全球变暖加剧了干旱和半干旱地区的水资源短缺和土壤退化，导致人工林普遍退化，树木矮小、覆盖率低。中国在全球绿化中贡献突出，但在降水稀少的地区，造林仍然面临挑战。研究表明，人工林的退化与水分不足有关，特别是深根系减少导致无法有效利用深层土壤水。因此，理解退化人工林的用水策略变化，有助于改进干旱地区的人工林管理。
本研究以黄土高原半干旱地区的杨树人工林为例，旨在比较不同退化程度下的水分利用策略和土壤水分状况。通过测量土壤水分含量、树木的同位素组成和汁液流量，研究揭示了退化人工林的深层水源利用率和蒸腾作用的变化情况。研究假设，随着退化加剧，深层水的相对利用减少，以减缓深层水库的枯竭，为缺水地区的人工林管理提供科学依据。
本研究在中国科学院神木侵蚀与环境实验站进行，该站位于黄土高原六道沟流域（110°21′E，38°47′N），面积为6.9km2（图1a）。该流域处于风蚀和水蚀交错带，是黄土丘陵区向毛乌素沙漠的过渡。流域为典型的黄土丘陵风沙覆盖地貌，属于中温带半干旱气候区，2003年至2017年年平均气温8.4℃，年降水量459mm。观测年（2021年）总降水量为330.9mm，其中69.7%发生在植物生长季（5月至9月）。2021年日平均气温为-20.2~28.7℃，平均为10.2℃。2021年日相对湿度为13.0%~99.8%，平均为46.9%。春季沙尘暴天气多发，风蚀作用强；夏季暴雨天气多发，水蚀作用强（即沟间、沟蚀）。
图 1. 本研究区域地理位置（a）、采样点位置（b）和杨树生长状况（c）。图（b）中的卫星图像来自 https://www.earthol.com/g/；红色区域代表固定采样点。ND、LD 和 SD 分别表示无、轻度和严重退化的人工林。
采样地点位于六道沟流域南端的平坦沙地上，海拔 1198 米，坡度小于2°。土壤质地为沙质（USDA 分类），颗粒成分为 95.7% 的沙、3.2% 的粉砂和 1.1% 的粘土。土壤田间持水量和萎蔫系数分别为 0.084和0.008 cm3 cm-3。植被以人工种植的杨树为主（约800棵树/公顷），种植面积约为150000m2。
2021年5月初，作者团队对沙地上的杨树人工林进行了调查，以建立长期采样点。根据文献和当地农民的反馈，研究区内的杨树人工林大约建于1999年，并根据生长状况和穗顶定义了退化程度。穗顶指的是杨树冠层树干的死区，侧枝不断生长。
作者团队选择了三个具有明显生长差异的50×50 m² 采样点，微地形、气候和土壤质地相似，且在生长年限相近的情况下经历了不同程度的退化。每个地点建立了4个20×20m²样地，测量树高、穗顶高、胸高（DBH）和冠幅投影面积（Ac），并计算郁闭度。每个样地调查了128棵树，数据详见表1。
表 1 不同采样地点杨树人工林的基本特征。
ND、LD、SD分别表示无退化、轻度退化和重度退化的人工林。DBH和Ac分别表示胸高直径和冠层投影面积。数值以平均值±标准差表示。树木生长指标的样本数（n）为128，冠层密度除外（n=4）。不同的小写字母表示不同采样点之间的树木形态指标存在显著差异（P<0.05），基于单因素方差分析中的Tukey HSD事后检验。
从2021年5月至9月，作者团队每月在三个固定地点（20×20 m²，分别为ND、LD和SD）采集土壤和植物样本。具体采样日期为5月24日、6月28日、7月28日、8月27日和9月24日。由于树木形态变化主要体现在不同退化类别的采样点间，我们在每个固定地点选择了三棵样本树和三个土壤剖面进行同位素采样。
对于木质部样品，从三棵样本树的朝南一侧采集了三根高200cm的小枝，并将其剥皮密封保存。并且从样树上采集了冠层健康叶片（3个重复样本）。叶片样本在实验室干燥、研磨后密封保存。每个采样日期，我们在每个地点采集了3个木质部和叶片样品，共采集了45个木质部和45个叶片样品。
使用手钻（直径 40 毫米）在距样树 1.5 米处采集土壤样品（每个退化级别重复三次）。采样深度为 0–200 厘米。0–20 厘米深度和 20 厘米以下的采样间隔分别为 10 和 20 厘米。作者团队每个采样日期在每个地点采集 33 个土壤样品；观察期间采集了 495 个土壤样品。样品分为两部分。一部分烘干以测量土壤重量含水量。另一部分用保鲜膜密封在 12 毫升玻璃瓶中并运送到实验室冷冻保存。采用LI-2100全自动真空冷凝抽提系统从木质部和土壤中提取水分，水分提取效率超过99%。
图 2. 日降水量（Pr）、降水中δ2H-δ18O（a）和不同深度土壤水分含量（SWC）（b-d）随时间的变化。5 月份的 SWC 是根据土壤重量含水量和土壤容重得出的。箱线图显示最小、25%、中值、75% 和最大 SWC；方块表示平均值（n=122）。箱线图中不同的小写字母表示不同采样点之间同一土层的平均 SWC 存在显著差异（P<0.05）。橙色箭头对应土壤和植物同位素的采样日期。ND、LD 和 SD 分别表示无、轻度和严重退化的人工林。
图 3. 不同人工林降水（a）、土壤水和木质部水中δ2H和δ18O的关系（b-d）。LMWL代表当地大气降水线（δ2H=7.17δ18O+3.19，R2=0.97，n=15）；GMWL代表全球大气降水线（δ2H=8δ18O+10）。SW0-40、SW40-80和SW80-200分别代表浅层（0-40 cm）、中层（40-80 cm）和深层（80-200 cm）土壤水。ND、LD和SD分别表示无、轻度和重度退化的人工林。
图 4. 土壤和木质部水中 δ2H (a) 和 δ18O (b) 的季节性变化。数值以平均值 ± 标准差 (n=3) 表示。ND、LD 和 SD 分别表示无、轻度和严重退化的人工林。
图 5. 水源贡献比例（a）、平均 REW（相对可提取水量）（b）和水源绝对消耗量（c）对杨树吸水量的季节性变化。绝对耗水量是水源贡献比例和杨树每月累积蒸腾量的乘积。数值以平均值±标准差表示。ND、LD 和 SD 分别表示无、轻度和重度退化的人工林。
本研究发现，三种人工林土壤水和木质部水的季节性同位素分布和同位素剖面分布相似。随着人工林退化程度的加剧，根系生物量减少，深层根系比例降低。虽然在ND、LD和SD人工林中，浅层土壤含水量（SWC）没有显著差异，但在ND人工林中，中层和深层的SWC低于LD和SD人工林。与未退化的人工林相比，退化的人工林减少了蒸腾量，但没有改变根系的吸水模式。在土壤从湿润到干燥的过程中，不同退化程度的杨树水源从浅层转移到深层。因此，本研究支持假设(1)，即深层根系和蒸腾量随退化程度的增加而减少；但部分否定了假设(2)，即退化的人工林减少了深层土壤水的相对贡献和绝对利用量。此外，与未退化的人工林相比，退化人工林的固碳水分利用效率（WUEi）对SWC的敏感性有所增加。综上所述，杨树人工林在正常生长时，因蒸腾需求量较大，会导致深层土壤干燥；而退化的杨树人工林由于蒸腾需求较小，有助于缓解深层土壤水分的枯竭。因此，对于缺水地区的雨养杨树人工林，适当间伐和采取减少土壤蒸发的措施可能是必要的。
