晋西黄土区典型人工植被生长季深层土壤储水量与细根生物量分布特征

刘新春，赵勇钢，刘小芳，朱兴菲，高 冉，栗文玉

(山西师范大学生命科学学院，041000，山西临汾)

人工植被恢复是黄土高原地区生态环境建设的主要举措之一，而土壤水分是植被建设中的主要限制因子,该地区大范围不合理的人工植被种植所导致的土壤干燥化、植被退化等问题一直备受关注。晋西黄土丘陵沟壑区是黄土高原水土流失最严重的区域之一。自实施退耕还林工程以来，该地区大量引入外来树种，如刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)和柠条(Caraganakorshinskii)等)，加之高密度植种人工经济林，如核桃(Juglansregia)、苹果(Maluspumila)等，致使植被需水与土壤供水矛盾突出，加剧了深层土壤水分短缺，危及脆弱生态系统的可持续性[1]。

土壤储水量是降水入渗、再分布、蒸发、植被根系吸水利用等过程综合作用的结果[2]，也与植被的生长发育密切相关。许多研究表明，黄土高原地区不同人工植被恢复下的土壤储水量在剖面的分布有显著差异，且季节性特征明显[3-4]。土壤剖面(尤其是>2 m的深层)的储水量与植被根系特征有着紧密的关系[5]。植被根系在土壤中的分布异质性会导致植物耗水的差异性，从而导致剖面土壤水分含量及其分布格局也呈现一定规律性[6]。目前关于晋西黄土区不同人工植被类型下土壤水分分布已有一些研究，但有关深剖面(>2 m)土壤储水量分布特征的研究相对较少[7]，特别是将深层土壤储水量与植被细根分布特征相结合方面的研究较欠缺。

因此，本研究选取晋西黄土区5种典型人工植被类型，对其生长季深层土壤水分及植被细根生物量进行分析，研究不同人工植被土壤储水量与细根生物量的关系，以期为区域植被建设的评价与管理提供一定的科学依据。

1 研究区概况

试验区位于山西省吕梁市离石区莲花池乡，地貌类型属典型的黄土丘陵沟壑区，气候类型属典型的暖温带大陆性季风气候，年均降水量为450～550 mm，主要集中在7—9月，年平均气温8.9 ℃，年蒸发量为1 850.8 mm，无霜期110～170 d。研究区土壤类型主要为黄绵土，颗粒组成分以砂粒、粉砂粒为主，土壤侵蚀以水力和重力侵蚀为主，由于坡度较大、植被稀疏，且夏季多高强度、短历时暴雨，水土流失问题严重。该地区常见人工造林树种主要有刺槐、侧柏(Platycladusorientalis)、柠条等，人工经济林主要有核桃、苹果等，人工牧草主要为苜蓿(Medicagosativa)。

2 材料与方法

2.1 试验设计与样品测定

笔者选取该地区广泛种植的4种典型人工植被为研究对象，包括退耕还林常用树种刺槐和侧柏，广植经济林核桃，以及人工牧草苜蓿，并以长期(>30年)种植玉米(Zeamays)的农地作为对照。样地详细情况见表1。

表1 样地基本情况

于2017年8月上旬在植被生长旺盛期进行植被调查和土壤样品采集。取样前3 d天有少量降雨，据实地观察，降水补给深度不超过40 cm，不影响本研究对深层土壤水分的分析。每个样地沿坡面布置3条长50 m、宽10 m的样带，在样带上沿坡面布置3个样方(草地1 m×1 m ，乔木10 m×10 m)，每个样地共9个样方。在每个样地的样方进行植被调查之后，在样点内挖1个100 cm深的土壤剖面，按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～70、和70～100 cm土层采集环刀样用于测定土壤密度。在样方内选定代表树的邻近位置(<1 m)，用根钻(内径9 cm)采集0～500 cm深剖面土样，其中0～100 cm土层间隔10 cm取样，100～500 cm土层间隔20 cm取样。土样采集后，取少量土壤装入铝盒，用于测定土壤剖面含水量，剩余土样装入塑封袋，用于测定根系指标。

土壤含水量采用烘干法测定[8]，土样现场称量后，带回实验室在105～110 ℃温度下烘干至恒质量。每层土壤储水量计算式为

(1)

式中：SMS(soil moisture storage)为每层土壤储水量，mm；SMC(soil moisture content)为每层土壤含水量，%；BD(bulk density)为土壤密度，g/cm3；ρw(water density)为水密度，g/cm3；h为每层取样深度，mm。土壤密度采用环刀法测定[8]。

采集的根系土样用清水过2 mm筛冲洗，用镊子拣出直径<2 mm的细根清洗，于80 ℃温度下烘干至恒质量，称取细根干质量。细根生物量计算式[9]为

FRB=m×104/(π(d/2)2)。

(2)

式中：FRB(fine root biomass)为每10 cm深度下的单位面积细根生物量，g/m2；m为每根土芯根系干质量，g；d为根钻内径，cm。

2.2 数据处理与统计分析

采用SPSS 18.0软件对土壤水分数据进行基本统计分析，采用单因素方差分析法对土壤储水量和细根生物量进行多重比较分析，采用OriginPro 9.0软件进行图形绘制。

3 结果与分析

3.1 深剖面土壤水分分布特征

不同人工植被类型0～500 cm土层水分分布如图1所示。参考前人[10-11]对黄土高原地区土壤剖面水分层次划分的依据，结合本研究土壤水分的分布特征，我们将土壤水分层次划分为浅层(0～70 cm)和深层(70～500 cm)，并进一步将深层划分为：Ⅰ层(降水入渗层，70～160 cm)、Ⅱ层(过渡层，160～280 cm)和Ⅲ层(相对稳定层，280～500 cm)。由于浅层受雨期降雨影响，本研究重点分析深层土壤水分的分布特点。随着土壤深度的增加，Ⅰ层土壤含水量逐渐降低，Ⅱ层波动较大，Ⅲ层则稳定中有所增加。不同样地间，在Ⅰ层平均土壤含水量表现为农地>苜蓿>侧柏>刺槐>核桃(表2)；在Ⅱ层，农地、刺槐土壤含水量趋于稳定，苜蓿持续减少，侧柏、核桃则有所增加，平均土壤含水量为农地(15.38%)>侧柏(10.86%)>苜蓿(10.15%)>核桃(9.37%)>刺槐(7.94%)；在Ⅲ层，农地、刺槐的含水量基本趋于稳定，苜蓿和侧柏有所增加，核桃则有所下降，平均含水量大小与Ⅱ层一致。总的来看，与农地相比，其他4种植被土壤含水量较低，处于水分亏缺状态，但苜蓿和侧柏在较深层次(>400 cm)逐渐与农地接近，而刺槐和核桃并没有恢复的趋势。

3.2 深层土壤储水量剖面分布

在深层不同层次中5种人工植被类型间的土壤储水量均有显著性差异(P<0.05，图2a)。在Ⅰ和Ⅱ层，农地土壤储水量显著高于刺槐和核桃(P<0.05)；在Ⅲ层，农地显著高于苜蓿和侧柏(P<0.05)，核桃次之，刺槐最低。以农地为对照，计算各样地不同深层层次土壤储水量的亏缺量(图2b)，苜蓿、刺槐、侧柏和核桃的亏缺量分别为：Ⅰ层：-22.47 mm、-72.81 mm、-34.85 mm、-76.30 mm；Ⅱ层：-76.99 mm、-119.66 mm、-59.88 mm、-89.34 mm；Ⅲ层：-71.37 mm、-255.78 mm、-67.20 mm、-191.96 mm。总体来说，刺槐和核桃的亏缺量最大，且在深层尤为显著，苜蓿和侧柏次之。

图1 不同人工植被类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土壤含水量基本统计分析

误差棒表示标准误；数值后面不同小写字母表示不同植被类型差异显著(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. 图2 不同人工植被类型深层土壤储水量分布及亏缺(n=3)Fig.2 Profile distribution and deficit of soil moisture storage in deep layers under different artificial vegetation types (n=3)

3.3 细根生物量在垂直剖面的分布

在不同深层层次中5种人工植被类型间平均深层细根生物量(以10 cm深度计)存在显著性差异(P<0.05)，且表现出随着土壤深度增加而逐渐降低的趋势(图3)。5种人工植被类型深层(70～500 cm)细根生物量约占0～500 cm总土层深度的37%，深层平均细根生物量表现为：侧柏(2.9 g/m2)>刺槐(2.68 g/m2)>核桃(2.67 g/m2)>苜蓿(1.67 g/m2)>农地(0.56 g/m2)。平均细根生物量在Ⅰ层表现为:侧柏>核桃>刺槐>苜蓿>农地；在Ⅱ层表现为：刺槐>侧柏>核桃>苜蓿>农地；在Ⅲ层表现为：刺槐>核桃>侧柏>苜蓿>农地。

图3 不同人工植被类型深层平均细根生物量分布(n=3)Fig.3 Profile distribution of mean fine root biomass in deep layers under different artificial vegetation types (n=3)

3.4 深层土壤储水量与细根生物量相关性

除Ⅰ层(P>0.05)外，Ⅱ和Ⅲ层的土壤储水量与细根生物量均存在显著负相关关系(P<0.05)，即土壤储水量随细根生物量的增加而减少(表3)。从不同人工植被类型来说，农地在3个层次的土壤储水量与细根生物量没有相关性(P>0.05)；侧柏和苜蓿分别在Ⅱ层和Ⅲ层的土壤储水量与细根生物量有显著负相关性(P<0.05)；刺槐和核桃在Ⅱ层和Ⅲ层的土壤储水量与细根生物量均有显著负相关性(P<0.05)。

4 讨论

在前人研究中，韩仕峰等[10]将黄土高原地区剖面土壤水分划分为速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层4个部分，Fang Xuening等[11]界定黄土高原中部安塞流域80 cm以下为深层。本研究对深剖面土壤水分层次的划分与他们相似，但具体土层深度有所不同，这是根据本区域降水和植被类型不同所表现的土壤水分分布差异而定的。深层土壤含水量随土壤深度增加而变化，这与土壤降水入渗补给能力、不同植被生长对深层土壤水分消耗利用程度等因素密切相关[12]。在本研究中，以农地为对照，其他4种人工植被深层土壤储水量在不同层次均存在一定程度的亏缺，其中多年生侧柏亏缺程度相对较轻，3年生苜蓿亏缺可达到3 m以上，多年生刺槐和核桃的水分亏缺状况可达到5 m以上。许多研究表明，黄土高原地区外来人工植被如刺槐、柠条等对深层土壤水分有消耗强烈，使其土壤储水量明显低于农地[11]。本研究也有相似结果。由于深层土壤很难受降水补给，造成不同植被类型间土壤储水量差异的主要原因在于植物根系类型和分布的差异及其对水分的利用程度不一所致。

表3 深层土壤储水量与细根生物量相关性分析(n=9)

植被细根在深层土壤中存在比例虽然很少，但其对植被吸收利用土壤水分和养分却发挥重要作用[13]。本研究中，较深土层(Ⅱ和Ⅲ层)细根生物量约占0～500 cm剖面总细根生物量的11%，且细根生物量与土壤储水量有显著的负相关关系(P<0.05)，这说明深层较高的细根生物量可能导致土壤储水量的减少。荐圣淇等[14]在安家沟流域的研究发现在垂直剖面上细根生物量的分布与土壤含水量刚好相反。岳玮等[15]的研究也表明，由于干旱，植物根系倾向于深扎来获取更多的土壤水分。本研究中，农地细根生物量在深层较少，因此土壤储水量最高且较为稳定。刺槐和核桃由于种植时间较长且深层细根生物量比其他样地要高，可能消耗更多土壤水分，已造成了土壤储水量的较大亏缺。3年生的苜蓿根系主要集中在浅层(160 cm)以上，深Ⅱ层的储水量与细根生物量正相关但不显著，这是由于细根和储水量均呈现下降趋势，而在深Ⅲ层苜蓿根系仍保持下降趋势，但其含水量表现已有回升趋势，故二者呈现显著负相关。随着苜蓿种植年限的增加，其土壤水分亏缺可能会继续向深层发展。多年种植的侧柏已有土壤水分亏缺，但亏缺程度较小。

综上所述，所研究的人工植被已出现较明显的土壤水分亏缺问题，这与植物根系的细根生物量有较大相关性。因此，建议该地区未来人工植被种植要充分考虑植被根系及其耗水特征与当地土壤水分条件的耦合关系，以实现人工植被建设的可持续性。

5 结论

晋西黄土区5种典型人工植被在深层(70～500 cm)的土壤水分分布可划分为降水入渗层(70～160 cm)、过渡层(160～280 cm)和相对稳定层(280～500 cm)。与农地相比，苜蓿、刺槐、侧柏和核桃土壤储水量的总亏缺量分别为170.83 mm、448.25 mm、161.94 mm和357.61 mm，并且苜蓿和侧柏的土壤水分亏缺深度达到3 m以上，刺槐和核桃则达到5 m以上。深层(>160 cm)细根生物量与土壤储水量具有显著的负相关性(P<0.05)，刺槐、核桃深层细根生物量高于侧柏和苜蓿，而其水分亏缺程度明显高于侧柏和苜蓿。