黄土高原半干旱区柠条锦鸡儿根系水力再分配过程及其对土壤水分异质性的调控机制研究

黄土高原是我国乃至全球水土流失最为严重的地区之一，该地区半干旱区的生态系统特别脆弱。在这片区域里土壤水分的时空差异是制约植被恢复以及生态重建的关键因素。柠条锦鸡儿是当地典型乡土灌木，其根系发达并且抗旱能力非常强，所以成为人工植被建设的优势物种。近年来研究发现，柠条锦鸡儿不但能适应干旱环境，而且还可能借助根系水力再分配主动调节土壤水分分布，这种机制对于维持系统水分平衡十分重要。

根系水力再分配说的是植物通过根系网络把深层土壤里的水分输送到表层干旱土壤，或者在不同根区之间传递水分的一个过程。此过程的核心是由根系不同部位的水势差驱动的被动水流运动。在表层土壤干燥但深层水分充足的情况下，植物会在夜间蒸腾减弱时将深层水分释放到表层，从而形成“生物灌溉”效应。在黄土高原半干旱区，这种水分再分配能够明显改善土壤水分的空间差异，为浅根植物和微生物群落提供生存所需要的水分，进一步促进生态系统稳定。

这一过程的实现主要依赖于植物根系形态结构特性和水生理特征共同发挥作用。柠条锦鸡儿的根系主根深深扎入土壤、侧根广泛分布，这样的结构既保障了获取深层水分的能力，又为水分横向输送提供了通道。同时它的根系导水率高、水阻低，能够在夜间蒸腾减弱时实现水分的逆向输送。在实际观测当中，这一过程通常需要利用土壤水分监测系统、热扩散液流技术等手段来进行量化分析，而调控效率会受到土壤质地、根系密度和气象条件等多方面因素的综合影响。

深入开展对柠条锦鸡儿根系水力再分配机制的研究，不仅能够揭示半干旱区植被适应干旱的生理生态策略，而且能够为区域植被恢复技术提供理论方面的支持。经过科学地调整植物群落结构，增强根系水分再分配的效果，能够提高土壤水资源利用效率，减少人工灌溉需求，这对于生态脆弱区的水土保持和可持续发展具有重要的实践意义。

本次研究区域在黄土高原半干旱区中段，其地理坐标范围是东经从107°45′到108°10′、北纬从35°30′到35°55′。这里是典型的温带大陆性季风气候，多年平均降水量为420毫米，不过降水时间分布不均匀，超过60%的降水集中在7到9月这个时间段。年平均气温是8.5℃，年蒸发量达到了高达1650毫米的程度，干燥度超过1.5。地形主要为黄土梁峁，海拔处于1200到1500米之间，大部分区域的坡度是10°到25°。土壤类型是黄绵土，质地主要以粉砂壤土为主。0到100厘米土层的平均容重为每立方厘米1.35克，田间持水量为22%，有机质含量大约是每千克8.5克，pH值大约为8.2。在研究区域内，柠条锦鸡儿呈现出斑块状分布的状态，主要是5到8年生的人工林。其平均株高为1.8米，冠幅为1.2米，密度大约是每公顷1800株，整体的生长情况比较好。

试验依据控制变量原则来设计，在研究区域里面挑选了三个独立样地，这些样地的坡向都是半阳坡，坡度在15°左右（允许有±2°的误差范围），而且植被密度也比较接近。在每个样地内布置了4个面积为10米×10米的样方。其中有两个样方作为处理组，使用双向根系分隔技术把柠条锦鸡儿的根系和周围土壤隔离开来，并且在生长季还进行了模拟增雨处理，增雨量为正常情况的30%。另外两个样方作为对照组，保持自然状态不做额外处理。在样方边缘留出1米宽的缓冲带，目的是减少边缘效应所带来的影响。在试验期间，不允许出现放牧、刈割等人为干扰情况，只进行必要的病虫害防治工作，以此保证监测数据能够真实地体现出根系水力再分配过程以及其对土壤水分异质性的调控作用。每个处理都要重复3次，这样总共就布置了12个样方。通过使用中子水分仪和时域反射仪对0到300厘米的土壤水分动态进行分层监测，同时测定植物水势和蒸腾速率，从而满足对水力再分配过程进行定量分析的需要。

根系水力再分配的测定是一项关键技术，这项技术的作用是量化植物根系在不同土层间传输水分的过程。本研究选用稳定同位素示踪法来开展相关研究，稳定同位素示踪法依靠氢氧稳定同位素（δD和δ¹⁸O）在水分迁移时具有守恒特性这一特点，通过对同位素信号在根系 - 土壤系统中动态变化情况进行追踪，就能够精确地识别出水分再分配的方向以及强度。其原理是，当特定土层（比如说深层湿润土层）的水分被根系吸收并且向土壤上层运输的时候，这个特定土层特有的同位素组成会作为天然示踪剂，在浅层土壤和根系当中表现出来，这样就可以明确水分的来源。

同位素标记采用的是原位脉冲标记方案。标记部位选择在深度为120 - 150cm的土层，这一土层是柠条锦鸡儿的主要吸水层，而且这一土层与表层土壤的水分特征有着明显的差异。标记时间确定在没有降水事件发生之后的夜间时段（02:00 - 04:00），在这个时间段植物的蒸腾作用比较弱，能够有效地降低同位素分馏所带来的干扰。标记量是通过计算目标土层的孔隙体积来确定的，每公顷施加150L富集水（δD = +150‰，δ¹⁸O = +50‰），这样做是为了保证标记强度足够覆盖自然变异的范围。

样品采集是按照时空动态监测的原则来进行的。根系样品按照径级进行分别采集，径级分为<2mm的细根和2 - 5mm的粗根这两种；土壤样品则是按照0 - 10cm、10 - 30cm、30 - 60cm、60 - 90cm、90 - 120cm这些不同的层次来采集。采样时间安排在标记之后的0h、6h、12h、24h、48h、72h和120h，每次采集的时候都设置3个重复样本。采集完成之后的样品需要马上装入锡纸袋，然后存放在温度为 - 20℃的冰箱里面，这样做是为了避免同位素发生交换。

样品前处理采用的是标准化流程。对于土壤样品，要先进行冷冻干燥处理，在冷冻干燥之后挑出其中包含的根系等杂物，接着再进行研磨并且过100目筛；对于根系样品，先用去离子水进行冲洗，冲洗之后先在105℃的环境下杀青30分钟，然后在65℃的环境下烘干，一直到重量稳定为止，最后进行研磨并且过60目筛。水分提取使用的是真空蒸馏法，使用这种方法要确保提取率不低于98%。同位素测定借助的是液态水稳定同位素分析仪（Picarro L2130 - i），这台仪器的精度为δD≤1‰、δ¹⁸O≤0.2‰。水分贡献率是通过δD - δ¹⁸O二元混合模型来计算的，具体的公式为：

在这个公式当中，$f${deep}代表的是深层水分的贡献率，$\delta${sample}指的是样品的同位素值，$\delta${deep}和$\delta${shallow}分别指的是深层和浅层的端元值。方法的可靠性通过三个方面来进行控制：第一个方面是用多同位素（δD和δ¹⁸O）进行交叉验证；第二个方面是设置未标记的对照区域；第三个方面是通过重复样品的标准差将测定误差控制在±5%以内。使用这一方法能够准确地识别出夜间水力提升和日间水分再分配的动态过程，能够为研究根系调控土壤水分异质性的机制提供直接的数据支撑。

研究柠条锦鸡儿根系的水力再分配过程及其生态效应，土壤水分异质性监测很关键。这项监测工作目的在于测量土壤水分在空间分布上的不均匀状况以及随时间变化的动态特征，以此为分析根系调控土壤水分的机制提供基础数据。监测的主要指标有三个，分别为土壤体积含水量、土壤水势以及土壤水分的空间分布格局。土壤体积含水量可直接显示单位体积土壤里水分的绝对含量，是衡量土壤水分状况的核心参数；土壤水势代表水分的能量状态，能揭示水分运动的动力来源；土壤水分的空间分布格局借助统计分析方法描述水分在空间的变异特征，有助于找出根系活动导致的水分再分配区域。

选择监测方法时要保证精度且考虑实际应用方便。时域反射仪（TDR）和频域反射仪（FDR）因测量速度快、对土壤影响小而应用广泛，适合用于连续监测土壤体积含水量的动态变化。中子仪适合大范围、深层土壤的水分测量，但要特别留意放射性防护问题。张力计能直接测量土壤水势，尤其是在水分胁迫的情况下灵敏度较高。为保证数据可靠，所有设备在使用之前都要进行严格校准，例如TDR探头要用标准溶液进行标定，张力计需要进行除气处理，并且还要验证它的响应范围。

布设监测点要体现出土壤水分的空间异质性。在垂直方向上，沿着土壤剖面设置0 - 10cm、10 - 30cm、30 - 60cm、60 - 100cm等不同深度的梯度，这样做能够捕捉根系在不同土层的活动特点。在水平方向上，从坡顶到坡脚沿着坡面均匀布置样点，同时针对柠条冠幅中心、冠幅边缘、裸地这些典型的微地貌设置对比样点。每个样点要进行多次重复测定以减少随机误差，一般来说至少要取3个平行样本。

监测时间安排需根据环境因素的变化灵活调整。在生长季的时候，每周进行1次常规监测，在降水前后还要增加监测次数。比如说在降水前24小时、降水后马上、降水后24小时、降水后72小时各测量一次，这样能够捕捉根系对脉冲式水分输入的反应。在非生长季可以降低监测频率，每月测量1次即可。所有监测数据都要详细记录环境参数，像气温、降水量、植被物候期等，这样便于综合分析土壤水分异质性的驱动机制。通过这样一套系统的监测方案，能够有效揭示柠条锦鸡儿根系在不同时间和不同空间尺度下对土壤水分的再分配规律以及其对土壤水分异质性的调控作用。

本研究里，数据处理和分析是重要步骤。此步骤的目标是运用系统方法来挖掘原始数据内部存在的规律，对根系水力再分配过程以及它对土壤水分异质性的调控机制进行科学验证。

数据预处理的第一步是对原始观测数据实施质量控制，也就是采用拉依达准则把明显偏离整体分布的异常值剔除掉，这样做的目的是保证数据具有可靠性。要是遇到少量缺失值的情况，就依据时间序列特征使用线性插值法进行补充，以此防止数据缺失对后续分析产生影响。为了消除不同指标的量纲差异，要对所有数据都进行Z - score标准化处理，其公式如下：

这里面，\(x\)表示的是原始值，\(\mu\)指的是均值，\(\sigma\)代表的是标准差。
在分析根系水力再分配的时候采用了氢氧稳定同位素技术，具体是先对实测同位素值开展分馏校正，校正公式为：

其中$\delta${raw}为实测值，$\delta${atm}是大气水同位素值。水力再分配量是通过同位素质量平衡法来计算的，也就是结合各土层的水分含量和同位素组成建立质量平衡方程。在比较不同处理组差异的时候使用单因素方差分析（ANOVA），并且用LSD法进行多重比较；在评估根系水力再分配强度与土壤水分含量的相关性时，采用的是Pearson相关系数。

对土壤水分异质性的分析从时间和空间两个维度展开。空间异质性通过变异系数（CV）和地统计学方法进行量化，其中半变异函数拟合采用球状模型，其表达式为：

式子里，\(c_0\)是块金值，\(c\)为拱高，\(a\)代表变程。土壤水分异质性在时间上的动态变化规律是通过ARIMA时间序列模型来分析的。在研究根系水力再分配与土壤水分异质性的耦合关系时，采用了结构方程模型（SEM），通过路径分析对直接和间接效应进行量化。

所有的统计分析是利用R语言4.2.1来完成的，地统计分析是借助ArcGIS 10.8实现的，而数据可视化则是运用ggplot2包生成折线图、热图和克里金插值空间分布图。这样一套系统化的数据分析流程能够保障研究结论具备科学性和可重复性，为揭示半干旱区植物 - 土壤水分互作机制提供了可靠的依据。

针对黄土高原半干旱区柠条锦鸡儿根系的水力再分配过程，以及该过程对土壤水分异质性的调控机制展开系统分析，得到了几方面重要结论。根系水力再分配是植物通过根系，将深层土壤中的水分往上运输到表层干旱土壤的生理过程，也就是这么一种现象，植物利用自身的根系把深层土壤里含有的水分，向着表层比较干旱的土壤进行输送，这一过程在柠条锦鸡儿身上体现得十分明显。这一过程的核心原理在于，夜晚的时候植物根系的蒸腾作用会减弱，这时主要依靠根内外存在的水势差异，促使水分逆向运输，这样一来就能缓解表层土壤面临的水分胁迫问题。

通过实验获取的数据能够清晰显示出，柠条锦鸡儿根系水力再分配的高峰是在凌晨2点到4点这样一个时间段，而最大再分配量能够达到日均蒸腾量的15%-20%。通过这样的水力再分配过程，明显降低了0 - 30厘米土层的土壤水力梯度，与此同时提升了水分利用效率。在具体进行实验操作的时候，把热脉冲技术和土壤水分动态监测手段结合起来使用。通过布置热扩散探针和时域反射仪，同步对根系水分运输速率和土壤含水量进行观测。这样的方法能够较为准确地对水力再分配在时间和空间上所体现出的动态特征进行量化，很好地为后续相关研究提供了标准化的操作参考。

在实际应用当中，柠条锦鸡儿根系水力再分配，一方面提升了柠条锦鸡儿自身在干旱环境下的生存能力，这是因为改善了柠条锦鸡儿根系周围土壤的水分条件，让其能够在干旱环境下有更充足的水分维持生长；另一方面还通过持续改善表层土壤的水分条件，对周边浅根植物的生长起到了促进作用。周边的浅根植物因为表层土壤水分条件变好，有了更加适宜的生长环境，其生长态势会更加良好，这对于维持生态系统稳定有着非常重要的意义。而且，这种水分再分配机制还能够有效地缓解土壤水分异质性问题，降低由于土壤中水分分布不均匀而引发的养分流失风险。通过减轻土壤水分分布的不均匀状况，让土壤中的养分能够更好地保留在土壤当中，为黄土高原地区的植被恢复和生态重建提供了切实的理论支撑。研究结果清晰地表明，深入认识植物根系的水分调控过程，对于优化水土保持措施、提升荒漠化防治效果有着重要的实际应用价值。在未来的工作当中，可以通过筛选水力再分配能力更强的植物品种，进一步提高半干旱区生态系统的水分利用效率和抗逆能力，也就是选择那些能够更高效地进行水分分配的植物品种，让半干旱地区的生态系统在水分利用方面更加高效，并且在面对干旱等不利环境时具有更强的抵抗能力。