黄土丘陵苜蓿与柠条深层土壤干化状况及根系与养分特征.pdf

第3 0卷第6期2 0 2 3年1 2月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.6D e c.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 5 修回日期:2 0 2 2-1 0-0 9 资助项目:宁夏自然科学基金(2 0 2 2 AA C 0 5 0 1 9;2 0 2 1 AA C 0 3 0 4 2);国家自然科学基金(3 2 0 6 0 3 0 1)第一作者:高元亢(1 9 9 8),男,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生在读,研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-m a i l:3 4 6 5 2 0 3 5 9 2q q.c o m 通信作者:汪星(1 9 8 4),男,陕西杨凌人,博士,副教授,主要从事水土资源高效利用研究。E-m a i l:X i n g w a n g 1 9 8 4 f o x m a i l.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 6.0 0 3.高元亢,李婧,汪星,等.黄土丘陵苜蓿与柠条深层土壤干化状况及根系与养分特征J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(6):1 6 8-1 7 6.G a oY u a n k a n g,L i J i n g,W a n gX i n g,e t a l.S o i lD e s i c c a t i o na n dR o o t a n dN u t r i e n tC h a r a c t e r i s t i c s o fM e d i c a g o s a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i ii nL o e s sH i l l yA r e aJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(6):1 6 8-1 7 6.黄土丘陵苜蓿与柠条深层土壤干化状况及根系与养分特征高元亢1,李 婧2,汪 星1,吕 雯3,于晓燕1,王雁超1,王永强1(1.宁夏大学 农学院,银川7 5 0 0 2 1;2.银川海关技术中心,银川7 5 0 0 0 0;3.宁夏大学 生态环境学院,银川7 5 0 0 2 1)摘 要:目的 探究宁夏南部黄土丘陵区雨养苜蓿及柠条地的深层根系与土壤水分和养分的协同关系,进而为宁南山区人工植被建设与管理以及生态环境高质量发展提供科学依据。方法 采用野外调查与室内分析相结合的方法,对宁南黄土丘陵区人工种植1 8a的紫花苜蓿地与2 0a的柠条林地010 0 0c m土层中土壤水分、根系垂直分布、土壤N,P含量变化进行了分析。结果(1)苜蓿地和柠条林地土壤2 0 0c m以下全剖面已经处于干化状态,其中苜蓿和柠条地土壤处于极度干燥化水平的土层分别为2 0 07 2 0c m和3 6 07 2 0c m,010 0 0c m深度范围土壤水分储量较相似地形的雨养农田分别少9 8 7.5 5,9 7 7.7 8mm;(2)苜蓿和柠条根系主要集中在表层01 2 0c m土层,该层根系占010 0 0c m剖面总根干重的4 5.6 6%,5 7.5 4%,根长密度占4 4.4 5%,6 7.5 8%;(3)苜蓿和柠条土壤N,P养分分布规律与根系分布规律一致,表层01 2 0c m范围内平均全N含量分别为0.5 3,0.5 8g/k g,是010 0 0c m土壤全N含量平均值的1.7 7倍和1.8 7倍,在01 2 0c m范围内全P平均含量达0.5 1,0.5 3g/k g,与010 0 0c m土层全P含量平均值近似。结论 黄土丘陵区深层土壤干化背景下人工林草地土壤水分、根系及养分特征具有特殊性,深入研究人工林草地深层土壤水分、根系及养分协同关系有助于区域人工植被可持续发展及土壤碳循环的调控。关键词:黄土丘陵区;植物根系;土壤水分;土壤养分中图分类号:S 1 5 2;S 1 5 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 6-0 1 6 8-0 9S o i lD e s i c c a t i o na n dR o o t a n dN u t r i e n tC h a r a c t e r i s t i c so fM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i ii nL o e s sH i l l yA r e aG a oY u a n k a n g1,L i J i n g2,W a n gX i n g1,L W e n3,Y uX i a o y a n1,W a n gY a n c h a o1,W a n gY o n g q i a n g1(1.S c h o o l o fA g r i c u l t u r e,N i n g x i aU n i v e r s i t y,Y i n c h u a n7 5 0 0 2 1,C h i n a;2.Y i n c h u a nC u s t o m sT e c h n o l o g yC e n t e r,Y i n c h u a n7 5 0 0 0 0,C h i n a;3.S c h o o l o fE c o l o g ya n dE n v i r o n m e n t,N i n g x i aU n i v e r s i t y,Y i n c h u a n7 5 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ea i m so ft h i ss t u d ya r et oe x p l o r et h es y n e r g i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e e pr o o t sa n ds o i lm o i s t u r ea n dn u t r i e n t s i nr a i n f e dM e d i c a g o s a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i il a n d i n t h e l o e s sh i l l ya r e ao fs o u t h e r nN i n g x i a,a n dt op r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ec o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to fa r t i f i c i a lv e g e t a t i o na n dt h eh i g h-q u a l i t yd e v e l o p m e n to f e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i nt h eh i l l ya r e ao f s o u t h e r nN i n g x i a.M e t h o d sT h ec h a n g e so f s o i lm o i s t u r e,r o o tv e r t i c a l d i s t r i b u t i o na n ds o i lNa n dPc o n t e n t s i n010 0 0c ms o i l l a y e ro f 1 8-y e a r-o l dM e d i c a g o s a t i v aL.l a n da n d2 0-y e a r-o l dC a r a g a n ak o r s h i n s k i if o r e s t l a n dw e r ea n a-l y z e db yf i e l di n v e s t i g a t i o na n di n d o o ra n a l y s i s.R e s u l t s(1)T h ew h o l ep r o f i l eo fs o i lb e l o w2 0 0c mi nM e d i c a g os a t i v aL.l a n da n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i il a n dw a sa l r e a d y i nad r ys t a t e.T h e s o i l l a y e r so fM e d i c a g os a t i v aL.l a n da n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i il a n da te x t r e m e l yd r yl e v e l sw e r e2 0 07 2 0c ma n d3 6 07 2 0c m,r e s p e c t i v e l y.T h es o i lw a t e rs t o r a g e i nt h ed e p t hr a n g eo f010 0 0c m w a s9 8 7.5 5mma n d9 7 7.7 8mma n dl e s s t h a nt h a to f r a i n f e df a r m l a n dw i t hs i m i l a r t o p o g r a p h y.(2)T h e r o o t so fM e d i c a g o s a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i im a i n l yc o n c e n t r a t e d i nt h e01 2 0c ms o i l l a y e r,w h i c ha c c o u n t e d f o r 4 5.6 6%a n d5 7.5 4%o f t h et o t a lr o o td r yw e i g h ti nt h e010 0 0c m p r o f i l e,a n dt h er o o tl e n g t hd e n s i t ya c c o u n t e df o r4 4.4 5%a n d6 7.5 8%.(3)T h ed i s t r i b u t i o no fNa n dPn u t r i e n t s i nt h es o i l o fM e d i c a g o s a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n-s k i il a n d sw a sc o n s i s t e n tw i t ht h a t o f r o o t s y s t e m.T h e a v e r a g e t o t a lNc o n t e n t i n t h e s u r f a c e l a y e ro f 01 2 0c m w a s0.5 3g/k ga n d0.5 8g/k g,r e s p e c t i v e l y,w h i c hw a s1.7 7t i m e sa n d1.8 7t i m e so f t h ea v e r a g et o t a lNc o n t e n t i nt h es o i l o f 010 0 0c m.T h ea v e r a g e t o t a lPc o n t e n t i nt h e r a n g eo f 01 2 0c mw a s0.5 1g/k ga n d0.5 3g/k g,w h i c hw a ss i m i l a r t ot h ea v e r a g e t o t a lPc o n t e n t i nt h e010 0 0c ms o i l l a y e r.C o n c l u s i o nT h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o i lm o i s t u r e,r o o ts y s t e ma n dn u t r i e n to fa r t i f i c i a l f o r e s ta n dg r a s s l a n du n d e rt h eb a c k-g r o u n do fd e e ps o i l d r y i n g i nt h e l o e s sh i l l ya r e aa r es p e c i a l.I n-d e p t hs t u d yo nt h es y n e r g i s t i c r e l a t i o n s h i po fs o i lm o i s t u r e,r o o t s y s t e ma n dn u t r i e n t i nd e e ps o i l o f a r t i f i c i a l f o r e s t a n dg r a s s l a n d i sh e l p f u l f o r t h e s u s t a i n-a b l ed e v e l o p m e n to f r e g i o n a l a r t i f i c i a l v e g e t a t i o na n dt h er e g u l a t i o no f s o i l c a r b o nc y c l e.K e y w o r d s:l o e s sh i l l ya r e a;p l a n t r o o t s;s o i lm o i s t u r e;s o i ln u t r i e n t 土壤水分、植物根系、养分协同关系是土壤-植物-大气连续体(S P A C)研究的重要内容1。近年的研究证明根系构型(R S A)反映根的空间排列和位置,对土壤中水分和养分具有决定作用,根系分泌物是植物与微生物交流的途径,在生态系统对环境变化的响应中发挥着关键作用2-6。但是由于黄土区多年生植物往往根系深达10 0 0c m以下,研究深层根系及其水分和养分难度极大,所以相关研究报道甚少。宁南山区地处黄土高原西部,属于典型的黄土丘陵区7,受严重的水蚀影响,该地区地貌复杂,水土流失严重,紫花苜蓿(M e d i c a g os a t i v aL.)和柠条(C a r a g a n ak o r s h i n s k i i)是当地重要的牧草资源和主要的退耕还草植物,已有多年的研究证明在干旱和半干旱地区植被恢复和作物种植结构应考虑土壤水分动态以维持环境的可持续发展8,而在黄土丘陵区半干旱环境下苜蓿和柠条两种植物生长耗水大于当地降水对土壤水分的补给量,因而苜蓿和柠条在其生长过程中持续消耗土壤深层水分并造成深层土壤干化不断加重,土壤水分有效性降低,最终导致苜蓿及柠条生长衰败。近年来随着紫花苜蓿与柠条利用年限的不断增加,群落衰败特征日益凸显。黄土丘陵半干旱区苜蓿和柠条地不断恶化的土壤水分环境与植物日益衰败的现象一直是植物学、生态学、土壤学等众多领域学者关注的焦点和热点9-1 2。诸多专家担心半干旱黄土区深层土壤的干化会造成该区域后续植物更替以及区域植被建设可持续发展的严重障碍1 2-1 4。因此,通过研究黄土丘陵区深层土壤干化背景下高龄苜蓿和柠条根系分布与深层土壤水分含量及养分分布特征及其差异,阐明土壤水分、植物根系、养分的协同关系,既是S P A C研究的重要内容,也是当地生态建设可持续发展与植被管理的关键科学问题。有研究证明苜蓿和柠条每年较旱作农田多消耗至少5 0mm的土壤含水量1 5-1 6,同时多年生长的苜蓿和柠条还会在2 0 0c m以下出现土壤干层1 7。半干旱黄土区因其独特的水文特征,一旦形成2 0 0c m以下干层,将很难得到恢复1 8。干层限制了苜蓿与柠条的生长发育,使苜蓿产量下降,柠条生活力水平降低,最终引发林草地退化衰败,并且对后续植被和作物的生长起着持续不良影响1 9-2 1。根系分布特征决定了根系与土壤的接触面积与深度,直接影响植物对土壤水分和养分的利用情况,对植被地上部分的生长有着重要的意义2 2。土壤养分含量影响苜蓿及柠条的生长状况2 3,土壤养分含量降低,不仅会导致苜蓿与柠条生长不良,还会影响其生态与经济效益。由于植物根系不易观测,且目前在半干旱黄土区有关苜蓿、柠条生长与根系研究较多集中在2 0 05 0 0c m土层范围,对于老龄苜蓿和柠条研究报道较少,尤其对老龄苜蓿和柠条地深层根系、水分及养分分布关系研究较薄弱。高龄苜蓿和柠条深层根系的土壤水分养分状态如何?分布规律是怎样的?这些问题依然亟待去研究。故本研究选择宁南山区现存1 8a苜蓿和2 0a柠条为研究对象,以揭示宁南山区雨养老龄苜蓿和柠条土壤水分的分布规律、根系分布深度、根系与养分空间分布及相互关系,旨在为宁南山区人工植被建设与管理以及生态环境高质量发展提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于宁夏回族自治区固原市彭阳县白阳镇中庄村,地理坐标在东经1 0 5 9 1 0 6 5 8,北纬961第6期 高元亢等:黄土丘陵苜蓿与柠条深层土壤干化状况及根系与养分特征3 4 1 4 3 7 0 4,平均海拔为16 0 017 0 0m,地貌类型为典型的黄土高原梁峁丘陵地,区内梁峁相间,地形支离破碎沟壑纵横,土壤类型以黄绵土与黑垆土为主,p H值88.5,土厚15 0 0c m,气候属温带大陆性季风气候,年均气温7.4,降雨集中在79月,年平均降水量4 0 05 0 0mm,干燥度(0的蒸发量)为1.2 1 1.9 9,日照时间22 0 0 27 0 0h,无霜期1 4 0 1 6 0d2 4。研究区内人工种植苜蓿和柠条均为雨养旱作,研究样地为缓坡生长1 8a的苜蓿地和2 0a的柠条林,苜蓿地上生物量分别为31 8 7k g/h m2,柠条平茬当年地面生物22 3 1k g/h m2,实测该试验地土壤容重均值为1.3 3g/c m3,田间持水量为1 8.9 3%,凋萎含水量采用V a nG e n u c h t e n模型拟合得到,均值为7.1 2%。土壤稳定含水量取田间持水量的6 0%2 5,即1 1.3 6%,低于稳定含水量视为土壤干化1 8。1.2 研究方法研究区苜蓿于2 0 0 2年4月以4 0c m的行距人工条播种植,品种为甘农3号紫花苜蓿(M e d i c a g os a t i v ac v.G a n n o n gN o.3),苜蓿地和柠条林均选在坡度1 5 的阳坡,研究区带状柠条林于2 0 0 0年4月栽种,对照旱作农田为附近同一水平坡度相似的坡耕地,对照农地作物为谷子和土豆与豆类交替种植。于2 0 2 0年8月52 0日,对苜蓿地和柠条林010 0 0c m深度的土壤及根系进行取样,同类样地选取3个重复,样地之间距离为51 0m(取样地如图1所示)。1.2.1 土壤水分测定 使用烘干法对土壤水分进行测定2 6。在研究区(坡中)选择长势均一的苜蓿和柠条,设置苜蓿地、柠条地及旱作农田共3个试验区,各试验区均设置3个样方,采用土钻法在样方内取样(图1),测定010 0 0c m区间土层的土壤水分,取样间隔设置为4 0c m,每个样地取样一次,3个样地为3次重复。将采集的土壤样品装入铝盒带回实验室,称重后放入烘箱,设定烘箱温度1 0 5,烘干1 2h,之后取出铝盒并称重计算得到土壤含水量。1.2.2 土壤全氮、全磷测定 使用土钻法取样,采集方法和分层方法和上文土壤水分测定部分相同,将采集的土样自然风干,在实验室检测并分析样品各养分指标,本研究使用凯式定氮法对全氮进行测定,使用HC l O4-H2S O4法对全磷进行测定2 7。1.2.3 根系测定 考虑到深层根系获取的难度,本研究采用 根 钻 法 对 深 层 根 系 进 行 取 样,根 钻 直径1 0c m,钻头长度1 0c m,取样方式如图1所示。每次取样深度间距为1 0c m,条状苜蓿两侧交替采样,带状柠条与柠条带两侧交替采样。用清水将样品清洗干净之后使用大于1 8目的网筛筛出根系,再利用E P S ON(P E R F E C T I ON C 7 0 0)根系扫描仪进行扫描图像,(W i n RH I Z O P r o.2 0 0 9)测定根长,计算得出根长密度。将深度区间的根系烘干称重得到根系干重。图1 苜蓿地、柠条林取样示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i if o r e s t s a m p l i n g1.2.4 土壤容重测定 土壤容重采用环刀法(1 0 0c m3)进行测定,在样地附近5m范围内开挖一个3 0 0c m深的剖面,利用环刀每2 0c m取样一次,将装有土壤的环刀放入烘箱,设定烘箱温度1 0 5,烘干时间1 2h,1 2h之后将烘箱内环刀取出称重,计算并得到土壤容重。1.2.5 生物量测定 对样方的苜蓿和柠条进行采集并将采集的两批样本分别称量其鲜重,然后分别将其置于烘箱先以1 0 5 进行3 0m i n的杀青处理,再以8 0 烘干至恒重,取出并分别对其干重进行称量测定。1.2.6 计算公式 土壤储水量2 6、土壤干燥化强度2 8、土壤水分有效性2 9、土壤供水系数2 9计算如下:SWS=ni=1ihi(1)式中:SWS为一定厚度的土壤储水量(mm);n为一定深度划分的层次数;i为第i层土壤体积含水量;hi为第i层土壤厚度(mm)。071 水 土 保 持 研 究 第3 0卷IS D=-WS S-W1 0 0%(2)式中:IS D为土壤干燥化指数;为实测土壤含水量;S S为土壤稳定含水量;W为土壤凋萎湿度。AW=-Wf-W1 0 0%(3)式中:AW为土壤水分有效性指数;为实测土壤含水量;W为土壤凋萎含水量;f为田间持水量。AW0表示水分为无效水。KS=l n(AW+1)l n(1 0 1)(4)式中:KS为土壤供水系数,当AW=1 0 0时,KS=1,此时为作物最大腾发量,当土壤含水量下降至凋萎湿度时,KS=0,此时作物不能吸水,腾发量为0。根据刘增文3 0、张珂萌2 8等研究将土壤水分有效性和干燥化程度进行划分(表1)。表1 土壤水分有效性及干燥化状态划分标准T a b l e1 C l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r do f s o i lm o i s t u r ea v a i l a b i l i t ya n ds o i l d e s i c c a t i o ns t a t e水分有效性水平(实测土壤含水量)干燥化程度IS D/%富余水大于田间持水量无干燥化IS D0易效水田间持水量的8 0%1 0 0%轻度干燥化0IS D7 5中效水田间持水量的6 0%8 0%严重干燥化7 5IS D1 0 0难效水凋萎湿度到田间持水量的6 0%极度干燥化IS D1 0 0无效水小于凋萎湿度1.3 数据分析利用WP SO f f i c e对各参数进行计算、整理、归纳,使用S P S S2 5.0软件对数据进行统计分析,O r i-g i n2 0 1 8绘制各测定指标的趋势图。2 结果与分析2.1 苜蓿地、柠条土壤含水量垂直剖面分布特征2.1.1 土壤干化状况 考虑02 0 0c m土层水分受实时降水入渗影响波动较大3 1,在此不做详细分析。根据野外调查将苜蓿、柠条和农田(对照)010 0 0c m土壤水分垂直变化作图2表示。由图2可以看出,苜蓿、柠条和农田2 0 0c m以下农田通体水分高于苜蓿和柠条林地,其中柠条林地水分在2 0 04 0 0c m高于苜蓿地,4 0 0c m以下柠条林地土壤水分略低于苜蓿。从土壤干燥化程度看,1 8a苜蓿地在2 0 07 2 0c m处于极度干燥化,其余各深度处于重度干燥化,柠条林地在2 0 03 6 0c m处于严重干燥化,3 6 07 2 0c m处于极度干燥化,7 2 0c m以下为严重干燥化;农田2 0 010 0 0c m范围土壤处于无干化状态。苜蓿地和柠条林土壤水分与附近旱作农地土壤水分对比可以看出,2 0 010 0 0c m剖面苜蓿地平均土壤含水量与农田平均土壤含水量差值达7.5 6%,柠条林平均土壤含水量与农田差值为7.4 6%;苜蓿地土壤储水量为7 5 3.3 6mm,柠条林为7 6 3.1 3mm,农田为17 4 0.9 1mm,农田土壤储水量较苜蓿地和柠条林差异明显,与苜蓿地差值为9 8 7.5 5mm,与柠条林差值为9 7 7.7 8mm,按照苜蓿生长1 8a计算每年苜蓿较旱作农田多耗水5 4.8 6 mm,年地面生物量为31 8 7k g/h m2,年均水分利用效率(WU E)为5 8.0 9k g/(h m2mm),柠条生长2 0a每年柠条较农田多耗水4 8.8 9mm,平茬当年地面生物22 3 1k g/h m2,年均水分利用效率为4 5.6 3k g/(h m2mm)。注:极度干燥线表示IS D=0%时的土壤含水量,土壤含水量低于该水平表明土壤极度干燥;严重干燥线表示IS D=7 5%时的土壤含水量,土壤含水量低于该水平表明土壤严重干燥;轻度干燥线表示IS D=1 0 0%时的土壤含水量,土壤含水量低于该水平表明土壤轻度干燥,高于该水平则表明土壤无干燥化。图2 苜蓿地和柠条林与对照旱作农田0-10 0 0c m土壤水分垂直变化F i g.2 V e r t i c a l v a r i a t i o no f s o i lm o i s t u r eb e t w e e nM e d i c a g os a t i v aL.f i e l da n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i if o r e s t a n dc o n t r o l d r y f a r m l a n da t 0-10 0 0c m2.1.2 土壤剖面水分有效性 利用土壤水分有效性指标AW对苜蓿地和柠条林不同深度土壤水分有效性进行比较(表2)。结果显示苜蓿地2 0 07 2 0c m土层深度AW0,显著低于7 2 010 0 0c m土层深度AW(p0.0 5);在2 0 07 2 0c m范围各土层深度之间AW无显著差异。柠条林3 2 07 2 0c m范围各土层AW 0,显著低于7 2 010 0 0c m土层深度AW(p0.0 5);2 0 03 2 0c m土层的AW则显著高于7 2 010 0 0c m土层的AW。由表1可知,苜蓿地土壤水分有效性等级划分结果为:苜蓿地7 6 010 0 0c m深度土壤水分为难效水,2 0 07 6 0c m范围土壤水分为无效水。柠条林对照农地土壤水分有效性等级划分结果为:2 0 03 6 0c m和7 6 010 0 0c m范围土壤水分为难效水,3 6 07 6 0c m范围土壤水分为无效水。171第6期 高元亢等:黄土丘陵苜蓿与柠条深层土壤干化状况及根系与养分特征从苜蓿地土壤供水系数上看(表2),苜蓿地土壤平均供水系数KS为0.2 0,其土壤水分可达苜蓿生长所产生最大腾发量的2 0%,不同深度土壤供水系数变化规律为:KS值随着土层深度的增加先增大后减小,其中在2 0 07 2 0c m土层,土壤供水系数KS值为0,说明土壤水分极度亏缺,没有供水能力,苜蓿根系无法从该深度土壤汲取水分,同时腾发量也为0;在土壤水分活跃层(2 0 0c m深度)以下,苜蓿地土壤7 2 010 0 0c m土层的供水系数KS值最大,土壤水分状态较好,基本可供应其达到最大生长腾发量。柠条林的土壤平均供水系数KS为0.2 7,土壤水分达到了柠条生长过程中最大腾发量的2 7%,其各深度土层土壤供水系数KS规律如下:同苜蓿地一样,整体上也呈现出KS值随着深度的增加先减小后增大的趋势,其中在3 2 07 2 0c m土层供水系数KS值为0,说明该深度土层土壤严重干旱,水分状况差,该深度土壤供水能力为0,无法为柠条的生长发育提供水分补给;土壤水分活跃层(2 0 0c m深度)以下柠条林土壤2 0 03 2 0c m土层的供水系数KS值最大,土壤水分状态良好,基本能够供应柠条达到最大生长腾发水平的耗水量。表2 0-10 0 0c m深度土壤水分指标统计T a b l e2 S t a t i s t i c so f s o i lm o i s t u r e i n d e xa t 0-10 0 0c md e p t h指数土层深度/c m苜蓿地柠条林AW2 0 03 2 0-0.1 1 0 90.0 3 b0.2 7 0 20.0 8 a3 2 04 4 0-0.1 1 0 60.0 5 b-0.1 1 2 40.0 8 c4 4 07 2 0-0.0 6 6 60.0 5 b-0.1 3 3 50.0 8 c7 2 01 0 0 00.1 6 7 70.0 5 a0.0 7 0 20.0 9 b2 0 03 2 00.0 00.7 23 2 04 4 00.0 00.0 0KS4 4 07 2 00.0 00.0 07 2 01 0 0 00.5 30.4 5平均值0.2 00.2 7注:同列不同小写字母表示差异性在0.0 5水平上显著(p苜蓿(2 1 5 6.3 0g/m3)。根系主要分布在01 2 0 c m土层深度范围,苜蓿地01 2 0c m土层范围内根干重总量为9 8 4.5 2g/m3,占总根干重的4 5.6 6%;柠条林地01 2 0c m土层范围内根干重总量为16 8 1.9 3g/m3,占总根干重的5 7.5 4%。苜蓿地1 2 07 2 0c m土层中根干重11 7 1.7 8g/m3,占总根干重的5 4.3 4%;柠条林地1 2 07 2 0c m土层中根干重12 4 1.0 4g/m3,占总根干重的4 2.4 6%。苜蓿、柠条07 2 0c m土层范围内根干重平均值分别为1 1 9.7 9,1 6 2.3 9g/m3。图3 苜蓿、柠条根系干重垂直变化F i g.3 V e r t i c a l v a r i a t i o no f r o o td r yw e i g h t o fM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i i1 8a苜蓿、2 0a柠条地土壤不同深度下根长密度变化规律如图4所示。可以看出,苜蓿地根长密度在土壤垂直分布形式与柠条林地根系基本一致,也与上面的根系重量规律基本一致,主要表现为随深度增加而下降的趋势。苜蓿地01 2 0c m土层范围内根长密度为6.4 1c m/c m3,占总根长密度的4 4.4 5%;柠条林地01 2 0c m土层范围内根长密度为8.9 0c m/c m3,占总根长密度的6 7.5 8%;苜蓿地1 2 07 2 0c m土层中根长密度为8.0 1c m/c m3,占总根长密度的5 5.5 5%;柠条林地1 2 07 2 0c m土层范围内根长密度为4.2 7c m/c m3,占总根长密度的3 2.4 2%。苜蓿、柠条07 2 0c m土层范围内根长平均值分布为0.8 0,0.7 3c m/c m3。图4 苜蓿和柠条根系根长密度垂直变化F i g.4 V e r t i c a l v a r i a t i o no f r o o t l e n g t hd e n s i t yo fM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i i2.3 苜蓿、柠条林地养分垂直特征1 8a苜蓿、2 0a柠条地土壤全氮含量垂直变化规律如图5所示。由图5可以看出,苜蓿、柠条地010 0 0c m深度范围内土壤全氮含量呈现随土层深度增加而逐渐减少的趋势。苜蓿、柠条地土壤全氮含量271 水 土 保 持 研 究 第3 0卷垂直向下具体表现为,表层01 2 0c m范围全氮量均值分别为0.5 3,0.5 8g/k g;1 2 07 2 0c m土层范围全氮量均值分别为0.3 0,0.3 1g/k g;7 2 010 0 0c m全氮含量均值很低,但比较稳定,全氮量均值分别为0.1 1,0.1 0g/k g;在010 0 0c m土层范围内全N含量平均值分别为0.2 7,0.2 8g/k g。图5 苜蓿、柠条土壤全氮含量垂直变化F i g.5 V e r t i c a l v a r i a t i o no f s o i l t o t a l n i t r o g e nc o n t e n t i nM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i i图6为1 8a苜蓿、2 0a柠条地土壤垂直剖面全磷含量分布。可以看出,苜蓿、柠条地土壤全磷含量垂直向下具体表现为表层01 2 0c m范围内全磷含量均值分别为0.5 1,0.5 3g/k g;1 2 07 2 0c m范围全磷含量均值分别为0.4 9,0.5 1g/k g;7 2 010 0 0c m全磷含量均值分别为0.4 8,0.5 0g/k g;010 0 0c m土层范围内全磷含量平均值分别为0.4 9,0.5 1g/k g。图6 苜蓿、柠条土壤全磷含量垂直变化F i g.6 V e r t i c a l v a r i a t i o no f t o t a lp h o s p h o r u s c o n t e n t i nM e d i c a g os a t i v aL.a n dC a r a g a n ak o r s h i n s k i i3 讨 论迄今为止有关半干旱黄土区人工苜蓿和柠条地土壤水分以往研究已取得不少成果,但同时研究苜蓿和柠条林地的深层土壤水分、根系及养分的报道较少,尤其是宁夏南部地区高龄人工苜蓿与人工柠条林深层土壤水分、根系及养分相关性研究薄弱,本文也仅仅是一个初步探究,更多深化研究还有待后期加强。虽然本研究调查取样深度达10 0 0c m的土层,也证明1 8a苜蓿、2 0a柠条地土壤干化深度已达10 0 0c m处,但还不能证明1 8a苜蓿、2 0a柠条林地土壤最大干化深度是多少。在宁南山区高龄苜蓿和柠条地干层可达最大深度需要今后进一步研究确定。另外,本论文参照前人常用的方法3 2,以样地附近旱作农田作为对照,可以看出相同深度土层1 8a苜蓿和2 0a柠条地水分含量皆明显低于对照(旱作农田)土壤水分,说明苜蓿、柠条耗水高于传统的旱作农作物。本次调查1 8a苜蓿、2 0a柠条地010 0 0c m范围土壤水分附近较相似立地条件的旱作农田多耗水9 8 7.5 5,9 7 7.7 8mm,这个差值可以看作生长1 8a的苜蓿和2