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不同密度和水分管理下毛白杨林分土壤水分特征

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2024-08-18 16:59

土壤水分作为影响森林植被生长的关键性因子，控制着生态系统中物质与能量的分配和传递，在森林生产力形成、林地地力维持和森林演替中发挥着重要作用[1]。土壤水分动态变化是水分输入、土壤蒸发、林分蒸腾和林冠截留等过程综合作用、动态平衡的结果，受降水、土地利用类型、人为干预及土壤属性等共同影响[2−3]。据报道，在过去20年里，持续的土壤水分亏缺使东亚内陆出现了前所未有的热浪和干旱耦合，这种现象是不可逆转的[4]。且未来随着人为温室气体排放的增加，夏季土壤水分条件将表现为干旱区更加干燥而湿润区更加湿润的极端变化趋势[5]。在此背景下，浅层土壤水分不断被消耗，为了在旱季维持林木生长的水分需求，深根系树种需要不断加强对深层土壤水分的获取，以抵抗面临的干旱胁迫[6−7]，因此研究更深层土壤水分动态变化对于水分亏缺地区的植被生长和更新至关重要。

在具体的林分尺度中，考虑到土壤类型和地形的同质性，土壤水分的动态变化主要受气候环境、植被类型和林地管理模式的影响[8−9]。长期以来，国内外对超过4 m深度林分土壤水分已开展大量研究，主要探讨了土地利用方式[10]、地形[11]、植被类型[12]、林分密度[13]和林龄[14]等对土壤水分分布及消耗的影响。同时，现有研究表明，森林经营管理措施能对植被的耗水强度产生重大影响，并在维持人工林的存活和生长方面发挥着重要作用，其中密度调控和灌溉等营林措施能够从水分输出（主要包括林地蒸发和林分蒸散）和输入特征上影响人工林土壤水分条件，继而影响水土保持及林地生产力。例如，Andrews等[15]研究发现低密度林分能在干旱条件下维持较高的林木生长并提高自身的抗旱能力，而Liu等[16]发现灌溉能够降低深层土壤的干燥速率。因此，尽管不少学者对灌溉和造林密度林分的深层土壤水分进行了相关研究，但是密度和灌溉如何协同调控速生人工林的土壤水分，目前还了解甚少。

杨树（Populus spp.）不仅在我国北方防护林和城市道路绿化建设中广泛应用，还是全球中纬度平原地区栽培面积最大，且木材产量最高的速生用材树种之一。据全国第九次森林资源清查显示，我国杨树人工林面积达757万hm2[17]。然而随着林龄的增大，我国许多地区的杨树人工林出现大面积感病、老化和死亡等退化现象。一些研究表明我国杨树人工林存在着不同程度的干旱胁迫以及土壤干层现象[18−19]。土壤干层一般分为可恢复性和永久性的两种，前者可以通过降水或者灌溉解除胁迫，而永久性土壤干层的形成意味着地表水分输入和地下水之间无法通过土壤进行有效水分交换，成为土壤水分可持续利用的严重障碍[20−21]。还有研究发现干旱是我国北方地区（主要为“三北”防护林工程区）杨树人工林出现退化和死亡的主要原因，且中国北方许多杨树林中存在潜伏的溃烂病细菌，从而增加其对干旱胁迫的敏感性[22−24]。此外，有学者发现华北平原37年生欧美杨（P. euramericana ‘Sacrau 79’）人工林的0 ~ 6 m土层存在严重的土壤干燥化，而三倍体毛白杨无性系B301（（P. tomentosa × P. bolleana） × P. tomentosa）幼龄林内已出现不同程度的土壤干层现象[16]。因此，为缓解华北平原杨树人工林的土壤干燥化提供一定的理论基础，研究不同密度和水分管理调控下的杨树人工林土壤水分变化十分必要。

综上，本研究以我国华北地区杨树速生丰产林建设的主要树种毛白杨为研究对象，通过对不同密度和水分管理下毛白杨林分0 ~ 6 m土层的土壤连续取样，确定不同林分的土壤水分分布及利用状况。探究灌溉和林分密度如何交互影响毛白杨人工林6 m土壤剖面内的水分分布特征；探讨造林密度和水分管理对土壤储水量的影响；明确毛白杨幼龄林中是否出现土壤干层现象。

1. 研究区概况及研究方法

1.1 研究地和试验林概况

研究区位于山东省聊城市高唐县清平镇国有旧城林场（36°47′N，116°03′E），海拔约35 m。研究地属于华北黄泛冲积平原，地势平坦，暖温带半湿润大陆性季风气候，雨季和旱季分明，该区域年平均降水量为500 ~ 900 mm，年均蒸发量为1 880 mm，年均温13.9℃（1981—2020年）。

在2017年，采用“两根一干”的‘北林1号’毛白杨（（P. tomentosa × P. bolleana） × （P. alba × P. glandulosa））苗木进行造林。以3种林分密度（Ⅲ3 m × 3 m、Ⅱ3 m × 6 m和Ⅰ6 m × 6 m，以下简称“高密度”、“中密度”和“低密度”）建设了3个试验林。在低密度和高密度林分中随机设置雨养（rainfed，NI）和滴灌（drip irrigation，FI）两种水分处理，其中在高密度林分设定了5个重复，在低密度林分设定了3个重复。此外，为了进一步探究不同水平栽植密度对林分土壤水的影响，在中密度林分中额外设置了3个雨养处理重复。具体处理包括FIⅢ、FIⅠ、NIⅢ、NIⅡ和NIⅠ。每个试验小区含16 ~ 25棵树，小区外围设有保护行。各处理林分基本概况见表1，根据美国农部制分类法确定林地土壤物理性质，见表2。滴灌管布设同文献[25]，2017—2020年对滴灌处理进行常规旱季滴灌。2021年4月25日—7月05日用张力计测定FIⅢ和FIⅠ林分内滴头正下方20 cm的土壤水势，当林分平均土壤水势达到−20 kPa时（田间持水量的79%）开始滴灌，单次滴灌约7 h，2021年FIⅢ和FIⅠ林分的灌溉量分别为354.30和143.61 mm，2021年试验地毛白杨生长季（4—10月）总降水量为784.1 mm。

表 1 2021年不同密度和水分处理林分基本情况

Table 1. Basic information of stands under different densities and water treatments in 2021

处理
Treatment 平均胸径
Average DBH/cm 平均树高
Average tree height/m 林分蓄积量/（m3·hm−2）
Stand volume /（m3·ha−1）林地生产力/（m3·hm−2·a−1）
Forest land productivity /（m3·ha−1·year−1） FIⅢ 14.57 ± 0.55ab 15.65 ± 0.44a 119.1 ± 11.12a 36.61 ± 3.60a FIⅠ 15.49 ± 0.50a 12.55 ± 0.15b 15.28 ± 1.15b 6.94 ± 0.30c NIⅢ 12.92 ± 0.87b 15.33 ± 0.40a 92.32 ± 13.25b 25.58 ± 4.64b NIⅡ 14.79 ± 0.81ab 14.78 ± 0.79a 58.74 ± 8.10c 21.20 ± 4.12b NIⅠ 14.48 ± 0.74ab 12.47 ± 1.04b 13.38 ± 2.21c 5.76 ± 1.30c 注：NI.雨养；FI.滴灌。不同小写字母表示同列不同处理间差异显著（P < 0.05）。Notes: NI, rainfed; FI, drip irrigation. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments (P < 0.05).

表 2 试验地的土壤物理性质

Table 2. Soil physical characteristic of the experimental site

土层
Soil layer/cm颗粒组成 Soil particle size distribution/%质地
Soil texture土壤密度
Bulk density/（g·cm−3）砂粒 Sand粉粒 Silt黏粒 Clay 0 ~ 4051.9642.185.85砂壤土 Sand loam1.37 40 ~ 46024.2767.907.83粉壤土 Silt loam1.49 460 ~ 60056.8237.755.43砂壤土 Sand loam1.63 1.2 根样采集及细根根长密度测定

2021年9月上旬，在5个处理中分别选择3个小区，每个小区中选择一株平均标准木。利用土钻（内径8 cm）在距树干50 cm（位于FI处理中的湿润区）以及林分树行中央处（距树150 cm或300 cm，位于FI处理中的干燥区）进行取样[25]，取样深度为600 cm。使用长分别为1、2、3、4、5和6 m的长柄钢管土钻依次进行取土，土钻钻头部分为改良后的洛阳铲，在钢管柄上用白色涂改液每隔10 cm进行标记，用大锤将长柄砸入相应取土深度后，再将土钻拉出以获取相应土层的根样。其中0 ~ 100 cm深度每10 cm一层，100 ~ 600 cm深度每20 cm一层，共15株样树，1080份根样。根据祝维等[26]方法，获得细根的根系长度（cm）数据。细根根长密度（m/m3）为细根长度与相应土样体积的比值。

1.3 土壤含水量的测定及土壤储水量的计算 1.3.1 土壤含水量、颗粒组成和密度的测定

用土钻（内径5 cm）分别在2021年的旱季（5月初和6月）及雨季（8月和10月）对5个林分进行取土，每次取样时，在各处理中均随机选取4棵试验树，在距树干50 cm以及林分树行中央处进行取土，取土深度为600 cm，其中0 ~ 100 cm深度每10 cm一层，100 ~ 600 cm深度每20 cm一层，利用烘干法测定土壤含水量（soil water content，SWC）。在3个不同密度林分的雨养处理中分别各选3个样点，利用土钻采样至600 cm，土样每隔20 cm土层采样一次并混合均匀，土样风干后采用吸管法测定土壤颗粒组成。烘干法测定雨养条件下不同密度试验林的土壤密度（0 ~ 600 cm，每20 cm为一层）。

1.3.2 土壤储水量的计算

土壤储水量（W，mm）利用不同土层的土壤含水量、密度与对应土层深度运算得到，见公式（1）。

式中：wi为第i层的土壤含水量（%）；ρi为第i层的土壤密度（g/cm³），Hi为第i层的土壤厚度（cm）。

此外，利用公式（2）计算不同处理林分在生长季内的土壤储水量变化量（ΔW，mm）。

式中：W2和W1分别为2021年生长季末期（10月）和初期（5月初）不同土层的土壤储水量。

1.4 土壤干层的界定

基于田间持水量所对应的土壤水势（−10 kPa）[27]，利用不同土层的颗粒组成及土壤密度在HYDRUS软件（Hydrus-1D，https://www.pc-progress.com）内进行计算得出试验林对应土层的田间持水量。将田间持水量的60%计算得到的土壤储水量作为形成土壤干层的土壤储水量阈值[21]。将3个密度林分平均储水量阈值作为试验林形成土壤干层的土壤储水量阈值。将2021年软件模拟的各土层田间持水量数据与2019年底试验林内的实测数据进行比较（图1）发现，受植被和环境因素的影响，0 ~ 100 cm土层内田间持水量模拟值整体低于实测值，但在100 ~ 300 cm土层内决定系数R2为0.85（P < 0.001），HYDRUS软件模拟效果较为准确。

图 1 试验林不同深度土壤田间持水量实测值与模拟值比较

Figure 1. Comparison of measured and simulated field capacity in experimental forest under different depths

1.5 数据分析

毛白杨为深根系树种，依据Pierret等[28]和Maeght等[29]的研究，100 cm以下土层中的根系为深层根系，因此将杨树林分中0 ~ 100 cm定义为浅土层，而100 ~ 600 cm土层为深土层[30]。此外，研究表明，杨树细根主要分布于0 ~ 30 cm土层[31]，且该土层易受太阳辐射和降水等因素的影响，因此将浅土层划分为0 ~ 30 cm（表土层）和30 ~ 100 cm（中土层）。为了研究不同处理对毛白杨林分深层土壤水分的影响，采用变异系数法将100 ~ 600 cm土层从上到下依次划分为3层：100 ~ 200 cm（活跃层）、200 ~ 400 cm（次活跃层）和400 ~ 600 cm（相对稳定层）[32]。

各处理林分土壤含水量（各处理土壤水分的水平分布特征除外）和土壤储水量均由不同距树距离处的数值平均得到。文中未涉及到时间动态的土壤含水量数据均为各时期（5、6、8和10月）的平均值。采用Shapiro-Wilk检验数据是否服从正态分布，采用对数转化法转化不满足要求的数据，转化后仍不满足要求则进行非参数检验。使用独立样本T检验分析同一土层内不同距树距离和不同时期的土壤含水量差异。使用一般线性模型单变量分析对不同处理和土层的细根根长密度、土壤含水量和储水量进行方差分析，在α = 0.05时使用Tukey’s HSD检验进行多重比较，并额外对不同土层内FIⅢ、FIⅠ、NIⅢ和NIⅠ处理进行密度和水分管理交互作用的双因素方差分析。所有数据整理和统计分析在Excel 2016和SPSS 27软件中进行。所有绘图在软件Origin2022b中进行。

2. 结果与分析

2.1 毛白杨细根分布格局

中密度（NIⅡ）和低密度林分（FIⅠ和NIⅠ）在浅土层中（0 ~ 100 cm）距树50 cm处细根根长密度高于树行中央处；高密度林分（FIⅢ和NIⅢ）在不同土层中细根根长密度分布差异小于其他密度（图2）。深土层（100 ~ 600 cm）中各处理细根分布受距树距离的影响不明显（图2）。5种细根根长密度峰值出现在0 ~ 30 cm中（表3），在土壤剖面内随土层深度增加而减少，且FIⅢ、FIⅠ和NIⅡ细根根长密度在0 ~ 30 cm土层显著高于200 ~ 400 cm和400 ~ 600 cm土层。雨养条件下，NIⅢ细根根长密度在100 ~ 200 cm土层为1 223.86 m/m3，显著高于NIⅠ（P < 0.05）。

图 2 不同密度和水分管理下细根根长密度的二维空间分布

Figure 2. Two-dimensional spatial distribution of root length density (RLD) under different densities and water treatments

表 3 不同密度和水分管理下各土层的平均细根根长密度

Table 3. Average RLD in each soil layer under different densities and water treatments

m/m3 处理 Treatment 土层 Soil layer/cm 0 ~ 30 30 ~ 100 100 ~ 200 200 ~ 400 400 ~ 600 FIⅢ 1 971.67 ± 456.97Aa 1 264.15 ± 447.82Aab 451.71 ± 176.84Bb 346.52 ± 118.01Ab 121.12 ± 16.11Ab FIⅠ 6 997.50 ± 866.28Aa 836.25 ± 165.36Ab 171.17 ± 46.57Bb 270.52 ± 26.22Ab 298.40 ± 70.30Ab NIⅢ 4 686.82 ± 331.50Aa 3 119.27 ± 2 065.69Aa 1 223.86 ± 94.34Aa 404.95 ± 47.77Aa 415.24 ± 45.14Aa NIⅡ 5 828.61 ± 723.29Aa 1 199.00 ± 199.47Ab 673.68 ± 51.98ABb 422.52 ± 75.87Ab 410.43 ± 93.22Ab NIⅠ 4 452.10 ± 3 850.95Aa 1 365.34 ± 580.03Aa 473.06 ± 191.01Ba 398.97 ± 124.32Aa 188.02 ± 17.11Aa 注：不同大写字母表示同列不同处理间差异显著（P < 0.05），不同小写字母表示同行不同土层间差异显著（P < 0.05）。Notes: different uppercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments (P < 0.05), and different lowercase letters in the same row indicate significant differences among varied soil layers (P < 0.05). 2.2 毛白杨林分土壤水分的二维空间分布特征

所有林分中，距树不同距离的土壤含水量垂直分布特征相似（图3）。SWC在0 ~ 260 cm土层中随深度增加而增大，但在260 cm以下土层中呈波动变化，并在240 ~ 260 cm（SWC值为26.37% ~ 30.56%）和360 ~ 400 cm（SWC值为22.79% ~ 33.00%）深度出现峰值。密度和水分管理均能对土壤水分的水平分布特征产生影响（图3）。雨养条件下，NIⅢ中不同距树距离的SWC在各土层中相近；NIⅡ和NIⅠ距树50 cm处SWC低于树行中央处，但仅在NIⅡ中0 ~ 30 cm、30 ~ 100 cm和100 ~ 200 cm土层具有显著差异（P < 0.05）。滴灌条件下，0~100 cm范围内，距树越近土壤SWC越高（P < 0.05），但该现象在更深土层中未出现（P > 0.05）。

图 3 不同密度和水分管理下土壤含水量的二维空间分布

*代表该土层深度不同水平距树距离处土壤含水量差异显著（P < 0.05）。* indicates significant differences (P < 0.05) in soil water content at different horizontal distances from tree base in the same soil layer.

Figure 3. Two dimensional spatial distribution of soil water content under different densities and water treatments

各处理土壤含水量均随土层深度增加而先增后减，在200 ~ 400 cm土层达到峰值；浅土层（0 ~ 100 cm）土壤含水量（5.62% ~ 15.53%）显著低于深土层（100 ~ 600 cm）土壤含水量（16.50% ~ 27.00%）（P < 0.05）（图4）。雨养条件下，浅土层中，NIⅡ的SWC在各密度林分间最高，分别显著高于NIⅢ和NIⅠ处理15.28%和40.71%；而在深土层中，NIⅢ的SWC最高，且在200 ~ 400 cm土层显著高于NIⅡ。此外，密度（高密度和低密度）和水分管理（雨养和滴灌）交互作用对各土层SWC影响均不显著。高密度林分中，滴灌能显著提高0 ~ 30 cm、30 ~ 100 cm和100 ~ 200 cm土层的含水量；然而，低密度林分中，滴灌对土壤水分提升作用仅出现在0 ~ 30 cm土层。

图 4 不同密度和水分管理中各土层的平均土壤含水量

不同小写字母代表不同土层SWC差异显著（P < 0.05），不同大写字母代表不同处理SWC差异显著（P < 0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences in SWC among soil layers(P < 0.05), and uppercase letters indicate significant differences in SWC among treatments (P < 0.05).

Figure 4. Average soil water content in each soil layer under different densities and water treatments

2.3 毛白杨林分土壤水分时间分布特征

相同水分管理下各处理的土壤含水量随时间动态变化相似，但变化幅度不同（图5）。雨养条件下，0 ~ 30 cm土层中各处理SWC在5、6和8月接近（4.29% ~ 5.10%）；在30 ~ 100 cm、100 ~ 200 cm和200 ~ 400 cm土层中，5至6月各处理SWC均逐渐下降，随着雨季来临（8月），各处理SWC整体提高，并在10月达到最高（图5a）。滴灌处理在30 cm以下土层中的SWC最大值也出现在10月。与雨养处理相比，滴灌处理在0 ~ 30 cm土层中SWC随时间变化的幅度更大；但在30 ~ 100 cm、100 ~ 200 cm和200 ~ 400 cm土层中，滴灌处理SWC随时间变化更为平缓（图5b）。

图 5 2021年5—10月不同密度和水分管理各土层土壤含水量时间动态变化

Figure 5. Temporal dynamics of soil water content in each soil layer under different densities and water treatments from May to October in 2021

2.4 毛白杨林分土壤储水量及其变化

在不同水分管理下，密度均显著影响0 ~ 600 cm土层内的储水量（W）（P < 0.05），受植被覆盖等因素的影响，高密度林分内的储水量最大（FIⅢ和NIⅢ分别为1 957.99和1 772.53 mm），NIⅡ处理W最低，为1 547.25 mm（图6）。滴灌仅能显著提高高密度林分土壤储水量（P < 0.05）。

图 6 不同密度和水分管理土壤储水量

不同小写字母代表不同处理土壤储水量差异显著（P < 0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences in soil water storage among treatments (P < 0.05).

Figure 6. Soil water storage under different densities and water treatments

雨养条件下，NIⅢ和NIⅠ均在460 ~ 580 cm或500 ~ 600 cm出现连续土壤水净消耗（ΔW为负），而NIⅡ处理仅在500 cm处出现6.56 mm的土壤水净消耗。与雨养处理相比，滴灌处理土壤储水量在深土层中出现负增长的土层深度更深，且土壤水净消耗更少（图7）。

图 7 2021年5—10月不同密度和水分管理下土壤储水量变化量

土层深度0 ~ 6 m每20 cm采集一组数据。Data were collected every 20 cm at soil 0 to 6 m depth.

Figure 7. Variations of soil water storage variation under different densities and water treatments from May to October in 2021

对比不同土层的ΔW可以看出，所有林分中的土壤水补偿量均在100 ~ 200 cm土层中达到最大。不同林分间土壤水分补偿量在浅土层（0 ~ 100 cm）和深土层（100 ~ 600 cm）中截然不同（图7）。浅土层内，高密度林分中的土壤水分补偿量在滴灌和雨养条件下分别高于低密度林分23.93%和52.93%，但在雨养条件下低于中密度林分23.49%。深土层内，雨养条件下中密度林分的土壤水分补偿量仍最大（403.12 mm），但高密度林分（215.87 mm）低于低密度林分（248.78 mm），且该现象在滴灌条件下也存在。此外，在不同造林密度下，滴灌降低了浅土层中的水分补偿，但增加了深土层中的水分补偿。

2.5 各处理土壤干层现象

雨养条件下不同林分仅在0 ~ 220 cm土层内均出现短暂性的土壤干层现象，但滴灌和降雨能缓解或消除该现象，其中FIⅢ、FIⅠ、NIⅢ、NIⅡ和NIⅠ处理6月份出现土壤干层现象的土层深度最深，分别为120、160、220、220和180 cm（图8）。

图 8 不同密度和水分管理下不同土层深度内土壤干层现象

Figure 8. Phenomenon of dry soil layer (DSL) in different soil depths under different densities and water treatments

3. 讨　　论

3.1 密度和水分管理下毛白杨林分土壤水分分布特征

一般来说，林分根系和冠层在高密度林分水平空间上的分布更为均匀（图2）[31,33]，因此距树50 cm与树行中央处的土壤含水量在NIⅢ处理中无明显差异；而NIⅡ和NIⅠ林分在0 ~ 100 cm剖面内各土层均出现距离树干越远，细根根长密度越低（图2），土壤含水量越高的现象（图3）。FI能够通过增加水分输入的形式使距树50 cm处0 ~ 160 cm土层SWC高于行中央位置（图3），但不同林分出现的SWC水平空间差异均会在雨季到来即停灌之后逐渐消失。试验林10月为雨季结束时期，大量降水持续积累，同时10月也是毛白杨林分生长季末期，林分需水量降低，故此时各处理林分的土壤含水量最高（图5）；毛白杨的生长及蒸腾耗水量高峰出现在每年的5—8月份[31]，这一时期试验地尚未进入雨季后期，因此雨养条件下不同密度林分在雨季前（6月）最干燥，而在旱季（4—7月）进行滴灌充分灌溉能明显缓解浅土层根区土壤水分的大量消耗[25]，使得滴灌处理在0 ~ 30 cm土层中土壤含水量的最低值出现在8月（图5）。土层越靠近表层，其水分动态变化受根系分布、降水和太阳辐射的影响越大，因此其随时间变化幅度越大；反之，越靠近深层SWC主要受水分输入的补给及根系吸水的影响，随时间变化幅度越小。本研究在30 cm以下土层中，随土层深度的增加，5种处理土壤含水量随时间变化越平缓。此外，灌溉期间相同密度林分中滴灌处理在30~ 400 cm内各土层SWC随时间变化幅度更平缓（图5），即滴灌充分灌溉也能够减少毛白杨林分土壤含水量的时间变异性。

3.2 密度和水分管理下毛白杨林分储水量及土壤干层现象

受低林分郁闭度和高林下植被生物量的影响，浅土层的土壤含水量在低密度林分下最低（图4），灌溉能给林分根系聚集区提供大量有效水，但是浅层土壤水分得到补偿后的林分蒸散也会随之增加。尽管低密度林分提高了灌溉次数，滴灌对低密度林分土壤储水量及30 cm以下土层的土壤含水量的提高均未达显著水平；而滴灌显著提高了高密度林分0 ~ 30 cm、30 ~ 100 cm和100 ~ 200 cm土层土壤含水量及林分总土壤储水量，换而言之滴灌仅显著改善了高密度林分的土壤水分条件（图4，图6）。本研究中相同水分管理下高密度林分具有更好的深层土壤水分状况（图4），这与不少研究者的结论相反，可能是因为其研究区域大多为降水量与地下水位较低的干旱/半干旱地区，试验林林分密度更大且林龄高，因而对深层土壤水分过度利用现象更为严重[34−35]，而本试验地生长季降水量高达784.1 mm，年均地下水位深7.52 m，5年生林分属于毛白杨大径材培育周期中的幼林期，仅高密度林分达到完全郁闭，因此密度没有引起土壤水分的规律性变化。相反，高密度林分植被在人工林培育前期可能通过减少林地蒸发，抑制林下植被生长和改善土壤理化性质等提升土层的蓄水能力，从而有着更好的土壤水分条件[36−37]。同时，NIⅡ处理具有较高的林地生产力（高林分蒸腾量）和较低的林分郁闭度（高土壤蒸发量），使浅层土壤水分有效性持续降低，为了满足生长需求，林木会将更多的细根生长转移到更深（200 ~ 400 cm和400 ~ 600 cm）的土壤深度（表3），加强对深层土壤水分的利用和消耗[38]，因此，NIⅡ在5种林分中土壤储水量最低。

本研究发现，雨养条件下，NIⅡ的浅土层100~ 600 cm储水量增量最大，而NIⅢ最低（图7），这可能是因为NIⅢ处理林地生产力最高，在生长季内的林木耗水需求也最高；同时，不同密度林分中受林分穿透雨和树干径流等对降水再分配过程的影响各不相同，NIⅡ和NIⅠ对整个雨季的降水更为敏感，使得NIⅢ土壤水分净消耗层出现的更早。滴灌能够提高不同密度林分内土壤储水量，尽管较高的初始水分条件使得浅土层的土壤储水量变化量低于雨养处理，但是研究表明滴灌可以通过增加浅层土壤水分的有效性改善整个剖面的水文连通性，从而提高林分的水分补偿深度[16,39]，因此滴灌处理深土层的土壤储水量变化量高于雨养处理（图7）。此外，该研究0~200 cm土壤含水量NIⅢ低于FIⅢ（图4），NIⅢ处理土壤水分减少，刺激了林分细根生长以提高水资源吸收（表3），进而加深了NIⅢ处理深层土壤储水量的消耗（图7）。

与Liu等[16]发现5年生毛白杨林分0 ~ 2 m土层发生季节性干旱类似，本试验雨养条件下不同密度林分均在0 ~ 200 cm土层内出现了短时期的土壤干层现象，且该现象能通过降雨或灌溉得到消除或缓解（图6）。不同的是，Liu等[16]的研究结果中深层土壤（2 ~ 4 m和5 ~ 6 m）土壤储水量在春末和夏季会临近甚至低于土壤干层阈值，而本研究中没有出现过度消耗深层土壤水而造成深层土壤干层现象的趋势，这可能有以下几点原因：（1）林分环境主要受密度的影响，高密度的林分具有高林分蒸腾和林冠蒸发，而本试验林分密度较低，林地水分的蒸散量远低于降水量，土壤水分的供求关系平衡；（2）土壤干层现象的形成与地下水位有着直接的关系，Liu等的研究林分中地下水位达9 m深，深水位会减少地下水对深层土壤水的补偿深度，使林分根系进一步下扎“觅食”，从而导致了深层土壤水的过度消耗[30]；（3）土壤物理特性决定了土壤的持水能力，本研究中砂壤土出现在0 ~ 40 cm且40 ~ 460 cm为粉壤土（表2），而Liu等[16]的研究中0 ~ 140 cm均为砂壤土，相比砂壤土，粉壤土具有更好的保水性能，因此土壤水分受环境因素影响的变异程度也更低。

3.3 毛白杨人工用材林培育技术优化

一般来说，林分随着林龄和密度的增加，林木主要耗水土层也将不断下移[40]。研究发现杨树造林后2 ~ 4年是其快速生长期，且随林分密度的增加杨树人工林的快速生长期也随之提前，高密度林分对林木生长的促进作用会消失，甚至有抑制作用[41]。尽管该研究发现高密度林分具有最高的深层土壤储水量，这可能是因为造林前期高密度林分密集的树木覆盖降低了日最高土壤温度和土壤蒸发量[42]，林分内聚集的根系使得茎干液流和穿透雨更顺利地对土壤深层水进行补偿[43]；但造林密度越大，林分叶面积指数显著提高，林冠截留量水分蒸发越多，林分蒸腾耗水量也越大[44]。本研究虽未发现不同造林密度中毛白杨幼龄林分（5年生）出现不可逆的土壤水分亏缺现象，但NIⅢ处理的可恢复性土壤干层已经深至220 cm（图8），且试验年NIⅢ处理在260 cm、340 cm和460 ~ 580 cm土层已经出现了土壤储水净消耗（负增长）（图7）。此外，低密度林分旱季灌溉对林地生产力和林分土壤储水量均无显著影响（表1，图6），林地土壤水分大量被蒸发，林地资源在可持续发展角度下不能最大限度的被利用。

结合不同造林密度中毛白杨幼林林分累积生长量现状，本文建议‘北林1号’毛白杨以3 m × 3 m的初植密度进行造林以求在杨树人工林快速生长期提高林分的蓄积量和林木干形条件，并改善其深层土壤储水量。研究表明旱季对林分进行充分灌溉可以显著提高高密度林分林地生产力和土壤储水量，降低林地可恢复性土壤干层深度，并提高降雨对林分的深层补水，因此必要时可在旱季期间（4—6月）辅以多频率充分灌溉措施来缓解毛白杨人工林林分生长高峰期的需水矛盾。本毛白杨人工林试验林分培育目标为大径阶工业原料林，培育周期超过5年，因此待林分出现密度效应和深层土壤水分净消耗后，可通过间伐措施来减少深层土壤水分的消耗，在保证良好土壤水分维持的同时提高人工林林地的生产力。

4. 结　　论

（1）各处理土壤含水量在0 ~ 240 cm剖面中随土壤深度增加而增大，并在240 ~ 260 cm和360 ~ 400 cm出现两个峰值，而400 ~ 600 cm变化平缓。雨养条件下，受林分根冠分布的影响，浅土层（0 ~ 100 cm）中，NIⅢ处理SWC水平分布较为均匀，NIⅡ和NIⅠ中距树50 cm处SWC低于树行中央处，而受人为水分输入的影响，FIⅢ和FIⅠ在浅土层出现距树50 cm处SWC高于树行中央处的现象。

（2）不同密度条件下，NIⅢ处理土壤水分条件最好，NIⅡ最差，但NIⅡ在雨季末期储水量变化量最高。不同水分管理条件下，NI处理（尤其是NIⅢ）通过增加各土层细根生长加深对土壤水分的吸收进而引起了NIⅢ处理开始出现深层土壤水分消耗的现象；而FI不仅能够提高不同密度林分0 ~ 30 cm土层SWC以及高密度林分土壤储水量（P < 0.05），缓解了毛白杨人工林5和6月生长旺盛期的水分需求压力，此外，FI还能够增加不同密度林分深土层的储水量增量。

（3）不同造林密度条件下的毛白杨幼龄林仅在0 ~ 220 cm土层内出现可恢复性土壤干层现象，且滴灌和降雨均能缓解或消除不同密度林分出现的可恢复性土壤干层现象。

（4）建议在华北黄泛平原大径阶毛白杨工业原料林培育过程中，以3 m × 3 m密度造林且于旱季（4—6月）辅以多频率滴灌充分灌溉，在杨树快速生长期（2 ~ 4年）促进林分生长，并改善深层土壤水分条件。在林分出现密度效应及深层土壤水消耗后，可通过间伐至密度为3 m × 6 m等措施，实现在维持良好土壤水分状况的同时提高杨树人工林林地生产力的培育目标。