黄土区深剖面苹果树根系与土壤水分特征及其相互作用

李 婷,李冰冰,李 志

(1.乌兰察布广播电视大学,内蒙古 乌兰察布 012000;2.西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100)

在水资源有限的干旱和半干旱地区,深根植被的蒸腾作用较强,会过量消耗土壤水分[1-2],不利于农业生产和地下水补给。因此,水资源短缺一直是制约旱区植被恢复、生态文明建设和社会经济发展的主要限制因素[3-4]。近年来,随着“退耕还林还草”工程的实施,黄土高原大面积农田等浅根植被转化为深根的生态林或经济林,深层土壤水被过量消耗,区域降水难以满足高龄林地的蒸散需求[5-6]。尽管根系吸收利用深层土壤水有助于缓解水分胁迫对植被的伤害[5,7-8],但随着林龄增大,过量消耗深层土壤水也会削弱土壤水库的生态能力,并逐渐引发土壤干燥化[9-10]、地下水补给速率降低[11]和“小老头树”增加[12-13]等一系列新的生态水文问题。因此,如何合理利用深层“土壤水库”,实现植被和水资源的可持续发展[14],已成为生态环境退化地区重建需要解决的重大问题。

根系是植被获取水分和养分的重要器官,特别是细根周转可直接影响土壤水文和生物地球化学循环过程[15]。然而,植被根系存在于地下,其相关参数难以准确获取,因此长期以来对于根系的研究远远少于冠层部分[6]。深根系统在全球森林生态系统中普遍存在[16-18],林地平均根系深度为7.0 m±1.2 m,最大根系深度超过40 m[19]。黄土高原人工油松的最大根系深度超过21.5 m[20],渭北旱作苹果园根系深度也大于20 m[7]。根系特征(如最大根系深度、根系消光系数)和细根生物量等均受土壤水分有效性的显著影响[17,21-22];同时,根系分布也可进一步影响土壤水分状况。水分胁迫条件下,深根植被的根系不断向深层延伸以缓解水分压力;随着浅层土壤水的不断消耗,根系深度也会继续增加[7-8]。因此,阐明苹果树根系和土壤水分特征及其相互作用,对明确根系吸水机制、实现精准供水及节水灌溉均有重要意义。

基于此,本文以农地(F)为对照,利用空间换时间和配对取样法,分析不同种植年限的苹果树10 m深剖面根系分布和土壤水分特征,并进一步分析根系分布与土壤水分的相互作用,以期为旱区水资源管理和生态恢复提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭北旱塬位于黄土高原南部,为典型雨养农业区,土壤和地下水均主要来自大气降水。研究区位于中国科学院长武黄土高原农业生态试验站,地处陕甘交界处的王东沟小流域(35°12′～35°16′N,107°40′～107°42′E),属暖温带半湿润大陆性季风气候,塬面地势平坦,海拔约为1 200 m,年均气温9.4℃,无霜期170 d;降雨年际差异大,多年平均降雨量585 mm(1957—2017年),其中70%的降雨量集中在6—9月[23]。土壤类型主要为黑垆土,母质为马兰黄土,非饱和层深厚,地下水埋深约30～100 m。田间持水量、萎蔫湿度、土壤容重分别为22.5%、8.5%、1.32 g·cm-3[5,24]。

1.2 样品采集与测定

选择长武塬8个代表性样地为研究对象,即1个农地(F,种植作物为玉米和小麦,取样时有作物覆盖)和7个不同种植年限(5、8、11、15、18、22、26 a)的苹果树地(分别以A5、A8、A11、A15、A18、A22、A26表示),基于空间换时间的方法设置配对试验。农地和苹果树地的距离接近(<500 m),具有相似的坡向、坡度等地形条件。另外,该区土壤质地均一,气候条件相似,地形平坦,无人工灌溉。苹果树地均由农地转化而来,不同样地的差异可反映苹果树种植年限对土壤水分和根系分布特征的影响。人工打钻采集土壤和根系样品,采样深度均为10 m。土壤水分采用烘干法测定。根据根长及土壤体积计算根长密度(根长密度=根长/土壤体积)。通过GetData获取本文所需根系数据,均来自于已发表文献[7-8,25]。

1.3 数据处理

1.3.1 根系分布特征 采用细根根长密度累积分数(Y)为0.50和0.95的分布深度(D50和D95)和根系分布消光系数(β,用渐进方程模拟细根剖面分布时引入)这3个指标来分析苹果树种植年限对根系分布特征的影响,其计算公式如下:

(1)

Y=1-βi

(2)

式中,Y为细根根长密度累积分数;FRLD为细根根长密度(cm·cm-3);i为土层深度(mm);β为根系分布消光系数。

1.3.2 土壤水分特征 采用土壤含水量(SWC)、土壤储水量(SWS)和土壤水分亏缺程度(SWCD)这3个指标分析苹果树种植年限对土壤水分特征的影响,其计算公式如下:

(3)

(4)

式中,SWS和SWCD分别为土壤储水量(mm)和土壤水亏缺程度(%);SWC为土壤含水量(cm3·cm-3);BD为土壤容重(g·cm-3);h为土层深度(mm);SWSFi和SWSAi分别为农地和不同林龄苹果园的土壤储水量(mm)。

1.3.3 根系分布与土壤水分的关系 采用Pearson相关性分析研究农地和不同种植年限苹果园各土层(0～3 m、3～10 m和0～10 m)根系分布(D50、D95、β、FRLE和Y)和土壤水分特征(SWC、SWS和SWCD)的相关性。利用线性和多项式拟合建立根系分布和土壤水分的关系及其对种植年限和土层深度的响应。采用决定系数(R2)来量化拟合程度,采用单因素方差分析对根系分布和土壤水分特征进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 根系分布总体特征

农地根系分布主要集中在0～3 m,而苹果树细根分布深度随种植年限增加而逐渐增加。A5和A8的细根分布分别达到5 m和8 m以下,而>10 a果树地的细根分布可达到8 m甚至10 m(图1a)。由表1可知,农地0～10 m细根根长密度累积分数为0.50的分布深度D50为20 cm,而不同种植年限苹果树的D50则介于80～600 cm;农地细根根长密度累积分数为0.95的分布深度D95为160 cm,而除A5(440 cm)外,其他种植年限的D95均大于700 cm。综上,农地、<10 a和>10 a苹果树0～10 m深度的D50和D95分别为20 cm和160 cm、80 cm和610 cm、512 cm和884 cm(表1)。

图1 不同土地利用方式下根系分布和土壤含水量垂直剖面

表1 农地和不同种植年限苹果树的根系分布特征

利用渐进方程定量分析根系垂直分布特征[26],发现农地在0～3 m拟合效果最好(R2=0.6),农地转为不同种植年限苹果树地后,0～3 m和0～10 m拟合效果均优于3～10 m(表1)。该拟合结果也提供了β参数描述根系垂直分布[26],较高的β值(如0.98)表明根系在深层土壤中有较高的分配比例,而较低的β值(如0.92)则表明浅层土壤根系分配比例较高[27]。本研究中,农地、<10 a和>10 a苹果树地0～10 m深度β均值分别为0.962、0.995和0.998。农地β均值与前人全球生态系统研究结果(0.966)相似[27],而不同种植年限苹果树地β值均大于0.966,表明苹果树的根系不仅分布在水肥充足的浅层土壤,在深层土壤也具有较高的分配比例。

2.2 土壤水分总体特征

不同土地利用方式下SWC随深度变化剧烈。由于降水入渗、大气蒸发和植被蒸腾的影响强烈,SWC在0～3 m没有一致的变化规律。随着土层深度增加,苹果树种植年限对SWC的影响也逐渐增强(图1b)。F、A5、A8和A11的SWC在3 m以下分布规律一致,均随土层深度增加逐渐增加;而A15、A18、A22和A26的SWC则逐渐减小,这主要是因为高龄苹果树(>10 a)比幼龄苹果树(<10 a)需要更多的土壤水以满足更高的蒸散发和生长需求[28-29]。与农地和<15 a苹果树地相比,≥15 a苹果树地SWC在3 m开始缓慢下降,并在5 m趋于稳定。A22和A26的SWC在0～3、3～10 m和0～10 m土层均存在显著性差异(P<0.05),而农地和其他种植年限苹果树地SWC在3～10 m和0～10 m差异不显著(P>0.05),但均与0～3 m存在显著差异(表2)。因此,本文利用3～10 m土层土壤水分特征来量化苹果树种植年限的影响。

SWCD结果表明,<15 a苹果树地基本不存在土壤水分亏缺,仅在0～2 m表现出约20%的水分亏缺现象;而≥15 a苹果树地均表现出明显的水分亏缺现象,其中,15～20 a苹果树地0～10 m均存在土壤水分亏缺,>22 a苹果树地4～10 m土层土壤水分亏缺程度进一步加剧(图2)。>22 a苹果树的耗水深度可达到10 m,且根区土壤含水量显著低于农地(图1b)。由此可见,植被变化的土壤水文效应与苹果树种植年限密切相关[30-32]。整体而言,农地转为苹果树地后,SWC和SWS均随果树种植年限增加而降低,而SWCD和耗水深度则随种植年限增加而增加(图1b、图2)。综上,深层土壤水分是成熟果园维持较高叶面积指数和蒸散发的重要来源。

表2 农地和不同种植年限苹果树地土壤水分特征

2.3 根系分布和土壤水分的关系

生根深度是根系的关键功能特征[33]。根系的生根策略可反映植被对干旱条件、土壤质地和降雨等外界环境条件的响应[34-36]。本研究把D50和D95作为有限取样深度内细根生根深度的特征值,表征主要细根生物量分布的生根深度。由图3可知,不同土地利用方式下,D50与SWC和SWS在0～3 m(r=-0.74和r=-0.77) 和0～10 m(r=-0.81和r=-0.81) 均呈显著负相关关系,而D50与SWCD显著正相关(r=0.77和r=0.83)。不同土地利用方式下β仅在0～10 m土层与SWCD呈显著正相关关系(r=0.79)。因此,在0～3 m(图3a)和0～10 m土层(图3b)对D50和土壤水分进行线性拟合,发现D50和SWC/SWS线性负相关,而D50和SWCD线性正相关。

如图4所示,土壤含水量SWC与细根根长密度FRLD呈负相关关系,而与细根根长密度累积分数Y呈正相关关系。农地SWC和SWS在0～3 m和0～10 m土层均与FRLD显著负相关(P=0),而与Y显著正相关(P<0.01),且前者的相关系数大于后者。<20 a苹果树SWC和SWS在0～3 m和0～10 m土层与FRLD和Y的相关性均没有统一规律,而在3～10 m土层均与Y呈显著正相关关系,相关系数随种植年限增加而减小。>20 a苹果树SWC和SWS在0～10 m土层与Y显著负相关,相关系数也随种植年限增加而减小。SWCD在0～10 m土层与Y显著相关。具体而言,A11与Y显著负相关,≥15 a苹果树则与Y显著正相关,相关系数随种植年限增加而增加。相关性分析结果表明,FRLD和Y分别适用于表征浅根和深根植被的土壤水分状况。

图2 不同种植年限苹果树地的土壤水分亏缺程度垂直剖面

在农地0～3 m土层对FRLD和土壤水分(SWC和SWS)进行多项式拟合,发现农地0～3 m土层FRLD可解释70%～80%的SWC和SWS变异(图5a)。对不同种植年限苹果树地3～10 m和0～10 m土层分别进行Y和SWC以及Y和SWCD的多项式拟合(图5b),结果表明,3～10 m土层的Y分别可解释<15 a和≥15 a苹果树SWC变异的60%和20%,≥15 a苹果树地0～10 m土层的Y仅可解释SWCD变异的30%。这主要是因为随着林龄增加,根系分布和土壤水分的相互作用逐渐减弱,深层土壤中的根—水关系更为复杂[7-8]。

图3 D50和土壤水分在0～3 m和0～10 m土层的关系

注:图5b中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别表示3～10 m土层的Y与SWC在苹果树龄<15 a、苹果树龄≥15 a,以及0～10 m土层的Y与SWCD在苹果树龄≥15 a的拟合线。

3 结 论

土地利用方式变化显著改变了深剖面根系分布和土壤水分特征。农地转为苹果园后,0～10 m根系分布深度(D50和D95)及其细根在深层土壤的分配比例β均随种植年限增加而逐渐增加;而0～10 m土层土壤含水量SWC和土壤储水量SWS均随苹果树种植年限增加而逐渐降低,土壤水分亏缺程度SWCD和果树耗水深度则逐渐增加。D50和SWC/SWS在0～10 m土层呈负线性相关关系,和SWCD则呈正线性相关关系。浅根和深根植被分别选用细根根长密度FRLD和细根根长密度累积分数Y表征土壤水分状况更为合理。具体而言,农地0～3 m土层的FRLD可以解释70%～80%的SWC和SWS变化;而≥15 a苹果树0～10 m土层的Y仅可解释30%的SWCD变化;3～10 m土层的Y可解释60%的<15 a苹果树和20%的≥15 a苹果树的SWC变化。随着林龄和土层深度的增加,土壤水分和根系分布的关系逐渐减弱,深层土壤中的根—水关系更为复杂。