砒砂巖溝坡沙棘根系分布特征及其對林下土壤的改良作用

黨曉宏，高永，汪季?，羅鳳敏，高君亮，劉陽

(1.內蒙古農業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，010019，呼和浩特;2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，015200，內蒙古磴口)

砒砂巖溝坡沙棘根系分布特征及其對林下土壤的改良作用

黨曉宏1，高永1，汪季1?，羅鳳敏1，高君亮2，劉陽1

(1.內蒙古農業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，010019，呼和浩特;2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，015200，內蒙古磴口)

沙棘是砒砂巖地區(qū)植被恢復的先鋒樹種，沙棘根系形態(tài)不但影響植物本身的生長，還影響其保土效果及改土效果。采用根系追蹤法，研究砒砂巖地區(qū)同一坡面不同坡位、不同林齡沙棘根系的分布形態(tài)，測定沙棘林下土壤的理化性質，以裸坡地作為對照，分析沙棘林對土壤的改良作用。結果表明:1)砒砂巖溝坡沙棘根系在垂直方向上集中分布在0～40 cm深的土壤中，在水平方向分布可達137 cm。2)沙棘一級側根的數(shù)量與小環(huán)境有密切關系，土壤水分條件越好，側根數(shù)量越多，根長越短;沙棘根系的徑粗與埋深呈反比，并且與距植株中心距離也呈反比。3)人工沙棘林在砒砂巖溝坡上，其根系分布表現(xiàn)為坡頂根系由于土層薄受到砒砂巖的限制，水平分布較發(fā)達，在坡底由于土壤厚度及肥力的充足，沙棘在垂直分布上明顯深于坡頂。4)種植沙棘可增加土壤含水量和土壤孔隙度，同時還可以提高土壤中的速效N、P、K及有機質質量含量。

砒砂巖;沙棘;根系;分布形態(tài);土壤改良

地處晉陜蒙三省區(qū)交界處的鄂爾多斯地區(qū)屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，土地總面積7 692 km2，其中水土流失面積 7 114 km2，占總土地面積的92.5%。該區(qū)境內溝壑縱橫，植被稀疏，土體抗蝕性極差，被稱為“世界水土流失之最”的砒砂巖裸露區(qū)，水土流失更加強烈，大面積的丘陵溝壑分布著裸露的砒砂巖［1］。多年來，這一地區(qū)通過在溝谷中大力種植沙棘(Hippophae rhamnoidesL.)，有效控制了溝谷的溯源、下切和拓寬侵蝕，沙棘種植區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了初步改善［2－3］。沙棘根系的空間垂直分布規(guī)律，直接影響其對土壤中營養(yǎng)和水分的吸收，進而影響到沙棘地上部分的生長，特別是其改良土壤、固持土體等生態(tài)功能的發(fā)揮，是構建穩(wěn)定沙棘群落的基礎;同時，沙棘根系的空間分布特征除受沙棘本身遺傳特性的影響外，還在很大程度上受立地條件的影響:因此，研究沙棘根系結構及其影響因素，對砒砂巖地區(qū)植被恢復、生態(tài)穩(wěn)定具有重要意義［4］?；诖耍P者對鄂爾多斯準格爾旗暖水鄉(xiāng)典型砒砂巖溝道坡面上生長的沙棘根系形態(tài)以及其對林下土壤的改良作用作初步研究，以期為沙棘林改善當?shù)嘏皫r生態(tài)環(huán)境提供理論基礎。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于內蒙古自治區(qū)西南部，鄂爾多斯高原東端，蒙晉陜3省交界處的準格爾旗暖水鄉(xiāng)。該區(qū)為典型的砒砂巖地貌，屬大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫7.3℃，≥10℃積溫3 400℃，太陽總輻射量599 kJ/(cm2·a)，年蒸發(fā)量2 100～3 700 mm，年降水量251.1～522.2 mm，且多以暴雨形式出現(xiàn)，主要集中在7—8月份，平均風速12.3 m/s，春季干旱，冬季寒冷，無霜期僅140 d。研究區(qū)地貌多為切割很深的砒砂巖溝谷，間有蓋沙黃土和黃土出現(xiàn)。砒砂巖層由灰白、灰綠、紫紅、磚紅、黃褐色等不同顏色的砂粒構成，層狀結構，組織松散，厚度在100～300 m之間，粗沙(粒徑≥0.05 mm)質量分數(shù)約80%;有黃土覆蓋層的砒砂巖區(qū)黃土厚度多不足50 cm，平均厚度10 cm左右。

2 材料及方法

選擇典型的砒砂巖溝道坡面上人工栽種密度為3行1帶、行距為2 m、株距1 m、帶寬為6 m的1～4年生沙棘為研究對象，按照不同坡位設置了36個樣地(表1)，在每個樣地內采用“根系追蹤法”調查每株標準木的根系。

1)在砒砂巖溝坡的坡頂、坡中、坡底分別選取1～4年生的標準木，將選取的標準木從基部伐倒，然后采用根系追蹤法，量取沙棘根系的水平根長以及垂直分布深度，并從地表開始每10 cm為一層，將根系掘出土壤，按層次分別裝入密封袋并標記［5］。

2)為了準確地研究沙棘對土壤(坡頂土壤僅為30 cm厚)的改良作用，因此在砒砂巖溝坡的坡頂、坡中、坡底所選取的標準木林下挖30 cm的土壤剖面，每10 cm為1層，采用環(huán)刀法取土，分層次裝入鋁盒，每組3個重復，同時以裸露坡面相應的坡位取的土樣作為對照。

3)根系徑級的測定。在試驗場把采集回來的沙棘根上所附著的泥土沖洗干凈后用精度為10 μm電子游標卡尺測量根系的直徑。

4)根系生物量的測定。將根系置入75℃的烘箱中烘至恒質量后用精度為1 mg電子天平稱量。

5)土壤理化性質的測定。在土壤實驗室測定了所取土樣的含水率、孔隙度、電導率、pH值等物理性質，有機質、速效N、速效P、速效K等化學性質。

土壤含水率采用烘干法測定，孔隙度采用比重法測定，pH值采用2.5∶1水土比－酸度計法，含鹽量采用5∶1水土比－質量法，有機質質量含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，堿解氮質量含量采用堿解擴散法，速效鉀質量含量用乙酸銨浸提火焰光度法測定。

3 結果與分析

3.1 沙棘根系水平分布和垂直分布分析

實驗選取了1典型坡度為15°，坡長為275 m的砒砂巖溝坡。據(jù)測定，坡頂土壤的厚度只有20 cm，在坡中土壤層厚度為40 cm，而在坡底聚集著多年坡面侵蝕下來的營養(yǎng)土使得土層厚度達到60 cm。調查不同坡位1～4年生沙棘根系分布情況，在每個立地條件下選擇3株標準木，共調查36株，在調查根系時，遇到有萌蘗根交叉時，根據(jù)最長根徑粗來劃分萌蘗根是否歸屬于該根系，其中徑粗＞3 mm的根系為一級側根。實驗數(shù)據(jù)采用加權平均法處理，結果見表1。

表1 沙棘根系分布分析結果Tab．1 Analysis results of root distribution of Hippophae rhamnoides L.

分析表1可知:1)3個不同坡位同一樹齡沙棘主根長比較發(fā)現(xiàn)，坡頂沙棘根系較其他2個坡位發(fā)達，最長主根250 cm;同一坡位不同林齡沙棘主根長隨著樹齡增加而呈現(xiàn)增長的趨勢。2)3個坡位沙棘一級側根數(shù)量比較發(fā)現(xiàn)，坡底沙棘一級側根數(shù)量最多達16條，而同一坡位不同樹齡沙棘根系一級側根數(shù)量雖是隨著樹齡的增加而增長，但是這種增加的差異性不顯著。3)3個不同坡位條件下，沙棘根系水平分布比較發(fā)現(xiàn)，在坡頂由于土壤層厚度的限制，沙棘根系為了滿足自身養(yǎng)分需求只能水平延伸，其分布最長為137 cm。坡中由于土壤厚度為40 cm，加之土壤發(fā)育較差，沙棘根系水平分布較差。而在坡底土壤厚度達到60 cm，加之經(jīng)過長期坡面侵蝕，坡底土壤養(yǎng)分、水分條件好，所以沙棘根系水平分布最差;在同一坡位沙棘根系水平分布隨著樹齡增加呈現(xiàn)增長的趨勢。4)從沙棘根系垂直分布來看，根系主要分布在0～40 cm土層中，在土壤層最薄的坡頂，沙棘根系受到砒砂巖的限制，分布較淺呈淺根型分布，相反而土壤層厚的坡底沙棘根系分布的深。

3.2 沙棘根系生物量隨樹齡變化的分析

由圖1可以看出:1、2年生沙棘根系生物量的年增長量較小，沙棘根系從第3年開始增長速度加快。其中沙棘根系最大的年增長量可達到21.26 g，最小的只有7.59 g。相同立地條件下，沙棘根系生物量隨著樹齡的增長而增加。3個不同立地條件下沙棘根系生物量對比，坡底沙棘的根系生物量最高，其次是坡中，再次是坡頂。產生這種差異的主要原因是:降水沖刷坡面，表層富含大量養(yǎng)分的土壤流失，坡中截留一小部分，大部分則淤積在坡底，導致坡底土壤肥力增高，同時坡底比較容易聚集更多的降水，土壤含水率較高，坡底含水率最高可達到15.18%，林下的草本植物長勢較好，也能固持一定數(shù)量的降水;所以坡底沙棘長勢較好，生物量也較高，由于土壤層厚度、養(yǎng)分、水分及林下植被的差異，導致坡中沙棘的根系生物量次之，坡頂沙棘的根系生物量最低。

圖1 不同坡位沙棘根系生物量隨樹齡的變化Fig．1 Changes of root biomass of Hippophae rhamnoides L.with tree age at different slop positions

3.3 沙棘根系生物量隨土層深度變化分析

從圖2中可以看出，隨著土層深度的增加，沙棘根系的生物量都呈現(xiàn)遞減的趨勢。根系主要分布在0～30 cm深的土層中，在此深度內根系生物量占全部剖面的70% ～85%。40 cm以下根系較少，僅占沙棘根系總生物量的10%左右。在同一土層深度內的根系生物量相比較發(fā)現(xiàn)，隨著樹齡的增加，根系生物量隨之增加，而且沙棘的根系在2～4年生中增長速度最快，年增長量可達到16.64 g。坡頂?shù)耐寥篮穸炔坏?0 cm，在30 cm之下就是堅硬的砒砂巖，也正是因為砒砂巖構造在垂直深度上的限制，沙棘根系的83%主要分布0～20 cm土層;坡中，根據(jù)現(xiàn)地挖掘土壤剖面發(fā)現(xiàn)，土壤厚度在40 cm左右，所以沙棘根系分布的垂直深度比坡頂分布的淺，但是水平分布比較廣，所以沙棘根系生物量的74%分布在0～30 cm的土壤中;由于坡底的土壤水分、養(yǎng)分都較好，沙棘長勢最好。

圖2 不同坡位不同樹齡沙棘根系生物量隨土層深度的變化Fig．2 Changes of root biomass of different tree－age Hippophae rhamnoides L.with soil depth at different slop positions

3.4 沙棘根系徑級分布的分析

由表2可以看出，在3種不同立地條件下，沙棘根系徑粗隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，且其減小量隨著樹齡的增長而逐漸增加。從以沙棘根莖為中心向四周輻射，沙棘的根徑粗呈現(xiàn)出遞減的趨勢，對于徑級＞4 mm的根系，它的根密度值在表層最大，隨著土層深度的增加而減小。0～10 cm土層深度內的徑級＞4 mm的根系占徑級＞4 mm根系總量的73.33%。隨著土層深度的增加，沙棘根系的平均徑粗逐漸減少，減小幅度最高可達到58.63%。與表1綜合分析可知，根系長度隨著根系徑級的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。

3.5 沙棘林對林下土壤的改良作用

隨著沙棘生長發(fā)育過程的延續(xù)，土壤剖面物理性質不斷得到改善、協(xié)調。從圖3可以看出，同一坡位隨著沙棘樹齡的增加，土壤含水率逐漸增加。不同立地條件下，坡底的林下土壤含水率高于坡頂和坡中，其中坡頂、坡中、坡底沙棘林下土壤的平均含水率分別為6.17%、7.64%、8.65%。從土壤垂直深度上看，隨著土層深度的加深，含水率隨之降低;從栽種沙棘的坡面和裸露的砒砂巖坡面相比較發(fā)現(xiàn)，沙棘林下土壤含水率明顯高于裸露坡面。這主要是因為隨著林齡的增加，沙棘林的枯落物量增加，枯落物覆蓋地表具有攔截降雨，減少蒸發(fā)的作用。還有，在同一坡面上，坡底本身是聚集降水的地方，加之沙棘林生長茂盛，林下枯落物量最大，所以土壤含水率比坡頂、坡中的高。綜上所述，沙棘林在造林后對砒砂巖坡面具有增加土壤含水量和涵養(yǎng)水源的作用。

表2 不同坡位沙棘根系徑級分布Tab．2 Root diameter distribution of Hippophae rhamnoides L.at different slop positions

圖3 不同坡位土壤含水率變化Fig．3 Changes of soil moisture content at different slope positions

分析圖4得出:從土壤垂直深度上看，隨著土層的加深土壤孔隙度減小，減小量的最大值可達到1.69%;從沙棘樹齡的變化角度看，隨著沙棘樹齡的增加，土壤孔隙度基本呈增大的趨勢，最大增加量可達到5.81%。表層土壤孔隙度是隨著根系的增長而增大，結合圖1和表1還可以看出，隨著沙棘樹齡的增加沙棘根系隨之增長，根系的生長使得土壤孔隙度隨著樹齡的增加孔隙度增加的趨勢，有利于滲、持水及相互間的協(xié)調。綜上所述，沙棘林對砒砂巖坡面具有增大林下土壤孔隙度的作用，使得團粒體土壤比例增加，說明沙棘林對土壤的物理性質和砒砂巖成土過程有一定的促進作用。

圖4 不同坡位土壤孔隙度變化Fig．4 Changes of soil porosity at different slope positions

營造沙棘后，土壤肥力有所提高，特別是有機質、速效養(yǎng)分質量含量增加幅度更大。通過比較栽種沙棘的砒砂巖溝坡與裸坡的土壤化學性質(表3)可以看出:沙棘林對土壤具有一定的酸化作用，砒砂巖土壤本身堿性較高，一般沙棘適宜生長的土壤pH值在5.5～7.0之間;但是通過沙棘生長狀況調查，沙棘在堿性土壤的條件下生長還是比較好的，所以只要不超過適宜沙棘酸堿性的極值，酸堿度不是沙棘生長的限制性因子。從含鹽量分析可以看出:沙棘林還有改良鹽堿土的作用。從林下土壤中的有機質質量含量可以得出，沙棘林可以增加林下植被種類以及枯落物進而提高土壤有機質質量含量。土壤有機質的聚集是成土過程的基本特征之一，也是衡量其肥力水平的主要標志。盡管目前有機質絕對數(shù)值仍較低，但它的出現(xiàn)及以后的不斷增加和積累，對于砒砂巖土的改良是非常重要的。從堿解N和速效K方面來看，沙棘林具有增加土壤中的堿解N和速效K質量含量。這主要是沙棘林一方面通過林下植被和枯枝落葉返還土壤來增加土壤肥力，另一方面沙棘根系固著的根瘤菌，具有吸收大氣中的氮素進而轉化成能被沙棘吸收的氮肥，以此來增加土壤中的含氮量。沙棘根系生長、穿插、死亡及其生物量的變化，使得根系土壤的速效營養(yǎng)元素質量含量差異顯著，沙棘林下土壤比裸坡高出9.81%。從表3中還可以看出，沙棘林地土壤中速效養(yǎng)分質量含量與砒砂巖土相比，不僅沒有因為沙棘生長吸收而減少，反而逐漸增大，這顯然是與沙棘根瘤菌的固氮作用及種類繁多的土壤微生物、酶等對土壤生化反應的促進作用是分不開的［6］。盡管，速效養(yǎng)分目前的質量含量仍不高，但對于造林后僅3年的沙棘(4年生)林及砒砂巖土這種不良立地條件的組合來說，目前所取得的改良土壤效益仍然是十分顯著的，而且由于沙棘的再生及自身更新能力很強;因此，它能夠不斷通過根系和枯落物的作用，使土壤養(yǎng)分逐漸得到積累而提高肥力。

表3 沙棘林對土壤化學性質改良作用Tab．3 Improving effects of Hippophae rhamnoides L.forests on soil chemical properties

4 結論

1)砒砂巖坡面沙棘根系集中分布在0～40 cm之內，不論從沙棘生物量隨著土層深度的變化規(guī)律，還是從沙棘根系徑級在土壤中的分布規(guī)律來看，沙棘都是屬于淺根性植物，具有一定的固土作用。

2)沙棘根系的水平長幅因小環(huán)境的不同而不同。在土壤條件、水分條件差的環(huán)境下，它的長度增長而分根數(shù)減少。當小環(huán)境境內光、水、肥資源充足時，水平根的長度會減少而分根數(shù)增加。

3)人工沙棘林在砒砂巖溝坡上，其根系分布表現(xiàn)為坡頂根系由于土層薄受到砒砂巖的限制［3］，水平分布較發(fā)達，在坡底由于土壤厚度及肥力的充足，沙棘在垂直分布上明顯深于坡頂。

4)在砒砂巖地區(qū)，栽種沙棘林有增加土壤含水率和孔隙度的作用，同時可以增加土壤中的速效N、P、K以及有機質質量含量的作用;因此，沙棘林對改良砒砂巖土壤具有明顯的作用。

5 參考文獻

［1］王愿昌，吳永紅，寇權，等.砒砂巖分布范圍與類型區(qū)劃分［J］.中國水土保持科學，2007，5(1):14－18

［2］賀斌，李根前，徐德兵，等.沙棘克隆生長及其生態(tài)學意義［J］.西北林學院學報，2006，21(3):54－59

［3］毛齊正，楊喜田，苗蕾.植物根系構型的生態(tài)功能及其影響因素［J］.河南科學，2008(26):172－176

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［5］黨曉宏，汪季 ，王巧利，等.準格爾旗露天煤礦礦區(qū)沙棘生長狀況調查研究［J］.內蒙古林業(yè)科技，2010，36(3):23－26

［6］王嵐，張小民，林美珍，等.論沙棘根系與功能［J］.沙棘，2005，18(4):13－19

Characteristics of root distribution ofHippophae rhamnoidesL．and its improving effect on the forest soil on the ditch slope of soft sandstone area

Dang Xiaohong1，Gao Yong1，Wang Ji1，Luo Fengmin1，Gao Junliang2，Liu Yang1

(1.College of Ecology and Environmental Science，Inner Mongolia Agricultural University，010019，Hohhot;2.Desert Forestry Experimental Center of China Forestry Science Research Institute，015200，Dengkou，Inner Mongolia:China)

Hippophae rhamnoidesL.is one of pioneer tree species in soft sandstone area.The distribution patterns of roots affect not only the growth of the plant itself，but also soil conservation and soil improving.The paper studied the root distribution patterns of different plantation age ofHippophae rhamnoidesL.in three site conditions on slopes using roots tracing method.Through measuring the soil physical and chemical properties inHippophae rhamnoidesL.forests，and compared with that on bare slopes，the improving effect of plantingHippophae rhamnoidesL.on forest soil was analyzed.The results of the study show that:roots ofHippophae rhamnoidesL.mainly distributed in the depth from 0 to 40 cm in soil on ditch slope in the soft sandstone area，in horizontal direction the roots could reach 137 cm.There was a close relationship between the numbers of first lateral root ofHippophae rhamnoidesL.and microenvironment.If condition of soil moisture was better，the tiller ability ofHippophae rhamnoidesL.root systems was stronger，and root was shorter.Root diameter ofHippophae rhamnoidesL.decreased with soil depth and distance to standard strains.For the man－plantedHippophae rhamnoidesL.forest on the soft sandstone slope，because of limit of soft sandstone the horizontal distribution of root on slope top is more developed.Since the soil thickness and fertility at slop bottom were good enough，the vertical distribution of root was apparently deeper than that at slope top.PlantingHippophae rhamnoidesL.could increase soil moisture content and the soil porosity，and increase the mass fractions of available N，P，K and organic matter in soil.

soft sandstone area;Hippophae rhamnoidesL.;roots;distribution pattern;soil improving

2011－11－18

2012－04－26

國家科技支撐項目“半干旱區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)恢復重建及資源持續(xù)利用技術研發(fā)與示范”(2011BAC07B02－3);內蒙古農業(yè)大學創(chuàng)新團隊“防沙治沙科研創(chuàng)新團隊”(NDTD2010－11);中國/全球環(huán)境基金項目“干旱生態(tài)系統(tǒng)防治土地退化伙伴關系”

黨曉宏(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向:荒漠化防治。E－mail:dangxiaohong222333@126.com

簡介:汪季(1957—)，男，博士，教授，博士生導師。主要研究方向:荒漠化防治。E－mail:wangji1957@163.com

(責任編輯:程 云)