人工桉树根系垂直分布与土壤容重及水分的关系

李思颖，刘 远，周买春

(1.广东河海工程咨询有限公司，广东 广州 510610； 2.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510642)

1 研究背景

土壤是水文循环过程中的一个重要组成部分，土壤水分是联系大气水、地表水和地下水的中心纽带，在水文循环中发挥着重要作用。而根系吸水是影响土壤根系层水分分布的一个重要因素，同时，根系的存在会使根系层的土壤颗粒紧密度与其他土层有所不同，进而影响土壤剖面的水分分布。树木、农作物等植物的根系差异常被认为是造成土壤水分和理化参数分布不同的主要原因[1-4]。

随着我国集体林权制度改革，在市场经济驱动下，过去30年间，桉树人工林在我国得到大面积引种。截至2018年，全国桉树种植面积达546万hm2，主要分布在南方11个省(区)，以广西和广东最多，约占总面积的3/4，集中度和经营强度世界首屈一指。引种大量桉树人工林可能造成的生态环境问题，尤其是桉树的耗水问题，已经引起了社会和学界的广泛关注和深切焦虑，2009—2011年我国西南大旱更将这一争论推到了风口浪尖。林业部门、利益相关者和部分桉树研究人员认为，桉树是生态之树、致富之树，桉树致旱之说无科学依据：雷州半岛桉树人工林年蒸腾耗水约占年降雨量的35%[5]；桉树水分利用效率高，合成每千克干物质耗水量比松树和相思树少得多[6]；干旱季节，桉树根系到达不了地下水位[7]；桉树用不到全国3%的林地生产了18%的木材[8]；专题调研结果显示西南大旱与桉树无关[9]。然而，也有研究认为，桉树生长快，生长过程中需要消耗大量水分，大面积引种桉树抽干了土壤水分，导致土壤板结、肥力衰竭、地下水位下降、生态多样性减弱[10-12]，长此以往将导致水资源减少、河流干涸、土地荒芜；国外大量研究也表明，桉树人工林使河川径流减少，有的减少达60%，甚至完全干枯，尤其是枯水径流[12-13]。本研究通过探讨华南丘陵地区桉树人工林土壤剖面根系分布与土壤含水率、土壤容重的相关关系，初步揭示桉树人工林的耗水机理。

2 调查方案

2.1 样地概况

样地位于广东省鹤山市、佛山市、云浮市交界的泗合水流域内。流域集水面积131 km2，属南亚热带季风气候区，多年平均降雨量1 696 mm，多年平均蒸发量868 mm，4—9月为雨季。流域为丘陵地貌，海拔13～637 m，其中海拔13～100 m之间的流域面积占83%。土壤主要为花岗岩和砂页岩风化而成的赤红壤，主要土地利用方式为林地和农地，林地约占流域面积的81.5%，其中人工桉树林约占林地面积的65.2%。

通过地形分析、流域现场调研和访谈、土壤水分分布调查等，综合选定海拔、坡度、土壤水分等接近流域平均值的区域，然后在该区域内选取树龄、树高、胸径等大致为当地平均值的桉树作为调查样本。样本树龄约4年，树高约11 m，胸径9.9 cm；所在样地经纬度坐标为112°12′27″E、22°37′36″N，海拔39 m，坡度9.97%。

2.2 取样与测定方法

人工桉树根系采用传统的挖掘法[14]进行调查，调查深度2 m。在开挖桉树的过程中，同时使用环刀以10 cm为间隔分层取原状土样，每层取3个土样带回实验室测定土壤容重和水分。断面开挖完毕后(见图1)，以10 cm为间隔分层收集所有根系，使用游标卡尺分别量出根系的直径，并按0～1、1～2、2～3 mm……进行分类，量出所有根系的长度。内业计算时，分别算出每一土层每个类别根系的总长，然后根据该类别根系总长和平均直径算出根表面积，最后将层内所有类别的根表面积累加起来得到各深度区间的根表面积。采用烘干法测定土壤质量含水率，采用环刀法测定土壤容重，取样本均值。

图1 根系断面影像

3 调查与测定结果

3.1 根系垂直分布情况

样本桉树根系剖面重构及分布见图2。除主根扎入较深(超过200 cm)外，90%的根系分布在包气带90 cm内，其中0～10 cm内主要是连接树干的木质化粗老根，吸水能力强的鲜润毛根主要分布在10～70 cm土层。在0～10 cm土层虽有不少的根系(根表面积为831 cm2)，但这些根系基本上在接近10 cm的深度，靠近地表几乎没有树根，从地表至第一层根系分布深度之间存在一段分布空白区(小于10 cm)，根系总体从接近10 cm深度开始分布，向下逐渐增多至30 cm深度，然后从30 cm深度开始往下逐渐减少，其中20～30 cm深度土层内根系分布最密集(根表面积为11.08 dm2)。

3.2 土壤容重分布情况

根系剖面土壤容重分布见图3。由图3可看出，土壤容重从表层开始向下呈线性迅速增大至60 cm深度，然后从60 cm深度开始向下以一个相对缓慢的趋势减小至140 cm深度，140 cm深度以下土壤容重相对稳定。

图3 根系剖面土壤容重分布

3.3 土壤水分分布情况

根系剖面的土壤质量含水率见图4。由图4可看出，土壤质量含水率从表层开始向下呈线性迅速减少到50 cm深度，然后从50 cm深度开始向下呈线性急速增长至140 cm深度，140 cm深度以下土壤含水率变得相对稳定，保持在23%左右。

图4 根系剖面土壤质量含水率分布

4 结果分析

4.1 土壤容重与根系分布的关系

土壤容重与根表面积的回归分析见图5。由图5可看出，点据相对离散，最佳的回归关系R2仅0.15，F=3.08>Fα=3.01(α=0.1)，其回归关系要在α=0.1时才勉强成立，土壤容重与根系分布之间的关联不显著。一般来说，土壤应该在表层较疏松而下层较紧密，而且在根系层内由于间隙较多会比较疏松。从根系剖面土壤容重分布情况可见，在主要的根系层内，下层土壤比上层土壤紧实，而往下则相反。根据现场访谈调查及分析推论，认为形成这种现象的原因主要是：①修建台田时破坏了原有的自然结构，在坡地种植桉树时会先修建分级的种植平台，修建过程的开挖与填土对土壤的紧实度产生了影响；②雨水下渗形成的土壤淋溶作用，使上层疏松土壤中的黏粒在随雨水下渗过程中向下淋溶，填塞根系形成的土壤间隙并在剖面中层沉积，导致该处土壤较其他位置紧实；③土壤干燥失水收缩导致土壤容重增大。

图5 土壤容重与根表面积回归分析

4.2 土壤质量含水率与根系分布的关系

土壤质量含水率与根表面积的回归分析见图6。由图6可看出，土壤水分分布与根表面积分布具有显著的负对数相关，R2=0.78，F=62.82>>Fα=4.41(α=0.05)。结合回归散点图(见图6)及根系分布图(见图2)来看，以30 cm深度为界(根表面积≤8.11 dm3)，30～200 cm深度剖面的根系分布与土壤水分分布关系更为显著，回归分析图的散点分布趋势规律明显且相对收敛。分析推论认为，影响表层30 cm剖面土壤水分的因素较多，除人工桉树(乔木)外，林下灌草的蒸散发、大气蒸发、降雨入渗、人类活动等都会影响表层土壤的水分状况，而随着土层加深，这些因素的作用逐步减弱消退，从而凸显出中、深层剖面内根系与土壤水分的分布关系与规律。

图6 土壤质量含水率与根表面积回归分析

4.3 土壤体积含水率与根系分布的关系

综合考虑根表面积和土壤容重对土壤水分分布的影响，将土壤质量含水率换算成体积含水率(体积含水率=质量含水率×容重)，然后以根表面积为自变量，土壤剖面体积含水率为因变量进行回归分析，结果见图7。由图7可知，土壤体积含水率与根表面积的相关性十分显著，R2=0.82，F=82.34>>Fα=4.41(α=0.05)，说明根系分布是土壤水分垂直分层变化的一个重要因素，其相关关系高于土壤容重、土壤质量含水率与根表面积的相关关系。

图7 土壤体积含水率与根表面积回归分析

5 结 论

我国桉树人工林地处南方热带、亚热带地区，虽降水丰富，但降水主要以大雨、暴雨形式集中在雨季，工农业生产及生活用水主要来源于雨季地表蓄水和旱季地下水出流。因此，人们普遍关注桉树人工林是否会过多消耗水分而使区域水资源减少。崔珏等[15]研究表明，广东省泗合水流域2003年起年径流量发生突变，全年减小22.5%(其中人类活动贡献率占66.5%)，枯水径流量减小达44.5%。2000年以来，泗合水流域原次生林被大量开垦种植为速生桉人工林，这被认为是导致流域径流量减小的重要原因。本次研究发现，土壤剖面水分分布与桉树根系分布存在十分显著的负相关关系，印证了桉树对土壤水分消耗存在重要影响；但土壤剖面容重与桉树根系分布之间不存在显著的相关关系，表明林下土壤板结并非由桉树自身生长消耗土壤水分、养分直接引起。