李思穎，劉 遠(yuǎn)，周買春

(1.廣東河海工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

1 研究背景

土壤是水文循環(huán)過程中的一個(gè)重要組成部分，土壤水分是聯(lián)系大氣水、地表水和地下水的中心紐帶，在水文循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。而根系吸水是影響土壤根系層水分分布的一個(gè)重要因素，同時(shí)，根系的存在會使根系層的土壤顆粒緊密度與其他土層有所不同，進(jìn)而影響土壤剖面的水分分布。樹木、農(nóng)作物等植物的根系差異常被認(rèn)為是造成土壤水分和理化參數(shù)分布不同的主要原因[1-4]。

隨著我國集體林權(quán)制度改革，在市場經(jīng)濟(jì)驅(qū)動下，過去30年間，桉樹人工林在我國得到大面積引種。截至2018年，全國桉樹種植面積達(dá)546萬hm2，主要分布在南方11個(gè)省(區(qū))，以廣西和廣東最多，約占總面積的3/4，集中度和經(jīng)營強(qiáng)度世界首屈一指。引種大量桉樹人工林可能造成的生態(tài)環(huán)境問題，尤其是桉樹的耗水問題，已經(jīng)引起了社會和學(xué)界的廣泛關(guān)注和深切焦慮，2009—2011年我國西南大旱更將這一爭論推到了風(fēng)口浪尖。林業(yè)部門、利益相關(guān)者和部分桉樹研究人員認(rèn)為，桉樹是生態(tài)之樹、致富之樹，桉樹致旱之說無科學(xué)依據(jù)：雷州半島桉樹人工林年蒸騰耗水約占年降雨量的35%[5]；桉樹水分利用效率高，合成每千克干物質(zhì)耗水量比松樹和相思樹少得多[6]；干旱季節(jié)，桉樹根系到達(dá)不了地下水位[7]；桉樹用不到全國3%的林地生產(chǎn)了18%的木材[8]；專題調(diào)研結(jié)果顯示西南大旱與桉樹無關(guān)[9]。然而，也有研究認(rèn)為，桉樹生長快，生長過程中需要消耗大量水分，大面積引種桉樹抽干了土壤水分，導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力衰竭、地下水位下降、生態(tài)多樣性減弱[10-12]，長此以往將導(dǎo)致水資源減少、河流干涸、土地荒蕪；國外大量研究也表明，桉樹人工林使河川徑流減少，有的減少達(dá)60%，甚至完全干枯，尤其是枯水徑流[12-13]。本研究通過探討華南丘陵地區(qū)桉樹人工林土壤剖面根系分布與土壤含水率、土壤容重的相關(guān)關(guān)系，初步揭示桉樹人工林的耗水機(jī)理。

2 調(diào)查方案

2.1 樣地概況

樣地位于廣東省鶴山市、佛山市、云浮市交界的泗合水流域內(nèi)。流域集水面積131 km2，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 696 mm，多年平均蒸發(fā)量868 mm，4—9月為雨季。流域?yàn)榍鹆甑孛?，海?3～637 m，其中海拔13～100 m之間的流域面積占83%。土壤主要為花崗巖和砂頁巖風(fēng)化而成的赤紅壤，主要土地利用方式為林地和農(nóng)地，林地約占流域面積的81.5%，其中人工桉樹林約占林地面積的65.2%。

通過地形分析、流域現(xiàn)場調(diào)研和訪談、土壤水分分布調(diào)查等，綜合選定海拔、坡度、土壤水分等接近流域平均值的區(qū)域，然后在該區(qū)域內(nèi)選取樹齡、樹高、胸徑等大致為當(dāng)?shù)仄骄档蔫駱渥鳛檎{(diào)查樣本。樣本樹齡約4年，樹高約11 m，胸徑9.9 cm；所在樣地經(jīng)緯度坐標(biāo)為112°12′27″E、22°37′36″N，海拔39 m，坡度9.97%。

2.2 取樣與測定方法

人工桉樹根系采用傳統(tǒng)的挖掘法[14]進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查深度2 m。在開挖桉樹的過程中，同時(shí)使用環(huán)刀以10 cm為間隔分層取原狀土樣，每層取3個(gè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤容重和水分。斷面開挖完畢后(見圖1)，以10 cm為間隔分層收集所有根系，使用游標(biāo)卡尺分別量出根系的直徑，并按0～1、1～2、2～3 mm……進(jìn)行分類，量出所有根系的長度。內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，分別算出每一土層每個(gè)類別根系的總長，然后根據(jù)該類別根系總長和平均直徑算出根表面積，最后將層內(nèi)所有類別的根表面積累加起來得到各深度區(qū)間的根表面積。采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，采用環(huán)刀法測定土壤容重，取樣本均值。

圖1 根系斷面影像

3 調(diào)查與測定結(jié)果

3.1 根系垂直分布情況

樣本桉樹根系剖面重構(gòu)及分布見圖2。除主根扎入較深(超過200 cm)外，90%的根系分布在包氣帶90 cm內(nèi)，其中0～10 cm內(nèi)主要是連接樹干的木質(zhì)化粗老根，吸水能力強(qiáng)的鮮潤毛根主要分布在10～70 cm土層。在0～10 cm土層雖有不少的根系(根表面積為831 cm2)，但這些根系基本上在接近10 cm的深度，靠近地表幾乎沒有樹根，從地表至第一層根系分布深度之間存在一段分布空白區(qū)(小于10 cm)，根系總體從接近10 cm深度開始分布，向下逐漸增多至30 cm深度，然后從30 cm深度開始往下逐漸減少，其中20～30 cm深度土層內(nèi)根系分布最密集(根表面積為11.08 dm2)。

3.2 土壤容重分布情況

根系剖面土壤容重分布見圖3。由圖3可看出，土壤容重從表層開始向下呈線性迅速增大至60 cm深度，然后從60 cm深度開始向下以一個(gè)相對緩慢的趨勢減小至140 cm深度，140 cm深度以下土壤容重相對穩(wěn)定。

圖3 根系剖面土壤容重分布

3.3 土壤水分分布情況

根系剖面的土壤質(zhì)量含水率見圖4。由圖4可看出，土壤質(zhì)量含水率從表層開始向下呈線性迅速減少到50 cm深度，然后從50 cm深度開始向下呈線性急速增長至140 cm深度，140 cm深度以下土壤含水率變得相對穩(wěn)定，保持在23%左右。

圖4 根系剖面土壤質(zhì)量含水率分布

4 結(jié)果分析

4.1 土壤容重與根系分布的關(guān)系

土壤容重與根表面積的回歸分析見圖5。由圖5可看出，點(diǎn)據(jù)相對離散，最佳的回歸關(guān)系R2僅0.15，F(xiàn)=3.08>Fα=3.01(α=0.1)，其回歸關(guān)系要在α=0.1時(shí)才勉強(qiáng)成立，土壤容重與根系分布之間的關(guān)聯(lián)不顯著。一般來說，土壤應(yīng)該在表層較疏松而下層較緊密，而且在根系層內(nèi)由于間隙較多會比較疏松。從根系剖面土壤容重分布情況可見，在主要的根系層內(nèi)，下層土壤比上層土壤緊實(shí)，而往下則相反。根據(jù)現(xiàn)場訪談?wù){(diào)查及分析推論，認(rèn)為形成這種現(xiàn)象的原因主要是：①修建臺田時(shí)破壞了原有的自然結(jié)構(gòu)，在坡地種植桉樹時(shí)會先修建分級的種植平臺，修建過程的開挖與填土對土壤的緊實(shí)度產(chǎn)生了影響；②雨水下滲形成的土壤淋溶作用，使上層疏松土壤中的黏粒在隨雨水下滲過程中向下淋溶，填塞根系形成的土壤間隙并在剖面中層沉積，導(dǎo)致該處土壤較其他位置緊實(shí)；③土壤干燥失水收縮導(dǎo)致土壤容重增大。

圖5 土壤容重與根表面積回歸分析

4.2 土壤質(zhì)量含水率與根系分布的關(guān)系

土壤質(zhì)量含水率與根表面積的回歸分析見圖6。由圖6可看出，土壤水分分布與根表面積分布具有顯著的負(fù)對數(shù)相關(guān)，R2=0.78，F(xiàn)=62.82>>Fα=4.41(α=0.05)。結(jié)合回歸散點(diǎn)圖(見圖6)及根系分布圖(見圖2)來看，以30 cm深度為界(根表面積≤8.11 dm3)，30～200 cm深度剖面的根系分布與土壤水分分布關(guān)系更為顯著，回歸分析圖的散點(diǎn)分布趨勢規(guī)律明顯且相對收斂。分析推論認(rèn)為，影響表層30 cm剖面土壤水分的因素較多，除人工桉樹(喬木)外，林下灌草的蒸散發(fā)、大氣蒸發(fā)、降雨入滲、人類活動等都會影響表層土壤的水分狀況，而隨著土層加深，這些因素的作用逐步減弱消退，從而凸顯出中、深層剖面內(nèi)根系與土壤水分的分布關(guān)系與規(guī)律。

圖6 土壤質(zhì)量含水率與根表面積回歸分析

4.3 土壤體積含水率與根系分布的關(guān)系

綜合考慮根表面積和土壤容重對土壤水分分布的影響，將土壤質(zhì)量含水率換算成體積含水率(體積含水率=質(zhì)量含水率×容重)，然后以根表面積為自變量，土壤剖面體積含水率為因變量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖7。由圖7可知，土壤體積含水率與根表面積的相關(guān)性十分顯著，R2=0.82，F(xiàn)=82.34>>Fα=4.41(α=0.05)，說明根系分布是土壤水分垂直分層變化的一個(gè)重要因素，其相關(guān)關(guān)系高于土壤容重、土壤質(zhì)量含水率與根表面積的相關(guān)關(guān)系。

圖7 土壤體積含水率與根表面積回歸分析

5 結(jié) 論

我國桉樹人工林地處南方熱帶、亞熱帶地區(qū)，雖降水豐富，但降水主要以大雨、暴雨形式集中在雨季，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水主要來源于雨季地表蓄水和旱季地下水出流。因此，人們普遍關(guān)注桉樹人工林是否會過多消耗水分而使區(qū)域水資源減少。崔玨等[15]研究表明，廣東省泗合水流域2003年起年徑流量發(fā)生突變，全年減小22.5%(其中人類活動貢獻(xiàn)率占66.5%)，枯水徑流量減小達(dá)44.5%。2000年以來，泗合水流域原次生林被大量開墾種植為速生桉人工林，這被認(rèn)為是導(dǎo)致流域徑流量減小的重要原因。本次研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面水分分布與桉樹根系分布存在十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，印證了桉樹對土壤水分消耗存在重要影響；但土壤剖面容重與桉樹根系分布之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，表明林下土壤板結(jié)并非由桉樹自身生長消耗土壤水分、養(yǎng)分直接引起。