一種測(cè)定荒漠草原根系生物量的內(nèi)生長(zhǎng)土芯法①

王占義，金 凈，王成杰*，侯 佳，徐文藝

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018；2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014100)

一種測(cè)定荒漠草原根系生物量的內(nèi)生長(zhǎng)土芯法①

王占義1，金 凈1，王成杰1*，侯 佳2，徐文藝1

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018；2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014100)

介紹了一種測(cè)定荒漠草原植物根系生物量的裝置與用法，并將其在實(shí)際中加以應(yīng)用。實(shí)踐證明，本方法可有效測(cè)定荒漠草原植物根系生物量及地下凈初級(jí)生產(chǎn)力，比較適用于植被覆蓋度較低的荒漠草原地區(qū)。

根系生物量；地下凈生產(chǎn)力；網(wǎng)袋法；土壤

測(cè)定植物地下凈生產(chǎn)力和根系生物量的動(dòng)態(tài)變化，常用內(nèi)生長(zhǎng)土芯法也稱為生長(zhǎng)袋法、網(wǎng)袋法，即把裝有無(wú)根土壤的網(wǎng)袋放入地面洞穴內(nèi)，間隔一段時(shí)間后再將網(wǎng)袋取出，分離、挑選獲得根系[1]。該法由Flower-Ellis 和 Persson[2]首次提出，之后在Steingrobe等[3]研究了網(wǎng)袋內(nèi)土壤因素變化對(duì)根系的影響后獲得廣泛使用。該法能夠連續(xù)動(dòng)態(tài)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)植物群落地下生物量的變化，具有成本較低、相對(duì)準(zhǔn)確性、重復(fù)性較高、工作量較小的優(yōu)點(diǎn)[4–5]，在森林、草地和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)研究中得到廣泛應(yīng)用[6–10]。文獻(xiàn)顯示雖然各研究中該法應(yīng)用的原理相同[11]，但其具體使用方法則不盡相同。有些采用地面打孔，填入裝有無(wú)根系土壤的網(wǎng)袋；有些則在地面打孔，然后直接填充無(wú)根系土壤，標(biāo)記位置，一定時(shí)間后繼續(xù)在相同位置打孔取土；尼龍網(wǎng)袋的直徑也不同，有4 cm[3,12]、5 ～5.2 cm[13–15]、7 cm[16]、8 cm[17]，10 cm[18–19]。如果從對(duì)樣地的破壞性角度考慮，打孔孔徑越小、點(diǎn)數(shù)越少越好；而從試驗(yàn)的重復(fù)性考慮，則是打孔取樣點(diǎn)越多，孔徑越大越好。此外，不同的植被類型區(qū)，物種不同，植被蓋度不同，取樣大小也應(yīng)不同。

我國(guó)北方荒漠地區(qū)和荒漠草原地區(qū)，氣候干旱、植被覆蓋度低，在這些地區(qū)鉆取直徑細(xì)小的土芯，可獲得的根系數(shù)量較少，迫使我們思考改進(jìn)現(xiàn)有方法使其在植被覆蓋度較低的地區(qū)更加適用。

1 裝置的原理與制作

該法通過(guò)在植物根系周圍放置網(wǎng)袋，裝入無(wú)根土壤，待一定時(shí)間植物根系穿過(guò)紗網(wǎng)進(jìn)入土環(huán)內(nèi)土壤后(圖 1)，取出紗網(wǎng)和土壤，分離出根系，監(jiān)測(cè)根系生物量的積累動(dòng)態(tài)。本文所用內(nèi)生長(zhǎng)土芯包括外圍尼龍紗網(wǎng)、不銹鋼骨架、內(nèi)管及頂部蓋帽4部分(圖2)。尼龍網(wǎng)網(wǎng)眼孔徑2 mm。不銹鋼骨架需要請(qǐng)專業(yè)人員制作，制作時(shí)為保證鋼圈的圓形標(biāo)準(zhǔn)，宜用鋼管分段鋸斷以獲得鋼圈，鋼圈管壁厚度5 mm左右，不宜太薄，以保證焊工操作方便，上下鋼圈中間可設(shè)置至少3根鋼棍(長(zhǎng)度30 cm)。在上下鋼圈上沿著半徑方向再分別焊制至少3個(gè)短鋼樁(長(zhǎng)度3 cm)用以固定內(nèi)部的PVC管，內(nèi)管可采用PVC材料管及配套堵頭。裝置外圈半徑8.5 cm，內(nèi)管半徑5.5 cm，高度30 cm，裝置高度還可根據(jù)實(shí)際土層厚度和試驗(yàn)需要調(diào)整。使用時(shí)，可以將裝置整體拔出，用小刀按深度切開(kāi)PVC管外圍土壤，獲得分層土壤樣品；若不需要分層取樣，可直接拔出內(nèi)管，取出網(wǎng)內(nèi)土壤和根系即可。

2 實(shí)際應(yīng)用

利用本裝置在內(nèi)蒙古包頭達(dá)茂旗希拉穆仁草原進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。本區(qū)屬于半干旱荒漠草原，年均降水量284 mm[20–21]。試驗(yàn)區(qū)于2014年開(kāi)始圍封禁牧，禁牧區(qū)共包括3塊樣地，每塊樣地面積110 m×120 m，在每塊樣地內(nèi)安裝3套裝置，裝置間距30 m，呈三角形排布，安裝時(shí)首先轉(zhuǎn)取半徑為 8.5 cm、深度為30 cm的圓柱形洞穴，將裝置骨架放入洞穴，然后將過(guò)1 mm篩后的無(wú)根系土壤，按深度分層填入PVC管外圍與紗網(wǎng)之間的空隙，并用木棍適當(dāng)壓實(shí)土壤到接近原有土壤緊實(shí)度，再將蓋帽安裝固定。待植物根系生長(zhǎng)一個(gè)月后，把裝置的內(nèi)管緩慢拔出，再把網(wǎng)袋拉出獲得根系和土壤混合體，然后再用干篩法進(jìn)行后續(xù)根系和土壤的分離。試驗(yàn)從2016年5月份開(kāi)始到8月份，每月進(jìn)行一次取樣，地下凈生產(chǎn)力通過(guò)累加每月新生長(zhǎng)的根系生物量干重獲得。

圖1 內(nèi)生長(zhǎng)土芯法測(cè)定植物根系生長(zhǎng)原理圖(左)和現(xiàn)場(chǎng)安裝照片(右)

圖2 內(nèi)生長(zhǎng)土芯法裝置構(gòu)成圖

從結(jié)果來(lái)看，5—8月份每月均可以獲得一定量的根系(表 1)，通過(guò)計(jì)算月地下凈初級(jí)生產(chǎn)力 BNPP可得到該地區(qū)的年地下初級(jí)生產(chǎn)力為 457.59 g/m2。侯向陽(yáng)等[22]對(duì)內(nèi)蒙古蘇尼特右旗荒漠草原圍封禁牧區(qū)的測(cè)定結(jié)果為 450.2 g/m2(干旱年份5—9月份)，可見(jiàn)本研究結(jié)果與此基本一致。2016年本研究區(qū)也比較干旱[23]。此外，Gao等[12]在內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原圍封區(qū)測(cè)定的BNPP結(jié)果是366 ～ 464 g/m2，本研究的結(jié)果也接近。整體上，應(yīng)用本裝置可以測(cè)定荒漠草原根系周轉(zhuǎn)和地下生產(chǎn)力。

表1 運(yùn)用內(nèi)生長(zhǎng)土芯法測(cè)定內(nèi)蒙古荒漠草原圍封區(qū)地下生產(chǎn)力

3 裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①采用PVC管填充了網(wǎng)袋之內(nèi)的部分空間，減少了后續(xù)分離、挑選根系所需處理的土量；②單個(gè)網(wǎng)袋直徑較大，增大了取樣范圍，同時(shí)又減少了樣地內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)和對(duì)樣地的破壞；③避免了取樣土壤在凍融或者其他外力作用下變形，引起外圍土壤的厚度變化；④裝置內(nèi)部填充的土壤厚度小，貼近外圍試驗(yàn)地的土壤，減小了土芯內(nèi)部土壤和外圍土壤之間的差異；⑤裝置采用不銹鋼和PVC管等惰性材料，在土壤中不易和土壤發(fā)生反應(yīng)，不影響植物根系生長(zhǎng)。

缺點(diǎn)：①單點(diǎn)取樣直徑較大，在植被發(fā)育密集、蓋度大的地區(qū)不太適用。因?yàn)檫@些地區(qū)的根系密集分布，應(yīng)用本方法獲得根量可能較多，增加了后續(xù)分離根系的工作量；②應(yīng)用本方法需要制作不銹鋼骨架，增加了成本，建議有條件的可以使用塑料或者 PVC材料代替不銹鋼。

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A Ingrowth Core Method in Determining Root Biomass in Desert Steppe

WANG Zhanyi1, JIN Jing1, WANG Chengjie1*, HOU Jia2, XU Wenyi1
(1 College of Grassland and Resource Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China; 2 College of Vocational and Technical, Inner Mongolia Agricultural University, Baotou, Inner Mongolia 014100, China)

A device and method was introduced and applied to determine the root biomass of the plant in desert grassland. The results proved that this method could effectively be used to measure the root biomass and net primary productivity of grassland in the desert steppe. It is more suitable to be applied in the desert steppe when the vegetation coverage is low.

Root biomass; Belowground net primary production; Net-bag method; Soil

S154.4；Q948.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.030

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560141)、教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(213006A)、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015MS0319)和教育部科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1259)資助。

* 通訊作者(nmgcjwang3@163.com)

王占義(1981—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，主要從事草地植物根系生物學(xué)方面的工作。E-mail: zhanyiwang2006@163.com