柠条(Caragana korshinskii Kom.)属于豆科锦鸡儿属，落叶灌木。萌蘖力和再生能力极强、易繁殖；根系发达，吸水能力强；抗逆性强，耐旱耐寒^[1]，还可以改善土壤物理性质^[2]，培肥土壤^{[3, 4]}。此外，柠条还具有一定的经济价值，可做蜜源、入药以及薪炭^[5]，并且是一种食用蛋白质资源^[6]和饲料原料^{[7, 8]}。柠条林能防风固沙、拦泥蓄水、减少地表径流，从而达到减少土壤养分及水分流失，保持水土之目的^{[9, 10]}，发挥良好的环境效益。

在黄土高原地区，生态环境脆弱，自然资源匮乏。有研究发现植被恢复对黄土丘陵半干旱地区的生态保护具有重要的意义^{[11, 12, 13, 14]}，在植被恢复的过程中，一般通过增加树种的初植密度来达到迅速覆盖地表的目的，但是密度过高易引起土壤水分供需矛盾^[15]。在黄土丘陵干旱半干旱地区，密度对土壤水分的影响仅次于降雨^[16]，且密度对于水分紧缺地区具有重要意义，目前关于植物密度对土壤水分影响的研究已经引起广泛的关注^{[15, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}。如贾海坤等研究了皇甫川流域植被盖度与土壤水分的关系^[15]，潘占兵等对宁夏盐池地区不同种植密度的柠条林土壤水分进行研究^[19]。在半干旱黄土丘陵地区，植物生长的限制因子是水分，尤其指土壤水分，林分密度对土壤水分的影响进一步影响植物生长，林分密度变化对植物生长影响吸引了大量研究^{[20, 23, 24, 25]}。目前关于半干旱黄土丘陵区造林密度变化对不同林龄阶段柠条生长与土壤水分影响的系统性研究较少，本文通过对黄土丘陵半干旱区不同密度人工柠条林多年土壤容积含水量和生长定位观测和分析，系统地研究密度变化与土壤水资源和柠条生长的影响，为当地森林植被恢复和生态建设过程中密度调控提供科学依据。

试验地位于黄土丘陵半干旱区的上黄生态试验站(宁夏固原)，该站位于35°59′—36°02′N，106°26′—106°30′E范围内，海拔高度约1534—1824m。降水年内分配不均，主要集中在6—9月份，雨季降水量占年降水的70%以上。自有数据记载以来，降水变化在259.9mm(1991年)—634.7mm(1984年)之间，降水的年际变化较大。土壤类型为黄绵土，植被类型为森林草原向典型草原过渡型。试验区为柠条林，林下主要植物种类有长芒草(Stipa bungeana)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、茭蒿(Artemisia giraldi)、百里香(Thymus mongolicus)等。

2002年6月24日在立地条件比较均一的地段，进行翻土、平整土地和撒播柠条，建立5个面积为100m²(20m×5m)的标准径流观测场，试验播量分别为2.0、1.5、1.0、0.5kg/100m²和多年撂荒地(对照)。小区海拔约1650m，坡度约为8°，5个小区位于南北向同一水平线上。在每个径流场中心地带各安置两个相距1m且长为4m的中子仪铝合金套管作为两个重复进行水分观测，铝合金套管外露10cm，用橡皮盖封口减少因蒸发或降雨对观测数据的干扰。安置铝合金套管前取土样，测定土壤水分，然后再用中子仪测定土壤水分，进行对比、分析和校对。测定深度为0—390cm，除测点5 cm代表深度0—10cm，其他测点代表深度为测点深度±10cm。测定前对中子仪进行了标定，标定方程为:

式中,y为土壤容积含水量，x为中子仪读数。2011年对径流观测场及其径流桶等野外设备进行维护和检修，更换了10年生不同密度小区4m的铝合金中子管为8m的PVC管后，2011—2013年测定深度增加到0—770cm。测量换管前后两种不同材质下土壤容积含水量,基于铝管测量的土壤容积含水量值Y₁与基于PVC管测量的土壤容积含水量值Y₂存在关系：

降水量等气象资料来源于距试验地西北50m的上黄生态试验站气象站和试验地附近安置的雨量器记录观测。

试验地历年降水量平均值为415.6mm(1983—2001年)。2002年到2006年期间，除2003年降水量(623.3mm)超过多年平均值外，其余4a降水量(2002年降水量为384.8mm，2004年降水量为328.3mm，2005年降水量为379mm，2006年降水量为303.5mm)均低于多年平均值。2011年到2013年降水量差异较大，这3a仅有2013年降水量(543.1mm)超过多年平均值，2011年与2012年均出现了干旱，其中2011年干旱严重，降水量仅为279.4mm(其中1—4月份为预测值)，2012年全年降水量仅为370.9mm。根据国内较常用的降水年型划分标准^[26]对监测年份进行降水年型划分，监测年份中仅2003年和2013年为丰水年，2002年和2005年为平水年，2004、2006、2011年和2012年均为干旱年。

由于中子仪测定土壤水分精度高^[27]，便于连续定位观测，故采用CNC503A(DR)型智能中子水分仪定期测定剖面土壤水分。用中子仪测定时，每20cm记录1次，中子计数时间为16s。对土壤水分进行定期和不定期测量，每年从柠条开始萌发的4月中旬开始(第1年为播种时)到落叶(10月中旬)之前，每隔15d测定1次，11月到次年3月于每月月初测定1次。同时，非定期的进行降雨前和降雨后土壤水分观测，测定次降雨土壤水分入渗深度。

于2002年9月和2012年5月采用样线法调查不同播量柠条幼林密度。2002年调查时在每个小区中部(分别距两边边缘1m)沿小区长轴方向选择2条样线，沿这条线从0.5m开始，每隔1m布设一个样方，每个小区共调查18个样方，样方面积为1m×1m。并设立固定样方，在试验小区上半部和下半部各选接近平均高和基径的20株柠条，用红漆对柠条基径进行标定(距地表 2cm处)，用于生长状况和保存率调查。2012年在不同密度小区分别选择可代表平均高和基径的40株柠条，用红漆标定观测位置用于生长状况和保存率调查。各小区播量及密度见表 1。在生长季对柠条林生长和不同密度剖面土壤水分进行全年测定。观测周期内，柠条生长季每15d测定1次基径和株高。其中基径用游标卡尺测量，以标记位置为准；株高用米尺测量，以地表至顶芽高度为准。

试验数据采用Excel 2010进行预处理，用SPSS16.0统计软件对数据进行分析。土壤水资源量计算公式为:

式中,D_W为土壤水资源量(mm)，VSWC为每层土壤容积含水量(%)，H代表土层厚度(cm)，i为土层序数，n为土层总数。本试验H=20cm，n=20，地面处5cm测量点实际代表深度0—10cm，此时H=10。

由表 1可知，随着时间变化，10a间柠条密度变化较大。与2002年相比，2012年T₁、T₂、T₃、T₄柠条密度分别减少了29、22、24、2株/m²，降低幅度为43.3%、33.8%、47.1%、8%。由此可见，高密度小区由于密度过高，可能由于林木对水肥竞争激烈，个体死亡较多，因此柠条数量在十年内变化较大；低密度小区(T₄)则因为有足够大的播种初期营养面积，个体对水肥的竞争不太激烈，因此个体死亡较少，密度变化较小。

撂荒地(对照)土壤水分变化主要受降雨和蒸发的影响，多年撂荒地在柠条生长期始末剖面土壤容积含水量垂直变化情况见图 1、图 2。由图看出，撂荒地剖面土壤水分在一定时期内差异不显著(P＞0.05)。受蒸发和降雨的影响，土壤水分变化主要发生在180cm土层内，在最大降雨入渗深度(290cm)内^[28]。因此，撂荒地受蒸散发造成的土壤水分损失可以通过降水补给得到恢复。

图 1 2002年撂荒地生长期始末土壤容积含水量 Fig. 1 Volumetric soil water content of abandoned land at the beginning and end of the growing season in 2002

图选项

图 2 2012年撂荒地生长期始末土壤容积含水量 Fig. 2 Volumetric soil water content of abandoned land at the beginning and end of the growing season in 2012

图选项

土壤水资源是可更新资源，储存在土壤孔隙中的土壤水只有被植物吸收利用之后才能蓄存新一轮的雨水，否则会造成土壤水资源浪费，但是植物不能无限制地利用土壤水资源。植物利用土壤水资源可以降低土壤容积含水量，增加土壤颗粒吸水力，有利于提高降水的初渗速率和入渗量，减少地表径流，使土壤水资源得到合理的利用^{[16, 29, 30]}。由表 2看出，播种当年除T₄小区外，其他3个样地土壤水资源显著高于撂荒地。2003年雨水充足，不同密度小区土壤水资源均出现富余，各小区土壤水资源量之间差异不显著(除T₄小区外)。3—5年生柠条林地土壤水资源除T₁小区低于T₂小区外，总体随着密度增大而增加，不同密度对土壤水资源量造成的差异达显著水平。由于T₄小区盖度较低，因蒸散发造成的水分损耗较多加上柠条生长对水分消耗，1—5年生柠条林T₄小区的土壤水资源量显著低于其他4个小区。10—12年生柠条林除T₄小区土壤水资源量低于T₃小区土壤水资源量外，10—12年生柠条林土壤水资源量总体呈现出“密度低的小区土壤水资源量高，密度高的小区土壤水资源量低”的趋势，撂荒地土壤水资源量显著高于其他4个处理小区，10—12年生不同密度柠条林之间的的水资源量差异不显著。总体看来，在柠条幼龄时期不同密度柠条小区土壤水资源之间差异较显著，中龄期土壤水资源之间差异不显著。

自柠条播种后，生长较好、迅速达到较高盖度，有利于减弱光照和风速对地表的作用，减少土壤水分蒸发，有效蓄存降雨进而使柠条地土壤水资源增加，加之2003年是丰水年，因此第一年柠条林地土壤水资源呈上升趋势。随着柠条的生长，植物对土壤水资源的消耗也逐渐增加，高盖度带来的优势无法弥补因生长造成的土壤水资源的消耗，因此在柠条林地土

壤水资源达到最高时开始下降，个体之间因为竞争水资源而出现自疏现象^[31]，林地密度发生较大变化，直到柠条进入中龄阶段，柠条林土壤水资源趋于稳定，此时土壤水资源主要受降雨影响。对表 2中每列数据进行分析发现土壤水资源随着时间总体呈现下降趋势，需要注意的是，在多年生人工柠条林内，降雨会造成短期内土壤水资源的突然回升，这与土壤水资源量总体降低趋势是不矛盾的^[11]。

关于密度对植物生长影响的研究很多。有的学者认为密度对植物高生长有影响，但比较弱^[32]；有的认为密度对植物高生长无影响^[33]，对胸径影响显著^[34]；有些研究认为密度与高生长呈负相关关系，林分密度越大，高生长表现越差^[35]；也有研究认为树木高生长随着密度的增大而增加，两者是正相关关系^[36]。本研究认为密度变化对林木生长的影响是一个随林龄而变化的复杂过程。

如表 3所示，在播种初期，高密度小区的柠条幼林抵抗不良环境的能力强，柠条生长较好。柠条播种后3年内，密度越高株高生长越好，播种后两年内不同密度之间株高生长差异不显著，直到第三年T₁小区株高生长显著高于T₃小区。从第4年生长季开始，密度最高的小区高生长出现生长不良的现象，高密度所带来的生长优势开始减弱，表 3显示T₂小区株高显著高于T₄小区，而T₁小区株高生长比T₂小区差，说明3—5年生柠条林在一定的密度范围内(低于65株/m²)，增加造林密度会促进柠条高生长，密度过大对高生长又起抑制作用^[39]。10—12年生柠条T₁小区与T₄小区株高生长均显著低于其他两个小区。T₁小区生长最差，原因是该小区0—290cm土层的土壤水资源过早达到水资源利用限度，高密度使柠条之间水分竞争激烈，从而使柠条生长受到限制。T₄小区生长缓慢的原因是林分密度过低难以达到较高的盖度，因此林内水分蒸发严重。因此只有保持适宜密度和承载力水平，才会保证柠条有较好生长。

密度与基径也存在密切的关系，由表 3可知，1—5年生柠条密度越高，其基径生长越好；密度越小基径生长越差，不同密度小区基径生长差异不显著；10—12年生柠条T₃小区基径生长显著高于其他3个小区。对10—12年生柠条来说，密度过高过低均会抑制基径生长。除T₄小区外，柠条密度越低基径生长越好，不同密度柠条小区基径生长差异较显著。

随着柠条生长，柠条对土壤水分的利用就会过度，导致土壤中水分含量低于萎蔫系数，造成多年生人工林草地最大入渗深度以下出现严重的土壤旱化现象，会形成土壤干层，即永久土壤干层。在人工林草地，表面以下至降水最大入渗深度范围内，当所有土层的土壤含水量等于萎蔫系数，则最大入渗深度内所有土层成为干层时的残留土壤储水量称为土壤水资源利用限度(SWRUL)^{[11, 37]}。因此，为了可持续利用水资源紧缺地区的土壤水资源，必须确保植物对土壤水资源的利用不能超过土壤水资源利用限度。在本文研究区内，降水最大入渗深度为290cm。

如图 3所示，以5年生柠条林地0—290cm土壤水资源量年内变化与土壤水资源利用限度的关系为例来说明不同密度柠条达到土壤水分利用的限度的时间差异。由图 3可知，T₁小区在2006年6月1日地表至最大入渗深度范围内的土壤水资源量低于土壤水资源利用限度(221.6mm)，在2006年6月15日，T₂小区0—290cm土层内土壤水资源量也出现低于土壤水资源利用限度的现象(222.5mm)，此时应该及时依据土壤水分植被承载力进行调控，这不仅可以抑制土壤水分消耗、生产部分薪柴或饲料，也可以促进保留木生长^[11]。直到2006年末T₃小区和 T₄小区均未发现土壤水资源量低于水资源利用限度，说明T₃小区与T₄小区林地土壤水资源达到土壤水分利用限度较晚。

图 3 2006年柠条林地土壤水资源年变化 Fig. 3 Variation of Soil Water resources in 0—290cm soil layers in 2006

图选项

理论上，调控植物水关系方法有两种方案。一种是以需定水，即按照植物需水量，通过灌溉补水满足其生长需要；另一种是以水定需，即依据土壤水分状况，减少植物的密度和单位面积枝叶量，拟制植物生长，减少蒸腾耗水^[38]。以需定水在黄土高原地区难以全面实现，而以水定需方案对黄土高原地区等水资源紧缺地区林地土壤水资源管理更有意义和具有可操作性。如平茬可以有效地抑制林分生长；还可以以土壤水分植被承载力为标准，通过降低林分密度进而减少植物对水分过多消耗^[39]。在对半干旱黄土丘陵区人工柠条地研究发现，10年生柠条林地土壤水分承载力为48株/m²，11年生与12年生柠条土壤水分植被承载力均为43株/m^2[11]。结合试验地保存密度调查和土壤水分植被承载力研究，受降水量的影响，在2011—2013年柠条林地土壤水资源承载植被能力较高，不需对柠条密度进行调控。

(1)自播种后第3年开始，除T₁小区外，柠条林地土壤水资源随着林分密度增加而增加，不同密度之间差异达显著水平；除T₄小区外，10—12年生柠条林地土壤水资源随着密度增加而减少，不同密度之间的差异不显著。

(2)柠条密度变化对株高与基径的影响与林龄有关。密度增加对1—3年生柠条株高起促进作用，从第4年开始密度过高会抑制株高生长；1—5年生柠条密度越高基径生长越好；10—12年生柠条密度过高过低均会抑制其株高与基径生长。柠条生长初期不同密度小区生长差异不显著，随着林龄增加不同密度生长差异逐渐显著。

(3)随着柠条林生长，林地土壤水资源将下降到土壤水资源利用限度。不同密度小区林地土壤水资源下降到土壤水资源利用限度的时间存在差异：高密度小区(T₁小区和T₂小区)在第5年先后达到土壤水资源利用限度，低密度小区(T₃小区和T₄小区)超过5a。为了不影响柠条生长，此后就需要依据土壤水分植被承载力对柠条密度进行调控(平茬)，以实现土壤水资源可持续利用。