滴灌栽培楊樹人工林細(xì)根空間分布特征

秘洪雷，蘭再平*，孫尚偉，傅建平，彭晶晶，馬 鑫

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院世界銀行項(xiàng)目辦公室，北京 100091； 2.大興區(qū)林場，北京 102602)

滴灌栽培楊樹人工林細(xì)根空間分布特征

秘洪雷1，蘭再平1*，孫尚偉1，傅建平2，彭晶晶1，馬 鑫

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院世界銀行項(xiàng)目辦公室，北京 100091； 2.大興區(qū)林場，北京 102602)

地面滴灌；楊樹人工林；細(xì)根；空間分布

1 試驗(yàn)區(qū)概況

2 試驗(yàn)材料與方法

3 試驗(yàn)方法

3.1 取樣

于2015年11月上旬在林分內(nèi)設(shè)置3個(gè)面積為30 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)有樣木40株，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，然后各選取1株樹高、胸徑、冠幅接近平均值的標(biāo)準(zhǔn)木作為研究對象。采用根鉆(根鉆內(nèi)徑10 cm，高10 cm)法取樣，根據(jù)1/4樣圓法[25](圖1)，即在每株樣木的不同方位劃分出 1/4 營養(yǎng)區(qū)作為取樣區(qū)，結(jié)合滴灌條件下根系分布[24]，以樣木樹干為中心，分別選取株間、行間和對角3個(gè)方向作為取樣區(qū)，然后在距樹干0.2、0.5、1.0、1.5 m處鉆取土芯，取樣深度為60 cm，每10 cm為1個(gè)土層。把取出的每個(gè)土樣分別裝入標(biāo)號的塑封袋內(nèi)，共計(jì)216個(gè)土樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

3.2 測定

土樣在清水中浸泡后用流水沖洗，過孔徑為 0.8 mm 篩，使根系與土樣中絕大部分的土壤及其他雜質(zhì)分離 ，然后在清水中用鑷子小心撿取所有活根系。本研究按照傳統(tǒng)的根系分類標(biāo)準(zhǔn)[20]，以直徑≤2 mm作為劃分細(xì)根和粗根的閾值。應(yīng)用 Epson Twain Pro 根系掃描系統(tǒng)和 WinRhizo 根系圖像分析系統(tǒng)對根系進(jìn)行細(xì)根根長測定。待全部根樣掃描完成后，將細(xì)根在80℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量(24 h), 用電子天平稱質(zhì)量(精確到0.001 g) ，測定各根樣的生物量。

表1 標(biāo)準(zhǔn)木基本特征

圖1 根系取樣示意圖Fig.1 Root sampling diagram

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，以 Origin Pro 8.0 軟件作圖，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行樹干距離和土層深度的雙因素方差分析，研究各因素及其交互作用對細(xì)根分布的影響，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析以探究細(xì)根的水平和垂直分布特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 細(xì)根生物量和根長的總體分布規(guī)律

X軸1、2、3、4分別表示距樹干0.2、0.5、1.0、1.5 m的水平距離(下同)，Y軸1、2、3、4、5、6分別表示010、1020、2030、3040、4050、5060 cm土層(下同)，Z軸表示單位土體內(nèi)的細(xì)根生物量(mg·cm-3)。X-axis 1, 2, 3, 4 represents the horizontal distance of 0.2,0.5,1.0,1.5 m from the trunk respectively(same as follows), Y-axis 1, 2, 3, 4, 5, 6 represents the soil layer of 010, 1020, 2030, 3040, 4050, 5060 cm (same as follows), The Z axis represents the fine root biomass (mg·cm-3) in the unit soil.圖2 細(xì)根生物量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of fine root biomass

Z軸表示單位土體內(nèi)的細(xì)根長(cm·cm-3)。The Z axis represents the fine root length (cm·cm-3) in the unit soil.圖3 細(xì)根長的空間分布Fig.3 Spatial distribution of fine root length

通過樹干距離、土層2個(gè)因素對滴灌條件下楊樹人工林細(xì)根指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表2)表明：樹干距離、土層深度及其交互作用均對細(xì)根生物量和根長分布影響顯著(P<0.05)，說明滴灌條件下細(xì)根有明顯的空間分布格局。由表2可知：對角和行間方向細(xì)根生物量受樹干距離的影響大于株間方向，而株間方向受土層的影響較大；行間方向細(xì)根長受樹干距離、土層及其交互作用的影響較株間和對角方向更大，說明行間方向的細(xì)根分布有更明顯的空間異質(zhì)性，這可能是受滴灌后形成的濕潤帶造成不同樹干距離及土層土壤水分條件不同的影響。

表2 樹干距離、土層及其交互作用對細(xì)根生物量和根長的影響

注:“*”表示影響顯著 (P<0.05)。Note: “*”indicate significant differences (P<0.05).

表3 不同方向細(xì)根生物量和根長的分布特征

注:表中不同小寫字母表示影響顯著 (P<0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).

由表3可知：不同方向細(xì)根生物量差異顯著(P<0.05)，不同取樣點(diǎn)細(xì)根生物量總和為14.86 mg，其中，株間方向占細(xì)根總生物量的54.2%，分別是對角和行間方向生物量的2.06倍和2.79倍。不同方向的細(xì)根長差異顯著(P<0.05)，株間方向占細(xì)根總長的50.5%，分別是對角和行間方向的1.82倍和2.32倍。滴灌條件下，細(xì)根主要分布在株間方向，不同方向細(xì)根的分布表現(xiàn)為株間>對角>行間，這是由于細(xì)根生長具有向水性，而滴灌管沿樹行鋪設(shè)，滴灌后能在株間方向形成連續(xù)的濕潤帶，利于細(xì)根生長；對角和行間方向受濕潤帶影響有限，細(xì)根分布減少，但對角方向受濕潤帶影響范圍大于行間方向(圖1)，濕潤帶內(nèi)土壤水分的增加有利于根系的生長，所以對角方向比行間方向有更多的細(xì)根。

表4 不同土層細(xì)根生物量和根長的分布特征

注：表中不同小寫字母表示影響顯著 (P<0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).

4.2 細(xì)根長的水平分布特征

由不同方向細(xì)根長的水平分布情況(圖4)可知：滴灌條件下，楊樹人工林細(xì)根的水平分布在不同方向差異顯著。株間方向細(xì)根長的水平分布表現(xiàn)為先增加后減小的分布規(guī)律，根長在距樹干0.5 m處最大，為4.2 cm，占該方向細(xì)根總長的33.1%，與距樹干0.2、1.0、1.5 m處的根長均差異顯著(P<0.05)。由于滴灌后在株間方向形成連續(xù)濕潤帶，水分條件充足，細(xì)根生長不受水分條件制約，細(xì)根先增加后減小的水平分布特征應(yīng)該是樹木細(xì)根自身生長調(diào)控的結(jié)果。

對角方向的細(xì)根長表現(xiàn)出隨樹干距離變遠(yuǎn)不斷減小的分布特征，根長在距樹干0.2 m處最大，為2.7 cm，占該方向細(xì)根總長的38.1%，與距樹干0.5 m處的根長差異不顯著(P>0.05)；距樹干0.2、0.5 m處的細(xì)根長與距樹干1.0 、1.5 m處均差異顯著(P<0.05)。

行間方向細(xì)根長的水平分布與對角方向類似，其水平分布表現(xiàn)為隨距樹干距離的增加而減小，距樹干0.2、0.5、1.0、1.5 m處的細(xì)根長差異顯著(P<0.05)，其中，距樹干0.2 m處的根長為2.3 cm，占該方向細(xì)根總長的41.8%。由于對角方向距樹干0.5 m處仍在滴灌形成的濕潤帶范圍內(nèi)，土壤水分條件較好，其細(xì)根長與距樹干0.2 m處相近；行間方向距樹干0.5 m處已處于濕潤帶邊緣，水分條件較差，影響了細(xì)根的生長和積累，顯著小于距樹干0.2 m處的細(xì)根長(圖1)。通過以上分析可知，株間方向距樹干0.2、0.5、1.0、1.5 m處以及對角和行間方向距樹干0.2、0.5 m處均在濕潤帶內(nèi)，其細(xì)根長的和占所有位點(diǎn)細(xì)根總長的86.4%。

4.3 細(xì)根長的垂直分布特征

圖中不同小寫字母表示在同一方向的不同樹干距離處的差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at different trunk distances in the same direction (P<0.05).圖4 不同方向細(xì)根長水平分布特征Fig.4 Horizontal distribution of fine root length in different directions

圖中不同小寫字母表示在同一方向的不同土壤深度顯著差異(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at different soil layers in the same direction (P<0.05).圖5 不同方向細(xì)根長垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution of fine root length in different directions

5 討論

楊樹人工林細(xì)根生物量和根長是評價(jià)根系吸收養(yǎng)分和水分能力的重要指標(biāo)。本研究表明，在不同方向的不同水平距離和土壤深度，細(xì)根生物量和根長表現(xiàn)出相似的分布特征，這與李盼盼等[26]有關(guān)細(xì)根生物量和根長密度等分布特征的研究結(jié)果一致。為了簡化分析且完整揭示細(xì)根的空間分布規(guī)律，在以后的研究中可任選其中之一作為研究細(xì)根空間分布規(guī)律的指標(biāo)。

土壤水分、養(yǎng)分等資源的差異是影響細(xì)根分布的重要原因，閆小莉等[22]關(guān)于水肥耦合條件下細(xì)根形態(tài)及分布特征的研究表明，細(xì)根生長具有一定的向水性和趨肥性。由于本研究試驗(yàn)地為沙地，土壤貧瘠，N、P、K元素含量極低[27]，土壤條件的差異主要受滴灌后形成的濕潤帶在不同方向和不同土壤深度導(dǎo)致的水分條件不同所影響。滴灌條件下，細(xì)根長的分布受樹干距離、土層及其交互作用的顯著影響，這是由于滴灌后形成的濕潤帶在不同方向和不同土壤深度導(dǎo)致的水分條件不同所致(圖1)。

距樹干不同距離處的土壤條件等因素顯著影響細(xì)根分布[28-29]。滴灌條件下，楊樹人工林細(xì)根的水平分布在距樹干不同距離處表現(xiàn)為，株間方向細(xì)根長在距樹干0.5 m處最大，而對角和行間方向細(xì)根長在距樹干0.2 m處最大，這是由于株間方向水分充足，細(xì)根的分布主要受樹木細(xì)根自身生長調(diào)控的影響[30]，而對角和行間方向隨樹干距離變遠(yuǎn)，受濕潤帶影響不斷減少，土壤水分條件不斷變差。距樹干由遠(yuǎn)到近細(xì)根長的變化幅度為株間方向<對角方向<行間方向，這與土壤水分條件在株間方向、對角方向及行間方向的分布格局一致。

滴灌栽培楊樹人工林的灌溉量根據(jù)不同年份楊樹速生豐產(chǎn)林的蒸散量確定，本研究對象為北京河流故道沙地上滴灌栽培的5年生楊樹人工林，其年灌溉量僅為2 422 m3·hm-2，比常規(guī)灌溉減少50%以上，但其蓄積量卻是常規(guī)灌溉人工林的1.5倍，這說明滴灌條件下楊樹人工林形成的上述空間分布格局和數(shù)量為楊樹人工林的生長發(fā)育奠定了基礎(chǔ)，使其達(dá)到了速生豐產(chǎn)的目標(biāo)。

由于本試驗(yàn)僅研究了滴灌栽培條件下楊樹人工林細(xì)根的空間分布，在常規(guī)灌溉條件下細(xì)根的空間分布情況未做說明，今后尚需對常規(guī)灌溉條件下細(xì)根的空間分布進(jìn)行對比研究，從而全面揭示滴灌栽培條件下林分的速生豐產(chǎn)機(jī)制。另外，根系對水分的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的生理生態(tài)過程，本研究僅從細(xì)根的形態(tài)和生物量指標(biāo)來探究滴灌栽培條件下細(xì)根的分布特征，在今后研究中應(yīng)該對細(xì)根生長發(fā)育機(jī)制及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行深入研究，以全面揭示滴灌栽培楊樹人工林細(xì)根的生理生態(tài)特性。

6 結(jié)論

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SpatialDistributionofFineRootinthePoplarPlantationunderDripIrrigation

BIHong-lei1，LANZai-ping1，SUNShang-wei1，F(xiàn)UJian-ping2，PENGJing-jing1，MAXin1

(1.World Bank Loan Project Office, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China； 2.Forest Farm of Daxing District，Beijing 102602, China)

ObjectiveAiming at studying the spatial distribution of fine root under surface drip irrigation, 5-year-old 107 poplar clone (Populus×euramericanacv.‘74/76 ) plantation cultivated with surface drip irrigation in the forest farm of Daxing district was taken as the research object.MethodBy drilling sampling, the samples from different directions at different horizontal distances (0.2, 0.5, 1.0 and 1.5 m) from the trunk were collected. The depths of soil cores were 60 cm, 10 cm each as a soil layer.ResultThe distribution characteristics of fine root were analyzed under the condition of drip irrigation. Under different trunk distance and soil layer, the fine root biomass and root length showed similar distribution characteristics and its distribution was significantly affected by the trunk distance, soil layer and their interaction (P<0.05). The total length of fine roots in the strains direction was 12.7 cm, which was 1.82 times and 2.32 times that of the diagonal direction and row direction. The total root length of the three sampling points was 25.2 cm, of which 86.4% were in the range of wetted belt formed by drip irrigation. In the soil depth of 0—60 cm, 84.5% of the total root length was in the 0—40 cm soil layer. The horizontal distribution of fine root in different directions was different. In the strains direction, the maximum root length was at the trunk distance of 0.5 m, which was 4.2 cm and showed significant difference with other trunk distances (P<0.05). In the diagonal and row direction, the maximum root length, 0.2 m from the trunk, were 2.7 cm and 2.3 cm respectively and accounting for 38.1% and 41.8% of the total length in their respective directions. The vertical distribution of fine root in different directions was different. At different soil layers, the fine root length in the strains direction showed that the fine root length of 0—10 cm soil layer was larger than others, and accounting for 29.1% of the total length, the difference with other soil layers was significant (P<0.05). In the diagonal and row direction, the maximum root length were at 10—20 cm soil layer, 2.0 cm and 1.7 cm respectively, and accounting for 27.9% and 31.0% of the total length in their respective directions, the differences with other soil layers were also significant (P<0.05).ConclusionThe spatial distribution characteristics of fine root in poplar plantations under drip irrigation can be expressed by either fine root biomass or fine root length. The difference of soil moisture condition caused by continuous wet belt range after drip irrigation makes the difference of horizontal and vertical distributions of fine root in different directions, the fine root length is expressed as strains direction>diagonal direction> row direction. Fine roots are mainly distributed in the range of wet belt and relatively concentrated in the 0—40 cm soil layer. According to the horizontal and vertical distribution of fine root of poplar plantation, the water should penetrate to at least 50 cm away from the trunk after each drip irrigation, and the depth of infiltration should reach at least 40 cm to meet the water demand of normal growth of poplar plantation. The results and conclusions of this study provide a theoretical basis for determining the precise single effective irrigation amount, so as to achieve the dual goal of saving water and ensuring the normal growth of trees.

surface drip irrigation; poplar plantation; fine root; spatial distribution

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.009

2017-02-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“歐美楊工業(yè)資源材高效培育技術(shù)研究”(2016YFD0600401)

秘洪雷(1990—)男，在讀碩士.主要研究方向：森林培育.E-mail:bihonglei1990@126.com

* 通訊作者：蘭再平，男，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事森林培育與森林生態(tài)學(xué)研究.E-mail:zplan@139.com

S792.11

A

1001-1498(2017)06-0946-08

徐玉秀)