王永強，呂 雯，馬曉梅，王雁超，王維寶，董立國，楊興成，咸福平，汪 星*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 3.彭陽縣王洼水土保持試驗站，寧夏 彭陽 756500；4.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750021)

黃土高原人工生態(tài)植被建造獲得顯著景觀效益的同時，人工林(草)地普遍發(fā)生了土壤干化現(xiàn)象，改變了陸地水分小循環(huán)，削弱了水文大循環(huán)[1-2]。隨著植被覆蓋率的提升，生長年限增加，植被根系向下延伸、根量不斷增多、土壤養(yǎng)分發(fā)生變化[3-4]。如果這些植物對深層土壤水分的消耗超過降水補給，土壤水分虧缺可能導(dǎo)致土壤剖面內(nèi)干層的發(fā)育[5]。一旦形成土壤干層會影響土壤水分運移，阻礙降水入滲補給，導(dǎo)致土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)能力降低,進而影響植被的水土保持、水文調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6]。黃土高原地區(qū)水分變化研究得到了很多學(xué)者的高度重視[7-9]。

根系是植物吸收水分的主要器官，而且是植物唯一直接與土壤作用的器官，其形態(tài)和分布特征直接反映植被對土地的利用情況及土壤物質(zhì)能量被利用吸收的可能性和生產(chǎn)力，對植被的生長具有決定性作用[10-11]。植被根系及根層土壤水分與養(yǎng)分協(xié)調(diào)關(guān)系是土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)的核心內(nèi)容和研究的熱點[12-14]。在干旱地區(qū)，養(yǎng)分和水分的作用往往相互限制，在水分不足、養(yǎng)分無效情況下，植物會盡可能延伸根系去獲得有效養(yǎng)分[15]。以往研究發(fā)現(xiàn)檸條人工林會提高全N[16-17]，且檸條林養(yǎng)分含量隨生長年限的增加而增加[17-18]。然而，由于取樣困難等原因，對于檸條的研究多集中于地上部分，對深層根系和養(yǎng)分的相關(guān)研究較少[11]。

檸條既是當(dāng)?shù)刂饕乃帘３种参?，也是?yōu)良的飼用灌木，還可作為食用菌培養(yǎng)基質(zhì)，是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟發(fā)展的重要植物。高密度帶狀檸條是寧夏獨特的栽植模式，隨著檸條生長年限延長，群落衰敗特征凸顯。為此，本研究以20 a帶狀檸條人工林為對象，對林地0～1 000 cm土層土壤水分、根系、養(yǎng)分進行調(diào)查分析，旨在闡釋半干旱區(qū)檸條人工林深層土壤水分根系及養(yǎng)分分布情況，以期為當(dāng)?shù)刂脖豢沙掷m(xù)管理及提高水分利用效率提供數(shù)據(jù)支持與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏南部山區(qū)彭陽縣白陽鎮(zhèn)中莊村(106°32′-106°58′E，35°40′-36°17′N)，海拔1 248～2 461 m，多年平均氣溫8.6 ℃、年日照時數(shù)2 590 h、年平均降水量350～550 mm，年無霜期140～170 d，屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。土壤類型為黃綿土，自然植被類型由灌木草原到典型草原過渡，原生植物多以低矮禾草為主，并伴有少量灌木[19]。代表性植被有長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)以及百里香(Thymusmongolicus)等，人工植被主要有檸條(Caraganakorshinskii)與苜蓿(Medicagosativa)，還有山桃(Amygdalusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等。

1.2 試驗材料

檸條為2000年4月栽植，株間距100 cm，行距50 cm，2行為一帶，帶間距9 m，株、行間已經(jīng)郁閉，檸條平均高度1.7 m左右，檸條帶間植物群落優(yōu)勢種為禾本科植物大針茅(Stipagrandis)，伴生植物有阿爾泰狗哇花等，農(nóng)田為坡耕地。

1.3 研究方法

采樣時間為2020年6-8月。在試驗區(qū)(坡中)選擇長勢均一的帶狀檸條林，設(shè)置3個樣方，以檸條帶劃定500 cm×500 cm的樣方，采用土鉆分別在檸條帶內(nèi)和帶間取樣(圖1)，測定土壤深度為0～1 000 cm，每個取樣深度間隔為20 cm。

取樣后用烘干法測定土壤含水量。根系調(diào)查采用根鉆法(d=10 cm)采集土樣。根系樣品先經(jīng)過孔徑1 mm網(wǎng)篩沖洗過篩，再利用LA-S系列植物根系分析儀進行掃描圖像分析，獲得需要的參數(shù)(根長、根表面積)，然后按照取樣層次將根系烘干稱重作。測定土壤養(yǎng)分在距離根系樣點0.5 m處取樣，間隔深度20 cm取樣1次。將所采集土樣帶回實驗室自然風(fēng)干，在室內(nèi)分析樣品的全N和全P，分析分別采用定氮法和比色法[20]。本文凋萎含水量采用Van Genuchten模型擬合[21]，田間持水量的均值為19.28%，土壤凋萎系數(shù)7.3%。

1.4 各參數(shù)計算公式

1.4.1 根長密度

(1)

式中：RLD為根長密度，RL為根系長度/cm，V為根鉆體積/cm3[22]。

1.4.2 根表面積密度

(2)

式中:RSD為根表面積密度，RS為根表面積/cm2[23]。

1.4.3 水分相對虧缺指數(shù)

(3)

式中:CSWDi為檸條樣地第i層土壤水分相對虧缺指數(shù)；CPi為對照農(nóng)田樣地第i層土壤含水量/%；SMCi為檸條樣地第i層土壤含水量/%；WMi為檸條樣地第i層土壤凋萎含水量。CSWDi值越大則土壤水分虧缺越嚴重，若<0則土壤水分沒有虧缺[21]。

1.4.4 土壤儲水量

Dw=∑θi×hi×ρb

(4)

土壤儲水量采用水層深度(Dw)表示，式中hi表示土層厚度/cm；θi為土壤含水率(%)，ρb為土壤容重[24]。

圖1 研究區(qū)取樣樣方示意

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對檸條林地土壤含水量、根長密度、根表面積密度等參數(shù)進行計算、儲存、歸納，凋萎含水量用Van Genuchten模型擬合，使用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)計算標準誤差，利用Origin 2018制作各參數(shù)隨深度變化圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 帶狀檸條林地根系垂直分布特征

林地根長密度隨深度的變化見圖2A，可以看出，0～1 000 cm深度內(nèi)檸條林地根干重隨土層深度增加呈明顯的下降趨勢。檸條林地根系質(zhì)量垂直向下分層特征為，0～120 cm土層中根干質(zhì)量為1 681.93 g·m-3，占總根干質(zhì)量的56.33%，說明檸條林地中大部分根系富集于0～120 cm土層；120～320 cm中根干質(zhì)量為975.32 g·m-3，占總根干質(zhì)量的32.67%；320～440 cm土層中根干質(zhì)量為139.33 g·m-3，占總根干質(zhì)量的4.67%；440～840 cm土層中根干質(zhì)量為189.09 g·m-3，占總根干質(zhì)量的6.33%。0～840 cm土層根干質(zhì)量平均值為71.09 g·m-3。

由圖2B看出，檸條林地根系表面積密度在垂直分布形式基本與根系質(zhì)量一致。主要表現(xiàn)為0～80 cm陡然下降，80～240 cm急劇下降，240 cm以下輕微擺動下降。檸條林地根系表面積密度垂直向下具體表現(xiàn)為，0～80 cm土層根表面積密度為2.61 cm2·cm-3，占總根表面積密度的62.39%，說明檸條林地中大部分根系富集于0～80 cm土層中；80～240 cm土層根表面積密度為0.87 cm2·cm-3，占總根表面積密度的20.86%；240～440 cm土層中根表面積密度為0.34 cm2·cm-3，占總根表面積密度的8.04%；440～840 cm土層中根表面積密度為0.36 cm2·cm-3，占總根表面積密度的8.71%。在840～1 000 cm沒有發(fā)現(xiàn)根系。0～840 cm土層范圍內(nèi)根表面積密度平均值為0.2 cm2·cm-3。

由圖2C看出，根長密度在土壤垂直分布形式也與根系表面積密度及根系質(zhì)量一致。主要表現(xiàn)為0～80 cm陡然下降，80～200 cm急劇下降，200 cm以下緩慢下降。檸條地根長密度垂直向下具體表現(xiàn)為，0～80 cm土層根長密度為8.00 cm·cm-3，占總根長密度的59.54%，說明檸條林地中大部分根富集于0～80 cm土層；80～200 cm土層中根長密度為1.3 cm·cm-3，占總根長密度的16.37%；200～560 cm土層中根長密度為2.65 cm·cm-3，占總根長密度的19.73%；560～840 cm土層中根長密度為0.59 cm·cm-3，占總根長密度的4.36%。在840 cm以下沒有發(fā)現(xiàn)根系。0～840 cm土層范圍內(nèi)根長密度平均值為0.60 cm·cm-3。

2.2 檸條林地土壤水分特征

2.2.1 帶狀檸條林垂直土壤水分特征 檸條人工林帶內(nèi)土壤水分低于帶間土壤水分(圖3A)，在0～440 cm土層帶間水分含量顯著大于帶內(nèi)(P<0.05)，440～1 000 cm差異不顯著，840 cm處帶間、帶內(nèi)水分含量相同。林帶內(nèi)與林帶間土壤水分差異主要在0～520 cm深度，二者土壤儲水量差值為150.57 mm。520 cm以下林帶內(nèi)與林帶間土壤水分差異不顯著，儲水量分別為383.37 mm和411.14 mm。生長20 a的檸條林地0～1 000 cm剖面土壤水分儲存量與附近旱作農(nóng)田比較，檸條帶內(nèi)和帶間0～1 000 cm平均土壤含水量與農(nóng)田土壤含水量差值為6.81%和8.27%，檸條林帶內(nèi)土壤儲水量為769.9 mm，林帶間為948.24 mm，農(nóng)田為1 778.91 mm，檸條帶內(nèi)和帶間平均土壤儲水量較農(nóng)田差值為37.93、30.83 mm，也就是意味著帶內(nèi)和帶間分別較農(nóng)田多耗水量為1 009.01、830.67 mm，檸條林地平均儲水量較農(nóng)田差值為919.84 mm，相當(dāng)于每年較農(nóng)田多消耗水分45.99 mm。0～1 000 cm土層檸條林地平均土壤水分含量與農(nóng)田土壤水分含量差值為7.54%，土壤儲水量檸條地為859.07 mm，農(nóng)田為1 778.91 mm，差值為919.84 mm(圖3B)。

注：A.根干質(zhì)量0～1 000 cm垂直分布；B.為根表面積密度0～1 000 cm垂直分布；C.為根長密度0～1 000 cm垂直分布。

圖3 檸條地帶間、帶內(nèi)及農(nóng)田垂直土壤水特征

2.2.2 檸條林地土壤剖面水分的相對虧缺評價 以附近相似地形的旱作農(nóng)田作為土壤水分基準量，對檸條林地帶間和帶內(nèi)土壤水分虧缺指數(shù)進行分析。由于0～80 cm土壤水分容易受大氣降水、蒸發(fā)等影響，加上本研究調(diào)查取樣時間有差異等原因，為了消除這些因素造成的表層土壤水分差異性，因此在分析時不考慮0～80 cm土層水分。由圖4可知，帶內(nèi)和帶間土壤水分虧缺指數(shù)呈先增加后減少而后又增加的趨勢，帶內(nèi)和帶間水分虧缺指數(shù)最大值出現(xiàn)在440 cm土層。80～1 000 cm水分虧缺指數(shù)大于0，說明檸條林地在垂直剖面上水分處于虧缺狀態(tài)。檸條林地帶間、帶內(nèi)80～200 cm土層水分虧缺指數(shù)均值分別為0.1和0.24，200～400 cm土層水分虧缺指數(shù)均值分別為0.31和0.62，400～600 cm土層水分虧缺指數(shù)均值分別為0.68和0.74，600～800 cm土層水分虧缺指數(shù)均值分別為0.6和0.64，800～1 000 cm土層水分虧缺指數(shù)均值分別為0.51和0.52。土壤水分相對虧缺度呈現(xiàn)檸條帶間>帶內(nèi)的趨勢。

2.3 帶狀檸條林地養(yǎng)分垂直分布特征

由圖5可見，0～1 000 cm土層檸條林地全N含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)隨土層增加呈近似斜線的下降趨勢，其中，0～120 cm全N含量的平均值為0.58 g·kg-1，是調(diào)查剖面全N含量平均值的207.14%，120～560 cm全N含量的平均值為0.38 g·kg-1，是調(diào)查剖面全N含量平均值的135.71%，560～1 000 cm全N含量較低，但較穩(wěn)定，全N含量的平均值為0.12 g·kg-1，僅占調(diào)查剖面全N含量平均值的42.86%。0～1 000 cm土層全N含量的平均值為0.28 g·kg-1。

0～1 000 cm土層全P含量隨深度增加呈近似斜線的下降趨勢。0～440 cm全P含量呈下降趨勢，其中，0～240 cm全P含量的平均值為0.52 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的101.64%，240～440 cm全P含量的平均值為0.51 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的100.19%。440～840 cm呈擺動趨勢，全P含量的平均值為0.51 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的99.46%。840～1 000呈下降趨勢，全P含量的平均值為0.5 g·kg-1，占調(diào)查剖面總?cè)玃含量平均值的98.67%。0～1 000 cm范圍內(nèi)全P含量的平均值為0.51 g·kg-1。

圖4 檸條林地土壤0～1 000 cm水分虧缺指數(shù)

圖5 檸條林地養(yǎng)分含量垂直變化

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在黃土丘陵區(qū)，帶狀檸條林地0～1 000 cm土壤通體出現(xiàn)水分虧缺，土壤儲水量較旱作農(nóng)田少919.84 mm，檸條林每年較旱作農(nóng)田多耗水約45.99 mm，這是檸條林地造成深層土壤水分嚴重虧缺的直接原因。

檸條林地根系主要集中在0～80 cm土層，該層根系(表面積密度)占1 000 cm深度總根系量的62.39%。

檸條林地的養(yǎng)分分布規(guī)律與林地根系分布規(guī)律一致，即表層較多深層較少，表層0～200 cm全N含量的平均值為0.53 g·kg-1，是0～1 000 cm深度范圍全N含量平均值的189.55%，全P在0～200 cm均值含量達0.52 g·kg-1，是0～1 000 cm深度范圍平均全P含量的101.87%。

3.2 討論

3.2.1 檸條林地根系 本文強調(diào)檸條林地根系不僅僅指檸條根系，還包括表層多種淺根系植物的根系，淺層多種植物根系用根鉆法取樣很難區(qū)別。另外，從土壤水分、養(yǎng)分角度考慮，土壤水分和養(yǎng)分也與林地多種植物根系有關(guān)，檸條地的根系與水分和養(yǎng)分的分布特征應(yīng)該是檸條和其他植物共同作用的結(jié)果，是多植物協(xié)同關(guān)系，所以對于淺層混合根系數(shù)量的分析也更具合理性。

本研究中檸條人工林根系主要分布在0～80 cm土層，當(dāng)?shù)亟邓嗉性?～200 cm土層[25]，水分較多是導(dǎo)致0～200 cm范圍內(nèi)植物根系分布較多對主要原因，這個結(jié)果與前人研究一致。檸條林地80 cm以下土層降雨入滲雖然稀少，但是對于半干旱黃土區(qū)土壤水分影響十分顯著，需予以重視。因為半干旱區(qū)降水很難補充到深層土壤中，造成深層土壤嚴重干化后恢復(fù)困難，如王志強等[26]研究發(fā)現(xiàn)23 a檸條根系耗水深度可以達到22.4 m，研究認為恢復(fù)需要40 a[27]。本研究調(diào)查檸條根系深度小于900 cm，小于其耗水深度，主要是因為檸條根系在土壤中是分散式分布，并且隨著深度增加土壤中的根系逐漸稀疏，用根鉆取樣比較困難，隨著深度增加根鉆獲取到根系的幾率大大降低，所以會出現(xiàn)土壤干層深度大于發(fā)現(xiàn)根系深度的現(xiàn)象。另外，推測20 a老齡檸條深層根系有可能隨著地上生長的衰敗深層根系首先衰敗死亡。這個原因造成深層沒有根系的可能性還有待確認，這也是今后值得關(guān)注的方向。總體來看，由于根系研究的困難較大，目前深層根系研究仍然十分薄弱，尤其是在深厚的黃土區(qū)多年生植物根系一般很深，根系對土壤物理性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、水分、碳匯以及微生物等均會產(chǎn)生影響，所以黃土區(qū)植物根系的研究應(yīng)該得到加強。

3.2.2 檸條林地水分 有關(guān)檸條人工林下土壤水分以往研究已取得不少成果，本研究證明寧南20 a帶狀檸條林在深達1 000 cm的土層已干化，這個干層深度也沒有超出之前相關(guān)研究報道。本次調(diào)查檸條地(20 a)0～1 000 cm范圍土壤水分附近較相似立地條件的旱作農(nóng)田多耗水919.84 mm，這個差值可以說明生長20 a的檸條林每年較農(nóng)田多消耗土壤水分約46 mm，這是造成較旱作農(nóng)地土壤更干化的直接原因。由于降水很難入滲到檸條林地200 cm以下的深層土壤，所以檸條根系不斷吸水造成土壤干化，最嚴重地帶在200 cm以下的深層。林地深層土壤干旱程度也是變化的，本研究大約500 cm以下隨著深度增加，土壤干化程度出現(xiàn)緩減趨勢，這與霍竹等[28]在黃土高原檸條地深層土壤含水量的研究結(jié)果一致。這個原因可能是檸條根系到達深處的時間較晚，同時深層根系也較少，耗水能力減弱所致。

3.2.3 檸條林地養(yǎng)分 本文針對寧南山區(qū)帶狀雨養(yǎng)檸條林地土壤全N、全P的研究發(fā)現(xiàn)，檸條林地土壤全N與全P含量表現(xiàn)為隨土層深度的增加呈遞減趨勢。有關(guān)黃土高原人工植被下的深層土壤養(yǎng)分研究較少，成毅等[17]、從懷軍等[29]研究檸條林下淺層土壤養(yǎng)分證明，0～20 cm土層養(yǎng)分高于20～40 cm土層，并提出檸條林有提高土壤養(yǎng)分的作用，而且隨著林齡增加土壤養(yǎng)分不斷提高。本文調(diào)查樣地的養(yǎng)分較文獻[17]的檸條林地養(yǎng)分略高，全N含量小于薛睿等[30]在黃土高原丘陵區(qū)的研究結(jié)果，全P含量小于劉增文等[31]的研究，大于閆麗娟等[32]的研究結(jié)果。這些研究結(jié)果的差異性可能與栽植檸條前的土壤自身養(yǎng)分有關(guān)，因為是退耕還林地，曾經(jīng)的土地經(jīng)營者使用肥料種類、數(shù)量、時間等均會造成養(yǎng)分差異。另外，檸條林的栽植密度、生長年限、經(jīng)營管理與利用方式等也是影響研究結(jié)果的重要因素。近年來，林地整體保護較好，林地枯落物較多，檸條生長更接近自然生長，保護好的林地與人工干擾嚴重的林地必然會引起養(yǎng)分的差異。有關(guān)檸條林地深層土壤中根系與養(yǎng)分的關(guān)系研究，目前還未見報道。檸條是多年生豆科植物，其固氮作用無可置疑，已有研究在黃土區(qū)檸條根系可以深達20 m以下，無論是其固N作用，還是根系微生物都會對根系周圍土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。建議今后在半干旱黃土區(qū)不但要持續(xù)加強林地深層土壤水分研究，也需重視林地深層根系和養(yǎng)分的研究。本研究對檸條林地0～1 000 cm深度范圍內(nèi)檸條林全N、全P含量僅僅是初步調(diào)查分析，希望能為深入了解檸條林生態(tài)服務(wù)功能提供數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。