樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)是我国北方沙区广泛引种并获得明显效益的树种(赵文智等，2002)，用樟子松营造的人工林发挥了显著的防风固沙作用。对于樟子松人工林从土壤水分(焦树仁，1987)、蒸腾耗水(焦树仁，1984)、林木生长(姜凤岐等，1997；赵文智等，2002)、群落稳定性(曾德慧等，1996)等方面进行了广泛研究。土壤水分被认为是影响樟子松林分生长和林分稳定性的重要原因(曾德慧等，1996)。

科尔沁沙地是我国北方半干旱农牧交错带的严重沙化区域，为了恢复植被和治理流沙，当地引种樟子松营造了大量的防风固沙林。这里被认为是樟子松引种的降水量下限地区(赵文智等，2002)，这一地区的樟子松人工林可能面临更为严重的土壤旱化和水分亏缺问题。因此，对于樟子松人工林的群落结构和土壤水分动态仍然有必要进行深入的研究。

1 自然概况

研究在位于科尔沁沙地中南部的内蒙古奈曼旗境内(120°41′E, 42°54′N)中国科学院奈曼沙漠化研究站进行。该地区属半干旱气候，年平均降水量366 mm，年蒸发量1 935 mm，年均气温6.5 ℃, 1月平均气温-12.7 ℃，7月平均气温23.7 ℃，≥10 ℃积温3 0 00 ℃以上，无霜期150 d。年均风速3.5 m·s^-1，8级以上大风年均21次，主要发生在春季3 —5月。土壤类型为沙质栗钙土，经破坏后则退化为流动风沙土。沙土基质分布广泛，风沙活动强烈(朱震达等，1994；赵哈林等，1998；刘新民等，1996)。

2 研究方法

选择位于研究站西边已固定沙丘上的樟子松人工林，在2002年5月中旬安装中子水分仪进行土壤水分测定。共选3个测点，3个测点的位置分别处于沙丘的迎风坡、丘顶和背风坡。在安装中子水分仪的同时，同步采取土样用烘干称重法测定土壤含水量，用以标定中子水分仪。土壤含水量的测定深度为300 cm，每10 cm一层，每20天测定一次。在最后一次测定时再次同步取样，用烘干称重法进行土壤含水量的测定。

8月中旬进行群落调查，以进行水分测定的3个测点为中心选择3块样地，每块样地面积10 m×10 m。在样地内对乔木层的樟子松进行每木调查，记录树高、胸径，对出现枯梢的按照严重程度分为5级。每样地内随机取3个1 m×1 m样方，进行草本植被调查，记录出现的所有种类、多度、高度和盖度。

试验地土壤基质为深厚均一的松软沙层，沙粒含量>98%，粘粉粒含量＜2%，密度1.62 g·cm^-3，田间持水量为100~120 g·kg^-1，凋萎系数0.65%。近年来由于科尔沁区域用水量不断增加，地下水位呈逐年下降趋势，在地势低平草甸和丘间低地，地下水位>3.0 m, 而在沙丘上则取决于沙丘的相对高度。该区域沙丘起伏平缓，相对高度多为3~8 m。

3 结果与分析 3.1 樟子松人工林的土壤水分动态

图 1是对中子水分仪标定的散点图。在正常情况下，中子计数与土壤含水量应呈直线关系。可以看出，由于沙层土壤水分严重亏缺，当中子计数低于45以后土壤含水量已基本超出了中子水分仪的反应区，这时中子计数已不能灵敏地反映土壤含水量的变化。以图 1所得的拟合曲线计算整个生长季土壤含水量动态变化的测定结果如表 1。从表 1可以看出，在研究年份生长季的观测期间，0~300 cm土层的含水量持续下降，土壤旱化十分严重，仅有的很少的含水量还在持续减少。降水对于沙层水分的补给作用微弱，沙层含水量不能得到有效恢复。

试验期间的降水量为177.55 mm, 为偏旱年份。总降雨次数达33次(图 2)，而单次降雨量＜5 mm的降雨达22次，5~10 mm的降雨5次，10~15 mm的降雨2次，>15 mm的降雨4次。次数多而降雨量小，水分频繁湿润表层土壤，但由于无效蒸发损失，深层土壤水分得不到有效补给而降低了水分的有效性。5月29日第1次测定前共降雨49.12 mm，但由于间隔时间长、单次降雨量小，起始测定时的土壤含水量仍然很低。6月9日、10日和11日连续3天19.7 mm的降雨后，仅0~40 m m土层的含水量有所上升，而下层土壤并未得到补给。6月22日、24日两次相隔时间不长且强度较大的降雨(34.3 mm)后，6月30日测定时0~80 cm土层的含水量3个测点均有明显上升，而以下土层的含水量变化较小或持续减少。在此以后，0~300 cm深度各土层的土壤含水量呈持续减少趋势。可见，降雨对于沙层水分的补给仅限于浅表层，很少或不超过80 cm。

以生长季前期和终期2次用烘干称重法测得的土壤含水量进行分析(表 2)，3个测点中只有测点2的土壤含水量在生长季末有微弱上升，而测点1和3生长季前后300 cm沙层土壤含水量各降低了0.4 g·kg^-1。说明沙层水分状况没有得到明显恢复，并且由于植物对水分的消耗而持续恶化。

3.2 樟子松人工林的群落结构

所研究的樟子松人工林林龄为13年，面积20 hm²。人工林建立初期是一片流动沙丘，经过10多年后已完全演变为固定沙丘。樟子松人工林群落结构分为2个极为明显的部分，即上层乔木层和林下草本层。表 3、4是对乔木层林分生长状况的调查。

根据表 3、4，樟子松人工林的生长状况很差。以轮生枝的间距判别樟子松的年生长量，随着林龄增加，人工林的生长量逐渐减小。2002年调查时当年新梢生长量仅有10~12 cm，而且调查显示林木大量出现枯梢。以枯梢率将枯梢严重程度分为5级：枯梢率10%以下为Ⅰ级，枯梢率10%~20%为Ⅱ级，枯梢率20%~30%为Ⅲ级，枯梢率30%~50%为Ⅳ级，枯梢率>50%或死亡为Ⅴ级。3块样地中林木枯梢率分别已达73.3%、40.6%和50.5%，而严重枯梢率分别为13.3%、3.1%和0。说明林木生长已严重衰退，林分生长已受到干旱和土壤水分的严重制约，频临枯死的边缘。

根据表 5，樟子松林下草本层的发育较好，对地表起到了很好的覆盖和保护作用。由于樟子松人工林的防风固沙作用显著，对草本植物的侵入和定居起到了庇护作用，沙地已完全转变为固定沙地，稳定的沙面环境利于植物的定居、生长和繁殖。

4 讨论与结论

13年林龄的樟子松人工林土壤水分状况很差，仅有的微弱的土壤含水量由于植物消耗还在持续减少，沙地已完全转化为非淋溶性沙地，有限的降雨量只能浸润浅表层土壤。生长季结束时土壤含水量的测定结果表明，沙丘上300 cm深的沙层无明显地下水的补给(深层土壤水分无明显的恢复)。对于乔灌木树种来说，20~300 cm深度是大多数沙地植物根系分布的主要区域和主要的水分供应区域，也是根系分布的下限区域。从这一点看，林木生长已受到土壤干旱和水分亏缺的严重制约，林木生长衰弱，大量出现枯梢。焦树仁(2001)在辽宁省章古台的研究也表明，樟子松人工林大量出现枯梢，并认为枯梢是由病害引起。本次对樟子松人工林群落结构和土壤水分的研究表明，在半干旱的科尔沁沙地，樟子松人工林枯梢的出现并非病害引起，而是林地土壤水分严重亏缺、林木生长严重受阻的结果。

樟子松人工林防风固沙作用显著，13年的樟子松人工林已从流动沙地完全转变为固定沙地，林下草本层植被发育良好，盖度较高，对地表的保护作用较好。从林地土壤水分和群落结构看，所研究的樟子松人工林由于过高的密度导致土壤水分的严重亏缺，枯梢的出现代表林分衰败的开始。随着时间延续和干旱程度的加深，该人工林上层乔木将完全枯死，最后将完全由下层草本植被代替。从群落演替的角度看，在干旱半干旱地区，人工林在过高的密度下当土壤水分被耗竭而只能以自然降水为水分来源时，人工林的群落结构便不能与环境条件相适应，这时就存在着草本层代替乔木层的趋势，这一过程发生的根本原因就是土壤水分的缺乏。流动沙地上植被少，水分消耗少，并且松软沙层的水分下渗能力强，降雨能够补给深层土壤水分，因而水分状况较好，这是人工林建立初期有利于林木生长的有利条件。随着人工植被发育，对水分的消耗加剧，深层储备水分逐渐被消耗，土壤旱化(丛自立等，1993)，沙地由流动沙地的淋溶型完全转变为非淋溶型，有限的降雨只能补给浅表层0~40 cm土层，这时密度过高的人工林的水分需求便不能得到保证，逐渐枯死、衰败，而完全由林下草本层代替。

人工林的稳定性受到了研究者的广泛注意。在干旱半干旱地区保证林木生存和最小生长量所需水分供给、维持林地土壤水分平衡是维持林分稳定的基本条件。如果环境条件长期不能满足植物的水分需求，群落的稳定性就会发生变化，以至导致整个群落的衰败(杨维西，1996)。不能保持沙层内的水分平衡，也就不能保持人工植被的相对稳定(蒋瑾等，1986)。当土壤水分被逐渐消耗，不能满足林木最低需水量时，林分生长将严重受阻，开始发生枯梢等现象，这时林分就失去了稳定性。随着时间延续和受旱程度累积，林分衰败，大部分林木将完全枯死(杨维西，1996)。可以说，人工林的稳定性就是林分正常生长所能维持的时间的长短。在干旱半干旱地区有地下水存在和植物可以利用的情况下，在灌溉农田边缘的防护林带等有水分供给的情况下，人工林的稳定性可以维持一个世代(曾德慧等, 1996)，具体时间的长短与树种特性有关。所研究的固定沙丘上的13年樟子松人工林由于地势较高，林木生长不能利用到地下水，且由于密度过高造成土壤水分的耗竭，其稳定性只能维持13年左右。

人工林的稳定性可以通过科学的管理措施来调控。研究证明，人工林的密度决定土壤水分资源的消耗速率(蒋瑾等，1986；曾德慧等，1995)。过大的密度必然引起过量的水分消耗，导致生长环境水分的恶化，最终造成群落自身的衰亡(杨维西，1996)。通过降低密度、增加单株营养面积，可以改善林木的水分供应状况，延缓土壤水分被耗竭的速率，从而延长稳定性维持的时间。因此，密度管理是调控干旱半干旱地区人工林稳定性现实可行的途径。所研究的13年樟子松人工林的株行距为2 m×1.5 m，密度达到了3 300株·hm^-2，其土壤水分的迅速耗竭与过高的密度有关。稀树草原是科尔沁沙地的原生植被类型，这种自然存在的地带性植被类型具有较高的稳定性，其上层乔木的密度为100~200株·hm^-2。这一现象促使我们考虑，在这一地区要建立稳定的人工林就要大幅度地降低人工林的密度，这其中还必须除去表层0~20 cm土层用于土面蒸发和草本层吸收利用的水量。适宜密度应借鉴天然稀树草原植被的乔木密度，以150~300株·hm^-2为宜。

从群落结构和土壤水分状况来看，所研究的13年樟子松人工林的土壤水分由于过高的密度已基本完全被耗竭。可以预测，在未来的若干年内该林分的乔木层将逐渐枯死，而完全由草本层所代替。草本层的发育状况良好，盖度较高，完全可以起到对地表的保护和维持沙地的固定状态。但是从物种组成上看，群落仍然以1年生植物为主，多年生植物在群落中还不占主要地位。1年生植物地下部根系生物量较低，对土壤的固结保持能力较差。因而，植被结构和群落生态功能还很脆弱。在乔木层退出群落后，必须完全禁止放牧等引起的对植被的扰动，这样才有可能维持和促进草本植被的进一步发育，并维持沙地的固定状态。否则，放牧引起的对植被的破坏和对沙面的践踏破坏可能使风沙流加强，沙丘重新活化。

在干旱半干旱土地荒漠化严重地区，人工林的建立其主要目的是防风固沙，促进沙丘固定。在不适宜的密度下，如过高密度造成群落结构与环境条件不相适应，引起土壤水分的耗竭和林木个体需水的严重亏缺，人工林存在着从乔木植被向草本植被演替的规律。因此，对人工林的稳定性要有一个适宜的估计，特别是大面积高密度的片林，对其稳定性不能期待过高。其稳定性需要在一定的条件下维持，关键是要建立与环境条件相适应，特别是能维持土壤水分平衡的群落结构。人工林稳定性维持时间的长短与群落结构、立地条件、管理措施、树种特性有关。一般来说，植被自然建立的过程首先要有种源存在，并需要经过侵入、定居、繁殖和扩散等过程。而人工林的建立通过人为措施干预，直接使种群实现定居。因此，人工林稳定性的维持只能由人为干预来实现，这些措施包括：立地条件选择、密度调控、树种选择等(杨维西，1996)。在干旱半干旱地区土壤水分是人工林稳定性维持的基础条件，在这些有地下水存在以及植物可以利用的地区或灌溉农田边缘的防护林带，人工林的稳定性可以维持一个世代甚至更长。大面积高密度的片林只能稳定维持10~15年，如果需要建立高稳定性或维持时间更长(至少一个世代)的人工林，则需要大幅度地降低人工林的密度。低密度可以降低土壤水分的消耗，但是人工林定植初期较高的密度能起到较强的防风固沙作用，从而加速沙地的固定过程。因此，对人工林的密度需要在其稳定性和防风固沙作用之间做出选择。也可以高密度定植，随着林木个体发育和树冠增大，逐渐疏伐，保持个体充足的水分营养面积，使最终密度维持在150~300株·hm^-2，这样就可以使人工林的稳定性和防风固沙作用二者统一起来。