旱季雨季对黄土丘陵退耕区植被根系分布及水分利用的影响

常恩浩，李 鹏，张铁钢，肖 列，徐国策，赵宾华，张 祎



旱季雨季对黄土丘陵退耕区植被根系分布及水分利用的影响

常恩浩，李 鹏※，张铁钢，肖 列，徐国策，赵宾华，张 祎

（西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048）

黄土丘陵区属于季节性干旱的区域，研究退耕生态系统植被根系分布及其水分利用特征对植被恢复具有重要意义。该研究利用稳定同位素技术，采集黄土区5种典型退耕植被群落的根系、土壤样品，分析根系形态结构和稳定同位素特征，探讨根系在不同季节的吸水策略。结果显示：旱季茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草、达乌里胡枝子群落和油松的根长密度（16.3、21.7、17.3、17.3、6.0 mm/cm3）分别是雨季（1.7、2.1、3.2、5.9、4.2 mm/cm3）的9.4、10.2、5.3、2.9、1.4倍，茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草根系对土壤水分季节变化的响应较为敏感。茵陈蒿群落仅可利用0～10 cm土壤水，旱季铁杆蒿、白羊草群落主要利用30～40 cm土壤深度的水分，雨季吸水深度上移至0～20 cm。旱季达乌里胡枝子和油松主要利用60 cm以下的土壤水分，雨季则吸收20～40 cm土壤水分。表明退耕植被群落根系在不同季节的吸水策略不同，旱季吸收较深的土壤水而雨季则吸收近地表的土壤水，吸水深度范围的季节变化与土壤水和根系分布变化相一致。该研究为黄土丘陵区退耕植被对流域生态水文过程影响的研究提供科学依据。

植被；同位素；土壤；黄土丘陵区；退耕还林（草）；根系分布；水分利用

0 引 言

黄土高原是中国生态环境建设的重点区域，以退耕还林（草）工程为核心的生态修复是当地生态环境建设的主要内容。在干旱半干旱区，水分是制约植物生长、物种丰富度、初级生产力以及草原稳定性的主要生态因子[1-2]，植物从土壤-根系-茎的通路吸收水分是地下水文过程的主要组成部分[3]，而水文过程决定了土壤-植被系统的演化方向和生态功能[4]。根系作为植被与土壤进行物质循环和能量流动主要载体[5]，其深度和分布决定植物吸收土壤水分的潜在来源[6]。因此，在生态与水文交叉和融合的基础上，进行退耕植被根系与土壤水分的研究，对于全面认识植被恢复过程与生态功能及评价其对整个小流域水资源的利用特征至关重要。

不同生活型的植物其吸收土壤水分的策略不同[7]。在以植物水分利用来源为研究核心的土壤-植被-大气体系中，相比传统方法，氢氧同位素作为水的“指纹”能够提供土壤水分来源、运移和混合等信息[8-9]。由于植物根系从土壤中吸收水分时并不发生同位素分馏[10]，对土壤和植物组织内水分天然同位素的研究有助于了解植物对水分的利用和竞争策略[11]。White[12]采用这种方法研究了地下水位相对较深地区的北美乔松（）水分利用情况，干旱年夏季的和湿润年夏季分别利用了20%和32%的雨水；而在地下水位相对较浅的地区，仅利用10%和16%的雨水。张铁钢等[13]研究土石山区侧柏（）和玉米（）吸水深度变化时发现，当土壤发生干旱时，侧柏主要吸水深度向上移动，而玉米根系吸收土壤水分的主要深度范围增加。McCole和Ward等[14-15]在爱德华兹高原研究发现大西洋雪松（）在夏冬季利用水分深度不同，并指出乔木、灌木等深根性植物利用稳定的深层水源，而草本等浅根性植物吸收表层不稳定水源。Liu等利用稳定同位素证明了亚高山区丝毛柳等灌木水分利用和其根系分布具有显著相关性[3]。总之，稳定同位素技术逐渐成为分析植物水分利用特征的重要研究方法，而目前的研究一方面集中在森林区[16-17]、亚高山区[3]和高寒区[18-19]的乔木植物或农作物[20-22]，针对林木和农作物在不同生长时期、不同降雨（灌溉）条件下的水分利用做出了总结，在森林培育和农田灌溉等方面取得了有益成果；另一方面对黄土区退耕植被的研究多集中在植物群落多样性[23]、土壤理化性质[24-25]以及土壤水分变化[26]。而基于稳定同位素技术下退耕植物水分利用特征的研究鲜见。黄土区退耕还林（草）后植被吸水深度下延，增加了植物吸收土壤水分总量和土壤储水量，从而改变了区域水文过程[27]，因此对该地区退耕植物水分利用的研究不可忽视。

为深入了解黄土丘陵区不同生活型退耕植物在不同季节对土壤水分的响应，本文以植被群落为研究对象，通过调查取样，分析植物根系特征，揭示根系在不同季节的分布规律；应用稳定同位素多元质量守恒的Iso-source模型，定量化植物吸收不同土壤深度水分的贡献率，阐明根系响应土壤水分变化的机理和植物的土壤水资源利用模式，以期为黄土丘陵区植物用水机制和生态需水等关键性问题的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.1.1 研究区自然概况

研究区位于陕西省绥德县王茂沟流域，是黄河中游黄土丘陵沟壑区第1副区具有典型代表性的1条流域，也是无定河左岸的1条2级支沟，流域面积5.97 km2。自20世纪50年代开始，为改善黄土丘陵区严重的水土流失状况，黄委会绥德水土保持科学试验站将王茂沟流域作为试验性治理小流域之一，同时开展沟道淤地坝工程和坡面治理工程。直至90年代，响应国家退耕还林(草)政策，流域坡耕地陆续退耕。

流域坐标为110°20′26″E～110°22′46″E，37°34′13″N～37°36′03″N，海拔高度940～1180 m，属大陆季风性气候，四季分明，多年平均气温10.2 ℃，多年平均降水量513 mm，多集中在汛期（6－9月），约占全年降水的73.1%。土壤主要以黄绵土为主，覆盖厚度20～30 m，采样坡地全部位于流域主沟道左岸的阳坡中，避免其他景观因子对试验结果产生影响。流域位置如图1所示。

1.1.2 气象因子观测

在流域的沟口和沟中位置分别布设2组小型自动气象站（HOBO U30 NRC 美国），在本研究中主要观测大气温度和降雨量，用于记录降雨事件发生时间和降雨量，避免前期降雨对土壤水分影响，观测频率为5 min/次。采样前期降雨量和雨水氧同位素比值见表1，研究区采样周期内大气温度和降雨量如图2。

表1 2015年采样前期降雨量和雨水δ18O氧同位素比值

1.1.3 典型采样地确定

本研究结合黄土区植被演替过程[28]和当地主要植被类型调查结果，选择5种典型退耕植被群落样地，分别是：茵陈蒿群落、铁杆蒿群落、白羊草群落、达乌里胡枝子群落、人工油松林地，采样地调查情况如表2。

1.2 野外采样方法

1.2.1 样方与采集深度设置

2015年4月23日和7月31日进行根系和土壤样品采集。每种退耕植物群落分别选择2～3块样地，其中茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草和达乌里胡枝子群落各2块，油松林3块（图1），每块样地设立5个样方。采样坡地以灌木和乔木为优势种时，保证每个采集点与灌丛或树木间的距离相等，避免因距植物茎干不同水平距离而导致的误差（如：根系量、土壤含水率等）。用内径9 cm、桶长10 cm根钻垂直向下采集，根据以往黄土区植被根系的研究[29-31]，分别确定草本、灌木、乔木群落的采集深度。茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草样地采集深度为50 cm，分别是0～10、>10～20、>20～30、>30～40、>40～50 cm；达乌里胡枝子样地采集深度为80 cm，分别是0～10、>10～20、>20～40、>40～60、>60～80 cm；油松林样地采集深度为100 cm，分别是0～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～100 cm。

表2 样地调查情况

1.2.2 根系与土壤样品采集

不同生活型植物采集植物水同位素样品的方法各异。对于茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草等草本植物，首先在每块样方中选择长势良好的植株，使用铁锹挖出其完整根系并采取“抖根法”[32]清理根际土，之后用剪刀将其须根和地上部分分离，选取粗根作为（根茎结合部分）植物水同位素样品[33]；对于半灌木植物达乌里胡枝子和乔木植物油松，则选取地表面直径大于5 mm的主根系且剥去表皮，所有植物样品均为植物木质部组织。将采集到的植物水同位素样品迅速装入30 mL的取样瓶中，并用Parafilm封口膜密封，立即放入便携式冰箱内低温保存。在采集植物水同位素的样点附近（0～10 cm距离），选取靠近采样植株且生长状况相似的优势种植株，使用根钻垂直向下分层取土，从土芯中挑拣出所有根系装入密封袋，作为根系形态样品；同时将一部分土壤装瓶，密封，冷存，作为土壤水同位素样品，植物和土壤水同位素样品带回实验室后在4 ℃下冷藏直至抽提分析；最后将剩余土壤装入铝盒内，进行土壤含水率测定。

1.3 数据处理

1.3.1 根系形态指标测试

将根系样品清洗后，用根系扫描仪EPSON TWAIN PRO(32 bit)的16位灰度模式扫描，精度为300DPI。使用根系分析软件WinRHIZO分析扫描图片，得到根长、根表面积和直径等根系特征参数。根长密度（RLD, root length density）为各土层根系根长与相对应土壤体积之比[34]。

1.3.2 土壤水、植物水抽提与氢氧稳定同位素测试分析

土壤-水、植物-水抽提分离和同位素测试试验分别于2015年4月28日和8月6日在西安理工大学水文循环实验室进行。利用真空抽提设备（LI-2000，理加公司，中国）对土壤-水和植物-水进行分离[35]；使用液态水同位素分析仪（DLT-100，LGR公司，美国）测定氢氧同位素。氧的同位素比值18O是以相对于VSMOW的千分率（‰）计算得出，精度分别为0.5‰和0.15‰。公式为

式中sample为水样中18O/16O的比率，而VSMOW为VSMOW标准水样18O/16O的比率。

1.3.3 土壤含水率与植物利用土壤水比例的计算

1）土壤含水率数据采用105℃烘干称重法计算获得。公式为

式中SW表示土壤含水率，%；表示土壤湿质量，kg；表示土壤干质量，kg。

2）采用同位素质量守恒的多元分析法，计算植物利用土壤水分的不同来源。该方法由 Philips等[36]提出，运用软件Iso-source计算得出（获取网址http://www.epa.gov/wed/pages/models/sta-bleIsotopes/isosourc-e/isosource.htm; Phillips & Gregg, 2003）。通过18O和D计算不同水分来源的可能组合，结合频次直方图计算某一深度水源可能的贡献比例。不同深度土壤水来源的相对贡献可用以下方程表达

（4）

式中δX表示植物水的18O；1、2、3、4、δx分别表示第1、2、3、4、5层土壤水分的18O；1、2、3、4、5分别表示第1、2、3、4、5层土壤水对植物水的贡献率；计算分数的增量设定1%，不确定水平为0.1%。

采用单因素方差分析（ANOVA），对不同季节间根长密度差异显著性进行检验。试验数据统计分析由Excel 2010软件完成，所有图表由Oringin8.5和Photoshop CS4软件完成，单因素方差分析（ANOVA）由SPSS20.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 退耕植被群落根系与土壤水分布特征

根系在生长期内的分布特征，可以有效说明植被对土壤性质响应关系[37]。根系的根长密度决定植物吸收土壤水分或养分的能力[38]，相比根系生物量等其他指标，在反映根系生理生态功能方面更有意义[39]。从表3和图3可以看出，旱季根系的根长密度大于雨季，旱季茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草、达乌里胡枝子、油松根系的平均根长密度（16.3、21.7、17.3、17.3、6.0 mm/cm3）分别是雨季（1.7、2.1、3.2、5.9、4.2 mm/cm3）的9.4、10.2、5.3、2.9和1.4倍。对不同季节植物群落根系的根长密度作差异显著性检验后得出（表3），茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落的根长密度在不同季节间存在显著差异（<0.05），达乌里胡枝子群落和油松的根长密度差异不显著（>0.05）。结合土壤水分分布的季节变化（图4），可知旱季土壤含水率低于雨季，而旱季茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落根系的根长密度显著增加，从而说明这3种草本植物的根系在其分布范围内受土壤水分的影响较为明显。反之，达乌里胡枝子和油松的根系受土壤水分的影响不明显，说明其根系对土壤水资源环境变化的适应性较强。

表3 植物群落根长密度平均值

注：同一列中具有相同小写字母表示不同季节间无显著性差异，显著水平=0.05。

Note: Same columns with the same small letters indicate that there is no significant difference between different seasons, significant level=0.05.

a. 旱季

a. Dry season

对比不同植被群落根系的垂直分布可以看出（图3），不同季节根长密度均随土壤深度增加而减小，且在不同土壤深度分布的比例存在差异。茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落根系集中分布在0～20 cm土壤中，其中旱季0～20 cm土壤中根长密度分别占0～50 cm土壤的64%、65%、59%，雨季则分别占86%、80%、74%，说明从旱季到雨季，这3种草本植物根系存在向上集中生长的趋势；达乌里胡枝子群落0～20 cm土壤中根系所占的比例为65%（旱季）、61%（雨季），油松为31%（旱季）、38%（雨季），说明从旱季到雨季，达乌里胡枝子和油松的根系密度在垂直土壤层中的变化较弱。

2.2 植物水、土壤水氧同位素分布特征

土壤水是植物最重要的水分来源。土壤由于本身的性质，如粒径、孔隙度等，导致不同层次氢氧稳定同位素存在差异，为区分植物不同水分来源提供了研究基础。由图5可见，在垂直剖面中，各退耕地旱季0～20 cm土壤水的18O值均最大，随着土壤深度增加18O值减小且逐渐趋于稳定。

在植物根系对土壤水分吸收的过程中，稳定氢氧同位素一般不会发生分馏[10]，因此植物组织内的水同位素组成能够反映出植物利用不同水源同位素组成信息，认为植物水的18O值与某一层土壤水的18O接近，就可以判断出植物主要吸水层[40]。从图5可以看出，退耕地植被在旱季和雨季吸水深度存在明显差异。旱季茵陈蒿群落（图5a）的植物水与土壤水的18O值相交于10～15 cm土壤深度范围内，从而说明其吸水深度大约在10～15 cm土壤，雨季（图5a）则为5～10 cm；旱季油松（图5e）吸水深度大约在>80～90 cm，雨季（图5e）在20～30和>40～50 cm，说明从旱季到雨季，退耕地植被群落的主要吸水深度存在上移情况，即植被水分利用来源发生不同程度的变化。

2.3 利用多元质量守恒模型确定植物根系吸水深度及季节变化

采用同位素质量守恒法可以定量分析不同水分来源对植物根系吸水的贡献比例，此方法通过计算所有满足条件的可能组合来确定水分的来源。表4显示了这一方法的计算结果，可表征旱季各退耕地植被群落水分利用来源情况。茵陈蒿群落在0～10 cm土壤深度处的土壤水利用比例最大（52.0%），表明茵陈蒿群落吸收的土壤水分有52%来自0～10 cm，从而说明这一土壤层是茵陈蒿群落在旱季的水分来源主要区域；铁杆蒿群落在30～40 cm土壤处的极值为68.4%，说明该群落在旱季的水分来源主要处于>30～40 cm土壤中；依此类推，白羊草群落吸水的66.8%在>30～40 cm土壤，达乌里胡枝子群落吸水的74.6%在>60～80 cm土壤，油松吸水的88.8%在80～100 cm土壤。由此可知，不同退耕植被群落吸收土壤水分深度不同，这与其根系在土壤剖面中垂直分布的深度密切相关。

由表5可以看出，雨季，茵陈蒿群落水分来源的86.5%来自0～10 cm土壤；铁杆蒿群落吸水的80.1%来自0～10 cm土壤；白羊草群落在0～10和>10～20 cm的土壤水分比例总和达到66.1%，说明该群落主要利用0～20 cm的土壤水分；达乌里胡枝子群落和油松的主要吸水深度均为>20～40 cm土壤，其土壤水比例分别为31.0%和66.1%。

表4 旱季植被群落吸收不同深度土壤水分的比例

注：加粗数值对应的土壤深度表示植物主要吸水深度，下同。

Note: Bold values of soil layer corresponding to indicate main water uptake depth of plant, the same as below.

对比旱季和雨季植物吸水深度的变化发现，旱季植物吸水深度较深，主要集中在>30～100 cm土壤，雨季则多集中在0～40 cm土壤。茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落吸水深度受到不同季节影响最为明显。雨季来临且0～20 cm土壤水分充足时，植物在0～20 cm土壤吸收水分的比例与旱季相比明显增大，其中茵陈蒿群落从68.7%增加到88.3%、铁杆蒿群落从1.4%增加到83.1%、白羊草群落从3.6%增加到66.1%。植物吸收表层或浅层土壤水分所消耗的能量较小，所以当表层或浅层土壤水分充足且可以利用时，植物优先吸收储存在表层或浅层的水分[41]。达乌里胡枝子和油松属于黄土区典型水土保持灌、乔木植物，由于大型植物需要更多的水分和养分来维持其生存和生长[42]，但旱季降水少，表层土壤受到强烈的蒸发作用导致严重缺水，无法满足植物生长的需要，而大型植物的根系能够在旱季利用深层土壤水分，适应季节性干旱的土壤环境。结合本研究，达乌里胡枝子和油松在土壤干旱发生时可以利用到60、80 cm以下的土壤水。

表5 雨季植物吸收不同深度土壤水分的比例

3 讨 论

3.1 根系分布与植物水分利用的关系

根系的分布决定植物利用水分来源，同时土壤水分的变化也是束缚根系分布的关键影响因子。植被根系分布特征主要取决于土壤水分在垂直和水平方向的分布和根系形态的可塑特性[43]，并且根系具有感知土壤水分梯度的能力，拥有向土壤湿润区域发展的向水特性[44]。本研究中，茵陈蒿群落根系在不同季节分布的差异较大，旱季根长密度是雨季的9.4倍，在雨季且0～20 cm土壤水分充沛时，其根系在0～20 cm土壤中分布的比例从旱季的64%增加到雨季的86%，增加幅度是所有群落中最大的，这表明该群落根系响应土壤水资源变化最为敏感，并且具有良好的可塑性。旱季铁杆蒿和白羊草群落的主要吸水深度在>30～40 cm的土壤，雨季则上移至0～10和>10～20 cm，同时根系在0～20 cm土壤中分布比例分别从65%增加到80%、59%增加到74%。茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落的根系通过响应水分条件变化来改变形态结构，从而以最优的水分利用模式适应多变的土壤水资源环境，Asbjornsen等在美国中西部地区研究发现须芒草（）在干湿季节，通过根系的可塑性功能来改变根系吸水深度，使得须芒草在干旱环境下能高效率地利用有效水分和养分，从而其比伴生植物具有较强的水分和养分竞争优势[45]，与本研究优势种植物根系在不同土壤水资源条件下的吸水策略相吻合。旱季达乌里胡枝子群落和油松的主要吸水深度均在60 cm以下，雨季上移至>20～40 cm土壤中，对0～20 cm土壤水分利用较少，同时其根系的根长密度在旱季和雨季差异较小且不显著（>0.05）。Ward等在分析了全球36组有关乔、灌、草植物共生群落的研究中得出，干旱稀树草原区，树木与草本共生的群落主要通过草本植物根系的可塑性来减少水分竞争，使整个群落在水分短缺的条件下达成良好的共生模式[14]，这可能是本研究达乌里胡枝子群落和油松对0～20 cm土壤水分利用较少的原因之一。达乌里胡枝子和油松根长密度在不同季节差异较小的原因可能是，干旱半干旱区灌木和乔木植物的二形态根系功能作用，在雨季侧根吸收浅层土壤水而旱季主根利用深层土壤水或地下水，这种功能使得乔灌植物避免完全通过根系形态的重塑来适应季节性干旱[46]。

3.2 土壤水分布、植被演替与植物水分利用的关系

黄土丘陵区旱季和雨季降水的分布存在明显差异，导致了土壤水分和根系分布的季节性差异。随着土壤含水率增加，植物吸收水分比例普遍增加[21]。从旱季到雨季，茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草群落0～30 cm土壤水分变化较大，由Iso-source模型得出这一层土壤水对植物水分利用的贡献率分别由80.4%增加至97.3%、3.5%增加至93.4%、25.3%增加至74.9%（表4）。达乌里胡枝子群落和油松土壤水分在0～50 cm土壤变化较大，该土壤范围内的水分利用贡献率分别由25.3%增加至89.4%、4.3%增加至84.2%。本文研究5种典型退耕植被其生长的立地条件相近，仅存在退耕年限的差异，其中4种自然退耕样地按照年限长短依次为：退耕2～3 a茵陈蒿群落、8～10 a铁杆蒿群落、14～16 a白羊草群落、19～22 a达乌里胡枝子群落，依照黄土区植被演替序列[27]，可视为空间代替时间的演替序列。随着演替发展，群落物种多样性增加，结构、组成和稳定性增强[47]，对有效资源的利用率和范围增加[48]。退耕2～3 a茵陈蒿群落在旱季和雨季主要吸水深度均为0～10 cm，而19～22 a达乌里胡枝子群落主要吸水的深度范围为>20～80 cm，说明在黄土区，演替后植物对有效资源利用率和范围的增加表现为吸收土壤水分深度范围的增大。旱季油松林80～100 cm土壤含水率（约9.67%）在0～100 cm（约10.88%）的各个土壤层中最小。旱季油松88.8%的水分来源于>80～100 cm土壤层，从而说明油松较高的吸水比率是导致这一层土壤水分缺失的主要原因。Jian S Q在黄土丘陵区人工林对土壤储水量和水分平衡研究中发现，油松在林冠截留、减小地表径流、增加雨水入渗等方面作用较强，但其较高的蒸腾作用不利于增加土壤储水量，从而可能会导致景观退化[49]，可能与本文得出油松较大的吸水深度范围密切相关。邵明安等提出黄土区土壤干层的形成是由于气候及植物耗水原因，定义了土壤干层形成深度范围约为0～120 cm土壤深度，主要是由于大型植被在该土壤深度范围内过度耗水所致[50]，本研究油松能够利用到土壤水分的范围约为>20～100 cm，与邵明安等提出的干层形成深度范围相接近。

3.3 展 望

黄土丘陵区土壤深厚且地下水位较低，天然降水后入渗补给的土壤水是山坡植物唯一的水分来源，因此植被恢复与土壤水资源赋存的关系存在诸多问题。一方面为，随着黄土区退耕植物群落演替的发展，根系吸收土壤水分的深度不断增加。但一部分乔灌植被，尤其是人工恢复的乔木树林，可能出现对深层土壤水分利用过度的现象；另一方面，黄土区退耕还林（草）后景观尺度的转变，改变了山坡植物吸收土壤水分深度，从而改变了原有生态水文循环。为解决上述问题，未来还需进一步研究多个采样周期，以确定植物水分利用的年际变化，并细分植物水分的循环过程等，这将有助于了解植被恢复对区域水资源赋存方式的影响以及植被生态过程与山坡水文过程之间的耦合与反馈。

4 结 论

1）旱季茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草、达乌里胡枝子群落和油松的根长密度（16.3、21.7、17.3、17.3、6.0 mm/cm3）分别是雨季（1.7、2.1、3.2、5.9、4.2 mm/cm3）的9.4、10.2、5.3、2.9、1.4倍，茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草的根长密度在不同季节间存在显著差异（<0.05），其根系对土壤水分季节变化的响应较为敏感。

2）茵陈蒿群落仅可利用0～10 cm土壤水分，铁杆蒿、白羊草群落在旱季主要利用30～40 cm土壤的水分，雨季吸水深度上移至0～20 cm，达乌里胡枝子群落和油松在旱季可以利用到60、80 cm以下的土壤水，雨季则主要吸收20～40 cm的土壤水分。研究区各退耕植物群落利用土壤水的深度范围分别为：茵陈蒿群落0～10 cm、铁杆蒿群落0～40 cm、白羊草群落0～40 cm、达乌里胡枝子群落20～80 cm、油松20～100 cm，且水分利用深度的季节变化与土壤水、根系分布的季节变化相一致。

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Root systems distribution and water use pattern of vegetation from abandoned croplands during dry and wet season in Loess Hilly Region

Chang Enhao, Li Peng※, Zhang Tiegang, Xiao Lie, Xu Guoce, Zhao Binhua, Zhang Yi

(,710048,)

Soil water is a key limiting factor for plant growth, species richness, primary productivity and grassland stability in arid and semi-arid area all over the world. Root system is the linkage between vegetation and soil for material circulation and energy transformation. Since the Chinese government implemented “Grain for Green” project in 1999, lots of annual croplands was converted to perennial native vegetation, which had significantly altered the eco-hydrological cycle in the Loess Hilly Region. The evaluations of root morphology and water-using characteristics of different vegetations abandoned from croplands are benefit to understand the effect of different vegetation communities on hydrologic cycle and provide theory guidance for vegetation restoration in semi-arid area. In this study, soil and root samples of 5 differents vegetation communities (,,and) were collected in dry and wet seasons of 2015 in Wangmaogou watershed of Wuding River. The root morphological structures and signatures of stable isotopes were determined by using stable isotope technology. Each vegetation communities was arranged in the 2-3 plots as repeat, arranged 2 plots in,respectively, arranged 3 plots in. Then 5 quadrats were established in each kind of plots. Ensured the same distances between collection points and the shrubs or trees when sampling inor, and to avoid the error caused by the different horizontal distances from the stems of the plant (For examples, root biomass, soil water contents, etc.). The results showed that the RLDs (Root length densities) of,,andin dry season (16.3, 21.7, 17.3, 17.3, 6.0 mm/cm3) were 9.4, 10.2, 5.3, 2.9 and 1.4 times compared that in wet season (1.7, 2.1, 3.2, 5.9, 4.2 mm/cm3), respectively. The root systems of,,were more sensitive to seasonal variations of soil water thanand. The soil water contents and18O of soil water in the surface soil layers were obvious difference between dry and wet season.could only use the soil water from 0-10 cm layer, and,mainly absorbed the soil water from 30-40 cm layer during the dry season, while the layers of soil water were moved up to 0-10 and 10-20 cm layers in wet season, respectively.andmainly used the soil water from below 60 cm layers in dry season, and absorbed soil water from 20-40 cm layer in wet season. In conclusions, the strategies of soil water uptake were significant difference between dry season and wet season. The root systems used soil water from deeper soil layers in dry season and more closer to surface layers in wet season. These results demonstrated that the changes of soil water and root systems distribution were consistent with the seasonal variation in water uptake patterns estimated by using stable isotope. The results of the present research can provide technical support for vegetation restoration and eco-hydrological process in the Loess Hilly Region.

vegetation; isotope; soils; Loess Hilly Region; grain for green; roots distribution; water use

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.017

S157

A

1002-6819(2016)-24-0129-10

2016-04-25

2016-08-16

国家自然科学基金重点项目（41330858）；国家自然科学基金项目（41471226，41271290）

常恩浩，男，陕西西安人，博士生，主要从事黄土区植被恢复与土壤水资源互馈方面研究。西安 西安理工大学水利水电学院，710048。 Emial：123ceh@163.com

李 鹏，男，山东烟台人，教授，博士生导师，主要从事水土保持与生态建设方面研究。西安 西安理工大学水利水电学院，710048。 Eamil：lipeng74@163.com