高玉寒，姚云峰，郭月峰※，趙文昊，溫 健，楊 陽，祁 偉,2

檸條錦雞兒細根表面積密度對土壤水分空間分布的響應(yīng)

高玉寒1，姚云峰1，郭月峰1※，趙文昊1，溫 健1，楊 陽1，祁 偉1,2

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，呼和浩特 010020）

為研究檸條錦雞兒（Caragana microphylla）細根與土壤水分的空間關(guān)系，以內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶10 a生檸條錦雞兒細根為研究對象，對細根表面積密度與土壤含水率之間的關(guān)系進行了初步探討。分別對檸條錦雞兒細根和土壤水分的空間分布情況進行研究發(fā)現(xiàn)，垂直和水平土層方向各標準地檸條錦雞兒細根表面積密度與土壤含水率均呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.65（P＜0.01）。經(jīng)回歸分析建立檸條錦雞兒細根表面積密度與土壤含水率之間的關(guān)系模型并對模型進行驗證，驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型可以很好地描述兩者之間的關(guān)系（R2=0.84，P＜0.01）。撂荒地土壤含水率比檸條地高71%，研究區(qū)檸條地出現(xiàn)至少200 cm的土壤干層，部分土層接近凋萎濕度，檸條生長受阻。研究結(jié)果對于干旱區(qū)人工檸條林的栽植管理具有重要意義，可為北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境建設(shè)及植被恢復提供理論依據(jù)。

土壤含水率；根系；模型；細根表面積密度；檸條錦雞兒；土壤干層

0 引 言

檸條錦雞兒（Caragana microphylla）根系發(fā)達且具有旱生結(jié)構(gòu)特征，可以在極度干旱的環(huán)境中生長[1]，是中國華北、西北、東北西部重要的水土保持和固沙造林樹種[2]。然而，在造林過程中受立地條件、植物群落復合結(jié)構(gòu)的影響，單一、高密度的播種檸條錦雞兒可能導致林水關(guān)系失調(diào)，深層土壤由于持續(xù)的水分虧缺出現(xiàn)長期較穩(wěn)定存在的干燥化土層（即土壤干層），從而形成了大面積的低產(chǎn)林[3-5]。干層的出現(xiàn)不僅將導致樹干彎曲、樹冠分枝少和生長緩慢等，而且會造成巨大的水分虧缺，使降水難以直接垂直入滲補給地下水，使土壤-植物-大氣間的垂直水分交換作用加強，陸地水分循環(huán)路徑發(fā)生改變，從而使局部小氣候環(huán)境更趨于旱化[6-7]。Wang等[8]的研究表明黃土丘陵半干旱區(qū)人工檸條林的耗水深度可達到22.4 m。程積民等[9]研究表明，13～18 a生檸條土壤干層厚度達750～800 cm，水分不足導致檸條根系老化衰退，生長發(fā)育緩慢。楊文治等[10-11]研究了檸條植被生長年限與土壤水分的關(guān)系，結(jié)果表明土壤干燥化強度和干層厚度均隨檸條生長年限增加而增加。徐榮等[12]通過研究不同密度檸條林土壤水分的動態(tài)，發(fā)現(xiàn)土壤水分隨檸條密度增加呈現(xiàn)出減小的趨勢。張文文等[13]研究了不同密度檸條林土壤水分在年際間的變化規(guī)律，表明檸條林地密度越低土壤水資源越高。

植物根系統(tǒng)是研究不同植被覆蓋下水量平衡的基礎(chǔ)，也是土壤-植物-大氣連續(xù)體（soil-plant-atmosphere continuum）中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14]。植物根系是傳輸水分的主要通道，尤其細根在此功能中貢獻最大，因此植物根系的分布特征直接影響到地下營養(yǎng)和土壤水分對植物的供給，與此同時，植物根系分布與土壤干層的形成有著直接的關(guān)系[15-16]。由于根系埋藏在地表以下，很難對其進行直觀了解，因此在研究根系在土壤中的分布狀態(tài)時最有效的方法是采用數(shù)學模型來描述根系的分布特征[17]。胡小寧等[17-18]對刺槐（Robinia pseudoacacia）細根各項特征值的研究表明，刺槐細根表面積密度與土壤含水率的分布特征耦合關(guān)系最為顯著，但上述模型未反映細根生長隨土層垂直和水平距離的空間變化狀況。

目前，對檸條錦雞兒細根與土壤水分分布關(guān)系的研究多集中在垂直分布關(guān)系上，其分布狀況與土壤干層關(guān)系的研究也較少，且對檸條錦雞兒林地土壤干層的研究多在黃土高原地區(qū)，本文通過對內(nèi)蒙古黃花甸子流域檸條錦雞兒細根和林下土壤水分及撂荒地土壤水分進行研究，分析檸條細根與林下土壤含水率的空間分布關(guān)系，并進一步分析檸條林下土壤與撂荒地土壤水分狀況，研究檸條細根對林下土壤水分的影響及其與檸條林地土壤干層的關(guān)系，以期豐富內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶檸條錦雞兒適生性的內(nèi)容，也可以為地區(qū)植被恢復、土壤水分管理和水土流失防治提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗西部的黃花甸子小流域。地處42°17′～42°33′N，119°36′～119°53′E，位于老哈河中游南岸，科爾沁沙地南緣，面積約30 km2，屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)。該流域總體屬于低山丘陵區(qū)，地勢起伏較小，海拔400～800 m，年均降雨量350 mm，年內(nèi)年際變化率較大，50%以上集中在5—10月，2014年5—10月降雨量為341.4 mm，2015年5—10月降雨量為321.6 mm，均低于年均降雨量，且2015年比2014同期降低6%。年均蒸發(fā)量2 450 mm，2015年蒸發(fā)量為2 585.6 mm。全年日照數(shù)2 940～3 060 h，10 ℃以上積溫為3 189 ℃。春季風力大持續(xù)時間較長，年平均風速4～6 m/s。土壤類型以栗鈣土為主，伴有少量的風沙土，pH呈弱堿性到堿性。為保持水土和防風固沙，該流域以人工植被為主，主要造林樹種為小葉楊（Populus simonii）、油松（Pinus tabuliformis）、山杏（Prunus sibirica）和檸條錦雞兒（Caragana korshinskii Kom.）等。

1.2 試驗設(shè)計

于2015年8月在黃花甸子小流域選擇同一坡面上種植密度為2 m×4 m的10 a生檸條錦雞兒人工林地作為試驗地，坡面為西北坡，坡度約4°。將試驗地沿東西方向分成3塊等面積的標準地，各標準地大小為150 m× 100 m，從北至南依次為標準地1，標準地2和標準地3。每個標準地選擇5叢標準叢，總共15叢。標準地概況見表1。在試驗區(qū)附近選擇1塊不受檸條林及其他喬灌木干擾的撂荒地作為對照樣地，該對照樣地立地條件與試驗地相似。撂荒地主要植物種類有蒺藜（Tribulus terrestris L.）、鐵桿蒿（Tripolium vulgare Nees.）、中華隱子草（C．Chinensis (Maxim.) Keng）、達烏里胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、青蒿（Artemisia carvifolia）。撂荒地植物平均株高18 cm，植被稀疏，生物量38 g/m2。

表1 標準地概況Table1 Sampling plot profile

1.3 測定項目

1.3.1 土壤含水率與根系調(diào)查及測定方法

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)檸條錦雞兒細根主要出現(xiàn)在0～200 cm土層內(nèi)，占總根質(zhì)量的97%以上[19-22]，因此，將坡面上距離標準叢200 cm的圓形區(qū)域內(nèi)垂直深度為0～200 cm的土層作為根系采集區(qū)。采集檸條根系時采用四分之一圓法取樣，即用根系采集區(qū)內(nèi)圓心角為90°的任意扇形區(qū)域代表整個根系采集區(qū)，選擇坡位較低一側(cè)最中央的扇形區(qū)域作為數(shù)據(jù)采集區(qū)。取樣調(diào)查時，按20 cm為1層將土壤剖面垂直和水平方向均分為10層，分層依次取樣。按前面劃分的層次對樣地及撂荒地各土層依次進行土壤含水率調(diào)查和檸條根系采集，同一土層的含水率調(diào)查和根系采集同步進行。

各土層土樣于當天利用QS-SFY型土壤水分速測儀（武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司）測定含水率，每層測3個重復。同時，利用烘干法驗證該儀器檢測結(jié)果的精度。

采集檸條根系時，將各土層所有根全部揀拾干凈，根據(jù)外形、顏色、彈性及根皮與中柱分離的難易程度來區(qū)分活根、死根并剔除死根，稱質(zhì)量記錄并編號裝入牛皮紙袋帶回實驗室。各土層根系依次在孔徑為0.1 mm的篩筐內(nèi)沖洗，把根上附著的泥土沖洗干凈，用游標卡尺測量各徑級根系，選取直徑＜2 mm的細根作為研究對象[23]，然后用日本精工愛普生公司生產(chǎn)的EPSON10000XL掃描儀進行掃描并用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析根體積、表面積、長度等。

趙忠等[18]通過對刺槐根系各項特征值進行研究，證實在土壤垂直剖面上與刺槐細根表面積密度的分布特征最吻合的為土壤含水率。因此，本文在研究檸條錦雞兒時也采用細根表面積密度S（即每dm3土壤中細根總表面積的大小，cm2/dm3））：

式中r為土層半徑，cm；h為土層厚度，本文為10 cm；A為細根表面積，cm2；n和k分別為樣本總數(shù)（各標準地采集的標準叢數(shù)，即5叢）及樣點總數(shù)（樣點數(shù)為某土層根系采集區(qū)體積除以1 dm3，各土層的樣點數(shù)不一樣，由于是按四分之一圓法取樣，所以距標準叢水平距離越遠樣點數(shù)越大）。

1.3.2 土壤干層調(diào)查方法

通過對研究區(qū)不同土層土壤含水率進行測量發(fā)現(xiàn)研究區(qū)檸條地土壤含水率相對較低，為進一步驗證研究區(qū)土壤水分情況，對研究區(qū)檸條地土壤干層情況進行調(diào)查。在標準地1和標準地2之間、標準地2和標準地3之間各選擇一塊2 m×2 m的試驗地進行灌水充分滲透并連續(xù)監(jiān)測5 d。

1.3.3 田間持水測定

在標準地1和標準地2之間、標準地2和標準地3之間各選擇一塊2 m×2 m具有代表性地塊，仔細平整并將四周用土圍起20 cm高的田壟，在上述田壟旁挖1個寬深各2 m的剖面，測定各土層土壤容重及含水率，從而計算出總孔隙度及總含水率，然后根據(jù)總孔隙度與土壤含水率所占容積百分比之差，計算出將試驗地土層（2 m）孔隙都灌滿水時的需水量。為使試驗地土壤充分滲透，實際灌水量取為以上計算的需水量的1.5倍。試驗地灌水量（m3）=H·(a-r′)·d·c·h′，式中a為土壤飽和含水量，%；r′為土壤自然含水量，%；d為土壤容重，g/cm3；c為測試區(qū)面積，m2；h′為土層需灌水深度，本文為2 m；H為使土壤含水率達飽和的保證系數(shù)。H值大小與地下水深度、土壤質(zhì)地等有關(guān)，通常為1.5～3，一般地下水位淺或者土壤顆粒較小選用1.5，反之選用2或3。由于該試驗地土壤屬栗鈣土且地下水位較深，為保證土壤充分滲透，H為3。根據(jù)上式計算得灌水量為2.77 t，即約為3 t。對試驗地進行灌水，當水分充分入滲并排除空氣直到所有孔隙全部被水填充時，即土壤含水量達到飽和時，進行測量得到田間最大含水量。此后，用防水苫布遮蓋試驗地防止水分蒸發(fā)并連續(xù)5 d測量各土層含水率，土壤剖面能維持的較穩(wěn)定的土壤含水率即為田間穩(wěn)定持水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理，根系和土壤水分空間分布圖在Surfer中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 細根表面積密度與土壤含水率

2.1.1 細根表面積密度與土壤含水率相關(guān)分析

標準樣地1 m以上土層中細根質(zhì)量分別占整個取樣土層的81%、78%和74%。分別對垂直和水平方向不同深度土層內(nèi)的檸條細根表面積密度和土壤含水率進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，垂直和水平土層方向上檸條細根表面積密度與土壤含水率均呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于0.65（P＜0.01）。

表2 不同方向檸條錦雞兒細根表面積密度和土壤含水率的相關(guān)性Table2 Correlation between fine root surface area density of Caragana microphylla and soil moisture in different directions

各標準地檸條細根表面積密度和土壤含水率空間分布見圖1。由圖1可知，各標準地土壤剖面中檸條錦雞兒細根表面積密度和土壤含水率隨距標準叢的距離增加呈逐漸減小的趨勢，二者在土壤剖面水平方向的最大值始終在標準叢正下方，這與刺槐細根的分布規(guī)律一致[18]；垂直方向的最大值均出現(xiàn)在標準叢正下方約30 cm的位置，但是在約90 cm的位置二者出現(xiàn)另一個峰值，而50～70 cm處則出現(xiàn)低谷，其含水率幾乎達到凋萎濕度，這主要是由于標準地距地表50～70 cm處均有厚度約為20 cm的鈣積層。鈣積層相對其他土層結(jié)構(gòu)緊實、通透性差，增加了土壤水分流通、保持及根系向下發(fā)育的難度，故50～70 cm土層的細根表面積密度和土壤含水率明顯偏低。鈣積層下層土壤相對疏松、通透，根系通過鈣積層后生長速度加快，土層中根系分布密度變大截留大量上方水分、吸收深層水分且?guī)缀鯖]有蒸騰作用，所以90 cm土層細根表面積密度和土壤含水率較大。隨土層深度繼續(xù)增加，細根表面積密度和土壤含水率逐漸減小，在180 cm土層以下略微回升。

圖1 各標準樣地檸條錦雞兒細根表面積密度與土壤含水率空間分布Fig.1 Spatial distribution of fine root surface area density of Caragana microphylla and soil moisture in each sampling plot

各標準地檸條錦雞兒細根表面積密度和土壤含水率在土壤剖面的分布規(guī)律基本一致，且細根表面積密度在任意土層中沿垂直方向和水平方向的波動情況與土壤含水率的波動情況相似，這說明檸條根系表面積作為根系與土壤之間進行營養(yǎng)物質(zhì)交換的界面，細根的分布特征與剖面土壤含水率密切相關(guān)。

2.1.2 細根表面積密度與土壤含水率關(guān)系模型的建立

根據(jù)標準地1和標準地2的細根數(shù)據(jù)和土壤水分數(shù)據(jù)建立細根表面積密度與土壤含水率的關(guān)系模型

S=11840w2-547.33w+9.89 （R2=0.74，P＜0.05）（2）式中S為細根表面積密度，cm2/dm3；w為土壤含水率，%。

由圖1可以看出，檸條錦雞兒細根表面積密度和土壤含水率與土壤垂直和水平距離有很強的相關(guān)性，因此，在建立細根表面積密度與含水率模型時需考慮水平和垂直距離的影響。故對式（2）進行修正。將標準地土壤剖面水平距離設(shè)為t，垂直距離設(shè)為h′′，將t和h′′代入式（2），則考慮土壤水分空間分布的細根表面積密度修正模型為

式中t為土壤剖面水平距離，m；h′′為土壤剖面垂直距離，m。修正模型的R2大于0.80，且高于修正前模型R2（0.74），說明考慮土壤水分空間分布的修正模型比修正前模型更能準確地模擬細根表面積密度。

2.1.3 考慮空間分布的細根表面積密度修正模型驗證

采用標準地3的實測數(shù)據(jù)進行模型驗證，基于式（3）的模擬值與實測值的比較結(jié)果如圖2所示。圖2表明，模擬值與實測值極顯著線性關(guān)系（R2=0.84，P＜0.01），表明式（3）可以很好地描述內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶黃花甸子流域檸條錦雞兒細根表面積密度與土壤水分之間的關(guān)系。

圖2 細根表面積密度實測值與基于考慮土壤水分空間分布的模型模擬值比較Fig.2 Comparison of measured and simulated fine root surface area density based on model considering spatial distribution of soil moisture

2.2 檸條地土壤干層狀況

樣地土壤水分狀況如表3所示。由表3可見，樣地田間最大持水率為17.56%～22.01%，田間穩(wěn)定持水率為10.50%～13.77%（約為田間最大持水率的60%）。由圖3可知，3塊標準地土壤含水率基本一致且隨深度增加各土層含水率變化不大，3塊標準地0～200 cm各土層含水率介于3.47%～6.01%之間，平均含水率為4.53%。比較而言，撂荒地含水率較高，為5.10%～8.77%，平均含水率為7.73%，比樣地高71%。該研究區(qū)檸條地形成了至少200 cm的土壤干層。除了表層土壤含水率相近外各土層土壤含水率均表現(xiàn)為檸條地土壤含水率＜撂荒地含水率，說明檸條林是導致檸條地土壤含水率偏低的主要原因。

表3 研究區(qū)各土層田間持水率Table3 Field capacity at different soil depths in study area

圖3 各標準地及撂荒地土壤剖面水分分布Fig.3 Soil moisture distribution in soil profile for sampling plots and wasteland

3 討 論

植物根系與土壤水分的空間分布關(guān)系受到諸多因素影響，如植被自身性質(zhì)、栽植密度、栽植年限、立地條件、降雨量、土壤性質(zhì)等。檸條錦雞兒細根絕大多數(shù)分布在淺層土壤中，隨土層加深細根密度急劇下降，與前人研究結(jié)果一致[24]。成向榮等[25]研究發(fā)現(xiàn)0～100 cm土層中細根量約占整個土壤剖面的90%，而本研究發(fā)現(xiàn)0～100 cm土層中細根含量約為74%～81%，這可能與立地條件和檸條林齡有關(guān)，本文選擇的標準地是低山丘陵區(qū)而成向榮等選擇的是沙地。檸條根系在沙地比黃土丘陵地區(qū)水平方向分布較遠，而垂直向下伸展較淺[24]；本文研究的檸條林齡為10 a，而張志山等選擇的檸條林齡為15 a。

研究表明檸條根系生長動態(tài)和土壤水分變化密切相關(guān)，含水量高的區(qū)域根系得到大量繁殖，從而導致細根表面積密度增大，而細根表面積密度增加也可以截留較多水分；根系吸水及蒸散又導致含水量減少，從而根系含量減少，即細根表面積密度減少，說明根系生長和分布與土壤水分間具有緊密聯(lián)系[26]。細根垂直分布與土壤水分分布存在顯著相關(guān)性[27]。與之類似，本研究也表明檸條錦雞兒細根表面積密度與土壤含水率空間分布規(guī)律基本一致。

研究根系和土壤水分分布特征時采用數(shù)學模型可以有效描述他們之間的關(guān)系，張喜英等通過指數(shù)模型建立了冬小麥根長與土層深度的變化規(guī)律[28]；張勁松等通過建立蘋果樹吸水根根長密度的數(shù)學模型得到其距樹干距離和土層深度變化的規(guī)律及石榴吸水根的根長密度在帶距范圍內(nèi)隨土層深度變化模型[29-30]；胡小寧等建立了刺槐細根表面積密度和土壤水含率隨土層深度和時間（月份）變化的耦合模型[17]，這些模型均說明根系的空間分布與水平距離、垂直距離或土壤含水率有極大相關(guān)性，但是大部分都是簡單函數(shù)或者是與單種指標之間的模型，而實際中根系分布一般都由多個指標影響形成。本文綜合前人研究，建立細根表面積密度同時與土壤含水率、水平距離和垂直距離建立空間關(guān)系模型，并對模型進行驗證，發(fā)現(xiàn)模型可以較準確地體現(xiàn)細根表面積密度情況，但該模型是否適用于其他地區(qū)有待考證。

細根作為植物的主要吸水根，根系的吸水速率與其在土壤中的分布及其動態(tài)變化緊密相關(guān)，莫保儒等[31]通過研究檸條林地各個部位的土壤水分情況發(fā)現(xiàn)檸條地0～600 cm土層內(nèi)普遍存在土壤干層。土壤水分虧缺嚴重影響著植物的生長。成熟的檸條可以吸收深達 600 cm的土壤水分，形成較深厚的土壤干層[32]，本研究發(fā)現(xiàn)在該研究區(qū)至少形成了200 cm的土壤干層。由圖3可見檸條地0～40 cm土層含水率較高且30 cm左右最高，這個現(xiàn)象與張晨成等[32]的研究結(jié)果一樣，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象主要是因為表層土壤（＞40 cm）主要受降水作用和蒸騰作用影響，8月時表層土壤得到降水補充含水率比其他土層略高，而表層蒸騰作用強烈所以30 cm左右土層含水率最高；70 cm土層土壤含水率最低，接近該地區(qū)凋萎濕度，這主要是因為70 cm左右有鈣積層，上層水分很難滲透而深層水分又無法補充；80～180 cm土層含水率持續(xù)降低，這與成向榮等[25]的研究結(jié)果一致，出現(xiàn)這樣的分布格局主要是因為檸條細根主要集中在0～180 cm土層中，雖然淺層土壤可以通過降水得到補充，但淺層細根分布密度大、截留降雨能力強、水分消耗量大以及強烈的土壤蒸騰作用導致下層土壤得不到有效補充，再加上該地區(qū)水位較低直接或間接利用地下水的難度大，所以80～180 cm這個區(qū)間含水率持續(xù)降低；在180 cm以下土壤含水率有小幅度回升，這個結(jié)果也與成向榮等[25]的研究結(jié)果相似，這是因為180 cm以下檸條根系大幅度減少緩解了水分吸收。而撂荒地表層含水率最低，其次為70 cm左右時含水率最低，這主要是因為表層受蒸騰作用最強烈，而70 cm處有鈣積層導致的，其他土層土壤含水率呈波動狀浮動，郭忠升[33]的研究中對這個現(xiàn)象做了進一步解釋，這主要是因為在降雨之后撂荒地土壤含水量得到短暫補充，但是由于撂荒地植被稀疏地表徑流量大且水分入滲量少，再加上受到高溫和大風的共同作用使得撂荒地蒸發(fā)作用劇烈，以上種種導致了撂荒地土壤含水率隨土層變化呈現(xiàn)波浪式下滑。

另有研究表明，植被類型的不同是導致土壤含水量空間差異的主要影響因素，而不是坡位之間，并且在＞40 cm的土層土壤水分的空間異質(zhì)性較大[34]。也有研究認為植被因子隨著土層深度增加對土壤水分的影響作用逐漸增加，而地形因子對土壤水分的作用則減小[35]。還有研究發(fā)現(xiàn)檸條地土壤貯水量和變化量在時間尺度上不會因為連續(xù)干旱而出現(xiàn)大幅度連續(xù)降低和虧缺的現(xiàn)象[31]。在土壤干層研究中其形成的主要驅(qū)動力是解釋其在局部空間變異的主要原因，除了植被之外土壤干層化還受到其他多種因素的影響，如降水等氣象條件、土壤自身結(jié)構(gòu)因素如持水性能、水穩(wěn)性團聚體含量和分布等。因此，在進行水土流失綜合治理及水土保持植被措施配置時，應(yīng)根據(jù)立地條件、氣象條件選擇適宜的植被類型和栽植密度才能保障植被生長狀況和生態(tài)恢復的質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1）通過對比檸條錦雞兒人工林細根與土壤水分的三維空間分布圖發(fā)現(xiàn)二者空間分布規(guī)律基本一致，但是沿不同方向變化速率有一定差異。建立檸條細根表面積密度與土壤含水率的關(guān)系模型并進行驗證，結(jié)果表明擬合效果達到極顯著水平。

2）撂荒地含水率比檸條林地含水率高71%，在整個研究區(qū)形成了至少200 cm的土壤干層，70 cm的鈣積層處土壤干化最為嚴重幾乎達到凋萎濕度，80 cm土層土壤含水率略高于鈣積層但是土壤干化現(xiàn)象隨土層深度增加逐漸加劇，在180 cm以下土壤含水率略有升高。

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Response of Caragana microphylla fine root surface area density to spatial distribution of soil moisture

Gao Yuhan1, Yao Yunfeng1, Guo Yuefeng1※, Zhao Wenhao1, Wen Jian1, Yang Yang1, Qi Wei1,2
(1. College of Desert Control Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power in Inner Mongolia, Hohhot 010020, China)

The response of Caragana microphylla root system to soil moisture can reflect the growth status of the Caragana microphylla plantation. Most studies focus on the relationship between Caragana microphylla fine root and soil moisture distribution in the vertical profile. This study aimed to investigate the relationship between Caragana microphylla fine root and spatial distribution of soil moisture in Huanghuadianzi watershed (42°17'-42°33'N, 119°36'-119°53'E) in Inner Mongolia. In August 2015, three sampling plots (150 m×150 m) were chosen in a s field with 10 a Caragana microphylla (density of 2 m × 4m). The field had the slope gradient about 4°. A wasteland without Caragana microphylla was as a control. The average height of plant was 2.60, 2.38 and 2.23 m for the 3 sampling plots. Fine root was collected from 0-200 cm soil depth for the determination of surface area density. Soil moisture was measured by a QS-SFY soil moisture measuring instrument. EPSON10000XL scanner and WinRHIZO root analyzing system were used for measurement of the fine root-related parameters. Meanwhile, the dried soil layer was investigated in the profile. The results showed that the fine root weight in the 1-m soil depth accounted for 81% for the sampling plot 1, 78% for the sampling plot 2 and 74% for the sampling plot 3 of the whole soil depth, respectively. The correlation between the soil moisture along the vertical and horizontal direction and the fine root surface area density was extremely significantly high with the correlation coefficient above 0.65 (P＜0.01). The spatial distribution of the fine root surface area density was consistent with that of soil moisture: the maximum value was right below of the sampling position and the minimum value was 50-70 cm. A model between fine root surface area density and soil moisture was built with R2=0.74 (P＜0.05). After considering the spatial distribution of soil moisture, the model accuracy was improved to R2=0.80 (P＜0.05). The validation of the modified model showed the R2=0.84 (P＜0.01). It indicated that the fine root surface area density model considering the spatial distribution of soil moisture was reliable in predicting the fine root surface area density. The maximum field capacity and stable field capacity of the study area were 17.56%-22.01% and 10.50%-13.77%, respectively. The soil moisture distribution of the 3 sampling plots was consistent. The soil moisture in the 3 plots in the 200 cm depth was 3.47%-6.01% with a mean of 4.53%. The wasteland had the soil moisture of 5.10%-8.77% with a mean of 7.73%. The soil moisture of the wasteland was 71% higher than that of the sampling plot. There was at least a 200-cm dried soil layer in the Caragana microphylla land and the soil drying was the most serious in the 70-cm depth below the soil surface. In the 70-cm soil depth, the soil moisture was even closer to the wilting soil moisture. The study provided an evidence that the land with a single Caragana microphylla could lower the soil moisture and hinder the plant growth.

soil moisture; roots; models; fine root surface area density; Caragana microphylla; dried soil layer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.020

S152.7+5

A

1002-6819(2017)-05-0136-07

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.020 http://www.tcsae.org

Gao Yuhan, Yao Yunfeng, Guo Yuefeng, Zhao Wenhao, Wen Jian, Yang Yang, Qi Wei. Response of Caragana microphylla fine root surface area density to spatial distribution of soil moisture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 136－142. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.020 http://www.tcsae.org

2016-06-13

2016-12-12

國家自然科學基金項目（31500584）；內(nèi)蒙古應(yīng)用研究與開發(fā)計劃項目（20110732）；高等學?？茖W研究項目（NJZZ16055）；內(nèi)蒙古自然科學基金項目（2016MS0407）

高玉寒，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人，主要從事水土保持與荒漠化防治方向研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，010018。

Email：18748160229@163.com

※通信作者：郭月峰，女，講師，博士，主要從事水土保持與荒漠化防治教學與研究工作。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，010018。

Email：guoyuefeng0525@126.com