黃土丘陵苜蓿與檸條深層土壤干化狀況及根系與養分特征

高元亢, 李 婧, 汪 星, 呂 雯, 于曉燕, 王雁超, 王永強

(1.寧夏大學 農學院, 銀川 750021; 2.銀川海關技術中心, 銀川 750000; 3.寧夏大學 生態環境學院, 銀川 750021)

土壤水分、植物根系、養分協同關系是土壤-植物-大氣連續體(SPAC)研究的重要內容[1]。近年的研究證明根系構型(RSA)反映根的空間排列和位置,對土壤中水分和養分具有決定作用,根系分泌物是植物與微生物交流的途徑,在生態系統對環境變化的響應中發揮著關鍵作用[2-6]。但是由于黃土區多年生植物往往根系深達1 000 cm以下,研究深層根系及其水分和養分難度極大,所以相關研究報道甚少。寧南山區地處黃土高原西部,屬于典型的黃土丘陵區[7],受嚴重的水蝕影響,該地區地貌復雜,水土流失嚴重,紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和檸條(Caraganakorshinskii)是當地重要的牧草資源和主要的退耕還草植物,已有多年的研究證明在干旱和半干旱地區植被恢復和作物種植結構應考慮土壤水分動態以維持環境的可持續發展[8],而在黃土丘陵區半干旱環境下苜蓿和檸條兩種植物生長耗水大于當地降水對土壤水分的補給量,因而苜蓿和檸條在其生長過程中持續消耗土壤深層水分并造成深層土壤干化不斷加重,土壤水分有效性降低,最終導致苜蓿及檸條生長衰敗。近年來隨著紫花苜蓿與檸條利用年限的不斷增加,群落衰敗特征日益凸顯。黃土丘陵半干旱區苜蓿和檸條地不斷惡化的土壤水分環境與植物日益衰敗的現象一直是植物學、生態學、土壤學等眾多領域學者關注的焦點和熱點[9-12]。諸多專家擔心半干旱黃土區深層土壤的干化會造成該區域后續植物更替以及區域植被建設可持續發展的嚴重障礙[12-14]。因此,通過研究黃土丘陵區深層土壤干化背景下高齡苜蓿和檸條根系分布與深層土壤水分含量及養分分布特征及其差異,闡明土壤水分、植物根系、養分的協同關系,既是SPAC研究的重要內容,也是當地生態建設可持續發展與植被管理的關鍵科學問題。

有研究證明苜蓿和檸條每年較旱作農田多消耗至少50 mm的土壤含水量[15-16],同時多年生長的苜蓿和檸條還會在200 cm以下出現土壤干層[17]。半干旱黃土區因其獨特的水文特征,一旦形成200 cm以下干層,將很難得到恢復[18]。干層限制了苜蓿與檸條的生長發育,使苜蓿產量下降,檸條生活力水平降低,最終引發林草地退化衰敗,并且對后續植被和作物的生長起著持續不良影響[19-21]。根系分布特征決定了根系與土壤的接觸面積與深度,直接影響植物對土壤水分和養分的利用情況,對植被地上部分的生長有著重要的意義[22]。土壤養分含量影響苜蓿及檸條的生長狀況[23],土壤養分含量降低,不僅會導致苜蓿與檸條生長不良,還會影響其生態與經濟效益。由于植物根系不易觀測,且目前在半干旱黃土區有關苜蓿、檸條生長與根系研究較多集中在200—500 cm土層范圍,對于老齡苜蓿和檸條研究報道較少,尤其對老齡苜蓿和檸條地深層根系、水分及養分分布關系研究較薄弱。高齡苜蓿和檸條深層根系的土壤水分養分狀態如何?分布規律是怎樣的?這些問題依然亟待去研究。故本研究選擇寧南山區現存18 a苜蓿和20 a檸條為研究對象,以揭示寧南山區雨養老齡苜蓿和檸條土壤水分的分布規律、根系分布深度、根系與養分空間分布及相互關系,旨在為寧南山區人工植被建設與管理以及生態環境高質量發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區固原市彭陽縣白陽鎮中莊村,地理坐標在東經105°9′—106°58′,北緯34°14′—37°04′,平均海拔為1 600～1 700 m,地貌類型為典型的黃土高原梁峁丘陵地,區內梁峁相間,地形支離破碎溝壑縱橫,土壤類型以黃綿土與黑壚土為主,pH值8～8.5,土厚>1 500 cm,氣候屬溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫7.4℃,降雨集中在7—9月,年平均降水量400～500 mm,干燥度(≥0℃的蒸發量)為1.21～1.99,日照時間2 200～2 700 h,無霜期140～160 d[24]。研究區內人工種植苜蓿和檸條均為雨養旱作,研究樣地為緩坡生長18 a的苜蓿地和20 a的檸條林,苜蓿地上生物量分別為3 187 kg/hm2,檸條平茬當年地面生物2 231 kg/hm2,實測該試驗地土壤容重均值為1.33 g/cm3,田間持水量為18.93%,凋萎含水量采用Van Genuchten模型擬合得到,均值為7.12%。土壤穩定含水量取田間持水量的60%[25],即11.36%,低于穩定含水量視為土壤干化[18]。

1.2 研究方法

研究區苜蓿于2002年4月以40 cm的行距人工條播種植,品種為甘農3號紫花苜蓿(Medicagosativacv. Gannong No.3),苜蓿地和檸條林均選在坡度15°的陽坡,研究區帶狀檸條林于2000年4月栽種,對照旱作農田為附近同一水平坡度相似的坡耕地,對照農地作物為谷子和土豆與豆類交替種植。于2020年8月5—20日,對苜蓿地和檸條林0—1 000 cm深度的土壤及根系進行取樣,同類樣地選取3個重復,樣地之間距離為5～10 m(取樣地如圖1所示)。

圖1 苜蓿地、檸條林取樣示意圖Fig. 1 Schematic diagram of Medicago sativa L. and Caragana korshinskii forest sampling

1.2.1 土壤水分測定 使用烘干法對土壤水分進行測定[26]。在研究區(坡中)選擇長勢均一的苜蓿和檸條,設置苜蓿地、檸條地及旱作農田共3個試驗區,各試驗區均設置3個樣方,采用土鉆法在樣方內取樣(圖1),測定0—1 000 cm區間土層的土壤水分,取樣間隔設置為40 cm,每個樣地取樣一次,3個樣地為3次重復。將采集的土壤樣品裝入鋁盒帶回實驗室,稱重后放入烘箱,設定烘箱溫度105℃,烘干12 h,之后取出鋁盒并稱重計算得到土壤含水量。

1.2.2 土壤全氮、全磷測定 使用土鉆法取樣,采集方法和分層方法和上文土壤水分測定部分相同,將采集的土樣自然風干,在實驗室檢測并分析樣品各養分指標,本研究使用凱式定氮法對全氮進行測定,使用HClO4-H2SO4法對全磷進行測定[27]。

1.2.3 根系測定 考慮到深層根系獲取的難度,本研究采用根鉆法對深層根系進行取樣,根鉆直徑10 cm,鉆頭長度10 cm,取樣方式如圖1所示。每次取樣深度間距為10 cm,條狀苜蓿兩側交替采樣,帶狀檸條與檸條帶兩側交替采樣。用清水將樣品清洗干凈之后使用大于18目的網篩篩出根系,再利用EPSON(PERFECTIONC700)根系掃描儀進行掃描圖像,(WinRHIZOPro.2009)測定根長,計算得出根長密度。將深度區間的根系烘干稱重得到根系干重。

1.2.4 土壤容重測定 土壤容重采用環刀法(100 cm3)進行測定,在樣地附近5 m范圍內開挖一個300 cm深的剖面,利用環刀每20 cm取樣一次,將裝有土壤的環刀放入烘箱,設定烘箱溫度105℃,烘干時間12 h,12 h之后將烘箱內環刀取出稱重,計算并得到土壤容重。

1.2.5 生物量測定 對樣方的苜蓿和檸條進行采集并將采集的兩批樣本分別稱量其鮮重,然后分別將其置于烘箱先以105℃進行30 min的殺青處理,再以80℃烘干至恒重,取出并分別對其干重進行稱量測定。

1.2.6 計算公式 土壤儲水量[26]、土壤干燥化強度[28]、土壤水分有效性[29]、土壤供水系數[29]計算如下:

(1)

式中:SWS為一定厚度的土壤儲水量(mm);n為一定深度劃分的層次數;θi為第i層土壤體積含水量;hi為第i層土壤厚度(mm)。

(2)

式中:ISD為土壤干燥化指數;θ為實測土壤含水量;θSS為土壤穩定含水量;θW為土壤凋萎濕度。

(3)

式中:AW為土壤水分有效性指數;θ為實測土壤含水量;θW為土壤凋萎含水量;θf為田間持水量。AW<0表示水分為無效水。

(4)

式中:KS為土壤供水系數,當AW=100時,KS=1,此時為作物最大騰發量,當土壤含水量下降至凋萎濕度時,KS=0,此時作物不能吸水,騰發量為0。根據劉增文[30]、張珂萌[28]等研究將土壤水分有效性和干燥化程度進行劃分(表1)。

表1 土壤水分有效性及干燥化狀態劃分標準Table 1 Classification standard of soil moisture availability and soil desiccation state

1.3 數據分析

利用WPS Office對各參數進行計算、整理、歸納,使用SPSS 25.0軟件對數據進行統計分析,Origin 2018繪制各測定指標的趨勢圖。

2 結果與分析

2.1 苜蓿地、檸條土壤含水量垂直剖面分布特征

2.1.1 土壤干化狀況 考慮0—200 cm土層水分受實時降水入滲影響波動較大[31],在此不做詳細分析。根據野外調查將苜蓿、檸條和農田(對照)0—1 000 cm土壤水分垂直變化作圖2表示。由圖2可以看出,苜蓿、檸條和農田200 cm以下農田通體水分高于苜蓿和檸條林地,其中檸條林地水分在200—400 cm高于苜蓿地,400 cm以下檸條林地土壤水分略低于苜蓿。從土壤干燥化程度看,18 a苜蓿地在200—720 cm處于極度干燥化,其余各深度處于重度干燥化,檸條林地在200—360 cm處于嚴重干燥化,360—720 cm處于極度干燥化,720 cm以下為嚴重干燥化;農田200—1 000 cm范圍土壤處于無干化狀態。苜蓿地和檸條林土壤水分與附近旱作農地土壤水分對比可以看出,200—1 000 cm剖面苜蓿地平均土壤含水量與農田平均土壤含水量差值達7.56%,檸條林平均土壤含水量與農田差值為7.46%;苜蓿地土壤儲水量為753.36 mm,檸條林為763.13 mm,農田為1 740.91 mm,農田土壤儲水量較苜蓿地和檸條林差異明顯,與苜蓿地差值為987.55 mm,與檸條林差值為977.78 mm,按照苜蓿生長18 a計算每年苜蓿較旱作農田多耗水54.86 mm,年地面生物量為3 187 kg/hm2,年均水分利用效率(WUE)為58.09 kg/(hm2·mm),檸條生長20 a每年檸條較農田多耗水48.89 mm,平茬當年地面生物2 231 kg/hm2,年均水分利用效率為45.63 kg/(hm2·mm)。

注:極度干燥線表示ISD=0%時的土壤含水量,土壤含水量低于該水平表明土壤極度干燥;嚴重干燥線表示ISD=75%時的土壤含水量,土壤含水量低于該水平表明土壤嚴重干燥;輕度干燥線表示ISD=100%時的土壤含水量,土壤含水量低于該水平表明土壤輕度干燥,高于該水平則表明土壤無干燥化。圖2 苜蓿地和檸條林與對照旱作農田0-1 000 cm土壤水分垂直變化Fig. 2 Vertical variation of soil moisture between Medicago sativa L. field and Caragana korshinskii forest and control dry farmland at 0-1 000 cm

2.1.2 土壤剖面水分有效性 利用土壤水分有效性指標AW對苜蓿地和檸條林不同深度土壤水分有效性進行比較(表2)。結果顯示苜蓿地200—720 cm土層深度AW<0,顯著低于720—1 000 cm土層深度AW(p< 0.05);在200—720 cm范圍各土層深度之間AW無顯著差異。檸條林320—720 cm范圍各土層AW<0,顯著低于720—1 000 cm土層深度AW(p<0.05);200—320 cm土層的AW則顯著高于720—1 000 cm土層的AW。由表1可知,苜蓿地土壤水分有效性等級劃分結果為:苜蓿地760—1 000 cm深度土壤水分為難效水,200—760 cm范圍土壤水分為無效水。檸條林對照農地土壤水分有效性等級劃分結果為:200—360 cm和760—1 000 cm范圍土壤水分為難效水,360—760 cm范圍土壤水分為無效水。

表2 0-1 000 cm深度土壤水分指標統計Table 2 Statistics of soil moisture index at 0-1 000 cm depth

從苜蓿地土壤供水系數上看(表2),苜蓿地土壤平均供水系數KS為0.20,其土壤水分可達苜蓿生長所產生最大騰發量的20%,不同深度土壤供水系數變化規律為:KS值隨著土層深度的增加先增大后減小,其中在200—720 cm土層,土壤供水系數KS值為0,說明土壤水分極度虧缺,沒有供水能力,苜蓿根系無法從該深度土壤汲取水分,同時騰發量也為0;在土壤水分活躍層(200 cm深度)以下,苜蓿地土壤720—1 000 cm土層的供水系數KS值最大,土壤水分狀態較好,基本可供應其達到最大生長騰發量。檸條林的土壤平均供水系數KS為0.27,土壤水分達到了檸條生長過程中最大騰發量的27%,其各深度土層土壤供水系數KS規律如下:同苜蓿地一樣,整體上也呈現出KS值隨著深度的增加先減小后增大的趨勢,其中在320—720 cm土層供水系數KS值為0,說明該深度土層土壤嚴重干旱,水分狀況差,該深度土壤供水能力為0,無法為檸條的生長發育提供水分補給;土壤水分活躍層(200 cm深度)以下檸條林土壤200—320 cm土層的供水系數KS值最大,土壤水分狀態良好,基本能夠供應檸條達到最大生長騰發水平的耗水量。

2.2 苜蓿、檸條根系分布特征

不同深層下苜蓿與檸條根系干重垂直分布變化如圖3所示。本次野外根系測定取樣深度均為0—1 000 cm,但取樣發現根系深度未達到1 000 cm深度,苜蓿與檸條林地根系深度略大于700 cm。18 a苜蓿和20 a檸條根系在剖面的分布趨勢十分一致,0—720 cm土層深度范圍內苜蓿地根系隨土層深度增加呈下降趨勢,其中檸條(2 922.97 g/m3)>苜蓿(2 156.30 g/m3)。根系主要分布在0—120 cm土層深度范圍,苜蓿地0—120 cm土層范圍內根干重總量為984.52 g/m3,占總根干重的45.66%;檸條林地0—120 cm土層范圍內根干重總量為1 681.93 g/m3,占總根干重的57.54%。苜蓿地120—720 cm土層中根干重1 171.78 g/m3,占總根干重的54.34%;檸條林地120—720 cm土層中根干重1 241.04 g/m3,占總根干重的42.46%。苜蓿、檸條0—720 cm土層范圍內根干重平均值分別為119.79,162.39 g/m3。

圖3 苜蓿、檸條根系干重垂直變化Fig. 3 Vertical variation of root dry weight of Medicago sativa L. and Caragana korshinskii

18 a苜蓿、20 a檸條地土壤不同深度下根長密度變化規律如圖4所示。可以看出,苜蓿地根長密度在土壤垂直分布形式與檸條林地根系基本一致,也與上面的根系重量規律基本一致,主要表現為隨深度增加而下降的趨勢。苜蓿地0—120 cm土層范圍內根長密度為6.41 cm/cm3,占總根長密度的44.45%;檸條林地0—120 cm土層范圍內根長密度為8.90 cm/cm3,占總根長密度的67.58%;苜蓿地120—720 cm土層中根長密度為8.01 cm/cm3,占總根長密度的55.55%;檸條林地120—720 cm土層范圍內根長密度為4.27 cm/cm3,占總根長密度的32.42%。苜蓿、檸條0—720 cm土層范圍內根長平均值分布為0.80,0.73 cm/cm3。

圖4 苜蓿和檸條根系根長密度垂直變化Fig. 4 Vertical variation of root length density of Medicago sativa L. and Caragana korshinskii

2.3 苜蓿、檸條林地養分垂直特征

18 a苜蓿、20 a檸條地土壤全氮含量垂直變化規律如圖5所示。由圖5可以看出,苜蓿、檸條地0—1 000 cm深度范圍內土壤全氮含量呈現隨土層深度增加而逐漸減少的趨勢。苜蓿、檸條地土壤全氮含量垂直向下具體表現為,表層0—120 cm范圍全氮量均值分別為0.53,0.58 g/kg;120—720 cm土層范圍全氮量均值分別為0.30,0.31 g/kg;720—1 000 cm全氮含量均值很低,但比較穩定,全氮量均值分別為0.11,0.10 g/kg;在0—1 000 cm土層范圍內全N含量平均值分別為0.27,0.28 g/kg。

圖5 苜蓿、檸條土壤全氮含量垂直變化Fig. 5 Vertical variation of soil total nitrogen content in Medicago sativa L. and Caragana korshinskii

圖6為18 a苜蓿、20 a檸條地土壤垂直剖面全磷含量分布。可以看出,苜蓿、檸條地土壤全磷含量垂直向下具體表現為表層0—120 cm范圍內全磷含量均值分別為0.51,0.53 g/kg;120—720 cm范圍全磷含量均值分別為0.49,0.51 g/kg;720—1 000 cm全磷含量均值分別為0.48,0.50 g/kg;0—1 000 cm土層范圍內全磷含量平均值分別為0.49,0.51 g/kg。

圖6 苜蓿、檸條土壤全磷含量垂直變化Fig. 6 Vertical variation of total phosphorus content in Medicago sativa L. and Caragana korshinskii

3 討 論

迄今為止有關半干旱黃土區人工苜蓿和檸條地土壤水分以往研究已取得不少成果,但同時研究苜蓿和檸條林地的深層土壤水分、根系及養分的報道較少,尤其是寧夏南部地區高齡人工苜蓿與人工檸條林深層土壤水分、根系及養分相關性研究薄弱,本文也僅僅是一個初步探究,更多深化研究還有待后期加強。雖然本研究調查取樣深度達1 000 cm的土層,也證明18 a苜蓿、20 a檸條地土壤干化深度已達1 000 cm處,但還不能證明18 a苜蓿、20 a檸條林地土壤最大干化深度是多少。在寧南山區高齡苜蓿和檸條地干層可達最大深度需要今后進一步研究確定。另外,本論文參照前人常用的方法[32],以樣地附近旱作農田作為對照,可以看出相同深度土層18 a苜蓿和20 a檸條地水分含量皆明顯低于對照(旱作農田)土壤水分,說明苜蓿、檸條耗水高于傳統的旱作農作物。本次調查18 a苜蓿、20 a檸條地0—1 000 cm范圍土壤水分附近較相似立地條件的旱作農田多耗水987.55,977.78 mm,這個差值可以看作生長18 a的苜蓿和20 a檸條地每年平均多消耗土壤水分約54.86,48.89 mm,這與Dunin[15]和Cheng[16]等的研究結果基本一致,同時水分利用效率分別為58.09,45.63 kg/(hm2·mm),每年高于旱作農田約50 mm的土壤水分消耗量應該是造成較苜蓿、檸條地土壤干化的直接原因。

本論文表述的苜蓿、檸條地淺層根系是人工苜蓿地及人工檸條林這類在黃土丘陵區具有代表性的人工林草群落淺層根系,其包含苜蓿、檸條的根系及與其共生的其他多種淺根植物的根系,從土壤水分、養分角度考慮,均與人工林草群落中地淺層的多種植物根系有關,而苜蓿、檸條地的根系與水分和養分的分布特征應是苜蓿和檸條人工林草群落中所有植物共同作用的結果,是多植物協同關系。這也是苜蓿地和檸條林土壤-植物-大氣連續體(SPAC)的真實情況。由于當年降水滲透深度大多停留在0—200 cm土層范圍,水分較多也是導致0—200 cm范圍內植物根系分布較多的主要原因。降水通過滲透補充200 cm以下土層水分十分困難,加上苜蓿、檸條根系每年以50 mm左右的速度消耗深層土壤儲水量,使得200 cm以下土層的深層位置出現土壤極度干化現象。總體看,苜蓿、檸條地根系與根層土壤水分是具有協同互饋作用機制,即根系向水性決定苜蓿、檸條根系在生長過程中向下土層延伸吸取土壤水分,深層土壤含水量因此降低,同時土壤上層(0—200 cm)受降雨入滲會得到較大程度的補充,這促進了土壤上層根系的增加(主要在0—200 cm土層),200 cm以下土層水分被根系吸收后很難通過降雨補充恢復,所以也稱200 cm以下的土壤干層為“永久性干層”。永久性干層一般存在一個含水量最低的區域,然后繼續往下土壤水分會逐漸升高,這可能與根系達到土層的年限有關,根系到達某一深度的時間短其造成土壤的干化程度也較輕,但根系所在土層時間與土壤水分含量及土壤干化程度的量化規律性還有待研究。

有研究證明苜蓿、檸條根系在黃土丘陵區隨著生長年限增加會達到很深的地下土層,如王志強等[32]研究發現7 a苜蓿根系耗水深度最高可以達到1 550 cm,23 a檸條根系耗水深度可達2 240 cm,而本研究取樣僅達1 000 cm,且兩者1 000 cm深度土層土壤水分含量與對照坡耕地仍存在7%以上的差值,由此可以推測寧南黃土丘陵區高齡人工苜蓿和檸條林地耗水深度大于1 000 cm。另外,本研究調查取樣發現18 a苜蓿、20 a檸條根系深度分別為720,880 cm,小于其土壤干化深度,我們認為這不能說明18 a苜蓿、20 a檸條根系深度未達到1 000 cm處,其原因:一是苜蓿、檸條根系在土壤的分布形式會使得根系分布密度隨著深度增加越發稀疏,而試驗方法我們這里采用的是根鉆法,而根鉆法以“點”的形式進行取樣會隨著深度增加根鉆獲取到根系的機率不斷降低,所以有可能這也是本次調查取樣到達720 cm及880 cm以下時未能發現根系的原因;二是18 a老齡苜蓿和20 a檸條深層根系有可能隨著地上生長的衰敗深層根系也衰敗死亡,所以720 cm及880 cm以下取樣無法獲取根系,但深層土壤已經被消耗處于干化狀態。總體來看,由于深層根系研究的困難較大,目前黃土區深層根系研究仍然十分薄弱,尤其是在深厚的黃土區多年生植物根系深度超過其他地區,這個特征也再次說明研究黃土丘陵區多年生深根系植物具有特殊的重要意義。近期有研究[2-6]發現,根系分泌物是植物與微生物交流的途徑,在生態系統對環境變化的響應中發揮著關鍵作用,不同生長策略的植物在根系分泌物方面存在差異,干旱影響根系分泌物的數量和質量,同時根際效益對土壤養分循環和植物養分的獲取和生長有重要影響。這些研究在此說明,黃土高原植物根系深層特征對土壤物理性質、土壤水分及其運移機制、養分具有重要作用,所以研究深層根系、土壤水分與深層土壤微生物群落之間的關系也十分重要。

本文研究寧南山區苜蓿和檸條地土壤養分發現,苜蓿、檸條地土壤全氮與全磷含量都表現為隨土層深度的遞增而減小的趨勢,這與根系分布趨勢相一致,但由于黃土丘陵有關深根系多年生植物根系研究較少,本次試驗取樣范圍及其取樣時間等原因,還不能充分證明深層剖面養分與根系的關系,在此只能看出淺層養分與已有研究趨勢基本一致。在退耕還林草地區,曾經的土地經營者使用肥料種類、數量、時間及苜蓿、檸條林地的栽植密度、生長年限、經營管理與利用方式等因素均會造成土地養分差異,這也是影響苜蓿與檸條地養分的重要因素。近年來,隨著林草地保護水平的不斷提升,苜蓿及檸條的生長也趨近于自然生長,保護好的林草與人工干擾嚴重的林草,其必然存在土壤養分特征的差異。有關苜蓿、檸條增加土壤養分的問題,目前學術上還未定論,如牟紅霞等[33]對黃土丘陵區苜蓿養分狀況的研究認為,苜蓿地土壤全磷含量狀況與生長年限關系的不大。王世軍等[34]認為,土壤養分積累受植被生長年限影響,全氮和有機質含量會隨著生長年限的增加而增加。顧振寬等[35]的研究認為全磷含量隨土層的增加無明顯的規律性。有關苜蓿、檸條地深層土壤中根系與養分的關系研究,目前很少見報道。已有研究在黃土區苜蓿、檸條根系耗水深度可以深達1 550 cm以下[28],無論是豆科植物根系的固氮作用,還是根系與微生物的協同作用都會對根系周圍土壤養分與水分產生影響。所以本文在此建議今后在半干旱黃土區,不能僅僅著眼于苜蓿、檸條地深層土壤水分研究,要圍繞苜蓿、檸條地深層根系,對土壤水分循環和養分及微生物生態等多方面多角度進行研究,形成半干旱黃土區土壤-植物-大氣連續體(SPAC)的理論閉環。本試驗對苜蓿、檸條地0—1 000 cm深度范圍內土壤水分、根系及土壤養分僅僅是初步調查分析,希望能為黃土丘陵區人工林草的可持續生態建設提供一些理論依據。

4 結 論

寧南黃土丘陵區的高齡苜蓿與檸條地200 cm深度以下已經出現深達1 000 cm的土層通體干化現象,其中18 a苜蓿地200—720 cm土層處于極度干燥化水平,720—1 000 cm土層處于重度干燥化水平;20 a檸條地360—720 cm土層處于極度干燥化水平,200—360 cm及720—1 000 cm土層處于重度干燥化水平。此外苜蓿、檸條地土壤貯水量較相似地形的旱作農地少987.55,977.78 mm,證明18 a苜蓿與20 a檸條林每年較旱作農田多耗水54.86,48.89 mm。種植18 a的苜蓿和20 a檸條根系主要集中在0—120 cm土層,該層該系占整個剖面根系的45.66%,57.54%,根長密度分別占44.45%,67.58%。苜蓿、檸條地根系和養分在土壤剖面中分布規律一致。該研究可為黃土丘陵區苜蓿和檸條可持續建設的科學管理以及后續植被更替提供數據支撐。