青海共和盆地典型固沙植物根系分布特征

石坤,賈志清,張洪江?,張友焱,李清雪,馮莉莉,何凌仙子

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,100083,北京;2.中國林業(yè)科學研究院,100091,北京)

青海共和盆地典型固沙植物根系分布特征

石坤1,賈志清2,張洪江1?,張友焱2,李清雪2,馮莉莉2,何凌仙子2

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,100083,北京;2.中國林業(yè)科學研究院,100091,北京)

為了解共和地區(qū)典型固沙植物的根系分布特征,為該地區(qū)人工植被恢復的物種選擇提供依據(jù),本文選取當?shù)氐湫突哪乐沃参锓N中間錦雞兒、檸條錦雞兒、沙柳、小葉楊、小穗柳和烏柳6種植物,進行根系分布特性研究。采用整株挖掘法獲取植物根系樣本,使用WinRHIZO Pro 2500a根系分析系統(tǒng),計算根系生物量密度、根長密度、比根長、根系消弱系數(shù)。所研究的6種植物根系主要集中在0～40 cm深度范圍內(nèi),根系生物量密度與根長密度沿土層深度波動下降。小穗柳細根比根長顯著大于其他植物種,說明其細根根系活性最強,對環(huán)境的適應性最好。沙柳與中間錦雞兒的根系生物量消弱系數(shù)顯著大于其他植物種,沙柳的根長密度顯著大于其他植物有助于增加土壤抗性,具有較強的固土能力。檸條錦雞兒的生物量密度顯著大于其他植物種,獲取能量的能力較強。在共和盆地人工植被恢復宜選用適應性較強的小穗柳,或固土能力較強的沙柳與中間錦雞兒。

共和盆地;荒漠化;根系分布特征;根系消弱系數(shù)

我國荒漠化問題十分嚴峻,尤其在我國西北部,荒漠化所造成的環(huán)境問題已經(jīng)嚴重影響到當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活,成為制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的主要原因之一[1]。人工植被恢復是荒漠化地區(qū)固定流動沙丘、防治荒漠化、改善自然環(huán)境的手段之一,在我國西北地區(qū)應用廣泛[2]。根系是植物從土壤中獲取水分與養(yǎng)分的主要器官[3],對于植物生長發(fā)育和新陳代謝十分重要。了解根系的分布特征,對于選擇適宜的造林植物種,提高其成活具有重要意義。

根系的分布特征不僅受到植物種遺傳因素控制,而且受到環(huán)境因素的影響[4]。研究表明,不同植物在不同的生態(tài)環(huán)境中生態(tài)位不同,植物根系在地下不同深度空間范圍內(nèi)獲取養(yǎng)分與水分[56]。張宇清等[7]在寧夏西吉縣黃土丘陵區(qū)研究的多枝檉柳(Tamarix ramosissima)根系深達7 m以上,幾乎沒有水平根,垂直根系發(fā)達,而該地區(qū)的檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)根系深度也達4 m以上。崔秀萍等[8]在渾善達克沙地研究的黃柳(Salix gordejevii)根系主要分布在0～30 cm的深度范圍內(nèi),水平根系發(fā)達,側(cè)根與不定根遠超過主根的長度。趙愛芬等[9]在奈曼旗的研究發(fā)現(xiàn)差巴嘎蒿(Artemisia halodendron),小葉錦雞兒(Caragana microphylla)等灌木的根系主要分布在較淺的土層中。張莉等[10]在毛烏素沙地的研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)沙柳(Salix psammophila)的根系主要分布在0～60 cm的深度范圍內(nèi),檸條的根系主要分布在30～80 cm的深度范圍內(nèi)。由于植物物種及其生長環(huán)境的差異,定性描述結(jié)果往往嚴謹性不足,E.R.Page等[11]的研究結(jié)果指出根長密度隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢,并提出計算根系消弱系數(shù)的公式,其中根系消弱系數(shù)越大,則表示根系在土壤中分布的越深,反之則表示根系分布較淺。不同植物根系分布對植物抗旱性產(chǎn)生不同的影響,發(fā)達根系吸收水分的效率更高,這使植物具備更強的抗旱能力[12]。相關(guān)研究[13]也證明,含根土體所組成的土壤根系復合結(jié)構(gòu)相較于土壤和根系其抗性大幅增加。不少科學家對于部分植物種在我國西北荒漠化防治造林中的應用進行了研究,但對于其根系的分布研究報道較少。

本研究采用整株挖掘法,研究中間錦雞兒(Caragana intermedia)、檸條錦雞兒、沙柳、小葉楊(Populus simonii)、小穗柳(Salix microstachya)和烏柳(Salix cheilophila)6種青海省共和盆地典型固沙植物的根系特征,為該區(qū)域人工植被恢復、荒漠化防治植物種的選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在國家林業(yè)局青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站進行,位于青海省海南自治州共和縣沙珠玉鄉(xiāng),地理坐標為E 100°45′～100°30′,N 36°03′～36°36′,海拔為2 871～3 870 m,風沙土分布廣泛,位于由干旱荒漠區(qū)向半干旱草原區(qū)的過渡地帶,地下水位約為2 810～2 640 m左右,多年平均降水量為320 mm左右,年日照時間2 770 h,年均潛在蒸發(fā)量1 800 mm左右,干燥度指數(shù)在3.9～7.1之間。該地寒冷多風,晝夜溫差大,多年平均氣溫為3.5℃,活動積溫約為2 344℃,最高風速達40 m/s,多年平均風速達2.7 m/s[14],荒漠化程度嚴重。目前該區(qū)域人工固沙典型植物主要有中間錦雞兒、檸條錦雞兒、沙柳、小葉楊、小穗柳、烏柳、沙蒿(Artemisia desertorum)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、枸杞(Lycium chinense)、紫花苜蓿(Medicago sativa)等。

2 材料與方法

2.1 根系樣品采集與測定

本研究于2015年7月進行,試驗選取位于丘間地內(nèi)的沙柳純林、小葉楊純林、小穗柳純林和烏柳純林以及位于沙丘上的中間錦雞兒純林、檸條錦雞兒純林6塊樣地。6塊樣地的植物均于20世紀90年代后期采用插干造林方式種植。在6個樣地內(nèi)設置20× 20 m的樣方,分別測量其株高、冠幅,選取標準株,進行根系調(diào)查與測定,每個樣地選取4株作為重復(表1)。

采用整株挖掘法對植株根系進行取樣,根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)植物的根系主要分布在距離植株主干半徑2 m的范圍內(nèi),故挖掘根系主要在該范圍進行。由外向內(nèi)每隔20 cm進行挖掘,在深度方向上從上到下每隔20 cm分層挖掘,用6 mm土壤篩篩去沙土后收集全部根系,分別裝入寫有標注的自封袋內(nèi),待室內(nèi)測定分析用。

表1 樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of sample plot

將根系用蒸餾水洗凈,置于室溫下陰干,使用WinRHIZO Pro 2500a根系掃描系統(tǒng)對根系進行掃描,獲取根系的根長和根系體積數(shù)據(jù)。將直徑＜2.0 mm的根系計作細根,將直徑＞2.0 mm并＜5.0 mm的根系計作中根,將直徑＞5.0 mm的根系計作粗根。挑選各植物種具有代表性的根系掃描,烘干至恒重后稱量。土壤水分數(shù)據(jù)使用環(huán)刀法測定。

2.2 根系特征參數(shù)

根系生物量:

式中:ρ表示該植物種的根系生物量密度,kg·m-3; V0表示該植物種所取部分根系的體積,m3;W0表示該植物種所取部分根系的生物量,kg;Vi表示該植物種根系的體積,m3;B表示該植物種的根系生物量,kg。

根系消弱系數(shù):

式中:γ表示從地表到一定深度土層的根系生物量累計比例;d表示土層深度,cm;βB表示根系生物量消弱系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集與處理使用Microsoft Office Excel 2013軟件,利用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,用單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan多范圍檢驗法比較根系參數(shù)的差異(α=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物種特征參數(shù)

3.1.1 土壤含水量 6種植物根系所在土壤的含水量如圖1所示。植物根系附近土壤含水量的變化趨勢與根系生物量密度,根系長度密度,比根長等特征參數(shù)均無顯著的相關(guān)性(P＞0.05)。

圖1 不同植物種根部不同深度土壤含水量Fig.1 Soil water content at different depth of root for different tree species

3.1.2 根系特征參數(shù) 根系生物量密度由大到小的順序為檸條錦雞兒＞沙柳＞小葉楊＞中間錦雞兒＞烏柳＞小穗柳。根長密度由大到小的順序為沙柳＞小葉楊＞小穗柳＞烏柳＞檸條錦雞兒＞中間錦雞兒(表2)。檸條錦雞兒根系生物量密度顯著高于其他植物種(P＞0.05),沙柳根長密度顯著高于其他植物種(P＞0.05)。

根系生物量消弱系數(shù)由大到小的順序為沙柳＞中間錦雞兒＞烏柳＞小葉楊＞小穗柳＞檸條錦雞兒(表2),沙柳與中間錦雞兒的根系在深層土壤中的分布比例較大,烏柳、小葉楊、小穗柳和檸條錦雞兒的根系主要分布在淺層土壤中。

烏柳、小葉楊、小穗柳和檸條錦雞兒根系中約75%的根系分布在0～40 cm的表層土壤中,中間錦雞兒與沙柳在該層土壤中的根系約占根系總量的30%與60%,這與消弱系數(shù)所反映的根系分布規(guī)律相符。

同一植物不同徑級根系的比根長不同。如圖2所示,6種植物均呈細根比根長＞中根比根長＞粗根比根長,細根比根長最大,其吸收水分與養(yǎng)分的能力較強。隨著直徑的增加,植物根系吸收水分與養(yǎng)分的能力減弱。

表2 不同植物種根系生物量密度Tab.2 Root biomass density of tree species

圖2 不同植物種不同徑級根系比根長比較Fig.2 Comparing specific root lengths of different diameter classes for different tree species

小穗柳細根比根長＞中間錦雞兒細根比根長＞檸條錦雞兒細根比根長＞小葉楊細根比根長＞烏柳細根比根長＞沙柳細根比根長,小穗柳細根比根長顯著大于其他植物種的細根比根長(P＞0.05),小穗柳細根攝取水分與養(yǎng)分的能力最強,最適應當?shù)氐纳L環(huán)境。

3.2 根系生物量密度分布

6種植物不同徑級根系生物量密度分布見表3。根系主要分布在0～40 cm的土壤深度范圍內(nèi),不同植物根系生物量密度隨深度的增加差異顯著(P＞0.05)。

表3 不同植物種不同徑級不同深度根系生物量密度Tab.3 Root biomass density of tree species with different diameter classes in different soil depth

中間錦雞兒的根系主要分布在0～100 cm的范圍內(nèi),比檸條錦雞兒根系分布更深。隨深度的增加,中間錦雞兒根系生物量密度均呈先增大后減小的趨勢。40～60 cm深度內(nèi)的根系生物量密度顯著高于其他土層中的根系生物量密度(P＜0.05)。檸條錦雞兒的中根與細根生物量密度沿深度呈下降趨勢。

沙柳、小葉楊、小穗柳、烏柳的根系主要分布在0～80 cm深度內(nèi)。隨深度增加,不同徑級根系生物量密度變化趨勢不同。4種植物的粗根均集中分布在淺層土壤中,80～100 cm范圍內(nèi)的粗跟生物量密度均較小。其中沙柳與烏柳的中根與細根生物量密度變化趨勢類似,0～40 cm范圍內(nèi)中根生物量密度顯著大于40～80 cm范圍內(nèi)的中根生物量密度(P＜0.05),0～20 cm范圍內(nèi)細根生物量密度顯著大于其他地塊內(nèi)的細根生物量密度(P＜0.05)。小葉楊與小穗柳的中根與細根生物量密度隨深度變化先增大后減小,峰值均在20～40 cm范圍內(nèi)。

6種植物根系生物量密度隨距樹干中心水平距離增大均呈下降趨勢。如圖3所示,中間錦雞兒、檸條錦雞兒、沙柳、烏柳4種植被根系生物量密度與距樹干中心水平距離呈冪函數(shù)關(guān)系,小葉楊、小穗柳植被根系生物量密度與距樹干中心水平距離呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 根長密度分布

6種植物不同徑級根系生物量密度分布如圖4所示,隨深度變化,不同植物根長密度均有顯著差異(P＞0.05)。

不同植物根長密度空間變化趨勢不同。中間錦雞兒、小葉楊、小穗柳、烏柳4種植物的根長密度隨深度增加先增大后減小,在40～60 cm深度內(nèi)達到峰值,根長密度變化類似等腰三角形狀。隨距樹干中心水平距離增加,各植物種的根長密度銳減。

沙柳、檸條錦雞兒的根長密度隨深度增加呈下降趨勢,表層根系根長密度顯著大于深層根系根長密度(P＞0.05),在水平方向上沙柳與檸條錦雞兒的根系集中在樹干中心附近,根長密度變化類似直角三角形。

4 討論

圖3 不同植物種根系生物量密度水平分布Fig.3 Horizontal distribution of root length biomass for different tree species

圖4 6種植物種根長密度等值線圖Fig.4 Root length density contour maps of six plants

1)植物根系分布反映了植物攝取水分與養(yǎng)分的范圍。淺根型植物主要吸收利用淺層土壤的水分、養(yǎng)分;深根型植物在吸收淺層土壤水分的同時,也在長期干旱時吸收深層土壤中的水分,對干旱的適應性更強[15]。此次研究的6種植物根系分布較淺,均屬于淺根型植物。這與部分認為北方植被根系分布均較淺的研究結(jié)果相符[16]。造成這種根系分布可能是由于共和盆地位于干旱半干旱區(qū)域,該區(qū)域降水多集中在夏季[17],但由于蒸發(fā)強烈,雨水滲入到淺層土壤后,既被植物根系吸收利用,或蒸發(fā)進入大氣中,不能滲入深層土壤。而植物根系分布常受到土壤水分脅迫的影響[18],因此深層土壤根系分布較少。

2)植物根系分布不僅受到遺傳因素控制,也受土壤、養(yǎng)分、水分、風等多種環(huán)境因素影響[19]。所選樣地內(nèi)深度大于1 m的土壤硬化,根系難以穿透,被迫改變生長方向,所以深度超過1 m的土壤中根系含量極低。

張琳琳[20]在新疆地區(qū)對霸王的研究表明大風對植物的刺激會導致植物淺層根系增加。本次研究的6種植物根系分布均較淺,可能是由于共和盆地常年大風,導致淺層根系進一步發(fā)育。

3)6種植物根系分布與土壤水分并沒有顯著相關(guān)性。這與王迪海等[21]在黃土高原地區(qū)對根系分布與土壤水分的研究結(jié)果類似。一般認為土壤長期含水量對根系分布具有較大影響[22],短期的土壤水分數(shù)據(jù)受到降雨、蒸發(fā)等因素影響較大,與植物根系分布沒有顯著相關(guān)性。

4)植物根系具有固持土壤的作用,植物根系在土體中能增大土壤抗剪切強度[23]。研究表明,植物根系埋深越深,根系的固土效果越好[24]。中間錦雞兒與沙柳的根系消弱系數(shù)較大,根系埋深較深,在固土方面具有優(yōu)勢。隨根長密度增大,土壤粘聚力呈線性增長,土壤抗力強度增大[25]。沙柳根長密度顯著大于其他植物(P＞0.05),在提高土壤抗力方面具有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

1)中間錦雞兒與沙柳的根系消弱系數(shù)較大,根系分布較深;檸條錦雞兒的根系消弱系數(shù)最小,根系分布最淺。沙柳的根長密度較大,其固持土壤的能力較強。因此,中間錦雞兒與沙柳具有較強的固土能力。檸條錦雞兒的根系生物量密度顯著大于其他植物,其獲取能量的能力最強。小穗柳的細根比根長顯著大于其他植物種,其細根的生理活性更強,對當?shù)丨h(huán)境的適應性最好。植物根系分布與短時期土壤含水量并沒有顯著相關(guān)性。

2)6種植物根系主要分布在0～40 cm深度土層內(nèi)。中間錦雞兒、小葉楊、小穗柳的中根與細根根系生物量密度沿深度變化先增大后減小,檸條錦雞兒、沙柳、烏柳中根與細根根系生物量密度沿深度變化呈減小趨勢。中間錦雞兒、小葉楊、小穗柳、烏柳4種植物的根長密度隨深度增加先增大后減小,沙柳、檸條錦雞兒的根長密度隨深度增加呈下降趨勢。

3)共和盆地的植被恢復,宜選擇固土能力較強的中間錦雞兒和沙柳,或適應性較強的小穗柳。

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Root distribution characteristics of typical sand-fixing plants in Gonghe Basin of Qinghai Province

Shi Kun1,Jia Zhiqing2,Zhang Hongjiang1,Zhang Youyan2,Li Qingxue2,Feng Lili2,He Lingxianzi2

(1.School of Water and Soil Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Chinese Academy of Forestry,100091,Beijing,China)

[Background]Desertification is one of the most serious environment problems in China, which has resulted in the land degeneration and affected local people life.Local economic development is also hindered by the desertification,and this situation may last for quite a long time.Gonghe Basin, located in Qinghai Province of China,is a typical desertification area.Artificial vegetation restoration, which performs wellindesertificationareaofChina,mayimmobilizemovingdunes,control desertification and improve environment.Root is the most important plant organ of obtaining water and nutrients from soil,and also plays a key role in plant growth and metabolism.Study of root system distribution patterns means significant for the selection of suitable afforestation tree species and survival rate enhancement.[Methods]Six typical desertification control plants in local area were selected for this study:Caragana intermedia,Caragana korshinskii,Salix psammophila,Salix microstachya,Populus simonii and Salix cheilophila in six plots separately with area of 20×20 m2.All the studied plants were grown in 1990s with method of cuttage forestation.Plant height and crown diameter were measured and then type trees were chosen.The root samples of type tree were obtained by whole plant excavating method and scanned by WinRhizo Pro 2500a Root Analysis System.Finally,root biomass density,rootlength density,specific root length,and root extinction coefficient were calculated and analyzed.The root of studied plants mainly distributes in 2 m diameter circle away from trunk,so we excavated this area to get root samples.[Results]Specific fine root length of S.microstachya(2.74 m/g)was significantly higher than that of other five species(P＞0.05),indicating that the fine root activity of S.microstachya was the strongest,and it can be inferred that fine root of S.microstachya adapted best to the environment among all 6 plants.Root biomass extinction coefficients of S.psammophila and C.intermedia(0.982, 0.979)were significantly higher than that of other five species,thus they may function well in increasing soil shear resistance.The root biomass density of C.korshinskii(3.882 kg/m3)was significantly higher than that of other five plants(P＞0.05),the root length density of S.psammophila(372.728 cm/m3) was significantly higher than that of other five plants.Therefore,C.korshinskii presented the strongest ability of obtaining energy.All studied plant roots distributed mainly between 0-40 cm depth in soil. Root biomass density and root length density both decreased with depth and distance from trunk center. Root distribution was not affected by soil moisture content in short period.[Conclusions]As a result,it can be seen that in Gonghe Basin of Qinghai Province,S.microstachya with strong adaptability,S. psammophila and C.intermedia with strong reinforcement capability perform best in artificial vegetation recovery.

Gonghe Basin;desertification;root distribution characteristics;root extinction coefficient

SP727.23

A

1672-3007(2016)06-0078-08

10.16843/j.sswc.2016.06.010

2016 02 16

2016 09 26

項目名稱:林業(yè)公益性行業(yè)專項“青海共和盆地典型固沙植物根系特征及功能研究”(201504420)

石坤(1992—),女,碩士研究生。主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。Email:shikunwork@126.com

?通信作者簡介:張洪江(1954—),男,教授,博士生導師。主要研究方向:流域治理和森林水文。Email:zhanghj@bjfu.edu.cn