華北土石山區不同密度油松人工林土壤含水量及其時間穩定性剖面分布

李紫恬，王盛萍①，袁亞男，王 旭，牛 勇，張志強，朱金鳳（.華北電力大學環境科學與工程學院/資源環境系統優化教育部重點實驗室，北京 006；.北京林業大學水土保持學院/水土保持國家林業局重點實驗室，北京 00083）

森林經營顯著影響森林生態系統生態服務功能的發揮。其中，作為森林經營的一項重要技術［1-2］，不同種植密度將直接影響土壤含水量、土壤通透性等［3］，進而影響植被根系水分吸收、植被水分利用效率以及植被生長特性等。初植密度過高可增加地表覆被，但容易引起土壤水供需矛盾［4］，過度消耗土壤水易導致土壤干燥或干層。土壤水分（soil moisture，SM）是植被生長不可或缺的重要因素，特別是在干旱和半干旱地區，是植被恢復［4-7］和農業生產［8］的主要限制因子。探討植被密度與土壤水分關系對植被修復具有重要意義。關于植被密度對土壤水分的影響國內外已有大量研究。在探討密度影響植被生長的過程與主導控制因素的同時［9］，部分學者特別針對密度引起的土壤水分主控因素進行研究?；诟悼衫盟只蚋滴?，NG等［10］指出植被密度增大總體上將加劇土壤水分競爭；FRIEDMAN［11］進一步指出植被對土壤水分的競爭隨著根系半徑和土壤毛管長度的增大而呈線性增大。植被密度導致干旱年土壤水分競爭加?。?2］；與此不同的是，REN等［13］研究中植被密度增大可顯著減少平水年或豐水年土壤水分蒸發損失，而在干旱年密度影響作用則較小。QIU等［14］指出隨著植被密度的增大，總的蒸發散損失增加，但植被單株蒸發散減少。上述研究極大豐富了密度對土壤水分影響的認識。但縱觀上述研究，大多數局限于探討農作物種植密度，而對森林植被的研究相對較少。雖然部分研究針對森林植被開展了土壤水分的時空動態分析，指出不同植被類型亞表層和深層土壤水分有顯著差異，而在表層則沒有顯著差異，但研究多局限于具有深厚土壤層的黃土高原區域，且對植被的密度因素探討較少［7］。黃土高原土層深厚，其土壤物理特性及水分環境特征明顯區別于華北土石山區（石礫含量較高，土壤貧瘠，土層淺?。?5］。由于降雨、地形、植被、土壤特性、地下水及人類活動的影響，土壤水呈現極大的時空異質性［16］。SM時間穩定性是描述土壤水狀態的重要特征［17］，探討SM時間穩定性對評估植被生長的水分環境及改進模型模擬等具有重要意義［18］。

筆者以北京八達嶺林場作為研究區域，針對不同密度人工油松林（Pinus tabuliformis）探討其種植密度對SM及時間動態的影響。研究內容包括：（1）分析不同密度油松林對土壤水含量及剖面分布的影響；（2）揭示密度對SM影響是否受其他因素（如坡向）干擾；（3）分析不同密度油松林土壤剖面不同深度SM的時間穩定性及差異。研究結果對深入認識植被與土壤水文關系，以及區域森林經營及植被恢復具有重要指導意義。

1 研究區概況

研究區位于北京西北部延慶縣境內八達嶺林場，屬華北平原北部地區（40°20′N,116°01′E），平均海拔780 m。2004年二類調查統計結果顯示，林場總面積2 939 hm2，坡度多在30°～35°間，坡向多為半陰半陽坡。研究區氣候類型屬典型北溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，最高月（7月）平均氣溫26.9℃，最低月（1月）平均氣溫-7.2℃，年均氣溫10.8℃，年無霜期160 d，多年平均降水量454 mm。降水時空分布不均，全年70%以上的降水集中在夏季。年平均潛在蒸發散1 585.9 mm，平均濕度56.2%。

研究區屬山地褐土區［19］，主要有褐土、碳酸鹽褐土和淋溶褐土3種主要類型，土壤層厚度約40 cm［20］。自20世紀50年代以來，經多年人工林營造，現大部分已郁閉成林，森林覆蓋率已達46.7%。樹種主要有華北落葉松（Larix principis?rupprechtii）、側柏（Platycladus orientalis）、油松、華山松（Pinus ar?mandii）、云杉（Picea asperata）等，其中油松面積最大、分布最廣［19］。

2 研究方法

2.1 樣地設置

研究區位于八達嶺林場西溝。土壤質地均勻，按美國土壤質地分類標準為砂壤土〔w（沙礫）=69.6%±4.2%；w（粉粒）=16.5%±3.2%；w（黏粒）=13.8%±1.7%〕。為便于觀測，依據坡向在距離相對較近的陰、陽坡分別選取低、中、高3個密度等級，共6塊油松樣地作為研究樣地（圖1）。各樣地均位于中坡位置。陰坡油松種植密度為760、1 739、2 966株·hm-2（分別對應1號、2號、3號），陽坡油松種植密度為1 058、1 444、1 746株·hm-2（分別對應4號、5號、6號）。樣地大小為20 m×20 m。各樣地信息見表1。分別在陰坡和陽坡上比對不同密度等級SM差異，陰、陽坡高、中、低密度不完全對應。

圖1 研究區樣地分布示意Fig.1 Position of the six plots in study area

表1 試驗樣地的基本信息Table 1 General information about experimental sites

2.2 土壤含水量測定

采用Trime-T3測定2013—2014生長季（5—10月）各樣地SM。各樣地隨機設置采樣點，埋設測管和探頭（重復2次），以10 cm為垂向間距監測土壤

式（1）中，θˉij為樣地i在第j天0～60 cm剖面的平均土壤體積含水量，%；θijk為樣地i（i=1，2，3，4，5，6）在第j天土壤深度k（k=10，20，…，60 cm）處的2次重復的平均土壤體積含水量，%。

2.3 降雨觀測

在研究區開闊位置安裝自動氣象站（HOBO，美國Onset公司）采集降雨量等氣象因子數據，采集間隔為15 min，每月下載1次數據。同時測定各樣地生長季穿透降雨量，沿樣地平行于坡面布置長8 m的PVC剖開管作為降雨收集體，管道內徑9 cm，管道底部連接集雨桶，每次降雨后使用量筒量取集雨桶內水量并計算穿透降雨量。

2.4 數據分析

2.4.1 時間穩定性檢驗

時間穩定性概念最初由VACHAUD等［22］提出，指空間采樣點與土壤屬性統計參數之間關系的時間不變性。當SM與土壤結構、地形等相對確定因素之間關系密切且穩定時可能出現時間穩定性。時 間 穩 定 性（temporal stability of soil moisture，TSSM）評價體系包含平均相對偏差（MRD）、標準差（STD）、時間穩定性指數（ITS）等指標［23］。

區別于MOLINA等［17］研究，為揭示可代表反映各林分密度對應剖面平均土壤含水量的某一特定土壤層，研究參照WANG等［24］方法，將垂向剖面不同深度土壤SM看作不同點位樣本，進而分析不同深度土壤SM相對于整個剖面的相對變化。其中，某一樣地在某一深度在觀測時段內相對于整個剖面的相對偏差MRD（δˉik）計算公式為剖面SM動態。鑒于研究區土壤淺薄、貧瘠、礫石含量較高，不易深層埋設監測設備，且油松大部分根系主要分布于0～60 cm土層，因此，研究中土壤水分監測僅限于0～60 cm土層。每2 d讀取記錄1次。

各樣地土壤剖面0～60 cm平均SM按如下公式［21］計算：

式（2）～（3）中，δijk為樣地i第j天在深度k上的SM（θijk）相對于該樣地第j天0～60 cm剖面平均SM（θˉij）的相對偏差；δˉik為樣地i在土壤深度k處觀測時段內的平均值，即該采樣點平均相對偏差（MRD）；n為觀測時段內的測次。如果樣地i第k層MRD大，則表明該采樣點SM相對于整個剖面更潮濕，反之則表明該層SM相對干燥。

標準差（STD）計算公式為

式（4）中，σ(δik)為樣地i在深度k的STD。STD表示MRD在測量時間上的標準差，描述了該采樣點MRD的變化程度，STD值越小表示樣地i在第k層相對于其他層次觀測穩定性越高。

綜合考慮MRD和STD指標，引入時間穩定性指數ITS（τ），計算公式為

式（5）中，τik值低表示樣地i在第k層整個剖面上具有較高的時間穩定性。ITS值將有助于理解、辨別受根系或大氣影響較強烈的土壤層；具有較低ITS值的采樣點（采樣深度）SM可近似代表該剖面SM平均水平［18］。

2.4.2 差異顯著性檢驗

實驗數據分析采用Microsoft Excel 2013。使用配對樣本t檢驗（paired T?test）分析不同密度穿透降雨的顯著性，使用單因素方差分析（one?way ANO?VA）檢驗不同密度SM、不同深度SM、不同密度SM時間穩定性等的顯著性差異。數據分析采用SPSS 22.0結合Origin 9.0軟件進行。

3 結果與討論

3.1 坡向和種植密度對降雨量的影響

根據自動氣象站測量信息，2013和2014年研究區生長季總降雨量分別為628.3和364.4 mm。由于該區域多年平均降水量為454 mm，且北京地區6—8月的降水量約占全年的70%～80%［25］。據此，將研究期分為2個階段：豐水年（2013年）和平水年（2014年）。

試驗統計了研究期不同樣地生長季各場次穿透降雨，其中分別收集2013和2014年穿透降雨場次為35和31場。對比不同樣地穿透降雨的均值及標準差，采用t檢驗對組間配對樣本進行分析（表2）。結果表明，豐水年（2013年）陰坡中密度（SHM）平均穿透降雨量最低，且與陰坡低密度和高密度之間差異顯著（P＜0.05），陽坡各密度之間平均穿透降雨量有顯著性差異（P＜0.05）（表 2）。在平水年（2014年），陰坡各密度間和陽間各密度間均未表現出顯著差異（P＞0.05）。

表2 不同樣地生長季穿透降雨量的均值及標準差Table 2 Statistic of throughfall of the rain among differ‐ent study plots in the growth season of 2013 and 2014 mm

3.2 不同種植密度對土壤含水量（SM）的影響

3.2.1 土壤剖面平均含水量

不同樣地土壤剖面平均含水量見圖2。

圖2 研究期不同樣地土壤剖面平均含水量Fig.2 Mean soil moisture content of soil profile among different sample plots during the study period

如圖2所示，陰坡各樣地在豐水年（2013年）和平水年（2014年）SM規律相似，即陰坡不同密度樣地SM沒有顯著性差異（P＞0.05）；陽坡低密度在豐水年或平水年SM與其他密度間差異顯著（P＜0.05），而中密度和高密度則僅在平水年時明顯區別于其他密度。2013—2014年陰坡不同密度間SM均值沒有顯著性差異（P＞0.05），而陽坡各樣地SM均值從大到小依次為低密度（23.62%±3.13%）＞高密度（15.90%±4.13%）＞中密度（14.62%±3.50%），并且低密度（SUL）與其他密度間差異顯著（P＜0.05），這一結果與LI等［26］研究結果不同，但與其他研究結果［27-28］相似，即密度越高，SM越低，表明密度大林木利用土壤可貯存水分較多，造成林木間水分利用競爭。

密度對土壤水分的影響同時受其他因素干擾或控制，林木水分利用效率及生長往往同時受制于土壤可利用水分、土壤肥力等立地條件［29］。該研究中密度對土壤水分的影響并未體現在豐水年以及陰坡樣地，表明密度對SM的影響實際在水分條件較好時不太明顯，只有當水分條件較差（如陽坡或干旱年）時才會有一定體現。這一結果與部分研究［28］結論（密度對土壤水分的影響在干、濕各個年份或階段均有所體現）有所出入，但與其他較多研究結果相一致，即密度對土壤水分的影響以及林木間水分利用競爭僅在干旱年份或階段比較顯著［30-31］。密度對土壤水分的影響受其他因素干擾這一結果同時也解釋了該研究與部分其他研究結論上的差異，該研究不同密度的林地分布于半干旱半濕潤的土石山區，而LI等［26］研究區地下水位埋藏較淺（0～40 cm），具有地下水補給，因此隨著密度增大土壤水分并未呈減少趨勢。

3.2.2 土壤含水量（SM）的剖面分布

研究期不同種植密度SM在0～60 cm剖面分布情況如圖3所示。從SM垂直分布來看，各樣地進入6月前深層土壤（＞40～60 cm）SM整體高于表層土壤（0～30 cm）。在華北地區，約70%以上雨水集中在6—8月。6月之前，由于氣溫低、降雨少，林分中蒸發散主要由地表和腐殖質蒸發組成，導致這一時期表層SM較低。進入6月之后，大量降雨補充使得表層土壤（尤其是0～20 cm）含水量迅速上升。

圖3 研究期不同樣地土壤含水量的剖面分布Fig.3 Profile distribution of soil moisture content among different sample plots during the study period

將土壤剖面分為3個層次：表層（0～20 cm）、次表層（＞20～40 cm）、深層（＞40～60 cm），分別計算每層SM均值和標準差，并進行顯著性分析（表3）。表層在同一坡向上SM隨植被密度升高而降低，且陰坡高密度與中、低密度間差異顯著（P＜0.05），陽坡低密度與中、高密度間差異顯著（P＜0.05）。次表層陰坡各樣地隨植被密度升高SM增加，其中陰坡中、高密度間差異不顯著（P＞0.05），而低密度與中、高密度間差異顯著（P＜0.05）；陽坡低密度SM最高，且不同密度間SM差異顯著（P＜0.05）。深層SM相對次表層有所升高，陰坡SM隨植被密度增加而升高，且高密度SM顯著大于中、低密度（P＜0.05）；陽坡則相反，隨密度增加SM降低，低密度與中、高密度間差異顯著（P＜0.05）。

表3 不同土壤層的土壤含水量均值及標準差Table 3 Temporal averaged soil moisture content and its standard deviation in different layers %

從SM剖面分布看，陰坡表層由于不同密度植被蒸發散等不同［4］，使同一坡向上隨種植密度增加SM降低（圖3）。陰坡次表層和深層出現隨種植密度升高SM升高，這與部分研究［32］結果相近，但與前述大部分研究［27-28，32］結果不一致。結合研究區枯落物調查及植被葉面積指數、穿落降雨特性［33］，發現研究區陰坡高密度植被并不具備最大葉面積指數（LAI），低、中、高密度對應平均LAI指數分別為1.78、2.49和2.11，這導致在無降水期間高密度油松植被表層土壤可能因較大土壤蒸發損失而土壤水分降低，因此低密度油松林更易獲得較多降雨入滲；同時，高密度油松由于葉面積指數較低，植被需水量較少，導致次表層和深層土壤貯水較多。在陽坡，主要受土壤蒸發和植被蒸散等因素的影響［23］，土壤各層基本表現出隨種植密度增加SM降低的現象。

3.3 不同種植密度下土壤含水量（SM）的時間穩定性

圖4為各樣地平均相對偏差（MRD）及其標準差（STD）分布情況。從整體來看，同一剖面表層SM最不穩定，其次是深層，次表層較穩定，這與SENEVIRATNE 等［34］以及 WANG 等［35］研究相似，即表層土壤作為邊界層更易受降雨、蒸發散等因素影響，因此表層SM表現出高度的時間不穩定性；而深層SM則因為受根系分布及吸水特性的影響亦較為不穩定［7］。

圖4 研究期不同土壤層土壤含水量平均相對偏差（MRD）及其標準差（STD）Fig.4 Mean relative difference（MRD）and standard difference（STD）of soil moisture content among different sample plots during the study period

從不同密度來看，表層高密度油松樣地MRD值最低，其對應的STD值也較低，說明SM較穩定；而次表層和深層不同剖面表現規律不同：陰坡高、中密度樣地MRD值較高，其對應的STD值最低；陽坡低密度樣地MRD值最高，其對應的STD值較高?？傮w來看，高密度往往具有更低的STD值，即SM更為穩定；這一現象在陽坡表現更為明顯：如2013年深層陽坡低、中密度STD值分別為0.24和0.20，而陽坡高密度STD值為0.08，明顯低于低、中密度；又如2014年表層陽坡高、中、低密度STD值分別為0.05、0.13和0.17。高密度SM較穩定的原因可能與高密度樣地植被用水較多，而該地區降水較少，地下水無法有效補充［36］，植被可獲取水量少有關。為適應較少水分供給，植被自身形成一定的用水調節機制。相關研究已證實，在土壤干旱條件下，植被可通過減少蒸發散來適應缺水環境［37-38］。

綜合考慮MRD和STD指標，計算SM的時間穩定性指數（ITS）（圖5）。ITS值越接近0，表示該觀測點的時間穩定性越高。結果顯示：陰坡不同密度在次表層ITS值較低，即SM穩定性高；表層ITS值相對高，即穩定性較差。產生這一現象的原因部分推斷為表層易受更多因素如降雨、蒸發和林冠層截留等影響，而次表層或深層則主要受根系吸水影響。在陽坡，低密度樣地各層ITS明顯高于其他2個密度。

圖5 研究期土壤水分的時間穩定性指數（ITS）剖面分布Fig.5 The distribution of index of temporal stability among different sample plots during the study period

各樣地ITS值與其對應平均SM見圖6。結果顯示：陰坡各密度ITS值相對較低，也即SM隨時間變化較穩定；陽坡ITS值較陰坡普遍高，表明陽坡SM隨時間變化更劇烈。此外，陰坡低密度ITS與SM基本呈一定的分布規律，即隨SM增大，ITS增高，而中、高密度則分布規律不明顯。這主要由于低密度林分冠層稀疏，SM受降雨、蒸發等因素干擾影響較大，SM變化較大，ITS值也較大。陽坡各密度ITS和SM散點分布較散，其中低密度SM較高，ITS值亦高。陽坡低密度林分SM明顯區別于中、高密度，主要由于低密度林分植被需水較少，此外，陽坡低密度林分土壤層較厚（表1），深層存在部分毛管上升水（圖3），間接導致SM較其他密度林分大。而中、高密度種植植被需水較多，SM較少，即便發生有降水脈沖，植被也會迅速吸收降水補給，因此導致SM較低且較穩定，ITS較小。

圖6 陰坡與陽坡土壤含水量（SM）與時間穩定性指數（ITS）散點圖Fig.6 Comparison of soil moisture content against its temporal stability index on shady and sunny slopes

上述結果中，陽坡各密度間ITS及SM差別較大，證實了陽坡不同密度種植林分將顯著影響林地SM及其穩定性。陽坡應采用低密度林分進行森林經營才能保證可持續土壤水分，而陰坡密度對SM及其穩定性影響較弱。此外，陽坡總體呈ITS隨SM變化而變化的分布規律，因此，從采樣觀測來看，為有效反映SM的時間動態變化，陽坡應特別注意加大采樣監測頻率。

4 結論

該研究以華北土石山區不同坡向、不同密度人工油松林為研究對象，基于0～60 cm剖面SM的觀測與分析，研究發現：

（1）從整個土壤剖面來看，陰坡各密度間不論在豐水年或平水年SM差異均不顯著。陽坡低密度樣地SM最高，且與中、高密度間差異顯著，這種差異在平水年表現更為顯著；中、高密度間SM僅在平水年分別顯著區別于其他各樣地。說明密度對SM的影響在水分條件較好時不明顯，只有當水分條件較差（如陽坡或干旱年）時密度對SM的影響才會有一定體現。

（2）從不同土壤層來看，不同坡向SM隨密度變化趨勢不同：在陰坡，表層SM隨密度升高而降低；次表層與深層則由于高密度植被較高的穿落降雨特性和較大的枯落物累積量，土壤層具備更有利的貯水條件，因此，隨著植被密度增大土壤水分并未受顯著影響，SM并未減小。而在陽坡，各層SM隨密度升高均降低。

（3）高密度往往具有更低的STD值，也即SM更為穩定，且在陽坡這種規律更加明顯。在陰坡低密度樣地，SM越高，ITS值越大；而在陽坡，各密度總體呈現隨SM增加，ITS增大的分布特點。此外，陽坡ITS值總體比陰坡大，即陽坡較不穩定，密度對陽坡SM及其穩定性影響更明顯。

為促進森林生態服務功能，華北土石山區陽坡種植密度對陽坡土壤SM及其穩定性影響較大，中、高密度種植植被長期受到土壤水分脅迫，不利于植被生長，因此陽坡宜采用低密度林分種植；而在陰坡密度對SM及其穩定性影響較不明顯。