人工桉樹根系垂直分布與土壤容重及水分的關系

李思穎，劉 遠，周買春

(1.廣東河海工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610； 2.華南農業大學 水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642)

1 研究背景

土壤是水文循環過程中的一個重要組成部分，土壤水分是聯系大氣水、地表水和地下水的中心紐帶，在水文循環中發揮著重要作用。而根系吸水是影響土壤根系層水分分布的一個重要因素，同時，根系的存在會使根系層的土壤顆粒緊密度與其他土層有所不同，進而影響土壤剖面的水分分布。樹木、農作物等植物的根系差異常被認為是造成土壤水分和理化參數分布不同的主要原因[1-4]。

隨著我國集體林權制度改革，在市場經濟驅動下，過去30年間，桉樹人工林在我國得到大面積引種。截至2018年，全國桉樹種植面積達546萬hm2，主要分布在南方11個省(區)，以廣西和廣東最多，約占總面積的3/4，集中度和經營強度世界首屈一指。引種大量桉樹人工林可能造成的生態環境問題，尤其是桉樹的耗水問題，已經引起了社會和學界的廣泛關注和深切焦慮，2009—2011年我國西南大旱更將這一爭論推到了風口浪尖。林業部門、利益相關者和部分桉樹研究人員認為，桉樹是生態之樹、致富之樹，桉樹致旱之說無科學依據：雷州半島桉樹人工林年蒸騰耗水約占年降雨量的35%[5]；桉樹水分利用效率高，合成每千克干物質耗水量比松樹和相思樹少得多[6]；干旱季節，桉樹根系到達不了地下水位[7]；桉樹用不到全國3%的林地生產了18%的木材[8]；專題調研結果顯示西南大旱與桉樹無關[9]。然而，也有研究認為，桉樹生長快，生長過程中需要消耗大量水分，大面積引種桉樹抽干了土壤水分，導致土壤板結、肥力衰竭、地下水位下降、生態多樣性減弱[10-12]，長此以往將導致水資源減少、河流干涸、土地荒蕪；國外大量研究也表明，桉樹人工林使河川徑流減少，有的減少達60%，甚至完全干枯，尤其是枯水徑流[12-13]。本研究通過探討華南丘陵地區桉樹人工林土壤剖面根系分布與土壤含水率、土壤容重的相關關系，初步揭示桉樹人工林的耗水機理。

2 調查方案

2.1 樣地概況

樣地位于廣東省鶴山市、佛山市、云浮市交界的泗合水流域內。流域集水面積131 km2，屬南亞熱帶季風氣候區，多年平均降雨量1 696 mm，多年平均蒸發量868 mm，4—9月為雨季。流域為丘陵地貌，海拔13～637 m，其中海拔13～100 m之間的流域面積占83%。土壤主要為花崗巖和砂頁巖風化而成的赤紅壤，主要土地利用方式為林地和農地，林地約占流域面積的81.5%，其中人工桉樹林約占林地面積的65.2%。

通過地形分析、流域現場調研和訪談、土壤水分分布調查等，綜合選定海拔、坡度、土壤水分等接近流域平均值的區域，然后在該區域內選取樹齡、樹高、胸徑等大致為當地平均值的桉樹作為調查樣本。樣本樹齡約4年，樹高約11 m，胸徑9.9 cm；所在樣地經緯度坐標為112°12′27″E、22°37′36″N，海拔39 m，坡度9.97%。

2.2 取樣與測定方法

人工桉樹根系采用傳統的挖掘法[14]進行調查，調查深度2 m。在開挖桉樹的過程中，同時使用環刀以10 cm為間隔分層取原狀土樣，每層取3個土樣帶回實驗室測定土壤容重和水分。斷面開挖完畢后(見圖1)，以10 cm為間隔分層收集所有根系，使用游標卡尺分別量出根系的直徑，并按0～1、1～2、2～3 mm……進行分類，量出所有根系的長度。內業計算時，分別算出每一土層每個類別根系的總長，然后根據該類別根系總長和平均直徑算出根表面積，最后將層內所有類別的根表面積累加起來得到各深度區間的根表面積。采用烘干法測定土壤質量含水率，采用環刀法測定土壤容重，取樣本均值。

圖1 根系斷面影像

3 調查與測定結果

3.1 根系垂直分布情況

樣本桉樹根系剖面重構及分布見圖2。除主根扎入較深(超過200 cm)外，90%的根系分布在包氣帶90 cm內，其中0～10 cm內主要是連接樹干的木質化粗老根，吸水能力強的鮮潤毛根主要分布在10～70 cm土層。在0～10 cm土層雖有不少的根系(根表面積為831 cm2)，但這些根系基本上在接近10 cm的深度，靠近地表幾乎沒有樹根，從地表至第一層根系分布深度之間存在一段分布空白區(小于10 cm)，根系總體從接近10 cm深度開始分布，向下逐漸增多至30 cm深度，然后從30 cm深度開始往下逐漸減少，其中20～30 cm深度土層內根系分布最密集(根表面積為11.08 dm2)。

3.2 土壤容重分布情況

根系剖面土壤容重分布見圖3。由圖3可看出，土壤容重從表層開始向下呈線性迅速增大至60 cm深度，然后從60 cm深度開始向下以一個相對緩慢的趨勢減小至140 cm深度，140 cm深度以下土壤容重相對穩定。

圖3 根系剖面土壤容重分布

3.3 土壤水分分布情況

根系剖面的土壤質量含水率見圖4。由圖4可看出，土壤質量含水率從表層開始向下呈線性迅速減少到50 cm深度，然后從50 cm深度開始向下呈線性急速增長至140 cm深度，140 cm深度以下土壤含水率變得相對穩定，保持在23%左右。

圖4 根系剖面土壤質量含水率分布

4 結果分析

4.1 土壤容重與根系分布的關系

土壤容重與根表面積的回歸分析見圖5。由圖5可看出，點據相對離散，最佳的回歸關系R2僅0.15，F=3.08>Fα=3.01(α=0.1)，其回歸關系要在α=0.1時才勉強成立，土壤容重與根系分布之間的關聯不顯著。一般來說，土壤應該在表層較疏松而下層較緊密，而且在根系層內由于間隙較多會比較疏松。從根系剖面土壤容重分布情況可見，在主要的根系層內，下層土壤比上層土壤緊實，而往下則相反。根據現場訪談調查及分析推論，認為形成這種現象的原因主要是：①修建臺田時破壞了原有的自然結構，在坡地種植桉樹時會先修建分級的種植平臺，修建過程的開挖與填土對土壤的緊實度產生了影響；②雨水下滲形成的土壤淋溶作用，使上層疏松土壤中的黏粒在隨雨水下滲過程中向下淋溶，填塞根系形成的土壤間隙并在剖面中層沉積，導致該處土壤較其他位置緊實；③土壤干燥失水收縮導致土壤容重增大。

圖5 土壤容重與根表面積回歸分析

4.2 土壤質量含水率與根系分布的關系

土壤質量含水率與根表面積的回歸分析見圖6。由圖6可看出，土壤水分分布與根表面積分布具有顯著的負對數相關，R2=0.78，F=62.82>>Fα=4.41(α=0.05)。結合回歸散點圖(見圖6)及根系分布圖(見圖2)來看，以30 cm深度為界(根表面積≤8.11 dm3)，30～200 cm深度剖面的根系分布與土壤水分分布關系更為顯著，回歸分析圖的散點分布趨勢規律明顯且相對收斂。分析推論認為，影響表層30 cm剖面土壤水分的因素較多，除人工桉樹(喬木)外，林下灌草的蒸散發、大氣蒸發、降雨入滲、人類活動等都會影響表層土壤的水分狀況，而隨著土層加深，這些因素的作用逐步減弱消退，從而凸顯出中、深層剖面內根系與土壤水分的分布關系與規律。

圖6 土壤質量含水率與根表面積回歸分析

4.3 土壤體積含水率與根系分布的關系

綜合考慮根表面積和土壤容重對土壤水分分布的影響，將土壤質量含水率換算成體積含水率(體積含水率=質量含水率×容重)，然后以根表面積為自變量，土壤剖面體積含水率為因變量進行回歸分析，結果見圖7。由圖7可知，土壤體積含水率與根表面積的相關性十分顯著，R2=0.82，F=82.34>>Fα=4.41(α=0.05)，說明根系分布是土壤水分垂直分層變化的一個重要因素，其相關關系高于土壤容重、土壤質量含水率與根表面積的相關關系。

圖7 土壤體積含水率與根表面積回歸分析

5 結 論

我國桉樹人工林地處南方熱帶、亞熱帶地區，雖降水豐富，但降水主要以大雨、暴雨形式集中在雨季，工農業生產及生活用水主要來源于雨季地表蓄水和旱季地下水出流。因此，人們普遍關注桉樹人工林是否會過多消耗水分而使區域水資源減少。崔玨等[15]研究表明，廣東省泗合水流域2003年起年徑流量發生突變，全年減小22.5%(其中人類活動貢獻率占66.5%)，枯水徑流量減小達44.5%。2000年以來，泗合水流域原次生林被大量開墾種植為速生桉人工林，這被認為是導致流域徑流量減小的重要原因。本次研究發現，土壤剖面水分分布與桉樹根系分布存在十分顯著的負相關關系，印證了桉樹對土壤水分消耗存在重要影響；但土壤剖面容重與桉樹根系分布之間不存在顯著的相關關系，表明林下土壤板結并非由桉樹自身生長消耗土壤水分、養分直接引起。