黑龍江省張廣才嶺樟子松人工林根系與優(yōu)先路徑的關(guān)系*

艾力夏提·庫爾班，伊懷虎，韋自強(qiáng)，任鵬，辛穎

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 黑龍江 150040)

土壤優(yōu)先流是土壤中的水分快速滲透，非平衡流動(dòng)的現(xiàn)象[1]。是一種土壤水分運(yùn)移的特殊形式，為土壤水分運(yùn)移開辟了有效通道，能夠減少地表徑流，對森林水文和水資源管理有著重要影響[2]。越來越多的學(xué)者關(guān)注土壤優(yōu)先流研究[3]，發(fā)現(xiàn)影響土壤優(yōu)先流的因素很多，包括土壤質(zhì)地[4]、土壤容重[5]、土壤大孔隙[6]、動(dòng)物活動(dòng)[7]、石礫[8]及植物根系[9]等。植物根系在生長過程中，能改變土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤團(tuán)聚體含量[10]，產(chǎn)生很多孔隙通道[11]，這些孔隙會形成優(yōu)先路徑，加快水分的運(yùn)移。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)榛子(CorylusheterophyllaFisch.)灌木林[12]和華北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中[13]林木根系與土壤優(yōu)先流有密切關(guān)系。表明林木根系在土壤水分運(yùn)移過程中起到不可忽視的作用。根長密度、根重密度和根表面積作為根系的重要指標(biāo)[12]，可以用來分析根系會對優(yōu)先路徑產(chǎn)生何種影響。

黑龍江省東部帽兒山實(shí)驗(yàn)林場是阿什河重要的水源地，植被曾遭受過極大地破壞，后期經(jīng)人工恢復(fù)，種植了大量的針葉人工林。目前對該區(qū)域林分的水源涵養(yǎng)功能已有大量研究[12,14-16]，發(fā)現(xiàn)這些林分發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土的重要作用。但是關(guān)于水分在這些林分土壤中如何快速運(yùn)移，以及林木根系對優(yōu)先路徑的影響還未見報(bào)道。因此，本研究以黑龍江省張廣才嶺樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林為研究對象，結(jié)合土壤優(yōu)先流特征，探究樟子松人工林根系特征與土壤優(yōu)先流形成之間的關(guān)系，明晰根系在土壤水分運(yùn)移過程中的關(guān)鍵作用，為該區(qū)域土壤優(yōu)先流、水源涵養(yǎng)機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

老山人工林試驗(yàn)站位于黑龍江省東部山地(45°20′～45°25′ N，127°36′～127°39′ E)，是集教學(xué)、科研、生產(chǎn)為一體的基地。地處長白山系張廣才嶺余脈，平均海拔300 m。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫2.8 ℃[17]，年平均降水量600～800 mm，森林覆蓋率為70.2%[12]。在1897—1945年遭到了兩次掠奪性破壞，原始植被遭受重大的破壞，帽兒山林場1957年開展人工植被恢復(fù)[18]，種植了大量的樟子松、紅松(P.koraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)人工林，其地帶性土壤為暗棕壤[19-20]。主要灌木植物有衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、忍冬(Lonicerajaponica)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等，主要草本植物有兩型豆(Amphicarpaeaedgeworthii)、鈴蘭(Convallariamajalis)、小玉竹(Polygonatumhumile)等。

1.2 染色示蹤試驗(yàn)

2020年10月，以老山人工林試驗(yàn)站具有代表性的樟子松人工林為研究對象，設(shè)置一個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地。樟子松平均胸徑為23.37 cm，平均樹高為23.41 m，郁閉度為0.50。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)選擇3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)與周圍各喬木基本等距且植株數(shù)基本相同。

染色示蹤試驗(yàn)前一周無降雨。在樣點(diǎn)上放置一個(gè)長和寬均為1.0 m、高0.6 m的鐵框，先去除鐵框內(nèi)地表上的枯枝落葉。沿鐵框外壁挖溝，使鐵框自然下落0.5 m，并用橡膠錘將緊貼鐵框內(nèi)壁5 cm內(nèi)的土壤夯實(shí)。鐵框上布設(shè)模擬降雨器，均勻噴灑濃度為4.0 kg/m3、體積為25 L的甲基藍(lán)染色劑。之后將鐵框蓋好，以避免或防止降水及凋落物進(jìn)入框內(nèi)[21-22]。

1.3 樣品采集

染色示蹤試驗(yàn)24 h后移去塑料薄膜和鐵框，四周每邊去除10 cm，修成80 cm×80 cm的土壤剖面，修平刷掉浮土后用索尼相機(jī)(Alpha 7 Ⅱ，日本)拍攝垂直染色剖面，每個(gè)染色剖面重復(fù)拍3次。之后水平挖掘土壤剖面，每10 cm為一層，拍攝土壤水平剖面染色圖像。同時(shí)，收集每個(gè)土層內(nèi)所有根系，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定[22]。

1.4 根系的測定

將分層采集的根系按照染色與未染色分開，在水中沖洗干凈后用紗布吸干根系表面的水分，將染色與未染色的根系分為5個(gè)徑級(d<1 mm、1 mm10 mm)。將5個(gè)徑級的根系用天平稱重，算出根重密度；用EPSON LE 2400根系掃描儀(愛普生，中國)進(jìn)行根系掃描，獲得根長密度及根表面積等數(shù)據(jù)。

根長密度[23]計(jì)算公式如下。

qrl=∑Lr/Vsoil

式中：qrl為根長密度(m/m3)；Lr為某徑級長度(m)；Vsoil為土壤剖面的體積(m3)。

根重密度[23]計(jì)算公式為：

qrm=∑Mr/Vsoil

式中，qrm為根重密度(kg/m3)，Mr為某徑級根系重量(kg)，Vsoil為土壤剖面的體積(m3)。

1.5 圖片處理

使用Photoshop CS6.0對染色圖像進(jìn)行處理[24-25]。處理后的圖片導(dǎo)入ArcMap 10.4圖像處理軟件[26]，將圖片轉(zhuǎn)換成0～255像素組成的圖片，并將0～255像素的圖片進(jìn)行二值化處理，計(jì)算出染色面積[27-28]。參考呂剛等[29]的方法量化優(yōu)先路徑的分布特征。染色面積比計(jì)算公式：

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 21.0 和Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對染色面積比和各項(xiàng)根系指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤優(yōu)先流空間分布特征

野外染色示蹤試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎贸尸F(xiàn)土壤水分運(yùn)移的過程，明顯展示土壤優(yōu)先流的空間分布特征。由圖1可以看出，樟子松人工林土壤存在明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象。0～2 cm土層染色較為均勻。2 cm以下土層，由于樟子松根系的存在，產(chǎn)生了很多孔隙，土壤中的水分沿著根孔隙通道向下運(yùn)移，存在明顯的優(yōu)先路徑，且運(yùn)移路徑較遠(yuǎn)。10～40 cm土層范圍內(nèi)，染色溶液呈漏斗狀集中快速向下運(yùn)移，最大染色深度達(dá)到43 cm。

圖1 樟子松人工林土壤的染色縱剖面

去除土壤表面均勻染色的部分，從2 cm層開始出現(xiàn)明顯的局部染色，染色區(qū)域即為優(yōu)先流區(qū)，未染色區(qū)域?yàn)榛|(zhì)流區(qū)(圖2)。樟子松人工林土壤各層之間優(yōu)先流染色面積比存在明顯差異， 2 cm層(圖2A)土壤優(yōu)先流染色面積比是77.0%。因?yàn)?～10 cm土層范圍內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)疏松，動(dòng)植物活動(dòng)頻繁，根系分布集中，示蹤劑呈現(xiàn)條狀擴(kuò)散快速向下運(yùn)移。10 cm層(圖2B )優(yōu)先流染色面積比為67.2%，優(yōu)先流區(qū)主要分布在有植物根系的區(qū)域，示蹤劑主要沿著根系向下運(yùn)移，再次說明樟子松的根系對土壤優(yōu)先流具有一定影響。20 cm層(圖2C)優(yōu)先流染色面積比是76.2%，在10～20 cm土層范圍內(nèi)，染色面積并不是隨著土壤深度的增加而減少，也會出現(xiàn)中間染色較淺、表層和深層染色較深的現(xiàn)象，說明示蹤劑滯留時(shí)間較短，土壤優(yōu)先流具有環(huán)繞和快速穿透特征[30-31]。30 cm層(圖2D)土壤優(yōu)先流染色面積比是67.6%， 40 cm土層(圖2E)優(yōu)先流染色面積比減少到43.3%。隨著土層加深，土壤更為緊實(shí)，土壤水分主要沿著大孔隙優(yōu)先流動(dòng)。

圖2 樟子松人工林土壤的染色橫剖面

2.2 根長密度對土壤優(yōu)先流的影響

由表1可知，樟子松人工林的根系主要分布在0～40 cm土層范圍內(nèi)，根長密度為9 826.56 m/m3，隨著土層深度的增加，根長密度逐漸減少。

表1 樟子松人工林的根長密度的分布特征

每10 cm土層內(nèi)，根系徑級越小，根長密度越大。0～10 cm土層中，分布著大量的細(xì)根，根長密度最大的是d<1 mm的根系，達(dá)到4 017.95 m/m3，占該層總根長密度的80.0%，分別是其他4個(gè)徑級的5.0、34.6、82.3和441.5倍。其中優(yōu)先流區(qū)d<1 mm的根長密度為2 078.36 m/m3，占該層總根長密度的41.4%；1 mm10 mm的根系全部被染色，說明粗根系周圍的孔隙通道更利于示蹤劑運(yùn)移。10～30 cm土層范圍內(nèi)，優(yōu)先流區(qū)分布的根系較多。10～20 cm和20～30 cm層優(yōu)先流區(qū)根長密度分別占各層總根長密度的61.3%和63.3%，分別是基質(zhì)流區(qū)根長密度的1.6倍和1.7倍?？梢娬磷铀筛档拇嬖冢谕寥纼?yōu)先流的發(fā)生。30～40 cm土層范圍內(nèi)只有d<5 mm的根系分布。

隨著土層深度的加深，樟子松人工林d<5 mm根系的根長密度明顯減小，尤其是d<1 mm根系。0～10 cm土層中d<1 mm的根長密度分別是下面3層的2.3、3.3和11.6倍，1 mm

染色根系根長密度與染色面積比的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，樟子松人工林的根長密度與染色面積比相關(guān)性不顯著(表2)。

表2 樟子松人工林根長密度和根重密度與染色面積比的相關(guān)性

2.3 根重密度對土壤優(yōu)先流的影響

由表3可知，隨著土層加深樟子松人工林的根重密度減少，這與植物根系的生長特性有關(guān)。0～10 cm土層的根重密度最大，為5.9 kg/m3；10～20 cm土層根重密度為5.0 kg/m3；30～40 cm土層細(xì)根較多，根重密度最小，只有0.45 kg/m3。

表3 樟子松人工林根重密度的分布特征

0～10 cm土層優(yōu)先流區(qū)的總根重密度是基質(zhì)流區(qū)的2.1倍，優(yōu)先流區(qū)d>5 mm的根系根重密度較大，占比達(dá)69.4%。優(yōu)先流區(qū)d<1 mm、1 mm

在40 cm土層范圍內(nèi)，d<1 mm、1 mm10 mm的總根重密度分別為0.9、3.53、2.77、3.86和3.59 kg/m3。各徑級的根重密度均隨著土層的加深，逐漸減少。雖然d<1 mm的根系根長密度最大，但是其根重密度最小。

由表2可知，根重密度與染色面積比呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，其中1 mm

2.4 根表面積對土壤優(yōu)先流的影響

由表4可知，樟子松人工林根系表面積隨土層的增加而出現(xiàn)遞減的趨勢。0～10 cm土層的根表面積為5 988.47 cm2，其中優(yōu)先流區(qū)根表面積為3 013.90 cm2，占50.3%。優(yōu)先流區(qū)d>5 mm的粗根表面積為734.52 cm2，其他d<5 mm的根表面積均小于基質(zhì)流區(qū)。10～20 cm土層的根表面積為5 295.73 cm2，其中優(yōu)先流區(qū)根表面積為3 277.67 cm2，占61.9%。優(yōu)先流區(qū)1 mm

表4 樟子松人工林根表面積的分布特征

在0～40 cm土層范圍內(nèi)，優(yōu)先流區(qū)d<1 mm的總根表面積最大，達(dá)到3 004.16 cm2；其次是1 mm10 mm的根系總根表面積為771.59 cm2，比d<1 mm的總根表面積少了2 232.57 cm2，減少74.32%。

由染色根的根表面積與染色面積回歸分析結(jié)果(表5)可知，1 mm

表5 樟子松人工林根表面積與染色面積比的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究采用野外染色示蹤法來研究黑龍江張廣才嶺樟子松人工林根系與土壤優(yōu)先路徑的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)樟子松人工林有明顯的土壤優(yōu)先流現(xiàn)象，染色示蹤劑沿著樟子松根系通道向下運(yùn)移，在2 cm土層以下存在多條優(yōu)先路徑，隨著土層的增加，染色面積比與土壤深度之間并不是逐層遞減的關(guān)系，這是因?yàn)檎磷铀扇斯ち滞寥纼?yōu)先流具有環(huán)繞和快速穿透的特征，土壤中水分沿多條優(yōu)先路徑環(huán)繞基質(zhì)流區(qū)向下運(yùn)移，這與牛健植等[32]關(guān)于貢嘎山暗針葉林水分運(yùn)移特征結(jié)果一致。但侯芳等[33]研究表明：隨著土層深度增加染色面積比緩慢減少，與本研究結(jié)果略有不同，可能是由于地域、樹種及土壤的不同造成的差異。

植物根系是影響土壤優(yōu)先流的一個(gè)重要因素，樟子松根系主要分布在0～40 cm土層范圍內(nèi)，根長密度隨著土層深度的增加而減少。其中細(xì)根(d<1 mm)的根長密度最大，且主要分布在土壤表層，對優(yōu)先流的形成有一定促進(jìn)作用，這與金兆梁[34]關(guān)于不同林齡樟子松人工林根長密度的研究結(jié)果一致。究其原因，樟子松人工林表層土壤中的細(xì)根較多且縱橫交錯(cuò)地生長，產(chǎn)生很多孔隙，為優(yōu)先流的發(fā)生提供了路徑，尤其細(xì)根生命力短暫，死亡之后較易形成根孔，提高土壤孔隙度，利于優(yōu)先流的產(chǎn)生。

整體來看，樟子松人工林染色區(qū)根重密度大于未染色區(qū)，此結(jié)果與魏虎偉等[35]研究結(jié)果一致，植物根系在未染色區(qū)與染色區(qū)之間具有差異性，說明樟子松根系對土壤優(yōu)先流的形成有積極作用。尤其是1 mm

根系特征是產(chǎn)生優(yōu)先路徑的因素之一，本文僅研究樟子松人工林根系與優(yōu)先路徑的關(guān)系，除植物根系外，土壤特性、植被類型、外界干擾以及土壤動(dòng)物的活動(dòng)等都會對土壤優(yōu)先流產(chǎn)生不同程度的影響，這些問題都有待后續(xù)的進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

黑龍江省張廣才嶺樟子松人工林土壤優(yōu)先流以大孔隙流為主，具有環(huán)繞和快速穿透特征，樟子松根系對土壤優(yōu)先流的產(chǎn)生有重要影響。樟子松的粗根系雖然少，根表面積小，但粗根系周圍的孔隙通道可使土壤中的水分優(yōu)先快速運(yùn)移。表層土壤中細(xì)根分布多，d<1 mm根系的根長密度最大。染色面積比與1 mm