晉西黃土區(qū)典型人工植被生長季深層土壤儲水量與細(xì)根生物量分布特征

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)土壤儲水量分布特征的研究相對較少[7]，特別是將深層土壤儲水量與植被細(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)的評價與管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗區(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，且夏季多高強度、短歷時暴雨，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 試驗設(shè)計與樣品測定

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)實地觀察，降水補給深度不超過40 cm，不影響本研究對深層土壤水分的分析。每個樣地沿坡面布置3條長50 m、寬10 m的樣帶，在樣帶上沿坡面布置3個樣方(草地1 m×1 m ，喬木10 m×10 m)，每個樣地共9個樣方。在每個樣地的樣方進(jìn)行植被調(diào)查之后，在樣點內(nèi)挖1個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，帶回實驗室在105～110 ℃溫度下烘干至恒質(zhì)量。每層土壤儲水量計算式為

(1)

式中：SMS(soil moisture storage)為每層土壤儲水量，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)計分析

采用SPSS 18.0軟件對土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行基本統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析法對土壤儲水量和細(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(相對穩(wěn)定層，280～500 cm)。由于淺層受雨期降雨影響，本研究重點分析深層土壤水分的分布特點。隨著土壤深度的增加，Ⅰ層土壤含水量逐漸降低，Ⅱ?qū)硬▌虞^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)右恢隆？偟膩砜?，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)地為對照，計算各樣地不同深層層次土壤儲水量的虧缺量(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。總體來說，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)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個層次的土壤儲水量與細(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λ颗c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λ颗c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、次活躍層和相對穩(wěn)定層4個部分，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給能力、不同植被生長對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)地為對照，其他4種人工植被深層土壤儲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、檸條等對深層土壤水分有消耗強烈，使其土壤儲水量明顯低于農(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給，造成不同植被類型間土壤儲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水分的利用程度不一所致。

表3 深層土壤儲水量與細(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，因此土壤儲水量最高且較為穩(wěn)定。刺槐和核桃由于種植時間較長且深層細(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λ颗c細(xì)根生物量正相關(guān)但不顯著，這是由于細(xì)根和儲水量均呈現(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。