黃土區深剖面蘋果樹根系與土壤水分特征及其相互作用

李 婷,李冰冰,李 志

(1.烏蘭察布廣播電視大學,內蒙古 烏蘭察布 012000;2.西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100)

在水資源有限的干旱和半干旱地區,深根植被的蒸騰作用較強,會過量消耗土壤水分[1-2],不利于農業生產和地下水補給。因此,水資源短缺一直是制約旱區植被恢復、生態文明建設和社會經濟發展的主要限制因素[3-4]。近年來,隨著“退耕還林還草”工程的實施,黃土高原大面積農田等淺根植被轉化為深根的生態林或經濟林,深層土壤水被過量消耗,區域降水難以滿足高齡林地的蒸散需求[5-6]。盡管根系吸收利用深層土壤水有助于緩解水分脅迫對植被的傷害[5,7-8],但隨著林齡增大,過量消耗深層土壤水也會削弱土壤水庫的生態能力,并逐漸引發土壤干燥化[9-10]、地下水補給速率降低[11]和“小老頭樹”增加[12-13]等一系列新的生態水文問題。因此,如何合理利用深層“土壤水庫”,實現植被和水資源的可持續發展[14],已成為生態環境退化地區重建需要解決的重大問題。

根系是植被獲取水分和養分的重要器官,特別是細根周轉可直接影響土壤水文和生物地球化學循環過程[15]。然而,植被根系存在于地下,其相關參數難以準確獲取,因此長期以來對于根系的研究遠遠少于冠層部分[6]。深根系統在全球森林生態系統中普遍存在[16-18],林地平均根系深度為7.0 m±1.2 m,最大根系深度超過40 m[19]。黃土高原人工油松的最大根系深度超過21.5 m[20],渭北旱作蘋果園根系深度也大于20 m[7]。根系特征(如最大根系深度、根系消光系數)和細根生物量等均受土壤水分有效性的顯著影響[17,21-22];同時,根系分布也可進一步影響土壤水分狀況。水分脅迫條件下,深根植被的根系不斷向深層延伸以緩解水分壓力;隨著淺層土壤水的不斷消耗,根系深度也會繼續增加[7-8]。因此,闡明蘋果樹根系和土壤水分特征及其相互作用,對明確根系吸水機制、實現精準供水及節水灌溉均有重要意義。

基于此,本文以農地(F)為對照,利用空間換時間和配對取樣法,分析不同種植年限的蘋果樹10 m深剖面根系分布和土壤水分特征,并進一步分析根系分布與土壤水分的相互作用,以期為旱區水資源管理和生態恢復提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

渭北旱塬位于黃土高原南部,為典型雨養農業區,土壤和地下水均主要來自大氣降水。研究區位于中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站,地處陜甘交界處的王東溝小流域(35°12′～35°16′N,107°40′～107°42′E),屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,塬面地勢平坦,海拔約為1 200 m,年均氣溫9.4℃,無霜期170 d;降雨年際差異大,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]。土壤類型主要為黑壚土,母質為馬蘭黃土,非飽和層深厚,地下水埋深約30～100 m。田間持水量、萎蔫濕度、土壤容重分別為22.5%、8.5%、1.32 g·cm-3[5,24]。

1.2 樣品采集與測定

選擇長武塬8個代表性樣地為研究對象,即1個農地(F,種植作物為玉米和小麥,取樣時有作物覆蓋)和7個不同種植年限(5、8、11、15、18、22、26 a)的蘋果樹地(分別以A5、A8、A11、A15、A18、A22、A26表示),基于空間換時間的方法設置配對試驗。農地和蘋果樹地的距離接近(<500 m),具有相似的坡向、坡度等地形條件。另外,該區土壤質地均一,氣候條件相似,地形平坦,無人工灌溉。蘋果樹地均由農地轉化而來,不同樣地的差異可反映蘋果樹種植年限對土壤水分和根系分布特征的影響。人工打鉆采集土壤和根系樣品,采樣深度均為10 m。土壤水分采用烘干法測定。根據根長及土壤體積計算根長密度(根長密度=根長/土壤體積)。通過GetData獲取本文所需根系數據,均來自于已發表文獻[7-8,25]。

1.3 數據處理

1.3.1 根系分布特征 采用細根根長密度累積分數(Y)為0.50和0.95的分布深度(D50和D95)和根系分布消光系數(β,用漸進方程模擬細根剖面分布時引入)這3個指標來分析蘋果樹種植年限對根系分布特征的影響,其計算公式如下:

(1)

Y=1-βi

(2)

式中,Y為細根根長密度累積分數;FRLD為細根根長密度(cm·cm-3);i為土層深度(mm);β為根系分布消光系數。

1.3.2 土壤水分特征 采用土壤含水量(SWC)、土壤儲水量(SWS)和土壤水分虧缺程度(SWCD)這3個指標分析蘋果樹種植年限對土壤水分特征的影響,其計算公式如下:

(3)

(4)

式中,SWS和SWCD分別為土壤儲水量(mm)和土壤水虧缺程度(%);SWC為土壤含水量(cm3·cm-3);BD為土壤容重(g·cm-3);h為土層深度(mm);SWSFi和SWSAi分別為農地和不同林齡蘋果園的土壤儲水量(mm)。

1.3.3 根系分布與土壤水分的關系 采用Pearson相關性分析研究農地和不同種植年限蘋果園各土層(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)的相關性。利用線性和多項式擬合建立根系分布和土壤水分的關系及其對種植年限和土層深度的響應。采用決定系數(R2)來量化擬合程度,采用單因素方差分析對根系分布和土壤水分特征進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 根系分布總體特征

農地根系分布主要集中在0～3 m,而蘋果樹細根分布深度隨種植年限增加而逐漸增加。A5和A8的細根分布分別達到5 m和8 m以下,而>10 a果樹地的細根分布可達到8 m甚至10 m(圖1a)。由表1可知,農地0～10 m細根根長密度累積分數為0.50的分布深度D50為20 cm,而不同種植年限蘋果樹的D50則介于80～600 cm;農地細根根長密度累積分數為0.95的分布深度D95為160 cm,而除A5(440 cm)外,其他種植年限的D95均大于700 cm。綜上,農地、<10 a和>10 a蘋果樹0～10 m深度的D50和D95分別為20 cm和160 cm、80 cm和610 cm、512 cm和884 cm(表1)。

圖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 農地和不同種植年限蘋果樹的根系分布特征

利用漸進方程定量分析根系垂直分布特征[26],發現農地在0～3 m擬合效果最好(R2=0.6),農地轉為不同種植年限蘋果樹地后,0～3 m和0～10 m擬合效果均優于3～10 m(表1)。該擬合結果也提供了β參數描述根系垂直分布[26],較高的β值(如0.98)表明根系在深層土壤中有較高的分配比例,而較低的β值(如0.92)則表明淺層土壤根系分配比例較高[27]。本研究中,農地、<10 a和>10 a蘋果樹地0～10 m深度β均值分別為0.962、0.995和0.998。農地β均值與前人全球生態系統研究結果(0.966)相似[27],而不同種植年限蘋果樹地β值均大于0.966,表明蘋果樹的根系不僅分布在水肥充足的淺層土壤,在深層土壤也具有較高的分配比例。

2.2 土壤水分總體特征

不同土地利用方式下SWC隨深度變化劇烈。由于降水入滲、大氣蒸發和植被蒸騰的影響強烈,SWC在0～3 m沒有一致的變化規律。隨著土層深度增加,蘋果樹種植年限對SWC的影響也逐漸增強(圖1b)。F、A5、A8和A11的SWC在3 m以下分布規律一致,均隨土層深度增加逐漸增加;而A15、A18、A22和A26的SWC則逐漸減小,這主要是因為高齡蘋果樹(>10 a)比幼齡蘋果樹(<10 a)需要更多的土壤水以滿足更高的蒸散發和生長需求[28-29]。與農地和<15 a蘋果樹地相比,≥15 a蘋果樹地SWC在3 m開始緩慢下降,并在5 m趨于穩定。A22和A26的SWC在0～3、3～10 m和0～10 m土層均存在顯著性差異(P<0.05),而農地和其他種植年限蘋果樹地SWC在3～10 m和0～10 m差異不顯著(P>0.05),但均與0～3 m存在顯著差異(表2)。因此,本文利用3～10 m土層土壤水分特征來量化蘋果樹種植年限的影響。

SWCD結果表明,<15 a蘋果樹地基本不存在土壤水分虧缺,僅在0～2 m表現出約20%的水分虧缺現象;而≥15 a蘋果樹地均表現出明顯的水分虧缺現象,其中,15～20 a蘋果樹地0～10 m均存在土壤水分虧缺,>22 a蘋果樹地4～10 m土層土壤水分虧缺程度進一步加劇(圖2)。>22 a蘋果樹的耗水深度可達到10 m,且根區土壤含水量顯著低于農地(圖1b)。由此可見,植被變化的土壤水文效應與蘋果樹種植年限密切相關[30-32]。整體而言,農地轉為蘋果樹地后,SWC和SWS均隨果樹種植年限增加而降低,而SWCD和耗水深度則隨種植年限增加而增加(圖1b、圖2)。綜上,深層土壤水分是成熟果園維持較高葉面積指數和蒸散發的重要來源。

表2 農地和不同種植年限蘋果樹地土壤水分特征

2.3 根系分布和土壤水分的關系

生根深度是根系的關鍵功能特征[33]。根系的生根策略可反映植被對干旱條件、土壤質地和降雨等外界環境條件的響應[34-36]。本研究把D50和D95作為有限取樣深度內細根生根深度的特征值,表征主要細根生物量分布的生根深度。由圖3可知,不同土地利用方式下,D50與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) 均呈顯著負相關關系,而D50與SWCD顯著正相關(r=0.77和r=0.83)。不同土地利用方式下β僅在0～10 m土層與SWCD呈顯著正相關關系(r=0.79)。因此,在0～3 m(圖3a)和0～10 m土層(圖3b)對D50和土壤水分進行線性擬合,發現D50和SWC/SWS線性負相關,而D50和SWCD線性正相關。

如圖4所示,土壤含水量SWC與細根根長密度FRLD呈負相關關系,而與細根根長密度累積分數Y呈正相關關系。農地SWC和SWS在0～3 m和0～10 m土層均與FRLD顯著負相關(P=0),而與Y顯著正相關(P<0.01),且前者的相關系數大于后者。<20 a蘋果樹SWC和SWS在0～3 m和0～10 m土層與FRLD和Y的相關性均沒有統一規律,而在3～10 m土層均與Y呈顯著正相關關系,相關系數隨種植年限增加而減小。>20 a蘋果樹SWC和SWS在0～10 m土層與Y顯著負相關,相關系數也隨種植年限增加而減小。SWCD在0～10 m土層與Y顯著相關。具體而言,A11與Y顯著負相關,≥15 a蘋果樹則與Y顯著正相關,相關系數隨種植年限增加而增加。相關性分析結果表明,FRLD和Y分別適用于表征淺根和深根植被的土壤水分狀況。

圖2 不同種植年限蘋果樹地的土壤水分虧缺程度垂直剖面

在農地0～3 m土層對FRLD和土壤水分(SWC和SWS)進行多項式擬合,發現農地0～3 m土層FRLD可解釋70%～80%的SWC和SWS變異(圖5a)。對不同種植年限蘋果樹地3～10 m和0～10 m土層分別進行Y和SWC以及Y和SWCD的多項式擬合(圖5b),結果表明,3～10 m土層的Y分別可解釋<15 a和≥15 a蘋果樹SWC變異的60%和20%,≥15 a蘋果樹地0～10 m土層的Y僅可解釋SWCD變異的30%。這主要是因為隨著林齡增加,根系分布和土壤水分的相互作用逐漸減弱,深層土壤中的根—水關系更為復雜[7-8]。

圖3 D50和土壤水分在0～3 m和0～10 m土層的關系

注:圖5b中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分別表示3～10 m土層的Y與SWC在蘋果樹齡<15 a、蘋果樹齡≥15 a,以及0～10 m土層的Y與SWCD在蘋果樹齡≥15 a的擬合線。

3 結 論

土地利用方式變化顯著改變了深剖面根系分布和土壤水分特征。農地轉為蘋果園后,0～10 m根系分布深度(D50和D95)及其細根在深層土壤的分配比例β均隨種植年限增加而逐漸增加;而0～10 m土層土壤含水量SWC和土壤儲水量SWS均隨蘋果樹種植年限增加而逐漸降低,土壤水分虧缺程度SWCD和果樹耗水深度則逐漸增加。D50和SWC/SWS在0～10 m土層呈負線性相關關系,和SWCD則呈正線性相關關系。淺根和深根植被分別選用細根根長密度FRLD和細根根長密度累積分數Y表征土壤水分狀況更為合理。具體而言,農地0～3 m土層的FRLD可以解釋70%～80%的SWC和SWS變化;而≥15 a蘋果樹0～10 m土層的Y僅可解釋30%的SWCD變化;3～10 m土層的Y可解釋60%的<15 a蘋果樹和20%的≥15 a蘋果樹的SWC變化。隨著林齡和土層深度的增加,土壤水分和根系分布的關系逐漸減弱,深層土壤中的根—水關系更為復雜。