王志雄，赵嘉莹，郜文旺，左涛鸣

董志塬坡面造林地土壤水分及树种适应性研究

王志雄，赵嘉莹，郜文旺，左涛鸣

(黄河水利委员会 西峰水土保持科学试验站，甘肃 西峰 745000)

树种适应性；土壤水分；董志塬

针对董志塬区造林成活率低、保存率低等问题，结合水保大项目区林草建设实践，选取南小河沟林草大断面及典型流域造林点对其土壤含水量、土壤理化性状、林木生长量、林分密度等进行了观测调查，结果表明：林草大断面0～80 cm土层土壤含水量阴坡>阳坡,土壤有机质和氮、磷、钾等养分含量总体上阴坡>阳坡，同坡面有机质含量坡上位>坡中位>坡下位，土壤容重阳坡明显高于阴坡；同一立地条件下，造林密度影响土壤含水量，密度过高的林分土壤含水量减少。

林草植被是改善黄土高塬沟壑区生态环境的核心和基础。近20年来，董志塬区植被恢复虽取得初步成效，但“三低”问题、小老树问题、林草优化配置等问题仍然存在，没有有效实现治理目标和预期效益。笔者在已有研究成果的基础上，根据黄河水土保持生态工程齐家川示范区、砚瓦川项目区等林草工程建设实际，对南小河沟林草大断面及典型流域造林点土壤水分、林种适应性和密度配置等进行了观测调查，分析了不同立地条件对林草植被的影响，提出了适合董志塬区不同立地条件的水土保持造林树种。

1 研究区概况

董志塬区地处甘肃东部泾河上游，属典型的黄土高塬沟壑区，海拔969～1 362 m。该区属半湿润半干旱地区，年均气温为8.3 ℃，有效年积温为2 783.6 ℃，无霜期157 d，年均降水量515 mm，有效降水量440 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的60%以上，年均蒸发量达1 542 mm。林草植被主要靠天然降水生长，属北温带森林草原植被带。土壤以黑垆土、黄绵土为主，pH值为8.0左右。该区水土流失严重，土壤侵蚀模数为5 500 t/(km2·a)。

2 研究方法与内容

本研究采用野外调查采样与室内分析相结合的方法进行。

2.1 土壤含水量观测

在南小河沟林草大断面阴、阳坡的上、中、下部位的林地内设观测点30个，在崆峒沟小流域阴阳两坡设观测点20个，进行定期观测。观测时间为2013—2015年的4—10月，其中2013—2014年每30 d取样一次，2015年每60 d取样一次。采用圆形取土钻取样，每个观测点分别取4个深度(20、40、60、80 cm)的土样，以烘干称重法测定土壤含水量，进行对比分析。

2.2 土壤理化性状的测定

土壤有机质测定用重铬酸钾容量法，全氮测定用开氏法(全自动定氮仪)，全磷测定用NaOH熔融-钼锑抗比色法，全钾测定用NaOH熔融-火焰光度法，水解性氮测定用碱解扩散法，速效钾测定用乙酸铵浸提-火焰光度法，有效磷测定用NaHCO3提取-钼锑抗比色法。以环刀法测定土壤容重。土壤pH值采用pH计测量。

2.3 树种生长状况的调查

选取南小河沟林草大断面及崆峒沟等典型小流域，在其阳坡和阴坡的林分内，分别选定一定数量的样地，面积为10 m×10 m，对植物的生长状况进行调查，主要调查树种的株高、胸径、冠幅及林分的郁闭度。

3 结果与分析

3.1 年度降雨情况分析

董志塬区雨水不足是造成造林成活率及生长量低的主因，但在雨水充分的年份，有时造林成活率也并不是很高。究其原因，栽植树种能否成活主要取决于栽植时及栽植后两三个月的土壤贮水量，而在当地，雨水在时间分配上是不平衡的。从2012—2015年月降水量(见图1)分析可知，近几年当地3—5月降水量平均占全年降水量的15%，7—9月降水量占全年的60%以上。

图1 2012—2015年月降水量

在每年3月下旬造林的关键时间，由于3月上旬土壤刚解冻，还有上年秋冬季雨雪的蓄积且植物处于休眠期，因此除特殊的枯水年份外，高塬沟壑区的土壤含水量能够保证苗木萌芽生长时的水分需要。但进入4月中旬后，由于降水量较少，植物萌动生长耗水量增加，加之风沙天气多，因此土壤含水量开始下降，个别年份土壤含水量下降比较明显，这种现象一般持续到5月上旬或更久之后才能得到缓解。这一阶段，是土壤水分亏缺最严重的阶段，特别是阳坡土壤含水量最低，而对于苗木来讲，这又是需要水分的关键期，因此这一阶段成为树体生长和土壤水分供需矛盾最大的阶段，栽植的苗木能否成活往往取决于这个时间段。据西峰水土保持科学试验站资料,黄河水土保持生态工程齐家川示范区抗旱造林试验中，2002年春季造林成活率均在90%以上，这与2002年3—5月充足的降水密不可分，而2004、2005年春季造林成活率不足80%，其主要原因就是当年春季降水量较少，其中2005年春季降水仅为61 mm。

3.2 不同立地条件土壤水分分析

本文中的立地条件主要指坡向、坡位。影响林草生长的重要因子是土壤水分和气温，其中水分是制约该区植被恢复与重建的主要限制因子,它是“木桶效应”中最短的木板。

一般情况下，坡上位特别是峁顶由于位置高，风力及辐射强烈，蒸发量大，土壤水分状况较差；坡脚、沟道能够集流，水分条件较好；峁坡、沟坡水分状况主要受坡度的控制而变化较大，坡度大土壤水分差，坡度小则土壤水分较好[1]。坡向影响坡面接受的太阳辐射量，在单纯坡向因子的影响下，阳坡比半阴坡和阴坡要接受更多的太阳辐射，故阳坡蒸发强烈，土壤水分含量低。根据西峰水土保持科学试验站相关研究成果及本项目土壤水分测定结果(图2、3)，各立地条件土壤水分含量变化的规律为：阴坡土壤含水量明显高于阳坡，沟坡土壤含水量大于梁峁坡，同坡向坡面不同坡位土壤含水量存在差异，但变化相对不大。这表明在黄土高塬沟壑区，由于光热条件的差异，阴阳坡面土壤水分差异明显。

图2 南小河沟林草大断面阴坡土壤水分垂直变化

图3 南小河沟林草大断面阳坡土壤水分垂直变化

试验数据表明，南小河沟林草大断面0～20 cm土壤容重阳坡平均为1.34 g/cm3，阴坡平均为1.13 g/cm3，阳坡大于阴坡，这与阴坡土壤含水量较高，林草生长状况较好有关。

由于大气降水受坡面径流、垂直入渗、侧渗等影响，因此即使在同一坡面，不同坡位的土壤含水量也不同[2]。由图2、3可知，南小河沟林草大断面不同坡位土壤含水量阴坡为坡下位>坡上位>坡中位，阳坡为坡中位>坡上位>坡下位。测定数据表明，大断面0～80 cm内土壤平均含水量坡上位阴坡比阳坡高21.43%，坡中位阴坡比阳坡高10.90%，坡下位阴坡比阳坡高34.09%。大断面测定数据中坡面土壤含水量没有呈现出从坡上到坡下递增的规律，这与刘梅等[3]和徐学选等[4]对黄土高原地区不同坡面位置土壤含水量的研究结论相一致。本研究认为，这除与地形复杂、土壤疏松等情况有关外，主要是由于不同的造林树种和林草密度造成的。

一是同一坡面造林树种不一致，其生态学、生物学特性不同，导致耗水量也不同，影响了土壤含水量的分布规律。杨建伟等[5]的研究表明，刺槐是高耗水量树种，在同一土壤水分条件下，刺槐总耗水量在适宜水分、中度干旱、严重干旱情况下分别是油松的55、30、46倍。调查表明，株行距2 m×2 m的刺槐林20年后郁闭度达0.90以上，由于密度大，加之树较高，林下土壤含水量低于相同立地条件下的其他林地，这与杨建伟等的研究结论一致。与同期其他树种相比，南小河沟阳坡刺槐纯林生长势明显减弱，呈现出明显的老化现象。

二是同一坡面不同坡位目前保存的林草密度不同。试验断面阳坡坡上位林草密度适中，为林草型，相对耗水量较低；坡中位林木密度适中；坡下位为纯油松林，密度较大，已完全郁闭，林下无植被生长，土壤干化。阴坡坡上位为混交林木，但相对坡中位来说，密度不是很大；坡中位为经果林核桃，密度较大，已完全郁闭，耗水量大，林下植被较差；坡下位为乔草配置，密度适当，枯落物较多，林下植被丰富，林木生长良好。试验表明，林木的遮蔽、蓄水作用，减少了地表水分的蒸发，但密度过高的林分，大量的蒸腾耗水量使得土壤含水量减少。

3.3 不同立地条件土壤养分分析

在小流域范围内，不同地形条件下降雨的分配模式截然不同，从而影响到物质在地表和土壤剖面的迁移和再分布过程。同时，土壤形成和发育过程中，植物与土壤不断进行物质交换，大量的枯枝落叶归还于土壤，增加了土壤肥力，极大地改善了土壤养分。

南小河沟林草大断面土壤理化性状测定结果详见表1。有机质是各种营养元素特别是氮、磷的主要来源，是土壤肥力高低的重要指标。南小河沟林草大断面0～20 cm土壤有机质含量阳坡平均为17.19 g/kg，阴坡平均为30.86 g/kg，阴坡含量明显大于阳坡；同坡面不同坡位下土壤有机质的含量不同，坡上位、坡中位、坡下位土壤有机质依次降低。全氮含量阳坡平均为1.61 g/kg、阴坡平均为2.71 g/kg，水解性氮含量阳坡平均为19.91 mg/kg、阴坡平均为54.70 mg/kg，阴坡均明显高于阳坡。全磷含量阳坡平均为0.34 g/kg、阴坡平均为0.37 g/kg，有效磷含量阳坡平均为1.69 mg/kg、阴坡平均为2.40 mg/kg， 不同地形部位间土壤全磷、有效磷含量均较低，变化不明显，但阴坡总体高于阳坡。全钾含量阳坡平均为18.74 g/kg、阴坡平均为19.35 g/kg，速效钾含量阳坡平均为73.67 mg/kg、阴坡平均为101.11 mg/kg，阴坡总体高于阳坡。

表1 南小河沟林草大断面0～20 cm土壤理化性状测定结果

不同立地条件林草大断面测定数据表明，土壤养分含量总体上阴坡高于阳坡，同坡面有机质含量坡上位>坡中位>坡下位，并且混交林增加土壤有机质和养分的能力要强于纯林，更能提高养分的有效性。

3.4 不同立地条件树种生长状况调查分析

油松、侧柏为目前董志塬区两大主要常青造林树种。在荒山造林中，素有阳坡侧柏、阴坡油松之说。通过在水土保持生态工程齐家川示范区、南小河沟科技示范园、泾河流域砚瓦川项目区的大面积建设实践，认为油松、侧柏在黄土高塬沟壑区，无论在阳坡、阴坡均以良好的抗旱性、抗寒性、抗逆性表现出优于其他树种的适生性。特别是油松，在阳坡、阴坡均表现优异，而侧柏在阳坡坡上位及梁峁处适生性明显低于油松。对砚瓦川项目区2007年3个造林点的调查表明，峁顶山头处侧柏当年成活率均达到80%以上，次年保存率均低于50%，而油松成活率、保存率均在85%以上。其中贺家塬梁峁调查点造林规格为2 m×3 m，3年生侧柏次年保存率不足13%，而4年生油松保存率达89%以上。在次年补植时，全部栽植成4年生油松。2016年调查统计结果为：油松平均高3.02 m，侧柏平均高2.86 m；油松平均胸径3.04 cm，侧柏平均胸径2.15 m；油松林郁闭度达0.63，侧柏林郁闭度为0.25。

调查表明，各林分密度不同、郁闭度不同，林下的植被生长情况明显不同。阴坡水平阶整地种植的株行距2 m×3 m的10年树龄油松林，郁闭度达0.65以上，林下植被种类比较丰富，土壤含水量适中，乔草生长势旺盛，植被覆盖度高；而株行距1.5 m×2 m、2 m×2 m的20年树龄油松林，由于林分密度大，树冠已完全郁闭，因此林下的土壤水分条件及光照条件都受到严重影响，林下植被品种很少或几乎没有，林分单一，很不稳定，土壤裸露干化现象比较严重，出现了林下水土流失问题。同样，在株行距1.5 m×2 m、2 m×2 m的25年树龄刺槐林内，由于密度较大，刺槐明显生长不良，树形细而高，树枝稀少，树体老化。

在没有后期抚育更新的情况下，树种在20～30年后，生长势变弱，密度越大老化现象越严重。这种现象以刺槐林最为明显，其林地土壤含水量较油松、侧柏等低。根据树冠生长特点及分枝多少，侧柏造林株行距应在2 m×2 m以上，油松、刺槐造林株行距应在2 m×3 m以上。调查发现，适宜的造林密度可使林下植被增多，草覆盖度提高，恢复并维持林分内的水量平衡。

调查表明，狼牙刺耐干旱、瘠薄，在立地条件差、其他乔灌木树种很难存活的情况下，栽植狼牙刺能够尽快恢复植被。刺槐根系发达、萌蘖力强，既喜湿润肥沃的土壤，又耐干旱瘠薄，有较强的适应性和抗逆性，是良好的水土保持乡土树种。杜梨喜光、耐寒、耐旱、耐瘠薄，在阳坡栽植保存率较高，也是当地水土保持的优良树种。沙棘耐干旱、耐瘠薄，根系发达，根萌蘖能力强，郁闭成林较快，是封山禁牧的优势树种。酸枣等阳性野生小灌木在阳坡，特别在阳沟坡生长适应性好。

4 结论与讨论

不同坡向的坡面由于光照等条件不同，土壤含水量存在差异。南小河沟林草大断面0～80 cm土壤含水量阴坡>阳坡，坡上位阴坡比阳坡平均高21.43%，坡中位阴坡比阳坡高10.90%，坡下位阴坡比阳坡高34.09%；同一坡面，阴坡坡下位>坡上位>坡中位，阳坡坡中位>坡上位>坡下位。土壤有机质等养分含量阴坡大于阳坡，土壤容重则阳坡明显高于阴坡。不同立地条件林草大断面有机质含量坡上位>坡中位>坡下位，并且混交林增加土壤有机质和养分的能力要强于纯林。观测到的有机质含量及理化性状能明显反映出不同立地条件的土地肥力，这也是适地造林的依据。

造林密度影响林木的保存率及以后林分的生长，能改变林内的土壤水分条件、光照等因子，这些因子反过来也能反映林内的植被状况。造林密度过大，过分强调提前郁闭，土壤水分不能达到林木生长的要求，一是导致枝叶遮挡阳光，抑制林下其他植被生长，使树下无小灌木、草丛等，二是易破坏水分平衡，形成小老树，最终导致土壤干化。因此，在后期抚育更新管护跟不上的情况下，一定要根据立地条件科学确定造林密度。

土壤水分是影响植物生长的关键因素。一般情况下，在陇东黄土高塬沟壑区阳坡适生性好的树种，在阴坡也能表现出良好的适生性。在阳坡适生性较好的有侧柏、狼牙刺、紫穗槐、沙棘、油松、柠条、杜梨、榆树、山杏、椿树、刺槐、文冠果、酸枣等耐干旱瘠薄的树种，在阴坡适生性较好的有油松、沙棘、侧柏、刺槐、小叶杨、杜仲、白蜡、虎榛子等树种。对于一些耗水量较大的树种，如刺槐等，在阳坡营造时应以坡中及坡下位为宜；对于耗水量较少、抗旱性较强的树种，如狼牙刺等，则可营造在各种立地条件，特别是水分条件较差的阳坡、梁峁和坡度较陡的地方。

由于研究不同坡位土壤水分的时间较短，使得试验结果有一定的局限，今后可加强这方面的数据积累，通过对连续多年的观测数据进行比较和分析，减少试验中出现的偶然性误差，增加试验结论的准确性。

[1] 杨文治.黄土高原的土壤水资源和造林问题[J].自然资源学报,2001,16(5):433-438.

[2] 费喜亮,张新民,景凌云.半干旱黄土区土壤水分垂直分布规律的研究——以甘肃省兰州市孙家岔流域为例[J].土壤学报,2013,50(4):652-656.

[3] 刘梅,蒋定升,黄国俊,等.不同坡面位置土壤水分差异规律分析[J].水土保持通报,1990,10(2):16-20.

[4] 徐学选,刘文兆,高鹏,等.黄土丘陵区土壤水分空间分布差异性探讨[J].生态环境,2003,12(1):52-55.

[5] 杨建伟,梁宗锁,韩蕊莲.黄土高原常用造林树种水分利用特征[J].生态学报,2006,26(2):558-565.

(责任编辑 徐素霞)

水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放课题基金项目(2015006)

S725.1

A

1000-0941(2017)09-0052-04

王志雄(1975—)，男，甘肃庆阳市人，高级工程师，学士，主要从事水土保持生态建设与科学研究工作。

2017-05-15