Effects of afforestation measures on growth of Quercus liaotungensis seedlings in transformation of Pinus tabulaeformis stands in the loess region of western Shanxi Province

研究区位于山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地蔡家川流域。蔡家川流域面积为39.33 km²，地理位置为110°39′45″E~110°47′45″E，36°14′27″N~36°18′23″N，海拔为895~1 580 m，黄土母质；属于暖温带大陆性气候，年平均气温为10 ℃，平均无霜期为196 d，年平均降水量为575.9 mm，多年平均蒸发量为1 687 mm。20世纪90年代为改善生态环境和防治水土流失，流域内营造了大面积油松、刺槐Robinia pseudoacacia、侧柏Platycladus orientalis等水土保持林^[19]。

于2024年4月，在研究区油松人工林林外、林缘、林内分别设置1个20 m×20 m的样地，林缘和林内的林分生长状况如表1所示。每个样地均设置15种处理：无处理(ck)、浇水处理(500、1 000、1 500、2 000 mL·株⁻¹)、覆盖处理(覆盖地膜、覆盖凋落物45、90、135、180 g·株⁻¹)、保水剂处理(10、20、30、40、50 g·株⁻¹)。每种处理均栽植20株(5行×4列)规格相同的1年生容器苗，3个样地共计900株。

在2024年4月栽植前，分别在油松人工林林外、林缘和林内各挖50 cm深的土壤剖面，调查容重、孔隙状况等土壤物理性质(表2)。在2024年9月，调查苗木成活率，并使用钢卷尺和游标卡尺测量各处理下辽东栎苗木的存活株数、苗高、地径、冠幅、叶片数量及单叶面积。

使用Excel 2016进行处理和计算，数据为平均值±标准误。使用SPSS 26.0进行统计分析，采用单因素方差分析和Duncan法对不同处理措施下辽东栎苗木的各项生长指标进行差异性分析和多重比较，在α＝0.05水平上检验差异显著性。使用Origin 2024绘制图像。使用熵权-TOPSIS法对不同措施的施用效果进行综合评价。

不同林分位置的辽东栎苗木各浇水措施下存活率及各生长指标的均值，如表3所示。林缘的辽东栎苗木总体生长状况最佳，林内次之，林外最差。其中存活率、苗高增量、地径增量、叶片数量均在林缘处最大，分别为80.00%、9.90 cm、3.90 mm、43.63片。冠幅在林缘处最大为27.48 cm，在林内处最小为21.49 cm，且3种生境下均差异显著(P＜0.05)。单叶面积在林内处最大为22.65 cm²，在林外处最小为16.89 cm²，且与林缘和林内均差异显著(P＜0.05)。

对不同浇水用量下辽东栎苗木存活率及生长指标进行统计，结果如图1所示。在林外条件下，辽东栎苗木的存活率、苗高增量、地径增量、叶片数量和单叶面积均随着浇水量的增加而增加，在浇水量为2 000 mL·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了87.5%、37.8%、97.5%、29.9%、52.5%。冠幅则在浇水量为1 500 mL·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了36.0% (P＜0.05)。可见在油松人工林林外栽植辽东栎苗木时，浇水量对其存活与生长具有重要影响。

Figure 1.  Effects of different irrigation rates on the survival rate and growth indexes of Q. liaotungensis seedlings

在林缘条件下，辽东栎苗木的存活率和各生长指标均随着浇水量的增加呈现先增加后降低的趋势。单叶面积在浇水用量为1 000 mL·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了53.9% (P＜0.05)。其余指标均在浇水用量为1 500 mL·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了38.5%、22.0%、51.6%、21.4%、13.9%。在浇水用量为2 000 mL·株⁻¹时，所有指标均出现不同程度的下降，可见在油松人工林林缘栽植辽东栎苗木时，适宜的浇水用量对其存活和生长有促进作用。

在林内条件下，辽东栎苗木的存活率和各生长指标均随着浇水量的增加呈现先增加后降低的趋势。单叶面积在浇水用量为500 mL·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了58.1% (P＜0.05)。其余生长指标均在浇水用量为1 000 mL·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了33.3%、8.9%、37.0%、22.6%、20.6%，且地径增量、冠幅和叶片数量与ck差异显著(P＜0.05)。在浇水用量为2 000 mL·株⁻¹时多数指标都低于ck，可见在油松人工林林内栽植辽东栎苗木时，浇水用量过多会限制其存活和生长状况。

不同林分位置的辽东栎苗木各覆盖措施下存活率及各生长指标的均值，如表4所示。林缘的辽东栎苗木总体生长状况最佳，林内次之，林外最差。辽东栎苗木的存活率、苗高增量、地径增量、叶片数量和单叶面积均在林缘处最大，分别为75.00%、9.39 cm、4.05 mm、45.41 cm、24.03 cm²，在林外处最小。冠幅在林缘处最大为31.02 cm，在林内处最小为23.04 cm，且3种生境下均差异显著(P＜0.05)。

对不同覆盖措施及用量下辽东栎苗木存活率及生长指标进行统计，发现其存活率、苗高增量、地径增量、冠幅和叶片数量均随着凋落物用量的增加呈现先增后减的趋势(图2)。在林外条件下，辽东栎苗木的存活率、苗高增量、地径增量、冠幅和叶片数量均在覆盖量为135 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了87.5%、31.67%、139.8%、45.4%、22.7%。单叶面积则在覆盖量为180 g·株⁻¹时达到最大，较ck提高了56.6%。可见在油松人工林林外栽植辽东栎苗木时，凋落物覆盖量对其存活与生长具有重要影响。

Figure 2.  Effects of different mulching measures and amounts on the survival rate and growth indexes of Q. liaotungensis

在林缘条件下，辽东栎苗木的存活率、苗高增量、地径增量、冠幅和叶片数量均在覆盖量为90 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了30.8%、13.9%、61.9%、37.7%、18.7%，且地径增量、冠幅和叶片数量与ck间差异显著(P＜0.05)，但苗高增量在各处理间差异均不显著(P＞0.05)。单叶面积则在覆盖量为135 g·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了51.0% (P＜0.05)。可见在油松人工林林缘栽植辽东栎苗木时，适宜的凋落物覆盖量对其存活和生长有促进作用。

在林内条件下，辽东栎苗木的存活率和各生长指标均在覆盖量为45 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了41.7%、16.9%、58.3%、37.3%、26.4%、44.6%。当凋落物覆盖量超过45 g·株⁻¹后，各生长指标均开始下降，且冠幅和单叶面积在180 g·株⁻¹时低于ck，可见在油松人工林林内栽植辽东栎苗木时，凋落物覆盖量过多会限制其冠幅和叶面积生长。

不同林分位置的辽东栎苗木各保水剂措施下存活率及各生长指标的均值，如表5所示。林缘的辽东栎苗木总体生长状况最佳，林内次之，林外最差。其中存活率和各生长指标均在林缘处最大，分别为80.00%、9.64 cm、3.88 mm、28.97 cm、48.05片、21.26 cm²。存活率、苗高增量和冠幅均在林内处最小，分别为70.00%、8.06 cm、24.79 cm。地径增量、叶片数量和单叶面积均在林外处最小，分别为2.15 mm、29.84片、16.78 cm²，且均与林缘差异显著(P＜0.05)。

对不同保水剂用量下辽东栎苗木存活率及生长指标进行统计，发现其存活率和各生长指标均随着保水剂用量的增加呈现先增后减的趋势(图3)。在林外条件下，辽东栎苗木的存活率在保水剂用量为30和40 g·株⁻¹时达到最大，较ck提高了100%；冠幅在保水剂用量为30 g·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了50.2% (P＜0.05)，其余生长指标则在保水剂用量为40 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了42.2%、112.7%、33.9%、63.0%，可见在油松人工林林外栽植辽东栎苗木时，保水剂用量对其存活与生长具有重要影响。

Figure 3.  Effects of different dosage of water retaining agent on the survival rate and growth indexes of Q. liaotungensis

在林缘条件下，辽东栎苗木处理组的存活率和各生长指标都优于ck。单叶面积在保水剂用量为30 g·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了63.6% (P＜0.05)，其余生长指标在保水剂用量为20 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了46.2%、15.9%、53.4%、31.1%、26.9%。可见在油松人工林林缘栽植辽东栎苗木时，适宜的保水剂用量对其存活和生长有促进作用。

在林内条件下，辽东栎苗木的单叶面积在保水剂用量为20 g·株⁻¹时达到最大，较ck显著提高了56.9% (P＜0.05)，其余生长指标均在保水剂用量为10 g·株⁻¹时达到最大，较ck分别提高了50.0%、12.8%、48.4%、42.5%、36.1%。在保水剂用量为50 g·株⁻¹时，除存活率和单叶面积外其余生长指标均低于ck，可见在油松人工林林内栽植辽东栎苗木时，保水剂用量过多会限制其生长状况。

使用熵权-TOPSIS法对不同措施的施用效果进行综合评价。熵权法赋权是依据不同生境下辽东栎苗木各项指标值的变异程度确定其权重值，变异程度越大，权重值也越大(表6)。TOPSIS法排序是找出评价方案中的最优和最劣方案，从而获得各评价对象与最优方案的相对贴近度C，以此作为评价优劣的依据^[20–21]。结果显示：林外、林缘、林内所需的最优浇水量依次减少，分别为2 000、1 500和1 000 mL·株⁻¹；凋落物最优覆盖量逐渐递减，分别为135、90和45 g·株⁻¹；保水剂最佳使用量逐渐递减，分别为40、20和10 g·株⁻¹。在15种处理中，林外使用保水剂40 g·株⁻¹、林缘使用保水剂20 g·株⁻¹和林内覆盖凋落物45 g·株⁻¹对辽东栎苗木生长效果的促进作用最佳(表7)。各生境条件下，保水剂和覆盖处理的效果均优于浇水处理和ck (表8)。

在降水量低于潜在蒸发量的晋西黄土区，水分供应强度是决定造林成败的关键。本研究中，在相同浇水措施下，林缘生境的辽东栎幼苗展现出最优的综合生长趋势，其表现显著优于林外和林内。这表明林缘相对均衡的光照与湿度组合，有效平衡了林外开阔地过强的光照胁迫和水分蒸发竞争，又规避了林内可能存在的过度遮荫和光强限制^[22–23]，水分的供应则进一步强化了林缘生境在水分利用效率上的优势。

通过分析不同浇水用量对辽东栎苗木存活率和生长指标的影响，发现在林外生境中，除冠幅外其余生长指标及存活率均随浇水量增加呈现线性增长趋势。随着浇水用量增加，地径等生长指标均逐渐增大，这表明在林外极端干旱环境下，增加水分供给是直接缓解水分限制、促进苗木生长发育的有效手段^[24]。林缘生境在1 500 mL·株⁻¹浇水量时，除单叶面积外其余生长指标均达到最优值，而2 000 mL·株⁻¹时出现不同程度的下降，这表明确定林缘最适浇水用量，既能促进辽东栎苗木地上部分的生长，又可避免水分过量造成的负面影响^[25]。林内生境在1 000 mL·株⁻¹浇水量时，各项生长指标均达到最大值，而2 000 mL·株⁻¹时除单叶面积外其余生长指标均低于ck。这表明在此环境下，适宜的浇水量即可满足需求并有效促进苗木生长，水分过多不仅不利于苗木根部吸收，还会造成水资源浪费^[26]。

在降水量低于潜在蒸发量的晋西黄土区，水分高效利用是造林成功的关键。凋落物由生物组分产生并归还到林地表面，是森林生态系统的重要组成部分，对森林天然更新早期阶段有重要影响^[27]。本研究发现：在相同的覆盖措施下林缘生境的辽东栎苗木生长状况最优，且单叶面积在覆盖措施下的优势较浇水措施更为突出。这表明林缘相对均衡的光热和水分环境天然削弱了地表蒸发耗水^[28]，而凋落物可以阻隔土壤水分蒸发和减缓地温剧烈波动，进一步强化了林缘的水分保存能力^[29]，从而显著促进了对水分敏感的叶面积扩增。

在探究不同覆盖措施及用量对辽东栎苗木生长的影响中，发现各生境中多数生长指标随着凋落物用量的增加呈现先增后减的趋势。在林外生境中，当凋落物覆盖量达到135 g·株⁻¹时，除单叶面积外其余生长指标和存活率达到最大值，这一最优覆盖量有效缓解了林外过度蒸发导致的水分亏缺。然而，当覆盖量超过135 g·株⁻¹时，大多数生长指标开始出现不同程度的下降。这可能是因为凋落物自身吸持水分或阻碍降水入渗，反而不利于土壤水分补给，导致苗木生长指标下降^[30]。在林缘生境中，当凋落物覆盖量达到90 g·株⁻¹时，除单叶面积外其余生长指标和存活率达到最大值，这种情况的出现可能与林缘的光照条件有关，较林外减弱的光照强度降低了地表蒸发，使得较薄覆盖层即可维持土壤湿度平衡^[31]。在林内生境中，当凋落物覆盖量达到45 g·株⁻¹时，所有生长指标均达到最大值，这说明薄层覆盖有助于维持浅层土壤湿度，从而保障辽东栎苗木在林内弱光环境下光合作用的持续进行。但是当覆盖量达到180 g·株⁻¹时，冠幅和单叶面积低于ck，这可能是因为在林内高郁闭环境下，过厚的油松凋落物层严重阻碍了土壤与大气间的气体交换，并显著降低了地表及浅层土壤温度，共同抑制了辽东栎苗木地上部分的冠幅扩张和叶片发育^[32]。

在降水量低于潜在蒸发量的晋西黄土区，水分亏缺是制约造林成功的关键。保水剂是一种吸水能力特别强的功能高分子材料，且具有反复吸水的功能，可以减少水分的深层渗漏和土壤养分流失，提高水分利用率^[33]。本研究中，林缘在相同的保水剂措施下表现最优，说明林缘相对均衡的光热和水分条件，有效缓解了水分快速散失，其本身水分利用效率较高。保水剂则进一步强化了该位置的保水能力，将有限的水资源更高效地转化为苗木可利用的有效水，从而极大促进了辽东栎苗木的生长发育^[34]。

在不同保水剂措施下，发现各生境中所有生长指标均随着保水剂用量的增加呈现先增后减的趋势。在林外极端干旱的条件下，保水剂用量达到40 g·株⁻¹时，除冠幅外其余生长指标均达到最大值，表明适量的保水剂能够有效缓解土壤水分的剧烈波动与过度蒸散，为苗木根系提供稳定的水分供应，从而促进苗木生长^[35–36]。在林缘生境中，保水剂用量为20 g·株⁻¹时，除单叶面积外其余生长指标达到最大值，这可能是因为林缘本身较林外显著降低的蒸发量和相对稳定的水分环境，使得中等剂量的保水剂足以维持苗木根部水分的稳定与充足^[37]。在林内生境中，保水剂用量为10 g·株⁻¹时，除单叶面积外其余生长指标达到最大值，当用量为50 g·株⁻¹时，苗高增量、地径增量、冠幅和叶片数量均低于ck。这表明极低的保水剂用量就可以促进辽东栎苗木的生长发育，一旦用量过高其极强的持水性在蒸发微弱的环境下会加剧土壤孔隙水饱和状态，且吸水膨胀的凝胶颗粒会显著降低土壤孔隙度，增加土壤容重，最终抑制辽东栎苗木的生长发育^[38]。

综合浇水、覆盖和保水剂3种措施分析，各生境条件下保水剂和覆盖处理的效果均优于浇水处理和ck，其中林缘环境对辽东栎苗木生长表现出显著的促进作用，最大程度地满足了幼苗生长和扩冠的需求。后续研究可进一步探索多措施联合应用在不同环境中的协同效应，为区域生态修复提供更精准的技术方案。

3种环境条件下林缘生长的辽东栎苗木存活率及各项生长指标均表现最优；各生境条件下，保水剂和覆盖处理的效果均优于浇水处理和ck；在干旱胁迫区应优先选用保水剂改善水分胁迫，在过渡带需结合覆盖措施优化土壤微环境，而在郁闭林内则应强化覆盖措施的水分保存功能。因此在黄土区利用辽东栎对油松人工林进行更新改造时，需根据生境特点选择适配性措施，在营造块状混交林时，宜优先选用保水剂，株间混交或行间混交时宜加强栽植穴的覆盖，以提升苗木成活率。