劉新春,趙勇鋼,劉小芳,朱興菲,高 冉,栗文玉

山西師范大學生命科學學院, 臨汾 041000

人工植被建設是干旱半干旱地區(qū)控制水土流失、扭轉土地退化、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的一項重要舉措[1]。黃土高原大面積人工植被恢復對深層土壤水分利用及有機碳積累的影響是目前研究關注的重要科學問題。人工林作為廣泛栽植的木本植物,有利于減少地表徑流,改善土壤結構,增加土壤碳儲量[2-4]。然而,不當?shù)娜斯ち址N植也可能帶來負面的影響,尤其是引進外來植被引起的深層土壤干燥化[5]、土地退化[6]等問題日益凸顯。近年來,國內外關于人工林引起的土壤水分分布及碳儲量的差異性已有諸多研究。楊磊等[7]針對甘肅龍灘流域不同人工植被土壤水分的研究發(fā)現(xiàn),檸條、油松、山杏林地土壤水分虧缺嚴重,尤其是100 cm以下土層。Yuan等[8]研究認為木本植物的高蒸騰特性造成的土壤水分損失可能會加劇深層土壤水分短缺。楊景成等[9]對退耕農田轉變的草地和次生林的研究發(fā)現(xiàn),植被恢復可增加19%—53%的土壤碳儲量。邱甜甜等[10]對油松林與撂荒地的對比研究發(fā)現(xiàn),不同生長階段的油松林其淺層和深層有機碳儲量均顯著大于撂荒地,證實了油松林建設對于提高土壤有機碳儲量有顯著作用。王征等[11]通過對紙坊溝流域刺槐林土壤有機碳含量的研究發(fā)現(xiàn),其深土層(50—200 cm)含量約為淺層(0—50 cm)的25%,證明了植被恢復對深層土壤有機碳的固定有重要影響。

細根(≤2 mm)是根系系統(tǒng)中最敏感的根,是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要途徑[12]。植物對土壤水分和養(yǎng)分的競爭能力取決于其根系占據(jù)的土壤空間,這一能力由一些根系特征決定,如根密度、生物量、根表面積、根深等。近年來,隨著退耕還林還草工程的深入推進,人工林生態(tài)系統(tǒng)中細根的變化規(guī)律受到了國內外學者的廣泛關注。趙忠等[13]對安塞刺槐的細根表面積密度的研究發(fā)現(xiàn),細根分布密集區(qū)對應土層的土壤水分狀況變化較為活躍,認為其分布與土壤含水量隨土層深度的變化有相似趨勢。楊秀云等[14]對華北落葉松細根生物量的空間分布研究發(fā)現(xiàn),細根生物量與土壤含水量存在顯著的相關關系。韓鳳朋等[15]對裸地坡面和草坡地的對比研究結果顯示,根系密集區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)于無根系存在的土壤,且在根系密集區(qū),其土壤有機質具有明顯的表聚現(xiàn)象。燕輝等[16]研究認為根徑≤2 mm的細根生物量、表面積和根長密度與土壤有機質顯著相關。從目前的研究來看,不同人工植被細根分布具有差異,并與土壤水碳的分布密切相關,但在區(qū)域間對不同人工林類型,尤其是深土層的土壤水分、有機碳的影響不夠明確[17],有進一步研究的必要。

晉西黃土丘陵溝壑區(qū)位于黃土高原腹地,降水稀少,蒸發(fā)量遠大于降水量,土壤中養(yǎng)分缺乏,原始植被破壞嚴重,水土流失嚴重。自20世紀開始,該區(qū)域進行大規(guī)模林草植被建設,刺槐(Robiniapseudoacacia)、側柏(Platycladusorientalis)因其耐干旱、生長迅速、成活率高等特點[18],被作為該區(qū)域人工植被恢復的適生樹種,核桃(Juglaregia)因其經濟價值被廣泛種植。目前關于該地區(qū)不同人工林類型下土壤水碳分布已有一些研究,但主要集中在淺層土壤,有關深剖面(>1 m)土壤水分虧缺和有機碳積累效應的研究相對較少[7,19],特別是比較缺乏從植被細根-水分-有機碳三者相互關系開展的研究[20],這對于深入揭示植被恢復的土壤功能機制有所不足。因此,本研究選取晉西黃土區(qū)3種典型人工林,對深剖面(0—500 cm)植被細根參數(shù)進行研究,并分析其與土壤水分和有機碳的耦合關系,以期為區(qū)域人工林建設的評價與管理提供一定的科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省呂梁市離石區(qū)蓮花池鄉(xiāng)(111°7′39″—111°10′14″E,37°28′14″—37°28′56″N),屬三川河流域一支,海拔900—1200 m,地形支離破碎,溝壑縱橫,屬典型黃土高原丘陵溝壑區(qū)。年平均氣溫8.9℃,年平均降水量為450—550 mm,主要集中在7—9月,占全年降水的70%以上。年蒸發(fā)量為1850.8 mm,最大蒸發(fā)量出現(xiàn)在4—6月,屬典型的溫帶大陸性氣候。土壤類型主要為黃土母質直接發(fā)育的黃綿土,顆粒組成以砂粒、粉砂粒為主,含鈣質,結構松散,遇水極易崩解,土壤侵蝕程度較大。在植被區(qū)劃上,屬于暖溫帶落葉闊葉林地帶,該地區(qū)常見人工造林樹種主要有刺槐、側柏、檸條(Caraganakorshikii)等；人工經濟林主要有核桃、蘋果(Maluspumila)等。各樣地基本信息見表1。

表1 標準樣地概況

DBH：Diameter at breast height

1.2 樣地選擇與樣品采集

本研究選取該地區(qū)廣植的3種典型人工林為研究對象,包括退耕還林常用樹種刺槐和側柏及經濟林核桃,并以長期種植的農地作為對照。采樣農地長期耕作(>30a),為雨養(yǎng)旱作管理模式。種植作物為玉米,采用單作模式,一年一熟制。于2017年8月上旬進行土壤和根系樣品采集。每個樣地選擇坡向和坡度相近的坡面,沿坡面布置3條長50 m、寬10 m的樣帶,在樣帶上沿坡面布置3個樣方(喬木10 m×10 m),每個樣地共9個樣方。在樣方內進行每木檢尺,記錄其株高、胸徑、冠幅,并據(jù)此選擇3株平均木為代表樹,以其主干為中心,在其半徑1 m的弧線正方位上選點,用根鉆(內徑9 cm)采集0—500 cm深度包含根系的土樣,其中0—100 cm土層間隔10 cm取樣,100—500 cm土層間隔20 cm取樣。另用土鉆(內徑5 cm)在根鉆臨近位置采集0—500 cm深度土壤樣品,用于測定土壤含水量和有機碳含量,采樣土層設計同根鉆取樣。在打鉆取樣點旁挖取土壤剖面,用環(huán)刀(100 cm3)采集100 cm土層(間隔10 cm)原狀土,用于土壤容重(Bulk density,BD)測定。

1.2.1根樣的獲取及處理

將野外采集的根系樣品用清水過2 mm篩沖洗,收集細根樣品后用游標卡尺確定根系直徑大小,用鑷子挑出雜物并揀出直徑≤2 mm的全部細根。用根系掃描儀(EPSON PERFECTION V700 Photo)掃描并用WINRhizo根系分析系統(tǒng)進行根系的總根長、根表面積、根平均直徑等參數(shù)的測定分析,掃描后的根系裝入信封于80℃烘箱中烘干至恒重。細根參數(shù)計算公式如下[21]：

(1)

式中,X為相應各指標密度值,即根長密度(Fine root length density,FRLD,m/m3)；根質量密度(Fine root mass density,FRMD,g/m3)；根表面積密度(Fine root surface area density,FRAD,m2/m3)；xxj為根系指標,代表根長(m)；根干重(g)；根表面積(m2)；r為根鉆半徑(cm)；h為土層厚度(cm)；i和j分別為樣本數(shù)及樣點數(shù)；n和k分別為樣本總數(shù)和樣點總數(shù)。

Y=1-βh[22]

(2)

式中,Y為從地表到一定土層深度的根系生物量累積百分比(%)；h為土層深度(cm)；β為根系消弱系數(shù)。

1.2.2土壤理化性質測定與計算

土壤含水量(Soil moisture content,SMC)采用烘干法(105—110℃,24 h)測定；土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)測定采用重鉻酸鉀外加熱法；0—100 cm土壤容重采用環(huán)刀法測量[23]。由于野外傳統(tǒng)的環(huán)刀法采樣實測工作量大,100—500 cm的容重通過土壤容重傳遞函數(shù)模型(Pedotrafer function)來預測和估算。選取國內外關于該區(qū)域已建立的經典容重傳遞函數(shù)模型,帶入本研究各樣地0—100 cm的相關數(shù)據(jù)檢驗其預測精度[24],并進一步建立各樣地的最佳容重傳遞函數(shù)模型,通過逐步回歸分析創(chuàng)建回歸方程,對基礎模型進行校正優(yōu)化,得到最終的各樣地容重傳遞函數(shù)模型。

土壤有機碳密度(SOC density,SOCD)是指單位面積一定土體中土壤有機碳質量,其計算公式為[25]：

SOCDi=SOCi·BDi·Di·(1-θi)/100

(3)

式中,SOCDi和SOCi分別代表第i層的平均SOCD(kg/m2)；平均有機碳含量(g/kg)；BDi為第i層平均土壤容重(g/cm3)；Di為第i層的土壤厚度(cm)(本文以每10 cm深度計)；θi為第i層中直徑大于2 mm的石礫所占的體積百分比(%)。鑒于黃土高原典型的土壤特性,幾乎沒有粒徑大于2 mm的礫石,θ值可忽略不計。

1.2.3土壤水分虧缺和有機碳積累效應評價

以農地為對照,3種人工林(刺槐、側柏和核桃)深層的土壤水分虧缺效應(soil moisture deficit,SMD)和SOC積累效應(soil organic carbon accumulation,SOCA)計算如下[25]：

SMDj,k=(SMCj,k-SMC0,k)/ SMC0,k

(4)

SOCAj,k=(SOCDj,k-SOCD0,k)/ SOCD0,k

(5)

式中,SMCj,k、SMC0,k和SOCDj,k和SOCD0,k分別代表第k個土層第j種人工林樣地和對照農地的SMC和SOCD。

1.2.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

根據(jù)SMC、SOC和細根參數(shù)的土層分布特征,并結合前人的研究[20,26],本研究中將土層分為淺層(0—70 cm)和深層(70—500 cm)進行分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小差異顯著法(LSD)對3種人工林各根系指標進行統(tǒng)計分析(P<0.05),采用Pearson相關系數(shù)對細根、SMC和SOCD進行相關性分析。所有統(tǒng)計分析用SPSS 18.0進行。采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 人工林細根特征參數(shù)分布

4種人工植被整個土層(0—500 cm)細根特征參數(shù)分布如圖1所示。細根特征參數(shù)在淺層(0—70 cm)和深層(70—500 cm)有顯著差異(P<0.05)。4種人工植被土壤淺層細根累計生物量達到整個土層的52%—71%,其FRLD值范圍為658.78—1308.27 m/m3,FRMD值范圍為46.60—418.34 g/m3；在深土層FRLD值范圍為265.57—409.10 m/m3,FRMD值范圍為13.12—62.00 g/m3,3種人工林FRLD和FRMD顯著大于農地(P<0.05),但彼此間差異不顯著。FRAD具有較為相似的分布規(guī)律,其淺層范圍為1.41—3.96 m2/m3；深土層為1.84—4.06 m2/m3,僅在農地和核桃樣地有顯著差異(P<0.05)；各樣地細根直徑主要集中在1 mm左右,農地細根直徑顯著小于3種人工林細根直徑(P<0.05)。

圖1 4種人工植被0—500 cm剖面細根特征參數(shù)分布Fig.1 Fine root parameters within the 0—500 cm soil layers under the four vegetation types

2.2 人工林土壤水分分布及虧缺評價

4種植被土壤水分(SMC)在整個土層的分布有較大差異(圖2)。在土壤淺層,各樣地SMC隨土壤深度增加表現(xiàn)為增加趨勢,且變異性較大；4種人工植被深土層平均SMC為9.8%—16.4%,各樣地變異性相對較小。以農地為對照,3種人工林SMC均存在不同程度的虧缺(圖2)。3種人工林在剖面的虧缺狀況與其SMC趨勢基本一致。3種人工林淺層水分虧缺(SMD)隨土壤深度增加呈增加趨勢；在深土層,刺槐和側柏在70—300 cm土層SMD持續(xù)且較為穩(wěn)定,而核桃SMD呈減少趨勢；300—500 cm土層刺槐和核桃SMD呈增加趨勢,而側柏SMD呈減少趨勢。3種人工林整個土層的SMD效應如圖2所示。就整個土層來看,各樣地淺層SMD均顯著高于深層(P<0.05)。在土壤淺層,其SMD值表現(xiàn)為：刺槐(-0.36)高于側柏(-1.00),核桃(-1.23)次之,各樣地間無顯著差異(P>0.05)。在深土層(70—500 cm),其SMD值表現(xiàn)為：側柏(-5.37)顯著高于核桃(-9.08),刺槐(-10.73)次之?？傮w來說,刺槐水分虧缺最為嚴重,核桃次之,側柏最輕。

2.3 人工林有機碳分布與積累效應

4種人工植被淺層平均有機碳密度(SOCD)范圍在0.82—1.58 kg/m2,占整個土層的14.0%—24.0%,農地和核桃顯著高于刺槐和側柏(P<0.05)。4種人工植被深層平均SOCD范圍在0.99—1.26 kg/m2,各樣地間無顯著差異(P>0.05)。以農地為對照,3種人工林在0—500 cm的有機碳積累(SOCA)效應表現(xiàn)不同。在土壤淺層,僅核桃SOCA為正值,在土壤深層,刺槐和側柏的SOCA隨土層深度的增加呈現(xiàn)增加趨勢,而核桃的SOCA先減少后增加,400 cm以下土層,3種人工林SOCA趨于正值且逐漸趨于穩(wěn)定。就整個土層來看,除刺槐外,各樣地深層SOCA顯著高于淺層(P<0.05)(圖3)。在土壤淺層表現(xiàn)為：核桃(1.47)顯著高于刺槐(-1.46)和側柏(-1.64),在深土層表現(xiàn)為：核桃(4.95)和側柏(3.55)顯著高于刺槐(-0.66)?？傮w來看,核桃和側柏SOCA累計為正值,具有累積效應,而刺槐累計為負值,具有虧缺效應。

圖2 4種人工植被0—500 cm剖面土壤水分含量(SMC)分布及虧缺特征(SMD)Fig.2 Soil moisture content (SMC) and its deficit (SMD) within the 0—500 cm soil layers under the four vegetation types 圖中陰影部分面積為各樣地與空白對照相比的土壤水分虧缺值,圖c中各樣地橫坐標統(tǒng)一為10

圖3 4種人工植被0—500 cm剖面有機碳密度(SOCD)分布及其積累效應(SOCA)Fig.3 Soil organic carbon density (SOCD) and accumulation (SOCA) within the 0—500 cm soil layers under the four vegetation types 圖中陰影部分面積為各樣地與空白對照相比的土壤有機碳虧缺值,圖c中各樣地橫坐標統(tǒng)一為10

2.4 SMC、SOC和細根各參數(shù)間的相關性

Pearson相關性分析表明(表2),在整個土層,各樣地SMC、SOCD與細根三者有顯著相關關系,但在不同土層各人工植被有所差異。在土壤淺層,FRLD、FRMD、FRAD與SMC顯著負相關,與SOCD顯著正相關(P<0.05)；細根消弱系數(shù)β與SMC顯著正相關,與SOCD顯著負相關(P<0.05)；D與SMC和SOCD無顯著差異(P>0.05)；SMC與SOCD顯著負相關(P<0.05)。在土壤深層,各樣地FRLD、FRMD、FRAD與SOCD有顯著正相關性(P<0.05)；而與SMC的正相關性僅在刺槐樣地顯著,SMC與SOCD顯著正相關。

表2 4種人工植被SMC、SOCD和細根特征參數(shù)間的相關性分析

*,P<0.05；**,P<0.01；SMC：土壤含水量Soil moisture content；SOCD：土壤有機碳密度Soil organic carbon density；FRLD：根長密度Fine root length density；FRMD：根質量密度Fine root mass density；FRAD：根表面積密度,Fine root surface area density；D：根直徑, Fine root diameter；β：根系消弱系數(shù)Root extinction coefficient

3 討論

3.1 人工林細根垂直分布差異性

在本研究中,3種人工林深土層細根特征值顯著高于農地,且隨土層深度增加有不同程度下降。Bennett等[27]對西部紅杉的研究也有類似的結果,他們認為人工林根系大的分布空間造成了明顯優(yōu)勢的細根密度特征值。3種人工林土壤深層細根生物量占細根總量表現(xiàn)為：側柏(28.9%)<刺槐(43.2%)<核桃(44.0%),說明側柏細根的表聚現(xiàn)象優(yōu)于刺槐和核桃。薦圣淇等[28]的研究表明刺槐的細根主要分布在0—80 cm土層范圍內。王迪海等[29]在安塞縣的研究認為,0 — 200 cm土層是樹木細根表面積的主要分布層,有80%以上的細根表面積分布。這些研究結果與本研究相似。成向榮等[30]的研究顯示,涇川和安塞0—200 cm土層刺槐平均細根FRAD值為2.37和1.71 m2/m3,側柏為3.01和2.56 m2/m3,與本研究(2.01 m2/m3)有所差別,這可能是由于氣候和土壤資源有效性的差異造成的。多數(shù)細根直徑較小,主要集中在1 mm左右,隨深度增加根量分布越少且直徑相對較小,因此深層細根可能主要以吸收水分為主[31]。

3.2 人工林細根對土壤水分的影響

黃土高原地區(qū)氣候干旱,降雨補給十分有限,深層滲漏很難發(fā)生[32],因此植被根系分布及其吸水能力的差異是造成土壤水分差異的主要原因[33]。在本研究中3種人工林均呈現(xiàn)不同程度的水分虧缺,其中刺槐虧缺最為嚴重,核桃和側柏次之。在土層深度上,各樣地深層土壤水分虧缺顯著高于淺層。Gao等[25]在天河流域的研究表明,刺槐的水分虧缺程度最大,檸條次之,側柏相對較輕,且各樣地200 cm以下虧缺明顯,與本研究結果類似。這與植物根系的分布特征有直接關系。側柏深層的細根分布較刺槐和核桃少,因此其深層水分虧缺較少,刺槐和核桃則相反。細根對土壤水分的利用在植被類型間有所差異,且在不同深度差異顯著。在土壤淺層,植物主要利用發(fā)達的根系吸收土壤水分,因此上層細根特征值較大。細根的高密度分布對土壤水分需求也逐漸增大,加之降水補充不足,已造成土壤淺層一定程度水分虧缺,從而導致根系向深扎,來獲取更深層次的土壤水分來維持自身需要,因此相比農地來說,人工林深層細根密度值較大。由于根系強烈的吸水作用且多年降水難以補給,土壤水庫已失去調節(jié)功能,因此導致深層土壤水分虧缺嚴重[34]。土壤水分無法滿足細根生長需求,細根特征密度就會下降[35]。但有許多研究表明[19,36],盡管深層細根分布較少,其對水分的吸收作用仍較為強烈。相關性分析也進一步證實,細根與土壤水分的相關關系僅在刺槐有顯著性,這可能與不同人工林根系類型對水分的利用程度有關。

3.3 人工林細根對土壤有機碳的影響

在本研究中,3種人工林淺層平均SOCD為0.82—1.58 kg/m2。黃政等[37]在隴南地區(qū)的研究中,側柏林地淺層(0—50 cm)平均SOCD為2.79 kg/m2,與本研究有所差別。這主要是因為人工林表層SOC的主要來源為枯枝落葉,而較本地區(qū)來說,隴南地區(qū)高降水量更加有利于有機物質的轉化和積累[38]。從土壤剖面來看,本研究中,3種人工林深層SOCD占整個土層的77%—86%；且各樣地深層SOCD積累效應顯著高于淺層。相關性分析也進一步表明,3種人工林細根與土壤有機碳存在顯著正相關關系。張帥等[39]對子午嶺人工油松林的研究發(fā)現(xiàn),深層(100—200 cm)土壤有機碳含量占整個剖面(0—200 cm)的27%—42%,人工油松林提高了深層有機碳儲量,與本研究結果相似。這證實了盡管深層細根分布有限,但對于土壤有機碳的積累仍有較大貢獻[40]。相比農地來說,3種人工林中側柏和核桃SOCD表現(xiàn)為正向積累作用,而刺槐則相反。這主要是因為不同植被細根分布的差異性主導著有機碳的積累水平[41]。本研究中,3種人工林細根分布深度及生物量遠高于農地。一方面,植物在深土層的細根分布增加了植被地下生物量、根系分泌物(有機酸、氨基酸和其他有機物質)以及根系脫落物[42],其分解腐殖化過程大大提高了深層SOC的含量；另一方面,細根的分布改善了土壤團聚體結構,從而有利于SOC的積累[43]。而刺槐在深層存在嚴重的水分虧缺,水分脅迫降低了有機物質的歸還[44],可能影響到有機碳的積累。

4 結論

(1)3種人工林細根主要集中分布在土壤淺層(0—70 cm),占細根總量約為56%—71%,其細根特征值顯著高于農地。

(2)3種人工林深層(70—500 cm)土壤水分虧缺顯著高于淺層；與農地相比,3種人工林在深剖面均有不同程度的水分虧缺,其中刺槐虧缺最為嚴重,核桃次之,側柏再次之。

(3)3種人工林土壤深層有機碳密度貢獻較大,占整個土層(0—500 cm)約為77%—86%；總體來看,在0—500 cm土層,3種人工林中側柏和核桃有機碳積累效應表現(xiàn)為正向積累作用,刺槐為負向虧缺作用。

(4)在不同土層,人工林細根對土壤水碳的貢獻有所差異。在土壤淺層,細根與土壤水分和有機碳密度三者有顯著相關關系；在深土層,細根與有機碳密度有顯著相關性,與土壤水分的相關性僅在刺槐樣地較顯著。