于曉燕，汪 星，呂 雯，高元亢，王永強(qiáng)，王雁超

（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.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021）

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏南部山區(qū)固原市彭陽縣王洼鎮(zhèn)（36°17＇25″N，106°39＇42″E），多年平均氣溫8.6 ℃、日照時(shí)數(shù)2590 h·a-1、年均降水量480 mm·a-1，無霜期150 d·a-1。土壤類型為黃綿土，0～300 cm 土壤容重的平均值為1.33 g·cm-3，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量均值分別為72.69%、18.37%和8.94%［17］，本文凋萎含水量采用Van Genuchten 模型擬合，田間持水量實(shí)測為19.36%，土壤凋萎系數(shù)為7.12%［18］。自然植被類型由灌木草原向典型草原過渡，原生植物多以低矮禾草為主，并伴有少量灌木，人工植被主要有檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、苜蓿(Medicago sativa)、山桃（Amygdalus davidiana）和樟子松（Pinus sylvestris）等［19］。

1.2 研究方法

在試驗(yàn)區(qū)坡中長勢均一的人工帶狀檸條錦雞兒林（20 a）選取樣地，并以距樣地約120 m的同一高度且坡度相近的旱作農(nóng)田為對照，農(nóng)田種植作物為谷子(Setaria italica)和玉米(Zea mays)。以檸條錦雞兒帶為樣方一個(gè)邊界，設(shè)置3 個(gè)500 cm×500 cm 的樣方，重復(fù)3 次，分別在檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間和農(nóng)田中心位置對土壤水分和檸條錦雞兒根系取樣調(diào)查（圖1），該區(qū)檸條錦雞兒為2000年4月栽植，株距50 cm，行距100 cm，2行為一帶，帶間距8 m，檸條錦雞兒平均高度達(dá)1.6 m 左右，檸條錦雞兒林地帶間植物群落優(yōu)勢種為禾本科植物大針茅（Stipagrandis）等。土壤水分與檸條錦雞兒根系采樣土層深度均為0～1000 cm，每個(gè)取樣深度間隔為20 cm，取樣前一周及采樣期間未發(fā)生降雨。土壤水分含量采用土鉆烘干法測定，于2020年6月26—30日進(jìn)行了采樣。根系調(diào)查采用成排根鉆取樣法（圖1），采樣時(shí)間為2020 年7 月28 日—8 月2 日，根鉆鉆頭直徑為10 cm。采集的根系土樣先經(jīng)過18目網(wǎng)篩沖洗過篩，再利用植物根系進(jìn)行掃描圖像分析（Epson Perfection V750Pro, Epson Inc，中國，北京），用Win-Rhizo 軟件（版本5.0，Regent Instruments Inc, Quebec,Canada）分析可獲得根長、根表面積等參數(shù)。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling plot distribution in the study area

1.3 各參數(shù)計(jì)算公式

1.3.1 土壤水分虧缺度土壤水分虧缺度表示土壤水分對植物生長的虧缺程度。土壤干化狀況評價(jià)指標(biāo)參考陳海濱等［20-21］的劃分方法，計(jì)算公式如下：

式中：K為土壤水分虧缺度（%），K＜0時(shí)，表示土壤水分不虧缺［17］；θa為生長阻滯含水率（%），取田間持水量的60%；θ為土壤實(shí)際含水量（%）。將土壤水分虧缺度劃分為4個(gè)級別：K≤0為未虧缺，0＜K≤25%為輕度虧缺，25%＜K≤50%為中度虧缺，K＞50%為嚴(yán)重虧缺。

1.3.2 土壤水分有效性土壤水分有效性指實(shí)際有效水分與最大有效水分之比，表征植被能夠充分利用土壤水分含量的程度。計(jì)算公式如下：

式中：Aw為土壤水分有效性指數(shù)（%）；θ為土壤實(shí)際含水量（%）；θw為土壤凋萎濕度（%）；θf為田間持水量（%）。Aw值越大，表示土壤水分可被植被吸收利用的程度越大；Aw值小于0 表示土壤水分為無效水，不能被吸收［22］。將土壤水分有效性分為5 個(gè)等級，見表1。

表1 土壤水分有效性評價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of soil water availability

1.3.3 土壤干燥化強(qiáng)度土壤干燥化強(qiáng)度的大小表示土壤干燥化程度，計(jì)算公式［23］如下：

式中：ISD是土壤干燥化指數(shù)（%）；θSS是土壤穩(wěn)定濕度（%）；θ是實(shí)際土壤濕度（%）；θw是土壤凋萎濕度（%）。參考李軍等［24］對土壤干燥化程度分級方法，結(jié)合本次試驗(yàn)水分?jǐn)?shù)據(jù)分布范圍，劃分為以下4級：ISD＜0 為極度干燥化，0≤ISD＜75%為嚴(yán)重干燥化，75%≤ISD＜100%為輕度干燥化，ISD≥100%為無干燥化。

白居易的這類詩歌沒有外在形式的修飾，語言平淡質(zhì)樸，淺切平易，淡泊悠閑的意緒情調(diào)中沒有摻入任何動(dòng)蕩激烈的情感，白居易這樣的詩歌寫作是對樸素的推崇，也是對“淡”的追求。然而這種日常生活的細(xì)致描繪，雖然看起來平淡，讀起來卻有味。張磁在《讀樂天詩》中云“詩到香山老,方無斧鑿痕。目前能轉(zhuǎn)物,筆下盡逢源。學(xué)博才兼裕,心平氣自溫。隨人稱白俗,真是小兒言。”⑥白居易這種不加雕琢的情感和不加修飾的言辭都呈現(xiàn)出道家美學(xué)所推崇貴純樸輕華飾和“抱樸含真”的自然樸素之美。

1.3.4 根長密度

式中：RLD 為根長密度（cm·cm-3）；RL 為根系長度（cm）；V為根鉆體積（cm3）。

1.3.5 根表面積密度

式中：RSD為根表面積密度（cm2·cm-3）；RS為根表面積（cm2）；V為根鉆體積（cm3）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Mircosoft Excel 2010 對土壤含水量、根長密度、根表面積密度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、儲存、歸納，使用SPSS 26.0 軟件對數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差和單因素方差分析，利用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條錦雞兒林地垂直剖面水分狀況

2.1.1 檸條錦雞兒林地0～1000 cm垂直剖面水分含量檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間土壤水分含量隨土層深度增加出現(xiàn)先減少后增加的趨勢（圖2），帶間、帶內(nèi)土壤水分含量較農(nóng)田土壤水分含量降低，帶內(nèi)、帶間土壤水分含量在880 cm 處出現(xiàn)相交，帶間土壤水分含量要優(yōu)于帶內(nèi)土壤水分含量。0～40 cm土層檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)的平均土壤水分含量較農(nóng)田分別降低27.60%和46.09%；40～280 cm 土層帶間、帶內(nèi)平均土壤水分含量比農(nóng)田分別降低14.78%和33.39%，呈劇烈下降趨勢；280～440 cm 土層帶間、帶內(nèi)平均土壤水分含量比農(nóng)田分別降低47.40%和71.67%，呈逐漸下降趨勢；440～800 cm 土層帶間、帶內(nèi)平均土壤水分含量比農(nóng)田分別降低63.25%和67.85%，呈擺動(dòng)趨勢；800～1000 cm土層帶間、帶內(nèi)平均土壤水分含量比農(nóng)田分別降低50.58%和52.25%，呈上升趨勢。0～1000 cm 深度范圍內(nèi)帶間、帶內(nèi)平均土壤水分含量分別為7.77%和6.31%。

圖2 檸條錦雞兒林地與農(nóng)田土壤水分含量垂直分布Fig.2 Vertical distribution of soil water content in Caragana korshinskii forest land and farmland

2.1.2 檸條錦雞兒林地300～1000 cm垂直剖面水分虧缺度判斷土壤水分狀況主要是土壤水分虧缺程度與剖面分布重要性指標(biāo)，以附近相似地形的旱作農(nóng)田作為土壤水分基準(zhǔn)量，對檸條錦雞兒林地土壤水分虧缺指數(shù)進(jìn)行分析。0～300 cm土層水分受降雨和地表植物的影響波動(dòng)較大，且受降雨已經(jīng)有所恢復(fù)的層次，為消除這些因素造成的表層土壤水分差異性［23］，因此分析300 cm土層深度以下土壤水分虧缺程度。由表2可知，檸條錦雞兒林地土壤水分虧缺程度隨土層深度的增加而減小，其中300～800 cm土層為中度虧缺；800～1000 cm 土層為輕度虧缺。300～440 cm、440～800 cm 和800～1000 cm 土層儲水量分別占農(nóng)田儲水量的57.61%、47.10%和60.73%。檸條錦雞兒林地水分虧缺度在300～1000 cm土層平均為32.76%。農(nóng)田在300～1000 cm 土層無水分虧缺。

表2 300～1000 cm土層檸條錦雞兒林地與農(nóng)田的土壤水分虧缺度Tab.2 Soil water storage deficit of Caragana korshinskii forest and farmland in 300-1000 cm soil layer

2.1.3 檸條錦雞兒林地垂直剖面水分有效性及供水系數(shù)如圖3 所示，檸條錦雞兒林地土壤水分有效性等級劃分結(jié)果為：檸條錦雞兒林地帶內(nèi)0～240 cm和800～1000 cm 深度土壤水分含量為難效水，240～800 cm 深度土壤水分含量為無效水。檸條錦雞兒林地帶間0～40 cm深度土壤水分含量為中效水，40～360 cm 和720～1000 cm 深度土壤水分含量為難效水，360～720 cm 深度土壤水分含量為無效水。對照農(nóng)田土壤水分含量有效性等級劃分結(jié)果為：0～40 cm 深度土壤水分含量為富余水，520～600 cm、640～1000 cm 深度土壤水分含量為易效水，40～120 cm、200～320 cm、360～560 cm 和600～640 cm 深度土壤水分含量為中效水，120～200 cm 和320～360 cm 深度土壤水分含量為難效水。說明了檸條錦雞兒林地水分有效性整體偏弱，能夠利用水分程度偏低，土壤水分虧損嚴(yán)重。

圖3 檸條錦雞兒林地與農(nóng)田剖面水分有效性Fig.3 Soil water availability of vertical profile between Caragana korshinskii forest and farmland

研究檸條錦雞兒林地不同深度土壤水分有效性對帶內(nèi)、帶間進(jìn)行比較（表3），結(jié)果顯示檸條錦雞兒林地帶間水分有效性顯著大于帶內(nèi)。帶間440～840 cm 土層土壤水分有效性＜0，顯著低于0～20 cm土層土壤水分有效性（P＜0.05）；帶內(nèi)200～840 cm土層土壤水分有效性＜0，顯著低于0～200 cm 和840～1000 cm 土層土壤水分有效性（P＜0.05）。在0～1000 cm 土壤不同深度供水系數(shù)可知，檸條錦雞兒林地0～1000 cm帶間土壤供水系數(shù)大于帶內(nèi)土壤供水系數(shù)，帶內(nèi)平均供水系數(shù)小于帶間平均供水系數(shù)，說明了寧夏南部山區(qū)帶狀檸條錦雞兒林地土壤水分狀況帶內(nèi)優(yōu)于帶間。

表3 檸條錦雞兒林地土壤水分有效性與供水系數(shù)Tab.3 Soil water availability and water supply coefficient in Caragana korshinskii forest land

2.1.4 檸條錦雞兒林地垂直剖面干燥化程度檸條錦雞兒林地帶間和帶內(nèi)300～1000 cm各層土壤水分含量均低于穩(wěn)定水分含量（圖4），出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象。由于降雨入滲對0～300 cm土層影響較大，故表層0～300 cm為土壤水分活躍層。帶間、帶內(nèi)平均水分含量分別為6.53%和5.46%，說明了20 a檸條錦雞兒帶間、帶內(nèi)300～1000 cm 范圍土壤通體出現(xiàn)干層。由表4 可知，檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)300～1000 cm 深度土壤平均干燥化指數(shù)分別為-0.13%和-0.37%，屬于極度干燥化程度；帶間、帶內(nèi)極度干燥層厚度分別為320 cm和500 cm，嚴(yán)重干燥層厚度分別為380 cm和200 cm，未出現(xiàn)輕度干燥和無干燥層。上述表明，檸條錦雞兒林地可吸收的水分較少，水分不夠供給，現(xiàn)有的干層很難恢復(fù)。

表4 檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間300～1000 cm土層干燥化程度Tab.4 Soil drying degree in 300-1000 cm soil layer in the intra-band and inter-band of Caragana korshinskii forest

圖4 檸條錦雞兒林地與農(nóng)田土壤干燥化程度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of soil drying degree in Caragana korshinskii forest and farmland

2.2 檸條錦雞兒林地垂直剖面根系分布特征

2.2.1 檸條錦雞兒林地根干重垂直分布檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)0～1000 cm 土層根干重隨土層深度增加呈明顯的下降趨勢（表5）。其中，檸條錦雞兒林地在0～160 cm土層帶內(nèi)根干重高于帶間，160～840 cm 相似，帶間840 cm 以下沒有發(fā)現(xiàn)根系，帶內(nèi)880 cm、920 cm 處發(fā)現(xiàn)根系。在檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)根干重垂直向下分層特征為，0～80 cm土層中根干重分別為1383.36 g·m-3、1397.19 g·m-3，分別占總根干重的46.33%、45.56%，說明檸條錦雞兒林地中大部分根系富集于表層0～80 cm 土層之中；80～200 cm 土層中根干重分別為835.99 g·m-3、871.22 g·m-3，分別占總根干重的28.00%、28.41%；200～440 cm 土層中根干重分別為577.23 g·m-3、583.00 g·m-3，分別占總根干重的19.33%、19.01%；440～840 cm 土層中根干重分別為189.09 g·m-3、189.43 g·m-3，分別占總根干重的6.34%、6.18%。帶間840～1000 cm未觀測到根系，帶內(nèi)840～1000 cm總根干重26.00 g·m-3。帶間、帶內(nèi)0～1000 cm土層范圍內(nèi)根干重平均值分別為119.43 g·m-3、122.70 g·m-3。帶間、帶內(nèi)剖面土壤水分含量與根干重相反，說明根系分布多，根系耗水多，土壤水分含量降低。

表5 檸條錦雞兒林地根干重Tab.5 Root dry weight in Caragana korshinskii forest land

2.2.2 帶狀檸條錦雞兒林地根表面積垂直分布檸條錦雞兒林地帶內(nèi)總根表面積密度顯著大于帶間根表面積密度（P＜0.05）（圖5）。檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間在0～1000 cm 土層的根表面積密度分別為0.25～3.55 cm2·cm-3、0.26～2.51 cm2·cm-3。檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間0～80 cm土層的根表面積密度最大，分別占總根表面積密度的63.51%、66.58%。帶內(nèi)80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm、840～1000 cm土層的根表面積密度分別占總根表面積密度的16.46%、6.98%、8.77%和4.47%。帶間80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm 土層的根表面積密度分別占總根表面積密度的17.51%、9.28%、6.90%。帶間、帶內(nèi)根表面積密度與土壤水分不一致，帶內(nèi)根表面積密度比帶間根表面積密度的土壤水分吸收增加用于自身生長，帶內(nèi)土壤水分明顯低于帶間土壤水分。

圖5 檸條錦雞兒林地根表面積密度Fig.5 Root surface area density in Caragana korshinskii forest land

2.2.3 帶狀檸條錦雞兒林地根長垂直分布在帶狀檸條錦雞兒林地中，不同土層深度下的根長密度差異顯著（圖6）。對于帶狀檸條錦雞兒林地，帶內(nèi)的總根長密度要顯著大于帶間的總根長密度（P＜0.05）。由圖6可知，檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間在0～1000 cm土層的根長密度分別為0.05～5.09 cm·cm-3、0.14～4.00 cm·cm-3。檸條錦雞兒林地帶內(nèi)、帶間0～80 cm土層的根長密度最大，分別占總根長密度的58.45%、59.54%。帶內(nèi)80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm、840～1000 cm土層的根長密度分別占總根長密度的16.07%、13.27%、11.01%和1.20%。帶間80～200 cm、200～440 cm 和440～840 cm 土層的根長密度分別占總根長密度的16.37%、13.52%和10.57%。帶間根長密度低于帶內(nèi)根長密度，而帶間土壤水分高于帶內(nèi)土壤水分。

2.3 各參數(shù)相關(guān)性分析

將寧夏南部山區(qū)雨養(yǎng)帶狀檸條錦雞兒林地土層深度、根系各參數(shù)與水分各參數(shù)作相關(guān)性分析（表6）可知，土層深度與根系各參數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），說明隨著土層深度的增加根系逐漸減少。土層深度與水分各參數(shù)無顯著性關(guān)系。根系各參數(shù)之間呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）。根表面積密度和根干重與水分含量、干燥化程度和水分有效性呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），根長密度、根表面積密度與供水系數(shù)無顯著性，根干重與供水系數(shù)顯著相關(guān)（P＜0.05）。

表6 根系各參數(shù)與水分各參數(shù)相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis of root parameters and water parameters

3 討論

黃土丘陵半干旱地區(qū)推進(jìn)人工林草建設(shè)工程50 多年以來，植被覆蓋率得到較大的提高，而作物過度耗水打破了自然降雨與原生植被之間的動(dòng)態(tài)平衡，引發(fā)了土壤干層等生態(tài)環(huán)境問題［25-29］。已有研究［10］表明，黃土高原半干旱區(qū)土壤干層厚度可達(dá)22.4 m，寧夏南部黃土丘陵區(qū)20 a 帶狀檸條錦雞兒林地干層深度尚不明確。本文在寧夏南部地區(qū)20 a檸條錦雞兒林地中研究發(fā)現(xiàn),在1000 cm 土壤深度處檸條錦雞兒根系未達(dá)到最終耗水深度，因此寧夏南部帶狀檸條錦雞兒林地土壤干層深度還有待于進(jìn)一步研究。馮金超等［30］認(rèn)為，黃土丘陵區(qū)半干旱地區(qū)降雨能夠引發(fā)100～300 cm 深度土壤入滲響應(yīng)。本文對寧夏南部山區(qū)20 a檸條錦雞兒林地土壤水分有效性的研究中考慮0～300 cm 土層容易受到當(dāng)年降水的影響出現(xiàn)較大波動(dòng)性，300 cm以上為活躍層，300 cm 以下為穩(wěn)定層，受降水影響較小。本研究中發(fā)現(xiàn)，20 a 檸條錦雞兒林地300～1000 cm 土壤水分有效性差，植物供水系數(shù)低，說明20 a檸條錦雞兒林地生長基本很難利用300 cm 以下的土壤儲存水分。黃土丘陵區(qū)獨(dú)特的地貌地點(diǎn)，地下水補(bǔ)給困難，當(dāng)?shù)亟邓赡軐?00 cm以下土壤干層補(bǔ)給十分有限，導(dǎo)致土壤水庫調(diào)蓄功能損失嚴(yán)重，這可能是目前植物生長衰敗和今后植被重建的關(guān)鍵因素。

黃土高原人工植被下的土壤干層深度是由植物根系吸水不能及時(shí)補(bǔ)償造成的結(jié)果，闡明植物根系與土壤的相互作用非常重要。干層深度與植物根系深度一致，檸條錦雞兒林地帶內(nèi)由于根系分布多，根系吸收水分用于自身生長而導(dǎo)致土壤水分降低，而帶間根系分布少、土壤水分較多。檸條錦雞兒屬于深根系植物，已有研究發(fā)現(xiàn)陜西省綏德縣23 a 檸條錦雞兒根系耗水深度可以達(dá)到22.4 m［10］。此次調(diào)查寧夏南部20 a檸條錦雞兒根系深度和土壤干層深度僅限于1000 cm 之內(nèi)，當(dāng)?shù)貛顧帡l錦雞兒根系深層次變化今后還有待于進(jìn)一步深入研究。0～200 cm土層中，帶內(nèi)、帶間根系根干重分別占帶內(nèi)、帶間根系總根干重占比較多，說明檸條錦雞兒根系在土壤中表層分布較多；同時(shí)，本文200 cm 內(nèi)采用剖面法，采集到的根系可能不僅指檸條錦雞兒根系，還可能包括與檸條錦雞兒共生的其他植物根系。在采樣中無法完全區(qū)分檸條錦雞兒根系與其他根系，與其生長環(huán)境和生物學(xué)特性相關(guān)，在檸條錦雞兒林地隨著土壤深度的增加根系數(shù)量在逐漸下降，會出現(xiàn)土壤干層深度大于根系深度的現(xiàn)象?？赡苡捎?0 a老齡檸條錦雞兒深層根系消耗土壤水分逐漸向深層延伸對土壤水分消耗還有待研究。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，所以對于黃土區(qū)的植物根系的研究應(yīng)該得到加強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）20 a檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)0～1000 cm范圍土壤通體出現(xiàn)干層，土壤水分含量隨深度的增加先減小后增加，最后趨于穩(wěn)定。垂直剖面（0～1000 cm）在440 cm 處含量最低；300～1000 cm 出現(xiàn)不同程度的水分虧缺；檸條錦雞兒林地帶間、帶內(nèi)0～1000 cm 水分有效性差，帶間水分有效性優(yōu)于帶內(nèi)。不同深度土壤供水系數(shù)變化規(guī)律為帶間始終大于帶內(nèi)，且440～800 cm供水系數(shù)帶間、帶內(nèi)都為0。

（2）20 a 檸條錦雞兒林地根系現(xiàn)存深度約900 cm，現(xiàn)存根系深度小于干層深度。檸條錦雞兒林地根長密度在土壤垂直分布形式與根系表面積密度也與根系重量一致。根層主要集中在0～80 cm土層，在0～1000 cm 剖面中0～80 cm 土層帶間、帶內(nèi)根干重分別占46.33%、45.56%，根表面積密度分別占66.58%、63.51%，根長密度分別占59.54%、58.45%。