劉新春，趙勇鋼，劉小芳，朱興菲，高 冉，栗文玉

(山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，041000，山西臨汾)

人工植被恢復(fù)是黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要舉措之一，而土壤水分是植被建設(shè)中的主要限制因子,該地區(qū)大范圍不合理的人工植被種植所導(dǎo)致的土壤干燥化、植被退化等問題一直備受關(guān)注。晉西黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。自實(shí)施退耕還林工程以來，該地區(qū)大量引入外來樹種，如刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)和檸條(Caraganakorshinskii)等)，加之高密度植種人工經(jīng)濟(jì)林，如核桃(Juglansregia)、蘋果(Maluspumila)等，致使植被需水與土壤供水矛盾突出，加劇了深層土壤水分短缺，危及脆弱生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[1]。

土壤儲(chǔ)水量是降水入滲、再分布、蒸發(fā)、植被根系吸水利用等過程綜合作用的結(jié)果[2]，也與植被的生長發(fā)育密切相關(guān)。許多研究表明，黃土高原地區(qū)不同人工植被恢復(fù)下的土壤儲(chǔ)水量在剖面的分布有顯著差異，且季節(jié)性特征明顯[3-4]。土壤剖面(尤其是>2 m的深層)的儲(chǔ)水量與植被根系特征有著緊密的關(guān)系[5]。植被根系在土壤中的分布異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致植物耗水的差異性，從而導(dǎo)致剖面土壤水分含量及其分布格局也呈現(xiàn)一定規(guī)律性[6]。目前關(guān)于晉西黃土區(qū)不同人工植被類型下土壤水分分布已有一些研究，但有關(guān)深剖面(>2 m)土壤儲(chǔ)水量分布特征的研究相對(duì)較少[7]，特別是將深層土壤儲(chǔ)水量與植被細(xì)根分布特征相結(jié)合方面的研究較欠缺。

因此，本研究選取晉西黃土區(qū)5種典型人工植被類型，對(duì)其生長季深層土壤水分及植被細(xì)根生物量進(jìn)行分析，研究不同人工植被土壤儲(chǔ)水量與細(xì)根生物量的關(guān)系，以期為區(qū)域植被建設(shè)的評(píng)價(jià)與管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省呂梁市離石區(qū)蓮花池鄉(xiāng)，地貌類型屬典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，氣候類型屬典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為450～550 mm，主要集中在7—9月，年平均氣溫8.9 ℃，年蒸發(fā)量為1 850.8 mm，無霜期110～170 d。研究區(qū)土壤類型主要為黃綿土，顆粒組成分以砂粒、粉砂粒為主，土壤侵蝕以水力和重力侵蝕為主，由于坡度較大、植被稀疏，且夏季多高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨，水土流失問題嚴(yán)重。該地區(qū)常見人工造林樹種主要有刺槐、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、檸條等，人工經(jīng)濟(jì)林主要有核桃、蘋果等，人工牧草主要為苜蓿(Medicagosativa)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品測定

筆者選取該地區(qū)廣泛種植的4種典型人工植被為研究對(duì)象，包括退耕還林常用樹種刺槐和側(cè)柏，廣植經(jīng)濟(jì)林核桃，以及人工牧草苜蓿，并以長期(>30年)種植玉米(Zeamays)的農(nóng)地作為對(duì)照。樣地詳細(xì)情況見表1。

表1 樣地基本情況

于2017年8月上旬在植被生長旺盛期進(jìn)行植被調(diào)查和土壤樣品采集。取樣前3 d天有少量降雨，據(jù)實(shí)地觀察，降水補(bǔ)給深度不超過40 cm，不影響本研究對(duì)深層土壤水分的分析。每個(gè)樣地沿坡面布置3條長50 m、寬10 m的樣帶，在樣帶上沿坡面布置3個(gè)樣方(草地1 m×1 m ，喬木10 m×10 m)，每個(gè)樣地共9個(gè)樣方。在每個(gè)樣地的樣方進(jìn)行植被調(diào)查之后，在樣點(diǎn)內(nèi)挖1個(gè)100 cm深的土壤剖面，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～70、和70～100 cm土層采集環(huán)刀樣用于測定土壤密度。在樣方內(nèi)選定代表樹的鄰近位置(<1 m)，用根鉆(內(nèi)徑9 cm)采集0～500 cm深剖面土樣，其中0～100 cm土層間隔10 cm取樣，100～500 cm土層間隔20 cm取樣。土樣采集后，取少量土壤裝入鋁盒，用于測定土壤剖面含水量，剩余土樣裝入塑封袋，用于測定根系指標(biāo)。

土壤含水量采用烘干法測定[8]，土樣現(xiàn)場稱量后，帶回實(shí)驗(yàn)室在105～110 ℃溫度下烘干至恒質(zhì)量。每層土壤儲(chǔ)水量計(jì)算式為

(1)

式中：SMS(soil moisture storage)為每層土壤儲(chǔ)水量，mm；SMC(soil moisture content)為每層土壤含水量，%；BD(bulk density)為土壤密度，g/cm3；ρw(water density)為水密度，g/cm3；h為每層取樣深度，mm。土壤密度采用環(huán)刀法測定[8]。

采集的根系土樣用清水過2 mm篩沖洗，用鑷子揀出直徑<2 mm的細(xì)根清洗，于80 ℃溫度下烘干至恒質(zhì)量，稱取細(xì)根干質(zhì)量。細(xì)根生物量計(jì)算式[9]為

FRB=m×104/(π(d/2)2)。

(2)

式中：FRB(fine root biomass)為每10 cm深度下的單位面積細(xì)根生物量，g/m2；m為每根土芯根系干質(zhì)量，g；d為根鉆內(nèi)徑，cm。

2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0軟件對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法對(duì)土壤儲(chǔ)水量和細(xì)根生物量進(jìn)行多重比較分析，采用OriginPro 9.0軟件進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 深剖面土壤水分分布特征

不同人工植被類型0～500 cm土層水分分布如圖1所示。參考前人[10-11]對(duì)黃土高原地區(qū)土壤剖面水分層次劃分的依據(jù)，結(jié)合本研究土壤水分的分布特征，我們將土壤水分層次劃分為淺層(0～70 cm)和深層(70～500 cm)，并進(jìn)一步將深層劃分為：Ⅰ層(降水入滲層，70～160 cm)、Ⅱ?qū)?過渡層，160～280 cm)和Ⅲ層(相對(duì)穩(wěn)定層，280～500 cm)。由于淺層受雨期降雨影響，本研究重點(diǎn)分析深層土壤水分的分布特點(diǎn)。隨著土壤深度的增加，Ⅰ層土壤含水量逐漸降低，Ⅱ?qū)硬▌?dòng)較大，Ⅲ層則穩(wěn)定中有所增加。不同樣地間，在Ⅰ層平均土壤含水量表現(xiàn)為農(nóng)地>苜蓿>側(cè)柏>刺槐>核桃(表2)；在Ⅱ?qū)?，農(nóng)地、刺槐土壤含水量趨于穩(wěn)定，苜蓿持續(xù)減少，側(cè)柏、核桃則有所增加，平均土壤含水量為農(nóng)地(15.38%)>側(cè)柏(10.86%)>苜蓿(10.15%)>核桃(9.37%)>刺槐(7.94%)；在Ⅲ層，農(nóng)地、刺槐的含水量基本趨于穩(wěn)定，苜蓿和側(cè)柏有所增加，核桃則有所下降，平均含水量大小與Ⅱ?qū)右恢?。總的來看，與農(nóng)地相比，其他4種植被土壤含水量較低，處于水分虧缺狀態(tài)，但苜蓿和側(cè)柏在較深層次(>400 cm)逐漸與農(nóng)地接近，而刺槐和核桃并沒有恢復(fù)的趨勢。

3.2 深層土壤儲(chǔ)水量剖面分布

在深層不同層次中5種人工植被類型間的土壤儲(chǔ)水量均有顯著性差異(P<0.05，圖2a)。在Ⅰ和Ⅱ?qū)?，農(nóng)地土壤儲(chǔ)水量顯著高于刺槐和核桃(P<0.05)；在Ⅲ層，農(nóng)地顯著高于苜蓿和側(cè)柏(P<0.05)，核桃次之，刺槐最低。以農(nóng)地為對(duì)照，計(jì)算各樣地不同深層層次土壤儲(chǔ)水量的虧缺量(圖2b)，苜蓿、刺槐、側(cè)柏和核桃的虧缺量分別為：Ⅰ層：-22.47 mm、-72.81 mm、-34.85 mm、-76.30 mm；Ⅱ?qū)樱?76.99 mm、-119.66 mm、-59.88 mm、-89.34 mm；Ⅲ層：-71.37 mm、-255.78 mm、-67.20 mm、-191.96 mm?？傮w來說，刺槐和核桃的虧缺量最大，且在深層尤為顯著，苜蓿和側(cè)柏次之。

圖1 不同人工植被類型垂直剖面上土壤含水量分布(n=3)Fig.1 Profile distribution of soil moisture content for different artificial vegetation types in the study region (n=3)

表2 人工植被0～500 cm土壤含水量基本統(tǒng)計(jì)分析

誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤；數(shù)值后面不同小寫字母表示不同植被類型差異顯著(P<0.05)。下同。 Error bars refer to standard errors. Lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05. The same applies to followings. 圖2 不同人工植被類型深層土壤儲(chǔ)水量分布及虧缺(n=3)Fig.2 Profile distribution and deficit of soil moisture storage in deep layers under different artificial vegetation types (n=3)

3.3 細(xì)根生物量在垂直剖面的分布

在不同深層層次中5種人工植被類型間平均深層細(xì)根生物量(以10 cm深度計(jì))存在顯著性差異(P<0.05)，且表現(xiàn)出隨著土壤深度增加而逐漸降低的趨勢(圖3)。5種人工植被類型深層(70～500 cm)細(xì)根生物量約占0～500 cm總土層深度的37%，深層平均細(xì)根生物量表現(xiàn)為：側(cè)柏(2.9 g/m2)>刺槐(2.68 g/m2)>核桃(2.67 g/m2)>苜蓿(1.67 g/m2)>農(nóng)地(0.56 g/m2)。平均細(xì)根生物量在Ⅰ層表現(xiàn)為:側(cè)柏>核桃>刺槐>苜蓿>農(nóng)地；在Ⅱ?qū)颖憩F(xiàn)為：刺槐>側(cè)柏>核桃>苜蓿>農(nóng)地；在Ⅲ層表現(xiàn)為：刺槐>核桃>側(cè)柏>苜蓿>農(nóng)地。

圖3 不同人工植被類型深層平均細(xì)根生物量分布(n=3)Fig.3 Profile distribution of mean fine root biomass in deep layers under different artificial vegetation types (n=3)

3.4 深層土壤儲(chǔ)水量與細(xì)根生物量相關(guān)性

除Ⅰ層(P>0.05)外，Ⅱ和Ⅲ層的土壤儲(chǔ)水量與細(xì)根生物量均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即土壤儲(chǔ)水量隨細(xì)根生物量的增加而減少(表3)。從不同人工植被類型來說，農(nóng)地在3個(gè)層次的土壤儲(chǔ)水量與細(xì)根生物量沒有相關(guān)性(P>0.05)；側(cè)柏和苜蓿分別在Ⅱ?qū)雍廷髮拥耐寥纼?chǔ)水量與細(xì)根生物量有顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)；刺槐和核桃在Ⅱ?qū)雍廷髮拥耐寥纼?chǔ)水量與細(xì)根生物量均有顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)。

4 討論

在前人研究中，韓仕峰等[10]將黃土高原地區(qū)剖面土壤水分劃分為速變層、活躍層、次活躍層和相對(duì)穩(wěn)定層4個(gè)部分，F(xiàn)ang Xuening等[11]界定黃土高原中部安塞流域80 cm以下為深層。本研究對(duì)深剖面土壤水分層次的劃分與他們相似，但具體土層深度有所不同，這是根據(jù)本區(qū)域降水和植被類型不同所表現(xiàn)的土壤水分分布差異而定的。深層土壤含水量隨土壤深度增加而變化，這與土壤降水入滲補(bǔ)給能力、不同植被生長對(duì)深層土壤水分消耗利用程度等因素密切相關(guān)[12]。在本研究中，以農(nóng)地為對(duì)照，其他4種人工植被深層土壤儲(chǔ)水量在不同層次均存在一定程度的虧缺，其中多年生側(cè)柏虧缺程度相對(duì)較輕，3年生苜蓿虧缺可達(dá)到3 m以上，多年生刺槐和核桃的水分虧缺狀況可達(dá)到5 m以上。許多研究表明，黃土高原地區(qū)外來人工植被如刺槐、檸條等對(duì)深層土壤水分有消耗強(qiáng)烈，使其土壤儲(chǔ)水量明顯低于農(nóng)地[11]。本研究也有相似結(jié)果。由于深層土壤很難受降水補(bǔ)給，造成不同植被類型間土壤儲(chǔ)水量差異的主要原因在于植物根系類型和分布的差異及其對(duì)水分的利用程度不一所致。

表3 深層土壤儲(chǔ)水量與細(xì)根生物量相關(guān)性分析(n=9)

植被細(xì)根在深層土壤中存在比例雖然很少，但其對(duì)植被吸收利用土壤水分和養(yǎng)分卻發(fā)揮重要作用[13]。本研究中，較深土層(Ⅱ和Ⅲ層)細(xì)根生物量約占0～500 cm剖面總細(xì)根生物量的11%，且細(xì)根生物量與土壤儲(chǔ)水量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這說明深層較高的細(xì)根生物量可能導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量的減少。薦圣淇等[14]在安家溝流域的研究發(fā)現(xiàn)在垂直剖面上細(xì)根生物量的分布與土壤含水量剛好相反。岳瑋等[15]的研究也表明，由于干旱，植物根系傾向于深扎來獲取更多的土壤水分。本研究中，農(nóng)地細(xì)根生物量在深層較少，因此土壤儲(chǔ)水量最高且較為穩(wěn)定。刺槐和核桃由于種植時(shí)間較長且深層細(xì)根生物量比其他樣地要高，可能消耗更多土壤水分，已造成了土壤儲(chǔ)水量的較大虧缺。3年生的苜蓿根系主要集中在淺層(160 cm)以上，深Ⅱ?qū)拥膬?chǔ)水量與細(xì)根生物量正相關(guān)但不顯著，這是由于細(xì)根和儲(chǔ)水量均呈現(xiàn)下降趨勢，而在深Ⅲ層苜蓿根系仍保持下降趨勢，但其含水量表現(xiàn)已有回升趨勢，故二者呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。隨著苜蓿種植年限的增加，其土壤水分虧缺可能會(huì)繼續(xù)向深層發(fā)展。多年種植的側(cè)柏已有土壤水分虧缺，但虧缺程度較小。

綜上所述，所研究的人工植被已出現(xiàn)較明顯的土壤水分虧缺問題，這與植物根系的細(xì)根生物量有較大相關(guān)性。因此，建議該地區(qū)未來人工植被種植要充分考慮植被根系及其耗水特征與當(dāng)?shù)赝寥浪謼l件的耦合關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)人工植被建設(shè)的可持續(xù)性。

5 結(jié)論

晉西黃土區(qū)5種典型人工植被在深層(70～500 cm)的土壤水分分布可劃分為降水入滲層(70～160 cm)、過渡層(160～280 cm)和相對(duì)穩(wěn)定層(280～500 cm)。與農(nóng)地相比，苜蓿、刺槐、側(cè)柏和核桃土壤儲(chǔ)水量的總虧缺量分別為170.83 mm、448.25 mm、161.94 mm和357.61 mm，并且苜蓿和側(cè)柏的土壤水分虧缺深度達(dá)到3 m以上，刺槐和核桃則達(dá)到5 m以上。深層(>160 cm)細(xì)根生物量與土壤儲(chǔ)水量具有顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，刺槐、核桃深層細(xì)根生物量高于側(cè)柏和苜蓿，而其水分虧缺程度明顯高于側(cè)柏和苜蓿。