王永强，吕 雯，马晓梅，王雁超，王维宝，董立国，杨兴成，咸福平，汪 星*
(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.彭阳县王洼水土保持试验站，宁夏 彭阳 756500；
4.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所，宁夏 银川 750021)
黄土高原人工生态植被建造获得显著景观效益的同时，人工林(草)地普遍发生了土壤干化现象，改变了陆地水分小循环，削弱了水文大循环[1-2]。随着植被覆盖率的提升，生长年限增加，植被根系向下延伸、根量不断增多、土壤养分发生变化[3-4]。如果这些植物对深层土壤水分的消耗超过降水补给，土壤水分亏缺可能导致土壤剖面内干层的发育[5]。一旦形成土壤干层会影响土壤水分运移，阻碍降水入渗补给，导致土壤质量和土壤生产能力降低,进而影响植被的水土保持、水文调节、水源涵养等生态系统服务功能[6]。黄土高原地区水分变化研究得到了很多学者的高度重视[7-9]。
根系是植物吸收水分的主要器官，而且是植物唯一直接与土壤作用的器官，其形态和分布特征直接反映植被对土地的利用情况及土壤物质能量被利用吸收的可能性和生产力，对植被的生长具有决定性作用[10-11]。植被根系及根层土壤水分与养分协调关系是土壤-植物-大气连续体(SPAC)的核心内容和研究的热点[12-14]。在干旱地区，养分和水分的作用往往相互限制，在水分不足、养分无效情况下，植物会尽可能延伸根系去获得有效养分[15]。以往研究发现柠条人工林会提高全N[16-17]，且柠条林养分含量随生长年限的增加而增加[17-18]。然而，由于取样困难等原因，对于柠条的研究多集中于地上部分，对深层根系和养分的相关研究较少[11]。
柠条既是当地主要的水土保持植物，也是优良的饲用灌木，还可作为食用菌培养基质，是当地生态、经济发展的重要植物。高密度带状柠条是宁夏独特的栽植模式，随着柠条生长年限延长，群落衰败特征凸显。为此，本研究以20 a带状柠条人工林为对象，对林地0～1 000 cm土层土壤水分、根系、养分进行调查分析，旨在阐释半干旱区柠条人工林深层土壤水分根系及养分分布情况，以期为当地植被可持续管理及提高水分利用效率提供数据支持与技术依据。
1.1 试验地概况
试验地位于宁夏南部山区彭阳县白阳镇中庄村(106°32′-106°58′E，35°40′-36°17′N)，海拔1 248～2 461 m，多年平均气温8.6 ℃、年日照时数2 590 h、年平均降水量350～550 mm，年无霜期140～170 d，属典型的温带半干旱大陆性季风气候。土壤类型为黄绵土，自然植被类型由灌木草原到典型草原过渡，原生植物多以低矮禾草为主，并伴有少量灌木[19]。代表性植被有长芒草(Stipabungeana)、阿尔泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)以及百里香(Thymusmongolicus)等，人工植被主要有柠条(Caraganakorshinskii)与苜蓿(Medicagosativa)，还有山桃(Amygdalusdavidiana)、山杏(Armeniacasibirica)、侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等。
1.2 试验材料
柠条为2000年4月栽植，株间距100 cm，行距50 cm，2行为一带，带间距9 m，株、行间已经郁闭，柠条平均高度1.7 m左右，柠条带间植物群落优势种为禾本科植物大针茅(Stipagrandis)，伴生植物有阿尔泰狗哇花等，农田为坡耕地。
1.3 研究方法
采样时间为2020年6-8月。在试验区(坡中)选择长势均一的带状柠条林，设置3个样方，以柠条带划定500 cm×500 cm的样方，采用土钻分别在柠条带内和带间取样(图1)，测定土壤深度为0～1 000 cm，每个取样深度间隔为20 cm。
取样后用烘干法测定土壤含水量。根系调查采用根钻法(d=10 cm)采集土样。根系样品先经过孔径1 mm网筛冲洗过筛，再利用LA-S系列植物根系分析仪进行扫描图像分析，获得需要的参数(根长、根表面积)，然后按照取样层次将根系烘干称重作。测定土壤养分在距离根系样点0.5 m处取样，间隔深度20 cm取样1次。将所采集土样带回实验室自然风干，在室内分析样品的全N和全P，分析分别采用定氮法和比色法[20]。本文凋萎含水量采用Van Genuchten模型拟合[21]，田间持水量的均值为19.28%，土壤凋萎系数7.3%。
1.4 各参数计算公式
1.4.1 根长密度
(1)
式中：RLD为根长密度，RL为根系长度/cm，V为根钻体积/cm3[22]。
1.4.2 根表面积密度
(2)
式中:RSD为根表面积密度，RS为根表面积/cm2[23]。
1.4.3 水分相对亏缺指数
(3)
式中:CSWDi为柠条样地第i层土壤水分相对亏缺指数；
CPi为对照农田样地第i层土壤含水量/%；
SMCi为柠条样地第i层土壤含水量/%；
WMi为柠条样地第i层土壤凋萎含水量。CSWDi值越大则土壤水分亏缺越严重，若<0则土壤水分没有亏缺[21]。
1.4.4 土壤储水量
Dw=∑θi×hi×ρb
(4)
土壤储水量采用水层深度(Dw)表示，式中hi表示土层厚度/cm；
θi为土壤含水率(%)，ρb为土壤容重[24]。
图1 研究区取样样方示意
1.5 数据处理
利用Excel 2010对柠条林地土壤含水量、根长密度、根表面积密度等参数进行计算、储存、归纳，凋萎含水量用Van Genuchten模型拟合，使用SPSS 23.0软件对数据计算标准误差，利用Origin 2018制作各参数随深度变化图。
2.1 带状柠条林地根系垂直分布特征
林地根长密度随深度的变化见图2A，可以看出，0～1 000 cm深度内柠条林地根干重随土层深度增加呈明显的下降趋势。柠条林地根系质量垂直向下分层特征为，0～120 cm土层中根干质量为1 681.93 g·m-3，占总根干质量的56.33%，说明柠条林地中大部分根系富集于0～120 cm土层；
120～320 cm中根干质量为975.32 g·m-3，占总根干质量的32.67%；
320～440 cm土层中根干质量为139.33 g·m-3，占总根干质量的4.67%；
440～840 cm土层中根干质量为189.09 g·m-3，占总根干质量的6.33%。0～840 cm土层根干质量平均值为71.09 g·m-3。
由图2B看出，柠条林地根系表面积密度在垂直分布形式基本与根系质量一致。主要表现为0～80 cm陡然下降，80～240 cm急剧下降，240 cm以下轻微摆动下降。柠条林地根系表面积密度垂直向下具体表现为，0～80 cm土层根表面积密度为2.61 cm2·cm-3，占总根表面积密度的62.39%，说明柠条林地中大部分根系富集于0～80 cm土层中；
80～240 cm土层根表面积密度为0.87 cm2·cm-3，占总根表面积密度的20.86%；
240～440 cm土层中根表面积密度为0.34 cm2·cm-3，占总根表面积密度的8.04%；
440～840 cm土层中根表面积密度为0.36 cm2·cm-3，占总根表面积密度的8.71%。在840～1 000 cm没有发现根系。0～840 cm土层范围内根表面积密度平均值为0.2 cm2·cm-3。
由图2C看出，根长密度在土壤垂直分布形式也与根系表面积密度及根系质量一致。主要表现为0～80 cm陡然下降，80～200 cm急剧下降，200 cm以下缓慢下降。柠条地根长密度垂直向下具体表现为，0～80 cm土层根长密度为8.00 cm·cm-3，占总根长密度的59.54%，说明柠条林地中大部分根富集于0～80 cm土层；
80～200 cm土层中根长密度为1.3 cm·cm-3，占总根长密度的16.37%；
200～560 cm土层中根长密度为2.65 cm·cm-3，占总根长密度的19.73%；
560～840 cm土层中根长密度为0.59 cm·cm-3，占总根长密度的4.36%。在840 cm以下没有发现根系。0～840 cm土层范围内根长密度平均值为0.60 cm·cm-3。
2.2 柠条林地土壤水分特征
2.2.1 带状柠条林垂直土壤水分特征 柠条人工林带内土壤水分低于带间土壤水分(图3A)，在0～440 cm土层带间水分含量显著大于带内(P<0.05)，440～1 000 cm差异不显著，840 cm处带间、带内水分含量相同。林带内与林带间土壤水分差异主要在0～520 cm深度，二者土壤储水量差值为150.57 mm。520 cm以下林带内与林带间土壤水分差异不显著，储水量分别为383.37 mm和411.14 mm。生长20 a的柠条林地0～1 000 cm剖面土壤水分储存量与附近旱作农田比较，柠条带内和带间0～1 000 cm平均土壤含水量与农田土壤含水量差值为6.81%和8.27%，柠条林带内土壤储水量为769.9 mm，林带间为948.24 mm，农田为1 778.91 mm，柠条带内和带间平均土壤储水量较农田差值为37.93、30.83 mm，也就是意味着带内和带间分别较农田多耗水量为1 009.01、830.67 mm，柠条林地平均储水量较农田差值为919.84 mm，相当于每年较农田多消耗水分45.99 mm。0～1 000 cm土层柠条林地平均土壤水分含量与农田土壤水分含量差值为7.54%，土壤储水量柠条地为859.07 mm，农田为1 778.91 mm，差值为919.84 mm(图3B)。
注：A.根干质量0～1 000 cm垂直分布；
B.为根表面积密度0～1 000 cm垂直分布；
C.为根长密度0～1 000 cm垂直分布。
图3 柠条地带间、带内及农田垂直土壤水特征
2.2.2 柠条林地土壤剖面水分的相对亏缺评价 以附近相似地形的旱作农田作为土壤水分基准量，对柠条林地带间和带内土壤水分亏缺指数进行分析。由于0～80 cm土壤水分容易受大气降水、蒸发等影响，加上本研究调查取样时间有差异等原因，为了消除这些因素造成的表层土壤水分差异性，因此在分析时不考虑0～80 cm土层水分。由图4可知，带内和带间土壤水分亏缺指数呈先增加后减少而后又增加的趋势，带内和带间水分亏缺指数最大值出现在440 cm土层。80～1 000 cm水分亏缺指数大于0，说明柠条林地在垂直剖面上水分处于亏缺状态。柠条林地带间、带内80～200 cm土层水分亏缺指数均值分别为0.1和0.24，200～400 cm土层水分亏缺指数均值分别为0.31和0.62，400～600 cm土层水分亏缺指数均值分别为0.68和0.74，600～800 cm土层水分亏缺指数均值分别为0.6和0.64，800～1 000 cm土层水分亏缺指数均值分别为0.51和0.52。土壤水分相对亏缺度呈现柠条带间>带内的趋势。
2.3 带状柠条林地养分垂直分布特征
由图5可见，0～1 000 cm土层柠条林地全N含量(质量分数，下同)随土层增加呈近似斜线的下降趋势，其中，0～120 cm全N含量的平均值为0.58 g·kg-1，是调查剖面全N含量平均值的207.14%，120～560 cm全N含量的平均值为0.38 g·kg-1，是调查剖面全N含量平均值的135.71%，560～1 000 cm全N含量较低，但较稳定，全N含量的平均值为0.12 g·kg-1，仅占调查剖面全N含量平均值的42.86%。0～1 000 cm土层全N含量的平均值为0.28 g·kg-1。
0～1 000 cm土层全P含量随深度增加呈近似斜线的下降趋势。0～440 cm全P含量呈下降趋势，其中，0～240 cm全P含量的平均值为0.52 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的101.64%，240～440 cm全P含量的平均值为0.51 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的100.19%。440～840 cm呈摆动趋势，全P含量的平均值为0.51 g·kg-1，占全剖面全P含量平均值的99.46%。840～1 000呈下降趋势，全P含量的平均值为0.5 g·kg-1，占调查剖面总全P含量平均值的98.67%。0～1 000 cm范围内全P含量的平均值为0.51 g·kg-1。
图4 柠条林地土壤0～1 000 cm水分亏缺指数
图5 柠条林地养分含量垂直变化
3.1 结论
在黄土丘陵区，带状柠条林地0～1 000 cm土壤通体出现水分亏缺，土壤储水量较旱作农田少919.84 mm，柠条林每年较旱作农田多耗水约45.99 mm，这是柠条林地造成深层土壤水分严重亏缺的直接原因。
柠条林地根系主要集中在0～80 cm土层，该层根系(表面积密度)占1 000 cm深度总根系量的62.39%。
柠条林地的养分分布规律与林地根系分布规律一致，即表层较多深层较少，表层0～200 cm全N含量的平均值为0.53 g·kg-1，是0～1 000 cm深度范围全N含量平均值的189.55%，全P在0～200 cm均值含量达0.52 g·kg-1，是0～1 000 cm深度范围平均全P含量的101.87%。
3.2 讨论
3.2.1 柠条林地根系 本文强调柠条林地根系不仅仅指柠条根系，还包括表层多种浅根系植物的根系，浅层多种植物根系用根钻法取样很难区别。另外，从土壤水分、养分角度考虑，土壤水分和养分也与林地多种植物根系有关，柠条地的根系与水分和养分的分布特征应该是柠条和其他植物共同作用的结果，是多植物协同关系，所以对于浅层混合根系数量的分析也更具合理性。
本研究中柠条人工林根系主要分布在0～80 cm土层，当地降水多集中在0～200 cm土层[25]，水分较多是导致0～200 cm范围内植物根系分布较多对主要原因，这个结果与前人研究一致。柠条林地80 cm以下土层降雨入渗虽然稀少，但是对于半干旱黄土区土壤水分影响十分显著，需予以重视。因为半干旱区降水很难补充到深层土壤中，造成深层土壤严重干化后恢复困难，如王志强等[26]研究发现23 a柠条根系耗水深度可以达到22.4 m，研究认为恢复需要40 a[27]。本研究调查柠条根系深度小于900 cm，小于其耗水深度，主要是因为柠条根系在土壤中是分散式分布，并且随着深度增加土壤中的根系逐渐稀疏，用根钻取样比较困难，随着深度增加根钻获取到根系的几率大大降低，所以会出现土壤干层深度大于发现根系深度的现象。另外，推测20 a老龄柠条深层根系有可能随着地上生长的衰败深层根系首先衰败死亡。这个原因造成深层没有根系的可能性还有待确认，这也是今后值得关注的方向。总体来看，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，所以黄土区植物根系的研究应该得到加强。
3.2.2 柠条林地水分 有关柠条人工林下土壤水分以往研究已取得不少成果，本研究证明宁南20 a带状柠条林在深达1 000 cm的土层已干化，这个干层深度也没有超出之前相关研究报道。本次调查柠条地(20 a)0～1 000 cm范围土壤水分附近较相似立地条件的旱作农田多耗水919.84 mm，这个差值可以说明生长20 a的柠条林每年较农田多消耗土壤水分约46 mm，这是造成较旱作农地土壤更干化的直接原因。由于降水很难入渗到柠条林地200 cm以下的深层土壤，所以柠条根系不断吸水造成土壤干化，最严重地带在200 cm以下的深层。林地深层土壤干旱程度也是变化的，本研究大约500 cm以下随着深度增加，土壤干化程度出现缓减趋势，这与霍竹等[28]在黄土高原柠条地深层土壤含水量的研究结果一致。这个原因可能是柠条根系到达深处的时间较晚，同时深层根系也较少，耗水能力减弱所致。
3.2.3 柠条林地养分 本文针对宁南山区带状雨养柠条林地土壤全N、全P的研究发现，柠条林地土壤全N与全P含量表现为随土层深度的增加呈递减趋势。有关黄土高原人工植被下的深层土壤养分研究较少，成毅等[17]、从怀军等[29]研究柠条林下浅层土壤养分证明，0～20 cm土层养分高于20～40 cm土层，并提出柠条林有提高土壤养分的作用，而且随着林龄增加土壤养分不断提高。本文调查样地的养分较文献[17]的柠条林地养分略高，全N含量小于薛睿等[30]在黄土高原丘陵区的研究结果，全P含量小于刘增文等[31]的研究，大于闫丽娟等[32]的研究结果。这些研究结果的差异性可能与栽植柠条前的土壤自身养分有关，因为是退耕还林地，曾经的土地经营者使用肥料种类、数量、时间等均会造成养分差异。另外，柠条林的栽植密度、生长年限、经营管理与利用方式等也是影响研究结果的重要因素。近年来，林地整体保护较好，林地枯落物较多，柠条生长更接近自然生长，保护好的林地与人工干扰严重的林地必然会引起养分的差异。有关柠条林地深层土壤中根系与养分的关系研究，目前还未见报道。柠条是多年生豆科植物，其固氮作用无可置疑，已有研究在黄土区柠条根系可以深达20 m以下，无论是其固N作用，还是根系微生物都会对根系周围土壤养分产生影响。建议今后在半干旱黄土区不但要持续加强林地深层土壤水分研究，也需重视林地深层根系和养分的研究。本研究对柠条林地0～1 000 cm深度范围内柠条林全N、全P含量仅仅是初步调查分析，希望能为深入了解柠条林生态服务功能提供数据支撑与理论依据。
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