黄土丘陵区带状柠条锦鸡儿林地深层土壤干化及根系分布

于晓燕，汪 星，吕 雯，高元亢，王永强，王雁超

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021）

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏南部山区固原市彭阳县王洼镇（36°17＇25″N，106°39＇42″E），多年平均气温8.6 ℃、日照时数2590 h·a-1、年均降水量480 mm·a-1，无霜期150 d·a-1。土壤类型为黄绵土，0～300 cm 土壤容重的平均值为1.33 g·cm-3，土壤质地为粉质壤土，粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量均值分别为72.69%、18.37%和8.94%［17］，本文凋萎含水量采用Van Genuchten 模型拟合，田间持水量实测为19.36%，土壤凋萎系数为7.12%［18］。自然植被类型由灌木草原向典型草原过渡，原生植物多以低矮禾草为主，并伴有少量灌木，人工植被主要有柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、苜蓿(Medicago sativa)、山桃（Amygdalus davidiana）和樟子松（Pinus sylvestris）等［19］。

1.2 研究方法

在试验区坡中长势均一的人工带状柠条锦鸡儿林（20 a）选取样地，并以距样地约120 m的同一高度且坡度相近的旱作农田为对照，农田种植作物为谷子(Setaria italica)和玉米(Zea mays)。以柠条锦鸡儿带为样方一个边界，设置3 个500 cm×500 cm 的样方，重复3 次，分别在柠条锦鸡儿林地带内、带间和农田中心位置对土壤水分和柠条锦鸡儿根系取样调查（图1），该区柠条锦鸡儿为2000年4月栽植，株距50 cm，行距100 cm，2行为一带，带间距8 m，柠条锦鸡儿平均高度达1.6 m 左右，柠条锦鸡儿林地带间植物群落优势种为禾本科植物大针茅（Stipagrandis）等。土壤水分与柠条锦鸡儿根系采样土层深度均为0～1000 cm，每个取样深度间隔为20 cm，取样前一周及采样期间未发生降雨。土壤水分含量采用土钻烘干法测定，于2020年6月26—30日进行了采样。根系调查采用成排根钻取样法（图1），采样时间为2020 年7 月28 日—8 月2 日，根钻钻头直径为10 cm。采集的根系土样先经过18目网筛冲洗过筛，再利用植物根系进行扫描图像分析（Epson Perfection V750Pro, Epson Inc，中国，北京），用Win-Rhizo 软件（版本5.0，Regent Instruments Inc, Quebec,Canada）分析可获得根长、根表面积等参数。

图1 研究区样点分布Fig.1 Sampling plot distribution in the study area

1.3 各参数计算公式

1.3.1 土壤水分亏缺度土壤水分亏缺度表示土壤水分对植物生长的亏缺程度。土壤干化状况评价指标参考陈海滨等［20-21］的划分方法，计算公式如下：

式中：K为土壤水分亏缺度（%），K＜0时，表示土壤水分不亏缺［17］；θa为生长阻滞含水率（%），取田间持水量的60%；θ为土壤实际含水量（%）。将土壤水分亏缺度划分为4个级别：K≤0为未亏缺，0＜K≤25%为轻度亏缺，25%＜K≤50%为中度亏缺，K＞50%为严重亏缺。

1.3.2 土壤水分有效性土壤水分有效性指实际有效水分与最大有效水分之比，表征植被能够充分利用土壤水分含量的程度。计算公式如下：

式中：Aw为土壤水分有效性指数（%）；θ为土壤实际含水量（%）；θw为土壤凋萎湿度（%）；θf为田间持水量（%）。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 表示土壤水分为无效水，不能被吸收［22］。将土壤水分有效性分为5 个等级，见表1。

表1 土壤水分有效性评价指标Tab.1 Evaluation index of soil water availability

1.3.3 土壤干燥化强度土壤干燥化强度的大小表示土壤干燥化程度，计算公式［23］如下：

式中：ISD是土壤干燥化指数（%）；θSS是土壤稳定湿度（%）；θ是实际土壤湿度（%）；θw是土壤凋萎湿度（%）。参考李军等［24］对土壤干燥化程度分级方法，结合本次试验水分数据分布范围，划分为以下4级：ISD＜0 为极度干燥化，0≤ISD＜75%为严重干燥化，75%≤ISD＜100%为轻度干燥化，ISD≥100%为无干燥化。

白居易的这类诗歌没有外在形式的修饰，语言平淡质朴，浅切平易，淡泊悠闲的意绪情调中没有掺入任何动荡激烈的情感，白居易这样的诗歌写作是对朴素的推崇，也是对“淡”的追求。然而这种日常生活的细致描绘，虽然看起来平淡，读起来却有味。张磁在《读乐天诗》中云“诗到香山老,方无斧凿痕。目前能转物,笔下尽逢源。学博才兼裕,心平气自温。随人称白俗,真是小儿言。”⑥白居易这种不加雕琢的情感和不加修饰的言辞都呈现出道家美学所推崇贵纯朴轻华饰和“抱朴含真”的自然朴素之美。

1.3.4 根长密度

式中：RLD 为根长密度（cm·cm-3）；RL 为根系长度（cm）；V为根钻体积（cm3）。

1.3.5 根表面积密度

式中：RSD为根表面积密度（cm2·cm-3）；RS为根表面积（cm2）；V为根钻体积（cm3）。

1.4 数据分析

利用Mircosoft Excel 2010 对土壤含水量、根长密度、根表面积密度等参数进行计算、储存、归纳，使用SPSS 26.0 软件对数据计算标准误差和单因素方差分析，利用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 柠条锦鸡儿林地垂直剖面水分状况

2.1.1 柠条锦鸡儿林地0～1000 cm垂直剖面水分含量柠条锦鸡儿林地带内、带间土壤水分含量随土层深度增加出现先减少后增加的趋势（图2），带间、带内土壤水分含量较农田土壤水分含量降低，带内、带间土壤水分含量在880 cm 处出现相交，带间土壤水分含量要优于带内土壤水分含量。0～40 cm土层柠条锦鸡儿林地带间、带内的平均土壤水分含量较农田分别降低27.60%和46.09%；40～280 cm 土层带间、带内平均土壤水分含量比农田分别降低14.78%和33.39%，呈剧烈下降趋势；280～440 cm 土层带间、带内平均土壤水分含量比农田分别降低47.40%和71.67%，呈逐渐下降趋势；440～800 cm 土层带间、带内平均土壤水分含量比农田分别降低63.25%和67.85%，呈摆动趋势；800～1000 cm土层带间、带内平均土壤水分含量比农田分别降低50.58%和52.25%，呈上升趋势。0～1000 cm 深度范围内带间、带内平均土壤水分含量分别为7.77%和6.31%。

图2 柠条锦鸡儿林地与农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 柠条锦鸡儿林地300～1000 cm垂直剖面水分亏缺度判断土壤水分状况主要是土壤水分亏缺程度与剖面分布重要性指标，以附近相似地形的旱作农田作为土壤水分基准量，对柠条锦鸡儿林地土壤水分亏缺指数进行分析。0～300 cm土层水分受降雨和地表植物的影响波动较大，且受降雨已经有所恢复的层次，为消除这些因素造成的表层土壤水分差异性［23］，因此分析300 cm土层深度以下土壤水分亏缺程度。由表2可知，柠条锦鸡儿林地土壤水分亏缺程度随土层深度的增加而减小，其中300～800 cm土层为中度亏缺；800～1000 cm 土层为轻度亏缺。300～440 cm、440～800 cm 和800～1000 cm 土层储水量分别占农田储水量的57.61%、47.10%和60.73%。柠条锦鸡儿林地水分亏缺度在300～1000 cm土层平均为32.76%。农田在300～1000 cm 土层无水分亏缺。

表2 300～1000 cm土层柠条锦鸡儿林地与农田的土壤水分亏缺度Tab.2 Soil water storage deficit of Caragana korshinskii forest and farmland in 300-1000 cm soil layer

2.1.3 柠条锦鸡儿林地垂直剖面水分有效性及供水系数如图3 所示，柠条锦鸡儿林地土壤水分有效性等级划分结果为：柠条锦鸡儿林地带内0～240 cm和800～1000 cm 深度土壤水分含量为难效水，240～800 cm 深度土壤水分含量为无效水。柠条锦鸡儿林地带间0～40 cm深度土壤水分含量为中效水，40～360 cm 和720～1000 cm 深度土壤水分含量为难效水，360～720 cm 深度土壤水分含量为无效水。对照农田土壤水分含量有效性等级划分结果为：0～40 cm 深度土壤水分含量为富余水，520～600 cm、640～1000 cm 深度土壤水分含量为易效水，40～120 cm、200～320 cm、360～560 cm 和600～640 cm 深度土壤水分含量为中效水，120～200 cm 和320～360 cm 深度土壤水分含量为难效水。说明了柠条锦鸡儿林地水分有效性整体偏弱，能够利用水分程度偏低，土壤水分亏损严重。

图3 柠条锦鸡儿林地与农田剖面水分有效性Fig.3 Soil water availability of vertical profile between Caragana korshinskii forest and farmland

研究柠条锦鸡儿林地不同深度土壤水分有效性对带内、带间进行比较（表3），结果显示柠条锦鸡儿林地带间水分有效性显著大于带内。带间440～840 cm 土层土壤水分有效性＜0，显著低于0～20 cm土层土壤水分有效性（P＜0.05）；带内200～840 cm土层土壤水分有效性＜0，显著低于0～200 cm 和840～1000 cm 土层土壤水分有效性（P＜0.05）。在0～1000 cm 土壤不同深度供水系数可知，柠条锦鸡儿林地0～1000 cm带间土壤供水系数大于带内土壤供水系数，带内平均供水系数小于带间平均供水系数，说明了宁夏南部山区带状柠条锦鸡儿林地土壤水分状况带内优于带间。

表3 柠条锦鸡儿林地土壤水分有效性与供水系数Tab.3 Soil water availability and water supply coefficient in Caragana korshinskii forest land

2.1.4 柠条锦鸡儿林地垂直剖面干燥化程度柠条锦鸡儿林地带间和带内300～1000 cm各层土壤水分含量均低于稳定水分含量（图4），出现土壤干化现象。由于降雨入渗对0～300 cm土层影响较大，故表层0～300 cm为土壤水分活跃层。带间、带内平均水分含量分别为6.53%和5.46%，说明了20 a柠条锦鸡儿带间、带内300～1000 cm 范围土壤通体出现干层。由表4 可知，柠条锦鸡儿林地带间、带内300～1000 cm 深度土壤平均干燥化指数分别为-0.13%和-0.37%，属于极度干燥化程度；带间、带内极度干燥层厚度分别为320 cm和500 cm，严重干燥层厚度分别为380 cm和200 cm，未出现轻度干燥和无干燥层。上述表明，柠条锦鸡儿林地可吸收的水分较少，水分不够供给，现有的干层很难恢复。

表4 柠条锦鸡儿林地带内、带间300～1000 cm土层干燥化程度Tab.4 Soil drying degree in 300-1000 cm soil layer in the intra-band and inter-band of Caragana korshinskii forest

图4 柠条锦鸡儿林地与农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 柠条锦鸡儿林地垂直剖面根系分布特征

2.2.1 柠条锦鸡儿林地根干重垂直分布柠条锦鸡儿林地带间、带内0～1000 cm 土层根干重随土层深度增加呈明显的下降趋势（表5）。其中，柠条锦鸡儿林地在0～160 cm土层带内根干重高于带间，160～840 cm 相似，带间840 cm 以下没有发现根系，带内880 cm、920 cm 处发现根系。在柠条锦鸡儿林地带间、带内根干重垂直向下分层特征为，0～80 cm土层中根干重分别为1383.36 g·m-3、1397.19 g·m-3，分别占总根干重的46.33%、45.56%，说明柠条锦鸡儿林地中大部分根系富集于表层0～80 cm 土层之中；80～200 cm 土层中根干重分别为835.99 g·m-3、871.22 g·m-3，分别占总根干重的28.00%、28.41%；200～440 cm 土层中根干重分别为577.23 g·m-3、583.00 g·m-3，分别占总根干重的19.33%、19.01%；440～840 cm 土层中根干重分别为189.09 g·m-3、189.43 g·m-3，分别占总根干重的6.34%、6.18%。带间840～1000 cm未观测到根系，带内840～1000 cm总根干重26.00 g·m-3。带间、带内0～1000 cm土层范围内根干重平均值分别为119.43 g·m-3、122.70 g·m-3。带间、带内剖面土壤水分含量与根干重相反，说明根系分布多，根系耗水多，土壤水分含量降低。

表5 柠条锦鸡儿林地根干重Tab.5 Root dry weight in Caragana korshinskii forest land

2.2.2 带状柠条锦鸡儿林地根表面积垂直分布柠条锦鸡儿林地带内总根表面积密度显著大于带间根表面积密度（P＜0.05）（图5）。柠条锦鸡儿林地带内、带间在0～1000 cm 土层的根表面积密度分别为0.25～3.55 cm2·cm-3、0.26～2.51 cm2·cm-3。柠条锦鸡儿林地带内、带间0～80 cm土层的根表面积密度最大，分别占总根表面积密度的63.51%、66.58%。带内80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm、840～1000 cm土层的根表面积密度分别占总根表面积密度的16.46%、6.98%、8.77%和4.47%。带间80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm 土层的根表面积密度分别占总根表面积密度的17.51%、9.28%、6.90%。带间、带内根表面积密度与土壤水分不一致，带内根表面积密度比带间根表面积密度的土壤水分吸收增加用于自身生长，带内土壤水分明显低于带间土壤水分。

图5 柠条锦鸡儿林地根表面积密度Fig.5 Root surface area density in Caragana korshinskii forest land

2.2.3 带状柠条锦鸡儿林地根长垂直分布在带状柠条锦鸡儿林地中，不同土层深度下的根长密度差异显著（图6）。对于带状柠条锦鸡儿林地，带内的总根长密度要显著大于带间的总根长密度（P＜0.05）。由图6可知，柠条锦鸡儿林地带内、带间在0～1000 cm土层的根长密度分别为0.05～5.09 cm·cm-3、0.14～4.00 cm·cm-3。柠条锦鸡儿林地带内、带间0～80 cm土层的根长密度最大，分别占总根长密度的58.45%、59.54%。带内80～200 cm、200～440 cm、440～840 cm、840～1000 cm土层的根长密度分别占总根长密度的16.07%、13.27%、11.01%和1.20%。带间80～200 cm、200～440 cm 和440～840 cm 土层的根长密度分别占总根长密度的16.37%、13.52%和10.57%。带间根长密度低于带内根长密度，而带间土壤水分高于带内土壤水分。

2.3 各参数相关性分析

将宁夏南部山区雨养带状柠条锦鸡儿林地土层深度、根系各参数与水分各参数作相关性分析（表6）可知，土层深度与根系各参数呈极显著负相关（P＜0.01），说明随着土层深度的增加根系逐渐减少。土层深度与水分各参数无显著性关系。根系各参数之间呈极显著相关（P＜0.01）。根表面积密度和根干重与水分含量、干燥化程度和水分有效性呈极显著相关（P＜0.01），根长密度、根表面积密度与供水系数无显著性，根干重与供水系数显著相关（P＜0.05）。

表6 根系各参数与水分各参数相关性分析Tab.6 Correlation analysis of root parameters and water parameters

3 讨论

黄土丘陵半干旱地区推进人工林草建设工程50 多年以来，植被覆盖率得到较大的提高，而作物过度耗水打破了自然降雨与原生植被之间的动态平衡，引发了土壤干层等生态环境问题［25-29］。已有研究［10］表明，黄土高原半干旱区土壤干层厚度可达22.4 m，宁夏南部黄土丘陵区20 a 带状柠条锦鸡儿林地干层深度尚不明确。本文在宁夏南部地区20 a柠条锦鸡儿林地中研究发现,在1000 cm 土壤深度处柠条锦鸡儿根系未达到最终耗水深度，因此宁夏南部带状柠条锦鸡儿林地土壤干层深度还有待于进一步研究。冯金超等［30］认为，黄土丘陵区半干旱地区降雨能够引发100～300 cm 深度土壤入渗响应。本文对宁夏南部山区20 a柠条锦鸡儿林地土壤水分有效性的研究中考虑0～300 cm 土层容易受到当年降水的影响出现较大波动性，300 cm以上为活跃层，300 cm 以下为稳定层，受降水影响较小。本研究中发现，20 a 柠条锦鸡儿林地300～1000 cm 土壤水分有效性差，植物供水系数低，说明20 a柠条锦鸡儿林地生长基本很难利用300 cm 以下的土壤储存水分。黄土丘陵区独特的地貌地点，地下水补给困难，当地降水可能对300 cm以下土壤干层补给十分有限，导致土壤水库调蓄功能损失严重，这可能是目前植物生长衰败和今后植被重建的关键因素。

黄土高原人工植被下的土壤干层深度是由植物根系吸水不能及时补偿造成的结果，阐明植物根系与土壤的相互作用非常重要。干层深度与植物根系深度一致，柠条锦鸡儿林地带内由于根系分布多，根系吸收水分用于自身生长而导致土壤水分降低，而带间根系分布少、土壤水分较多。柠条锦鸡儿属于深根系植物，已有研究发现陕西省绥德县23 a 柠条锦鸡儿根系耗水深度可以达到22.4 m［10］。此次调查宁夏南部20 a柠条锦鸡儿根系深度和土壤干层深度仅限于1000 cm 之内，当地带状柠条锦鸡儿根系深层次变化今后还有待于进一步深入研究。0～200 cm土层中，带内、带间根系根干重分别占带内、带间根系总根干重占比较多，说明柠条锦鸡儿根系在土壤中表层分布较多；同时，本文200 cm 内采用剖面法，采集到的根系可能不仅指柠条锦鸡儿根系，还可能包括与柠条锦鸡儿共生的其他植物根系。在采样中无法完全区分柠条锦鸡儿根系与其他根系，与其生长环境和生物学特性相关，在柠条锦鸡儿林地随着土壤深度的增加根系数量在逐渐下降，会出现土壤干层深度大于根系深度的现象。可能由于20 a老龄柠条锦鸡儿深层根系消耗土壤水分逐渐向深层延伸对土壤水分消耗还有待研究。由于根系研究的困难较大，目前深层根系研究仍然十分薄弱，尤其是在深厚的黄土区多年生植物根系一般很深，根系对土壤物理性质、土壤养分、水分、碳汇以及微生物等均会产生影响，所以对于黄土区的植物根系的研究应该得到加强。

4 结论

（1）20 a柠条锦鸡儿林地带间、带内0～1000 cm范围土壤通体出现干层，土壤水分含量随深度的增加先减小后增加，最后趋于稳定。垂直剖面（0～1000 cm）在440 cm 处含量最低；300～1000 cm 出现不同程度的水分亏缺；柠条锦鸡儿林地带间、带内0～1000 cm 水分有效性差，带间水分有效性优于带内。不同深度土壤供水系数变化规律为带间始终大于带内，且440～800 cm供水系数带间、带内都为0。

（2）20 a 柠条锦鸡儿林地根系现存深度约900 cm，现存根系深度小于干层深度。柠条锦鸡儿林地根长密度在土壤垂直分布形式与根系表面积密度也与根系重量一致。根层主要集中在0～80 cm土层，在0～1000 cm 剖面中0～80 cm 土层带间、带内根干重分别占46.33%、45.56%，根表面积密度分别占66.58%、63.51%，根长密度分别占59.54%、58.45%。