不同密度對人工油松幼齡林生長變化和土壤水分的影響

左利萍 暢 杰 席忠誠 姚富海 郭廷健

（1.甘肅子午嶺國家森林公園管理中心 甘肅慶陽 745000；2.甘肅省子午嶺林業(yè)管理局正寧分局 甘肅正寧 745300；3.甘肅省煙草公司慶陽分公司 甘肅慶陽 745000）

油松（Pinus tabulaeformis）是松科常綠針葉喬木樹種，生長迅速，適應(yīng)能力強，具有耐干旱、耐貧瘠等特點[1]，是西北地區(qū)主要的造林樹種。 隨著大規(guī)模國土綠化行動開展， 慶陽市人工油松林面積也大幅度增加，但由于部分造林地塊密度不合理等因素，導(dǎo)致慶陽地區(qū)油松林在生長過程中出現(xiàn)林木枯死、 病蟲害發(fā)生等諸多問題。 造林密度確定是人工林經(jīng)營的重要環(huán)節(jié)， 合理的林分密度能夠改善人工林群落結(jié)構(gòu)，也會影響林分冠層結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性，改變林地的光照、水分、溫度等環(huán)境，引起群落生態(tài)因子的重新分配，從而影響林分植被的生長[2-4]。 研究顯示，造林密度和樹體的生長之間存在著非常緊密的關(guān)系，影響造林后林木的胸徑、冠幅、蓄積、枝下高等生長指標[5-7]。 同時，植被對土壤水分的利用和影響程度，是科學評價黃土高原地區(qū)大面積植樹造林生態(tài)效益的關(guān)鍵[8-10]。 荒山荒地人工造林土壤水分以降水補充為主要來源，土壤水分很大程度上限制著植物的生長和生存[11-12]。 降水和植物的生長共同影響著土壤水分的變化，尤其是不合理的栽植密度導(dǎo)致植被過度消耗土壤水分。 如果深層土壤水分不能得以補充，造成土壤水分出現(xiàn)虧空，進而導(dǎo)致土壤退化，將會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致部分植物個體死亡，群落衰敗及生態(tài)系統(tǒng)的退化[13-14]。 本研究以慶陽地區(qū)新造油松幼齡林為研究對象，比較不同密度油松幼齡林隨林齡增加生長變化差異，同時，對人工造林地土壤的水分含量、容重進行了研究，與相鄰的未造林地進行對比， 分析不同密度下油松幼齡林生長和土壤水分特征， 旨在為油松林高質(zhì)量可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

慶陽市位于甘肅省東端，習稱“隴東”，地處北緯35°15′～37°10′、 東經(jīng) 106°20′～108°45′之間， 海拔在885～2 082 m 之間。 屬于森林草原和半干旱草原的過渡區(qū)域，大陸型氣候，降雨量南多北少，2013-2021 年降雨量平均值為 614.62 mm， 最高為 737.4 mm（2013 年），最低為 477.9 mm（2016 年），降雨年度分配不均，主要集中在6～9 月，土壤類型為黃綿土。 研究區(qū)域概況和2020 年氣候年際變化分別見表1 和表2[15]。

表1 樣地基本情況

表2 2020 年研究區(qū)域氣候變化情況

調(diào)查區(qū)域現(xiàn)有森林主要以人工林為主， 主要栽植樹種為油松（Pinus tabulaeformis），林下分布有少量的灌木， 主要為胡枝子 （Lespedeza bicolor）、 甘草（Glycyrrhiza uralensis）和酸棗（Ziziphus jujuba）等。 低密度造林地林下草本蓋度較大，蓋度在70%～90%之間，高密度造林地林下草本蓋度在30%～50%之間，主要有白蓮蒿 （Artemisia sacrorum）、 冰草（Agropyron cristatum）、 薺薺菜 （Capsella bursa-pastoris）、 冷蒿（Artemisia frigida）等。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置和調(diào)查

2.1.1 生長調(diào)查 調(diào)查選取與慶陽市氣候條件相近的慶城縣、 西峰區(qū)和寧縣， 以2014 年實施的人工造林為研究對象， 盡可能選擇苗木整齊、 海拔、 坡向、 坡位等立地條件一致的地塊， 選取初植密度為1 650 株/hm2、3 300 株/hm2和 9 900 株/hm23 個密度階梯設(shè)置調(diào)查樣地，樣地面積為600 m2，分別在造林后第 2 年（2015 年）、4 年（2017 年）、7 年（2020 年）、8 年（2021 年），對樣地內(nèi)林木進行每木檢尺，記錄栽植樹種的樹高、胸徑、冠幅和當年新梢生長量，分析不同造林密度對林地油松生長的影響。

2.1.2 土壤含水量和容重 在調(diào)查樣地內(nèi)沿對角線方向設(shè)置3 個土壤采樣點，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 層采集土壤樣品， 用體積為100 m3的環(huán)刀采集樣地土壤，每層取樣品3 個，現(xiàn)場稱量，帶回實驗室烘干后計算各層土壤水分含量和單位容積的烘干土質(zhì)量，獲得土壤水分含量和土壤容重。 在造林地塊附近立地條件相近的未造林原生地設(shè)置樣方作為對照，研究人工造林對土壤水分含量的影響。

2.2 計算公式

土壤容重：rs=G×100/V×（100+W）

土壤含水量：W=（W1-W2）/W1×100%

環(huán)刀容積：V=Πr2h

式中，rs 為土壤容重（g/cm3）；W為樣品含水量（%）；G為環(huán)刀內(nèi)濕樣重；V為環(huán)刀容積；r為環(huán)刀內(nèi)半徑；Π 為圓周率（3.141 6）；h為環(huán)刀高。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 表格進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SPSS 19.0 分析軟件進行方差及相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度對油松幼齡林苗木生長的影響

3.1.1 不同密度對油松幼齡林苗高的影響 不同密度油松林隨著林齡增加樹高生長變化趨勢見表3。造林第2 和第 4 年（2015 年和2017 年）調(diào)查結(jié)果顯示，低密度（1 650 株/hm2）與中、高密度的油松高生長差異顯著，中、高密度高生長差異不顯著；林木生長到第7 年（2020 年）時,各樣地林木生長差異不顯著；造林第8 年調(diào)查林木高生長表現(xiàn)為低、 中密度差異不顯著， 高密度樣地林木高生長與中、 低密度差異顯著。 從高生長變化情況來看，林木總體還在生長期，每個年度的林木樹高都在增加；從變化規(guī)律來看，低密度林木樹高生長基本穩(wěn)定，中、高密度林木高生長表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢， 高密度的林木隨著時間推移樹高增長變小。

表3 不同密度對造林地油松樹高的影響

3.1.2 不同密度對油松幼齡林苗木地徑的影響 不同密度油松林隨著林齡增加地徑生長變化趨勢見表4。 造林第2 年（2015 年）低密度樣地林木地徑和中、高密度林木地徑差異顯著，低密度的林木地徑明顯大于中、高密度林木地徑，中、高密度造林樣地林木地徑差異不顯著；隨后幾年調(diào)查中，樣地內(nèi)林木地徑生長差異顯著。 從地徑變化情況來看，前2 次調(diào)查低、中、高密度造林苗木地徑變化基本一致，造林第7 年（2020 年）和第 4 年（2017 年），高密度的造林地徑增加明顯小于低、中密度造林樣地；高密度造林樣地林木地徑隨時間推移增加減小， 造林第8 年地徑生長僅比前一年增加0.33 cm。

表4 不同密度對造林地油松地徑的影響

3.1.3 不同密度對油松幼齡林苗木冠幅的影響 不同密度油松林隨著林齡增加冠幅變化趨勢見表5。造林第2 年（2015 年）低密度造林樣地林木冠幅和中、高密度林木冠幅差異顯著， 低密度的林木冠幅明顯大于中、高密度林木冠幅，中、高密度造林樣地林木冠幅差異不顯著；隨后3 次調(diào)查中，樣地內(nèi)林木冠幅生長差異顯著。 從冠幅變化情況來看， 造林第4 年（2017 年）和第 2 年（2015 年）調(diào)查中，冠幅增加為低密度＞高密度＞中密度； 造林第 7 年 （2020 年） 和第2 年（2017 年）變化中，冠幅增加為中密度＞低密度＞高密度；造林第 8 年（2021 年）和第 7 年（2020 年）調(diào)查樣地中林木冠幅變化和前2 次調(diào)查變化基本一致，高密度造林樣地林木冠幅隨時間推移增加減小，造林第8 年地徑生長僅比前一年增加10.33 cm。

表5 不同密度對造林地油松冠幅的影響

3.1.4 不同密度對油松幼齡林苗木當年新梢量的影響 不同密度油松林隨著林齡增加年度新梢變化趨勢見表6。不同密度造林樣地林木當年新梢生長量差異性結(jié)果為造林第2年（2015年）和第4年（2017年）一致，表現(xiàn)為低密度和中、高密度差異性顯著，中、高密度造林樣地林木新梢差異性不顯著； 造林第7 年（2020 年）和第 8 年（2021 年）一致，低、中密度造林樣地林木新梢差異性不顯著，高密度和中、高密度差異性顯著。 從年度變化情況來看，低、中密度樣地林木新梢生長量逐年增加，高密度造林樣地林木在前2 次調(diào)查中，表現(xiàn)為增加趨勢，后2 次調(diào)查中逐年減小。

表6 不同密度對造林地油松當年新梢生長量的影響

3.2 不同密度對油松幼齡林土壤水分和容重的影響

土壤是為植物生長提供養(yǎng)分的重要場所， 土壤水分是植物生長的重要因子， 在很大程度上影響植物生長狀況。 研究顯示，不同的土地利用方式可以改良土壤性質(zhì)， 增強土壤對外界環(huán)境變化的適應(yīng)和抵抗力[15-16]。 從不同樣地垂直剖面土壤平均含水量變化可以看出，高、中、低3 個密度人工油松幼齡林林地土壤水分含量變化趨勢基本一致，在近地表（0～50 cm）隨著土層深度增加而增加， 低密度樣地土壤水分含量高于中、高密度土壤水分含量；通過與未造林原生地比較，低密度人工油松幼齡樣地在0～10 cm 和30～50 cm 土壤層中水分含量高于對照（未造林荒地），在10～30 cm 土壤層中水分含量低于對照； 中密度林地不同土壤層水分含量均高于對照 （未造林荒地）樣地； 高密度造林樣地0～50 cm 土壤層水分均低于對照樣地。 土壤高、中、低3 個密度人工油松幼齡林林地垂直剖面土壤平容重差異不明顯， 總體表現(xiàn)為隨著土層深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，中、低密度人工油松幼齡林林地樣地土壤容重均略低于對照（未造林荒地）樣地，高密度造林樣地土壤容重高于對照樣地（附圖）。

附圖 不同密度對造林地油松幼齡林土壤水分和容重的影響

4 討論與結(jié)論

4.1 不同密度油松幼齡林林木生長差異分析

從林木生長調(diào)查結(jié)果可以看出，不同初植密度對人工林平均樹高、地徑、冠幅和年度新梢生長均有影響，隨著林齡增加，3 個密度林分林木生長變化差異性不一致。 低密度（1 650 株/hm2）和中密度（3 300 株/hm2）樣地林木樹高隨著林齡增大越來越接近， 高密度（9 900 株/hm2） 林木生長隨著林齡增大明顯低于中、低密度， 可見密度過大對林木樹高生長有一定的影響；3 個密度油松林木地徑和冠幅差異性一致， 在造林第2 年差異不顯著，隨著林齡增大差異顯著，且隨林齡增加地徑和冠幅增長值均表現(xiàn)為低密度＞中密度＞高密度；林木木當年新稍隨著造林時間推移，低、中密度樣地生長值逐年增加， 說明新梢生長在緩苗期生長量相對較小，苗木適應(yīng)環(huán)境后生長加快，但高密度樣地林木當年新梢生長量隨林齡增大生長逐漸減緩。 相關(guān)研究結(jié)果顯示， 密度對林木樹高影響不大，在一定的林分密度范圍內(nèi)影響不顯著[7-19]；但也有研究表明， 林木樹高與林分密度之間存在負相關(guān)關(guān)系[20-21]。 研究表明，胸徑和冠幅的生長受密度變化的影響顯著，韓照日格圖等[22]通過研究大青山區(qū)油松人工林發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨著林分密度的增大，油松的冠幅和胸徑開始逐漸變小；李世界[23]等的研究發(fā)現(xiàn)， 油松林在 13 年前林木胸徑與林分密度呈正相關(guān)， 13 年之后，林木胸徑與林分密度呈負相關(guān)。本研究冠幅和地徑變化規(guī)律和其他學者的研究結(jié)果一致，但高密度樣地林木高生長到第8 年有減緩趨勢，說明初造林密度過大時，隨著林齡增大，油松生長量增大，林木生長對空間資源競爭加劇，從而使得林分密度對油松的影響加強。 林木平均樹高、地徑和冠幅均受到密度的影響，從樣地實地情況來看，造林后第8 年高密度樣地林木已出現(xiàn)嚴重的燒膛現(xiàn)象，樹體普遍較弱，林木生長緩慢。

4.2 不同密度油松幼齡林土壤特性差異分析

本研究結(jié)果顯示， 不同密度油松人工幼齡林樣地土壤水分含量和容重有差異。 低密度人工油松幼齡林樣地土壤水分含量高于中、高密度，說明低密度林地土壤持水能力更好； 通過與對照樣地 （未造林地）比較，低密度林分土壤在0～10 cm 層中水分含量低于對照，其他層土壤水分含量均高于對照，中密度人工油松林樣地各測定層土壤水分含量均高于對照， 說明人工造林較原生未造林地具有較好的水分保持能力，但土壤表層受外界影響較大，降水入滲、表層蒸散可能是導(dǎo)致0～10 cm 土壤表層含水量變化不一致的主要原因。 高密度造林地土壤水分含量略低于對照，這可能是造林密度過大導(dǎo)致林木水分消耗大，從而降低了土壤水分含量。 這與施政樂[8]、路遠[9]、楊磊等[10]的研究結(jié)果基本一致，說明林分密度過大、生產(chǎn)力過高導(dǎo)致植被對土壤水分的消耗超出天然降雨的補償能力，會影響生態(tài)系統(tǒng)的水平衡。 土壤容重大小反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能及保水能力的高低，土壤容重越小，說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣性能越好。高、中、低3 個密度造林樣地土壤容重值相近，中、低密度林分土壤容重小于對照區(qū)（原生地未造林地）樣地，說明人工造林后土壤的結(jié)構(gòu)和透氣性得到改善，高密度造林樣地土壤容重高于對照樣地， 說明造林密度過大，不能改善土壤質(zhì)量。