植物地境調(diào)查方法研究

杜博濤， 寧立波， 徐恒力， 李華翔， 蘇繪夢

(中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

植物地境調(diào)查方法研究

杜博濤， 寧立波， 徐恒力， 李華翔， 蘇繪夢

(中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

通過植物樣方調(diào)查、樣坑開挖、根群調(diào)查、地境剖面調(diào)查結(jié)合室內(nèi)分析對植物地境調(diào)查方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)植物根的分布統(tǒng)計(jì)分析可以比較精確且直觀地找到各生活型植物的地境層片深度范圍，地境剖面的調(diào)查與室內(nèi)分析可以得出地境垂向不同層位理化特征；(2)將根群分布特征、地境結(jié)構(gòu)特征與植物樣方調(diào)查相結(jié)合可以闡明植物長勢與地境的關(guān)系，并解釋物種多樣性和構(gòu)建群落結(jié)構(gòu)與地境的聯(lián)系；(3)不同物種根群深度存在差異且層次規(guī)律凸顯，根群層片與地境層片結(jié)構(gòu)具有很好的相關(guān)性。

植物地境；根群；層片；調(diào)查方法

植物與生境的有機(jī)聯(lián)系是地球上各種生態(tài)關(guān)系構(gòu)成的基礎(chǔ)。在以往的研究中，大多數(shù)生態(tài)學(xué)家將研究重心放在種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)上，注重解釋其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系和群落演替的規(guī)律，而未將對其有影響的非生物要素作深入的分析，生態(tài)系統(tǒng)的地下部分未受到應(yīng)有的重視[1]。植物的生長、分布和發(fā)育等都受到土壤中水、肥、氣、熱等生態(tài)因子的影響[2]。植物的生長狀況與土壤的各理化指標(biāo)息息相關(guān)，并反映出對地境條件的適宜程度[3]。研究表明，地境具有開放的上、下邊界；內(nèi)部狀態(tài)多樣性；要素間存在著非線性協(xié)同效應(yīng)；結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和層次性等鮮明的耗散結(jié)構(gòu)特征[4]。在生態(tài)學(xué)中，地境不僅為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)與地下活動空間，更重要的是，植物群落的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、植被的分布格局、植被動態(tài)等都與地境的結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化有著密不可分的關(guān)系[5]。植物地境是植物生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，對其進(jìn)行調(diào)查研究應(yīng)作為生態(tài)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

對于植物地境調(diào)查來說，必須將地境的物理結(jié)構(gòu)與植物生理生活習(xí)性、群落結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，進(jìn)行地境生態(tài)功能層的劃分。植物根系是將植物與地境相聯(lián)系的紐帶，根的吸收作用重點(diǎn)在幼根前端和根毛[6]。根系在垂向上往往是紡錘狀[7-8]，紡錘體中部細(xì)根(根徑<2 mm)數(shù)目多，是根毛最密集的部位[9]，根系的這個部位稱之為“根群”。根群是植物根系與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的功能主體，受植物生理習(xí)性、遺傳特征差異和地境物理結(jié)構(gòu)的影響，不同物種有不同的根群深度范圍，構(gòu)成物種根群“層片”現(xiàn)象[10]，其研究對于了解植物的地下生境有很大的作用，它是實(shí)現(xiàn)地境生態(tài)功能分層的重要依據(jù)。但如何對地境進(jìn)行調(diào)查研究目前尚無太好的方法，有些只是對植物根系進(jìn)行調(diào)查，如鉆土芯法、氣培法、塑料管土柱法、內(nèi)生長土芯法、同位素示蹤法、土壤水分消耗法、微根區(qū)管法、壕溝法等[11-13]，這些根系的調(diào)查方法除了壕溝法和鉆土芯法用于野外調(diào)查外，其他方法基本上都比較適合大田或?qū)嶒?yàn)室研究，而且這些方法主要是側(cè)重于根的特征、根的活性、根的生物量、根的長度、根的死亡與分解、根的分支、根的生長速率等一些特征的研究，不能反映植物根群和地境特征。與以往對植物根系的研究不同，本研究運(yùn)用開挖統(tǒng)計(jì)法，對根群進(jìn)行野外調(diào)查，并從生態(tài)學(xué)的角度研究地境結(jié)構(gòu)，揭示植物根群層片與與物種的地境穩(wěn)定層之間的生態(tài)學(xué)關(guān)系。植物地境進(jìn)行調(diào)查與分析是探索植物與其地境生態(tài)關(guān)系的一種新方法，它對野外生態(tài)地質(zhì)調(diào)查、地境結(jié)構(gòu)分析以及評價(jià)與植物生長相關(guān)的水土資源都具有重要的理論和實(shí)用意義。因此，本研究依據(jù)植物地境與根群的理論，提出植物地境野外調(diào)查方法，以此方法對植物地境進(jìn)行調(diào)查研究，并選擇實(shí)例進(jìn)行實(shí)證研究。

1 材料與方法

1.1 植物樣方調(diào)查

研究區(qū)位于河南省扶溝縣，該區(qū)屬于豫東平原黃河洪泛區(qū)，形成了以堆積作用為主要成因類型的地貌，堆積了巨厚的第四紀(jì)沉積物，地表土壤發(fā)育以潮土為主。樣地位于扶溝縣包屯鎮(zhèn)陳莊村，通過野外樣地植被群落調(diào)查分析，草本類型主要包括狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv.)、牛筋草(Eleusineindica(L.)Gaertn))、小白酒草(Conyzacanadesis(Linn.)Cronq.)、灰綠藜(ChenopodiumglaucumL.)等，分布于田間、荒地、林地及河邊等；主要灌木類型有女貞(LigustrumlucidumAit)、栗樹(chestnut)等；主要喬木有楊樹(PopulusL.)、泡桐(PaulowniaSieb.)、椴樹(TiliatuanSzyszyl.)、樺樹(Betula)等落葉闊葉林及側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)等針葉林，常分布在林地、荒地、農(nóng)田及河邊等。另外，農(nóng)作物如小麥(TriticumaestivumLinn.)、玉米(ZeamaysL.)、辣椒(Capsicumannuum)、茄子(Solanummelongena)、花生(Arachishypogaea)等則大部分以條播方式種植。

首先確定樣地位置及大小，在選定的樣地范圍內(nèi)依據(jù)植株大小和密度確定樣方，在植被樣地調(diào)查記錄表中填寫樣地編號、調(diào)查日期、天氣、調(diào)查人、樣地位置、地形地貌、樣地面積與形狀等；將樣地劃分為多個小樣方，便于測量記錄；植物樣方調(diào)查內(nèi)容包括樣方內(nèi)物種組成、數(shù)量、密度、生長狀況、是否優(yōu)勢種，在植被樣地調(diào)查記錄表上以個體為單位(主要針對喬灌木)，記錄編號、高度、胸徑、蓋度等。表1為樣坑所在樣地的樣方調(diào)查情況。

表1 樣方調(diào)查表Table 1 Quadrat investigation

注: 樣方面積：7 m×5 m，經(jīng)度：E114°27′51.2″，緯度：N34°10′25.3″。

Note: Quadrat area 7 m×5 m,Longitude: E114°27′51.2″，Latitude: N34°10′25.3″.

1.2 樣坑位置與開挖

樣坑位置的確定及植物地境的調(diào)查是在樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于降水、氣溫、日照等地表因子對植物生長分布、土壤成壤過程、地境中水熱狀況有著重要影響，在各種環(huán)境因子、空間因子和生物因子影響下植物群落類型與分布存在較大的差異[14]。植物群落生境條件的差異，使得植物組成及時空格局呈現(xiàn)多樣性[15]。因此，在植物地境調(diào)查之前首先需要對研究區(qū)進(jìn)行植物樣方調(diào)查，最終確定樣坑的位置。

在植物地境調(diào)查研究中，需在樣方范圍內(nèi)找到合適的地點(diǎn)，樣地的選擇要求能夠反映出植被生態(tài)系統(tǒng)的整體性和差異性，由于地境空間異質(zhì)性影響，植物群落的結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出隨機(jī)的變化規(guī)律，樣地內(nèi)應(yīng)盡量包括該植物群落的較多植物物種，使植物群落的種類組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地境條件得以充分的體現(xiàn)。一般來說研究多種生活型共存的時候，樣地最好同時生長著喬木、灌木和草本，而研究單一生活型時，最好是3種生活型的植物干擾較小的地點(diǎn)。

樣坑開挖深度是由植物地境的可能分布深度決定的，地境底界深度對地境調(diào)查具有指導(dǎo)性意義，學(xué)者們對地境的范圍以及其下界的劃分進(jìn)行了大量的研究與討論，徐恒力等[4]研究認(rèn)為最具有價(jià)值的地境深度為地下1.0 m(中緯度地區(qū))。一般，坑深為1.2 m，這是根據(jù)中緯度地區(qū)植物地境最大深度的結(jié)論，若地下水位埋深小于1.2 m或基巖埋深較淺，則坑深以揭露潛水位或基巖為準(zhǔn)。樣坑應(yīng)選在一建群種單株附近，且有若干附屬種植物的地點(diǎn)(用GPS定位)，在喬木群落和草木、喬木混生群落中，樣坑應(yīng)正對喬木開挖，根據(jù)群落中喬木的密度、大小來確定樣坑剖面距樹木基干的距離，距離樹干一定距離以避免對其根群損傷過大而造成植物的死亡，一般距其基部0.5～1.0 m處開挖樣坑。樣坑長度應(yīng)以調(diào)查根群和地境時方便作業(yè)為合適寬度，一般1.0～2.0 m。綜上所述，一般樣坑短邊為1.1 m，長邊1.8 m，根統(tǒng)計(jì)剖面深處1.2 m，見圖1。

距樹基部最近的坑壁是主斷面，斷面的面積為1.1 m×1.2 m，坑底面積約為1 m2，斷面應(yīng)鉛直，在開挖時若遇樹根，均應(yīng)砍斷清除，以保證斷面平順光滑。

1.3 根群調(diào)查

根系在地下是連續(xù)分布的，其結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)復(fù)雜的，在調(diào)查植物根活性的時候?qū)χ参锏恼麄€根系進(jìn)行調(diào)查不但會造成調(diào)查的困難，也會夸大深部少數(shù)根的作用，極大擴(kuò)展了根的研究范圍，從而無法對植物根存在的真正地境做出正確的判斷。對根群進(jìn)行調(diào)查就是要找到根系中根量最大的那個部位的地境深度，這對植物生活環(huán)境的研究具有很重要的意義。本研究采用壕溝法與頻率統(tǒng)計(jì)法相結(jié)合對根群進(jìn)行野外調(diào)查，通過樣坑的開挖和根系數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，將得到的數(shù)據(jù)用頻率統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行處理后制成圖表，就能比較清晰并且直觀地找到某種植物的根群范圍所在，從而更好地研究它們的地境。

圖1 樣坑示意圖Fig.1 Sample pit schematic diagram

在根群調(diào)查時，沿主調(diào)查剖面切開一新鮮面，借助標(biāo)尺在調(diào)查剖面上用尼龍繩繪制10 cm×10 cm的網(wǎng)格，用釘子固定，繪制網(wǎng)格時應(yīng)盡量避免對根系的破壞，對網(wǎng)格按順序進(jìn)行編號，然后測定每個網(wǎng)格內(nèi)可見的各級別根數(shù)，進(jìn)行植物根群調(diào)查時對根莖進(jìn)行分類，按粗根(根莖>10 mm，如木本植物的粗根)、中根(根莖為2～10 mm，如木本植物的細(xì)根)和細(xì)根(根莖<2 mm，如禾本科植物的須根)3級劃分，分別記錄各網(wǎng)格出現(xiàn)的數(shù)目(死根不予統(tǒng)計(jì))，用以根的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在整個斷面上按上述等級統(tǒng)計(jì)，計(jì)數(shù)時應(yīng)按網(wǎng)格的行列順序依次記錄。雖然統(tǒng)計(jì)對植物根群深度會有一點(diǎn)偏差，不過一般情況下，由于網(wǎng)格是10 cm×10 cm的大小，所以偏差不會超過5 cm，對實(shí)際研究的影響不大。對于數(shù)據(jù)采用細(xì)根頻率統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行處理，以頻率為橫坐標(biāo)，地下深度為縱坐標(biāo)作圖，利用根的頻率圖，根據(jù)圖形的峰值位置，結(jié)合地表植物，判斷是何種生活型植物的根群以及所處深度范圍。

1.4 地境剖面調(diào)查

植物地境結(jié)構(gòu)分析是以根群層片現(xiàn)象為線索，對地境中各層片水土條件及理化指標(biāo)組態(tài)進(jìn)行分析，從生態(tài)學(xué)的角度研究地境結(jié)構(gòu)，揭示其中的生態(tài)關(guān)系。通過調(diào)查，進(jìn)一步了解地境生態(tài)功能及其分層效應(yīng)，根據(jù)地境理化指標(biāo)組態(tài)與植物生長狀況，研究兩者之間的“生理響應(yīng)”關(guān)系。地境結(jié)構(gòu)及地境內(nèi)生態(tài)因子調(diào)查是在樣坑內(nèi)進(jìn)行，調(diào)查內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)：

(1)土壤剖面特性：一般包括剖面上不同層位土壤的質(zhì)地、顏色、結(jié)構(gòu)、緊實(shí)度、蟲孔根孔及填充物、濕度等；

(2)有機(jī)質(zhì)、肥分：在野外對剖面各層土壤進(jìn)行取土樣，采用深度等間隔取樣，取樣間隔一般為10 cm，每個土樣取約1 kg，除去其中明顯的雜物后裝入土樣袋，簽上標(biāo)簽，送實(shí)驗(yàn)室測定土壤肥力指標(biāo)，一般包括有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、有效鉀、堿解氮等；

(3)含水量：取土樣后，清除表土，向土體內(nèi)再取樣(20 g左右)，按每10 cm深度進(jìn)行取樣，野外測定含水量，野外調(diào)查多采用烘干法，濕質(zhì)量一般在樣坑開挖后立即取樣進(jìn)行測試，然后回室內(nèi)烘干再稱其干質(zhì)量，從而計(jì)算出土壤中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

(4)溫度：在樣坑開挖后沿原有剖面切出新鮮面，迅速對剖面各層的溫度進(jìn)行現(xiàn)場測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 根群分析

在多種植物共生的群落中，物種根群深度存在差異，但不同植物的根系在空間上分布互相交錯、穿插、纏繞，以至于很難區(qū)分出各物種的根群層次效應(yīng)。本研究通過統(tǒng)計(jì)植物細(xì)根的分布特征，找到細(xì)根的密集部位，利用根的頻率圖，判斷峰值出現(xiàn)的深度，根據(jù)圖形中峰值位置可大致確定不同生活型植物的根群深度，再結(jié)合地表植物，即可判斷是何種生活型植物的根群和所處深度范圍。根據(jù)前面的介紹，對樣坑內(nèi)植物根群進(jìn)行調(diào)查，將統(tǒng)計(jì)到的細(xì)根數(shù)目，采用頻率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理，繪制根系分布圖。

研究區(qū)取樣坑根群層片如圖2，與土壤及植物樣方調(diào)查表對照，取樣坑根群層片特征明顯，第1個波峰在距離地表10～30 cm處，由于草本植物根系相對較淺，此深度范圍根群層片對應(yīng)的生活型植物是小白酒草、灰綠藜，距離地表40～60 cm出現(xiàn)第2個波峰，該深度范圍主要為小型楊樹的根群， 70～90 cm深度處則是大型楊樹為主的喬木的根群層片所在。研究表明，不同物種根群深度存在差異且層次規(guī)律凸顯。

圖2 樣坑根群層片圖Fig.2 Sample pit root mass synusia figure

各種植物由于遺傳特性和生活習(xí)性的差異，不同生活型的植物根群應(yīng)處于不同的地下深度范圍，由此說明野外調(diào)查用開挖統(tǒng)計(jì)法可以體現(xiàn)植物根群的層片結(jié)構(gòu)，不同生活型的植物根群占據(jù)不同位置可以減小植物之間的競爭，使之更加高效地利用土壤中的水分和養(yǎng)分。結(jié)合對研究區(qū)內(nèi)其他樣地和樣坑植物根群層片規(guī)律的綜合調(diào)查與分析可知，區(qū)內(nèi)植物地境的底界在100 cm左右。

2.2 地境剖面分析

對樣坑剖面進(jìn)行了土壤取樣與分析試驗(yàn)，主要對土壤中堿解氮、有效磷、有效鉀、含水量及有機(jī)質(zhì)N、P等養(yǎng)分，交換性陽離子量、水溶態(tài)陰離子量進(jìn)行了分析，這些指標(biāo)涵蓋了土壤肥力指標(biāo)體系中的營養(yǎng)(化學(xué))指標(biāo)、物理性狀指標(biāo)以及生物學(xué)指標(biāo)，能夠較真實(shí)準(zhǔn)確地反映出樣地土壤的肥力水平[16]。取樣坑肥力因子統(tǒng)計(jì)見圖3。

圖3 取樣坑肥力因子統(tǒng)計(jì)曲線Fig.3 Sample pit fertility factores statistical curve

將樣坑土壤肥力因子數(shù)據(jù)與《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級劃分》(NY/T309—1996)對比，得出樣地屬于北方平原潮土、砂姜黑土耕地類型區(qū)，為耕地類型區(qū)內(nèi)的3、4等級土，土壤耕層厚度18～20 cm。通過土壤肥力狀況分析，研究區(qū)土壤肥力條件較好，土層厚度較大，質(zhì)地以亞沙-粉沙土為主，地境條件良好，足夠支撐喬木、灌木和草本3種植物根群層片。通過對土壤剖面有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮、全磷、鉀含量的測定發(fā)現(xiàn)，根群峰值所對應(yīng)的地方各營養(yǎng)物質(zhì)的含量都比較高，具有很好的相關(guān)性，這也從數(shù)據(jù)上支持了根群與地境的對應(yīng)層片關(guān)系。在營養(yǎng)充足的土壤深度，植物的細(xì)根發(fā)育的比營養(yǎng)相對匱乏的土壤深度要多得多，由于細(xì)根的吸收作用，根群處于營養(yǎng)豐富的土壤深度能夠使植物得到更多的養(yǎng)分，從而更加茁壯地成長。

地境結(jié)構(gòu)反映了植物地下生境中水、土、鹽、生等要素的分布格局及其相互作用、相互聯(lián)系的關(guān)系及秩序。不同物種根系在垂向的分布特征是其與環(huán)境條件之間相互適應(yīng)的結(jié)果[17]。植物在地下部分的成層現(xiàn)象是不同生活型植物根群所在位置的一種體現(xiàn)，草本、灌木、喬木的根群各自具有一定的深度范圍，這是由物種生理習(xí)性、遺傳特征與地境中水土條件、理化性質(zhì)等因素的空間分布共同決定的。

3 結(jié)論與討論

(1)植物地境調(diào)查方法是在植物樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過在樣地內(nèi)樣坑的開挖，研究植物根群和地境剖面層片結(jié)構(gòu)特征，在對植物地境的調(diào)查中具有綜合性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，為今后的生態(tài)地質(zhì)調(diào)查提供了一個新方法。

(2)植物根群的分布統(tǒng)計(jì)分析可以得出植物的地境層片深度范圍，通過對地境的分層調(diào)查可以了解根系垂向分布范圍內(nèi)不同層位有機(jī)質(zhì)、鹽分、水分等各項(xiàng)理化指標(biāo)及特點(diǎn)，在植物地境的深度范圍內(nèi)對植物根系以及地境剖面的分層調(diào)查可以研究根群與地境的對應(yīng)層片關(guān)系。

(3)結(jié)合實(shí)例表明，不同物種根群深度存在差異且層次規(guī)律凸顯，根群層片與地境層片結(jié)構(gòu)具有很好的相關(guān)性，可以應(yīng)用該方法揭示植物根群與地境的生態(tài)學(xué)關(guān)系。

植物地境調(diào)查方法具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景，通過植物地境調(diào)查，可以找到植物根群所在位置和根群位置的地境特征，認(rèn)識植物生長發(fā)育所需要的最適合的土壤環(huán)境，在礦山土地復(fù)墾、植物引種馴化、農(nóng)業(yè)耕作施肥、土壤重構(gòu)、邊坡覆綠、植物保護(hù)、作物栽培等生態(tài)建設(shè)實(shí)踐活動中可以得到廣泛應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯：朱秀英)

Study on investigation approaches of plant below-ground habitat

DU Botao, NING Libo, XU Hengli, LI Huaxiang, SU Huimeng

(School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

On the basis of quadrat investigation, sample pit excavation, root mass investigation, below-ground habitat profile survey and combined with laboratory analysis, the investigation approaches of plant below-ground habitat were studied. The results showed that:(1) The distribution statistical analysis of plant root can be precise and intutuve to find every life-form plant boundary layer of below-ground habitat depth, through below-ground habitat profile survey and laboratory analysis, land vertical different physical and chemical characteristics were obtained. (2) Combining the root of the synusia features, the structure of the below-ground habitat and the investigation of plant quadrat can clarify the ecology relations of plant growth and plant below-ground habitat, to explain species diversity and build the community structure links with the below-ground habitat.(3) The depth of root mass of different species is different, and the hierarchy law is obvious, the synusia of root mass and the layer of below-ground habitat has a very good correlation.

plant below-ground habitat；root mass；synusia；investigation approach

2016-08-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572344)

杜博濤(1988-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及生態(tài)地質(zhì)等方面的研究。

寧立波(1966-)，男，河南洛陽人，副教授。

1000-2340(2017)01-0082-05

S154.1

A