人工林各樣地土壤剖面均出現(xiàn)了不同程度的優(yōu)先流現(xiàn)象。由于土壤結(jié)構(gòu)及植被根系數(shù)量和分布特征不同，其不同剖面土壤優(yōu)先流特征存在差異，其中可能出現(xiàn)的植物根孔與動物洞穴進(jìn)一步增加了土壤優(yōu)先流最大染色深度的不確定性，并且當(dāng)孔洞的深度達(dá)到一定長度時，還會與土壤自身孔隙發(fā)生連通，加劇優(yōu)先流現(xiàn)象。因此取同一樣地最大染色深度平均值作為該樣地最大染色深度。24、38、49 a樟子松林地與對照樣地土壤優(yōu)先流最大染色深度依次為26.66、32.07、35.38、37.31 cm，表現(xiàn)為對照樣地大于樟子松林地。研究發(fā)現(xiàn)，對照組優(yōu)先流最大染色深度最大，這是由于對照組土壤為原生風(fēng)沙土，自然含水率較低，而土壤自然含水率又對土壤優(yōu)先流的最大入滲深度有重要影響（張勇勇等，2017），當(dāng)土壤含水量較低時，土壤顆粒干燥，水分均勻入滲困難，土壤中因干旱導(dǎo)致的裂隙發(fā)育得較好，容易產(chǎn)生優(yōu)先流現(xiàn)象，且水分入滲深度遠(yuǎn)。

圖3 土壤優(yōu)先流形態(tài)的垂直染色圖像特征Figure 3 Vertical staining image characteristics of soil preferential flow patterns

對比不同林齡樟子松人工林地染色圖像發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流入滲深度隨著林齡的增長明顯加深，49 a樟子松林地比24 a樟子松林地增加了32.70%，這主要是由于隨著林齡的增加，49 a樟子松林地根系長度、密度和重量等增幅顯著，加之土壤表層枯枝落葉、苔蘚、地衣通過微生物進(jìn)行分解作用，分解形成的腐殖質(zhì)使得樹旁的土質(zhì)相對疏松，有機(jī)質(zhì)含量更高，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，而良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對應(yīng)著土壤大孔隙含量較高，優(yōu)先流現(xiàn)象更明顯（鄭欣等，2018；孟晨等，2019；王金悅等，2021）。

3.2 不同林齡樟子松人工林染色面積比變化

染色面積比可直觀反映土壤優(yōu)先流分布特征（呂剛等，2018）。由圖 4可知，隨著土層深度的加深，24、38、49 a樟子松林地和對照樣地的優(yōu)先流染色面積比呈減小的變化趨勢，各樣地0—10 cm土層染色面積比依次為 97.2%、84.74%、92.8%、98.45%，且各樣地之間無顯著差異（P>0.05），這可能是因為表層枯枝落葉在微生物的作用下加速分解，轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量的提高使得原本松散的沙土具有了一定粘結(jié)性，持水能力提高進(jìn)而間接影響了優(yōu)先流染色面積；與0—10 cm土層相比，各個樣地10—20 cm土層優(yōu)先流染色面積比有所減小，其數(shù)值依次為52.92%、53.1%、73.53%、91.14%，對照組最大，與24 a樟子松林地、38 a樟子松林地之間差異顯著（P<0.05）；對照組和49 a樟子松林地20—30 cm中優(yōu)先流染色面積比顯著大于24 a、38 a樟子松林地（P<0.05）；各個樣地30—40 cm土層優(yōu)先流染色面積比均為最小，其數(shù)值依次為 0.98%、2.17%、6.85%、7.23%，對照樣地顯著大于24 a樟子松林地（P<0.05）。對比樟子松林地和對照樣地優(yōu)先流染色面積比可知，對照樣地各個土層均大于樟子松林地，這是由于對照組土壤質(zhì)地松散，土壤結(jié)構(gòu)性差或基本無結(jié)構(gòu)，較其他土壤持水、蓄水能力弱、入滲能力強(qiáng)，因此優(yōu)先流現(xiàn)象明顯（閆加亮等，2015）。土壤優(yōu)先流染色面積比與樟子松林齡增長緊密相關(guān)，并且土層深度越深，這種增大現(xiàn)象越明顯。這可能是由于隨著林齡的增長，其根系逐漸向下延伸，隨著根系的擴(kuò)張，大孔隙含量增加的可能性越多所致，產(chǎn)生優(yōu)先流幾率增加。

圖4 不同土層土壤優(yōu)先流染色面積比Figure 4 Area ratio of preferential flow dyeing in different soil layers

3.3 根系對優(yōu)先流的影響

土壤優(yōu)先流的形成與根系分布狀況關(guān)系密切（邵一敏等，2020）。由表 4可知，土壤優(yōu)先流染色面積比與植物根系指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，其中根長密度與染色面積比呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與根質(zhì)量密度、根表面積密度和根體積密度未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。因此，重點分析根長密度對土壤優(yōu)先流的影響。

表4 染色面積比與植物根系Spearman相關(guān)分析Table 4 Correlation Analysis between Dye Area Ratio and Spearman of Plant Roots

各個樣地40—50 cm土層無染色區(qū)域，因此沒有采集植物根系。由表3可知，不同樣地根長密度與土層深度的增加呈反比，土層越深，根長密度越小。0—10 cm土層根長密度最大，49 a樟子松林地、對照、38 a樟子松林地、24 a樟子松林地根長密度數(shù)值依次為 7.302、6.931、4.868、3.799 cm·cm?3。30—40 cm土層根長密度則表現(xiàn)為 38 a樟子松林地>49 a樟子松林地>24 a樟子松林地>對照，其數(shù)值依次為 2.080、1.563、1.086、0.354 cm·cm?3，表現(xiàn)為不同林齡樟子松林地根系特征指標(biāo)間差異顯著。并且隨著土層的加深，38 a樟子松林地根長密度高于 49 a樟子松林地，說明隨著樟子松林齡增長，到一定年限則生長緩慢，并會出現(xiàn)早衰現(xiàn)象。

染色區(qū)不同土層根長密度貢獻(xiàn)度見圖 5。貢獻(xiàn)度是染色區(qū)該層根系與整個剖面根系之和的比值。4個樣地都是土壤表層貢獻(xiàn)度更大，均值在 23.6%左右，這是由于植被根系在土壤表層分布密度較大，同時土壤表層死根系自身分解成為有機(jī)物，形成土壤團(tuán)聚體，改善土壤理化性質(zhì)。根系主要通過交錯和穿插作用分布在土壤表層，使本來緊實板結(jié)的土壤變得更加松動，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時土壤表層死根系由于自身的死亡腐爛，轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，加快土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而有效改善土壤理化性質(zhì)（林代杰等，2010），根系通道某種程度上促進(jìn)了土壤水和溶質(zhì)的運(yùn)移（Jorgensen et al.，2002）。優(yōu)先流區(qū)根系含量較高，土壤剖面染色面積比作為優(yōu)先流程度指標(biāo)，與根系含量有一定聯(lián)系。

圖5 染色區(qū)不同土層根長密度貢獻(xiàn)度Figure 5 Contribution degree of root length density in different soil layers in dyeing area

圖6為各個樣地土壤優(yōu)先流染色面積比與根長密度的關(guān)系。由圖6可知，各個樣地染色面積比隨根長密度的增加而增加，且染色面積比與根長密度均呈顯著線性相關(guān)（其擬合曲線F值依次為33.899、26.187、13.132、13.472，P<0.05）。4個樣地的根長密度都在0—10 cm土層表現(xiàn)較好，在0—10 cm以下，植物根系數(shù)量、含量和直徑均有所減小，進(jìn)而導(dǎo)致土壤大孔隙密度和植物根系通道減小，染色面積比也隨之減小。隨著林齡的增長，土壤中根系腐爛及自身死亡會增多，死根系形成的路徑更容易誘導(dǎo)優(yōu)先流的產(chǎn)生（牛健植等，2007），在野外試驗時觀察到死根系周圍有明顯的染色。結(jié)果表明，隨著樟子松林林齡的增加，根長密度也增加，染色面積比也增加，其中根系所產(chǎn)生的土壤大孔隙和根系死亡所產(chǎn)生的孔隙有決定性的影響效果。根系所產(chǎn)生的土壤大孔隙和根系死亡所產(chǎn)生的孔隙對優(yōu)先流有決定性的影響效果。

圖6 根長密度與染色面積比特征關(guān)系Figure 6 Relationship between root length density and dyeing area ratio

4 結(jié)論

（1）24、38、49 a樟子松林地土壤優(yōu)先流最大染色深度依次為 26.66、32.07、35.38 cm，優(yōu)先流入滲深度隨著林齡的增長明顯加深，且與土壤自然含水率和有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切。缺乏良好土壤結(jié)構(gòu)且干燥的荒草地土壤更容易出現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象。

（2）不同林齡樟子松人工林在各土層深度中，對照組土壤優(yōu)先流染色面積較之樟子松林地大；對于樟子松林地，其隨著林齡的增長，染色面積比也隨之增長。4個樣地染色面積比與土層深度呈顯著線性相關(guān)。

（3）根長密度為根系對優(yōu)先流影響的最密切指標(biāo)，各樣地根長密度與土層深度呈反比，均為土壤表層貢獻(xiàn)度最大。隨著樟子松林齡增長，到一定年限則生長緩慢，甚至?xí)霈F(xiàn)早衰現(xiàn)象，不同林齡樟子松林地根系特征指標(biāo)間差異顯著，直接影響土壤優(yōu)先流入滲特征。不同林齡樟子松和對照樣地染色面積比與根長密度均呈顯著相關(guān)。