萨赫勒地区的降雨，唯一可以确定的就是其变化无常。萨赫勒是位于干旱的撒哈拉沙漠与南部较湿润的热带草原之间的过渡地带。降雨常常姗姗来迟，有时甚至几乎不下。
这可能导致毁灭性的作物歉收和饥荒，而该地区大部分粮食的生产都高度依赖降雨。几个世纪以来，萨赫勒各地的农民通过种植小米、高粱、花生和豇豆等作物来适应变幻莫测的降雨，这些作物即使在干旱胁迫期间也能较好地结实产粮。
然而，有时作物的适应能力不足以使其抵御长期干旱，缺水导致粮食产量骤降。更令本已严峻的问题雪上加霜的是，萨赫勒地区人口不断增长，而作物产量 并未同步提高。
在这些养分贫瘠、化肥投入少的土壤中，该地区迫切需要一种能以最少投入实现足够产量并保持土壤的农业系统。
这项关于萨赫勒地区土壤水文的研究，是一项 更大项目 的一部分，该项目旨在探究一些农民所采用的传统技术如何加以调整，以在干旱胁迫期间进一步提高作物产量。我们发现，将粮食作物与本土木本灌木 Guiera senegalensis 间作种植，能够以极低成本促进作物生长。这是一种简便的方法，不仅可用于萨赫勒地区，也可能适用于许多其他周期性不利于农业生产的地区。
共饮同一根吸管
在其他一些作物与树木间作的农林复合系统中，树木可能与作物争夺水分，并 降低附近作物的生长和产量 。
在我们的研究中，我们考察了一种称为水力提升（又称水力再分配）的过程，即 G. senegalensis 灌木在夜间通过其根系从土壤深层抽取水分，并在其不进行光合作用时将水分释放到干燥的表层土壤中。在周期性遭遇干旱的环境中已观察到水力提升现象，且研究表明，它能增强浅层根系吸收养分的能力，并 维持较高的蒸腾水平 以及光合作用。
我们的假设是，每天附近的珍珠粟作物都会利用灌木吸上来的部分水分。为检验水分转移的假设，我们在塞内加尔严酷的萨赫勒条件下开展了一项田间研究。这项工作是一项正在进行的研究的一部分，该研究着眼于雨季种植期间作物与灌木间作时的生长情况。为营造所需的干燥条件，本实验中我们通过灌溉来调控供水的数量和时间。
我们利用土壤水分传感器监测土壤水分。一旦观察到水力提升特有的土壤昼干夜湿现象，我们便开始了研究。
水分路径
水力提升发生于根系在白天从表层土壤吸取水分、导致土壤变干之时。此时，深层土壤湿润而近表层土壤干燥，水分便沿梯度通过植物向上运移，恰如通过吸管吸水一般。水分到达表层土壤后，便会像干燥海绵吸收台面上的溢出液体一样，被吸入根系周围的干燥土壤中。我们的假设是，根系释放出的部分水分被附近的小米植株所利用。
为开展实验，我们将装有含化学示踪剂水的瓶子连接到灌木的深层根系上。随后，在五天内采集附近生长的灌木和作物茎秆的地上部分样本，以观察示踪剂水的去向。
我们在注水后的第一天便在一株灌木中发现了示踪剂，此后不久又在附近生长的一株作物中发现了它。这一发现有力地支持了以下观点：水分通过灌木的根系向上运移，并进入作物体内。从灌木根系到作物的确切路径仍有待进一步研究，但我们确信存在这样一条路径。水力提升与物种间水分转移的这种结合早已有人提出假设，却鲜有观测记录。此前从未有人观察到它作为农林复合系统的一个组成部分，对作物生产产生如此深远的影响。
我们的团队由美国和塞内加尔的教授与研究生、多个非洲国家的研究人员，以及受雇担任田间技术员的当地农民组成。我们向一位名叫Saliou Diouf的农民租用了土地，他与 塞内加尔农业研究所的研究人员密切合作。Saliou及其儿子们在种植小米和管理灌木方面为我们提供了极为宝贵的见解。借助在其土地上开展研究活动所获得的收入，Saliou的家庭得以建设滴灌系统，并从村里的公共水井购水，以发展一项蓬勃兴旺的蔬菜生意。
本土植物的力量
植物之间转移的水量似乎相当少。然而，水分的释放量可能远不如释放位置重要。
围绕植物根系的一小圈土壤被称为根际，它对植物生长起着至关重要的作用。它是植物获取所需水分和养分的主要通道，并且聚集着大量执行各种功能的微生物。因此，在水分胁迫下维持根际发挥其功能的活力极为重要，而水力提升恰恰将水分释放到这一区域。
在我们的试验中，我们观察到作物根系包裹着浅层灌木根系，我们推测这可能与水分吸收有关。
G. senegalensis 在整个萨赫勒地区广泛分布。所研究的管理技术是以高于其自然分布密度的方式种植灌木，从而在多个方面促进作物生长。
水力提升如何影响土壤微生物群落的结构和功能，也是我们跨学科团队正在研究的课题，该研究依托 美国国家科学基金会国际研究与教育伙伴计划（NSF Partnership for International Research and Education，PIRE）项目。在其他物种中，已观察到水力再分配能够显著 改变 微生物群落 的 功能 。此外，我们还在研究灌木的存在，以及其可能较高的微型和中型土壤动物（即生活在土壤中的小型生物）数量，如何影响周围土壤的结构和特性。
该技术可能适用于萨赫勒地区的大片区域，且只需极少的额外劳动力和资金投入。随着世界人口越来越被迫耕种干旱和边际土地，我们不能忘记研究本土植物如何适应其周边环境，并利用这些知识优化我们自身的系统，尤其是在资源有限的地区。
本文与 The Conversation合作发表。阅读 原文。。发表本文并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Nathaniel Bogie，加利福尼亚大学默塞德分校环境系统专业博士候选人
图片：一名图尔卡纳男子坐在图尔卡纳湖岸边，该湖位于肯尼亚西北部，距离肯尼亚与埃塞俄比亚边境附近的托多尼亚格数公里。路透社/Siegfried Modola
