陜北黃土丘陵區(qū)三種林地根系分布特征

（長江工程職業(yè)技術學院，武漢 430212）

1 研究對象

根系形態(tài)和分布是植被與土壤環(huán)境相互作用的結(jié)果，它反映了植被對土壤水分和養(yǎng)分的利用狀況、植被對土壤環(huán)境的改善能力，以及土壤環(huán)境對植被的影響，因此植物根系在土壤中的分布特征倍受關注。黃土高原是我國生態(tài)環(huán)境建設的重點地區(qū)，生態(tài)建設明顯促進了高原植被的恢復，改善了區(qū)域環(huán)境狀況。植被根系在防治水土流失中發(fā)揮重要作用，高原林地根系的分布特征也受到了關注。由于根系具有改善土壤結(jié)構(gòu)、防止土壤侵蝕的功能，特別是植被淺層根系分布的層次同土壤侵蝕層次完全吻合，不同徑級的根系在防治水土流失中的作用也不同（如粗根固土性能較好，細根抗沖蝕性能較強），因此研究黃土丘陵區(qū)淺層根系的分布特征對指導生態(tài)環(huán)境建設具有重要的意義。

本研究以黃土丘陵區(qū)的山楊林、油松林和灌木林為對象，對根系生態(tài)位指數(shù)在三種林地淺層根系的分布進行了系統(tǒng)的研究，目的是為黃土丘陵區(qū)林業(yè)生態(tài)工程措施提供重要理論依據(jù)。

2 地區(qū)概況及研究方法

2.1 地區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西宜川縣鐵龍彎林場，屬陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔最低388.8m，最高1 710.5m，為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年日照時數(shù)2 435.6h，年均氣溫9.9℃，極端最高氣溫39.9℃，極端最低氣溫-22.4℃，無霜期185d，年降水量577.2mm，多集中在7～9月，地帶性植被為溫帶落葉闊葉林，森林覆蓋率約為44.9%，主要喬木樹種有櫟類、山楊，側(cè)柏、油松、刺槐等，灌木樹種有胡枝子、繡線菊、狼牙刺、檸條、荊條、山桃、山杏、酸棗等。

2.2 研究方法和原理

在該林場典型的次生山楊林、人工油松林和灌木林下，分別選取一個80cm×80cm樣方，樣方概況見表1。采用分層挖掘法，首先除掉表層的枯枝落葉層，然后每5cm一層挖掘，挖至30cm，分別仔細揀出其中的根系，裝袋并沖洗，以備測量。

表1 樣方概況

根系測量方法：首先用游標卡尺對根系直徑分級，分為＜1cm、1～3cm、3～5cm、5～10cm、＞10cm共五個級別，并統(tǒng)計各類根數(shù)；然后，把濕根放于盛有少量水分的透明盤中，將標有毫米尺寸的繪圖紙放于盤下，用鑷子拉直根系，置于平盤的部位，測量根系的長度，計算其毫米數(shù)；利用量筒采用排水法測量根體積，為減少誤差，采用了10cm、20cm、50cm、100cm、250cm和500cm五種型號的量筒，對直徑大小不同的根系，用相應的量筒測量。

研究原理：仿照群落生態(tài)學研究方法，將植物群落根系視為“標準地”，分布于每個土體層次的每個徑級根系視為“植物種”，將根體積、根長、根數(shù)作為“植物種”的觀測變量。若i為土體層次（i=1，2，…），即0～5cm，5～10cm，…；j為不同徑級根（j=1，2，3，4，5），即＜1mm，1～3mm，3～5mm，5～10mm，＞10mm。則：

式中，Eij為層徑級根系生態(tài)位指數(shù)；Vmax、Lmax、Nmax分別為對應于根體積Vij、根長Lij、根數(shù)Nij的指標最大值。

將某一群落各層徑級生態(tài)位指數(shù)（Eij）之和，定義為植物群落根系生態(tài)位指數(shù)，即：

3 結(jié)果與分析

3.1 根系生態(tài)位垂直分布特征

從圖1中可以看出，三種林地根系生態(tài)位指數(shù)隨深度的增加呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢，為典型的表層聚積生態(tài)位型。由于植物根系的分布深度受生物學特性和環(huán)境的雙重影響，生物本身的遺傳因素、土壤厚度、土壤容重以及土壤水分和土壤養(yǎng)分都會對根系的生長和分布產(chǎn)生影響，因此三種林地根系生態(tài)位也有明顯的垂直差異。在山楊林地中，根系生態(tài)位指數(shù)最大值為1.37，出現(xiàn)在5～10cm處，隨著土層深度的增加，生態(tài)位指數(shù)減少迅速，最大值是最小值的6.95倍，可見根系的表層聚積相當明顯；在油松林中，最大值為1.07，出現(xiàn)在0～5cm處，最大值為最小值的2.41倍，較之山楊林地過渡相對平緩；灌木林中，最大值是0.76，出現(xiàn)在0～5cm處，最大值是最小值的2.75倍。

植物對空間的競爭不僅表現(xiàn)在地面部分，根系對地下空間的競爭甚至比地上更加激烈，山楊林地淺層根系生態(tài)位指數(shù)在土層0～20cm間明顯高于其下面土層，這種分布特征說明植物根系對0～20cm土層空間的水分和養(yǎng)分的競爭激烈，同時也說明在0～20cm土層空間的水分和養(yǎng)分條件相對較好，現(xiàn)場挖掘和觀察表明，山楊林地該土層土壤濕度明顯較高，而且土壤顏色較深，說明土壤有機質(zhì)含量高，養(yǎng)分豐富，土壤條件好，因此該層根系生態(tài)位指數(shù)高也就不足為奇。

還可以看出，三種林地各層幾乎呈現(xiàn)一個共同的特征，那就是相同深度的根系生態(tài)位表現(xiàn)為：山楊林＞油松林＞灌木林。在陜北黃土丘陵區(qū)，山楊林為該區(qū)植物群落演替系列中的過渡森林群落，氣候性的演替頂極為遼東櫟林，油松林為亞頂極。山楊林根系生態(tài)位各層較高的特點，反應了它作為黃土高原天然次生林先鋒樹種更能充分利用土壤淺層水分和養(yǎng)分，且能進一步改善土壤環(huán)境，為向頂級植物群落演替奠定基礎。

圖1 林地根系生態(tài)位隨土層深度的變化

3.2 根系生態(tài)位的徑級分布特征

依據(jù)根系生態(tài)位的徑級分布特征可以認識不同徑級根系在土壤中的地位和作用。從圖2，3，4中可以看出：山楊林地和油松林地根系生態(tài)位徑級分布呈明顯的不等高U型特征，從徑級＜1mm的細根開始逐漸降低，山楊林地3～5cm徑級根系生態(tài)位最低，油松林地是5～10cm徑級根系最低，然后反彈上升，但左側(cè)明顯高于右側(cè)，即徑級＜1mm的細根生態(tài)位高于徑級＞10mm粗根，兩種喬木的根系生態(tài)位主要集中分布在小于1mm的細根和大于10mm的粗根上，這兩種徑級的根系是山楊林地和油松林地根系的主體，可見這兩種林地淺層根系為細-粗混合型群落根系；灌木林地根系生態(tài)位徑級分布為明顯的反J型特征，隨著徑級的增加生態(tài)位不斷下降，根系生態(tài)位主要分布在小于1mm徑級的細根上，細根是灌木林地根系的主體，可見，灌木林地淺層根系為細根型群落根系。

圖2 山楊林地不同徑級根系生態(tài)位指數(shù)

圖3 油松林地不同徑級根系生態(tài)位指數(shù)

圖4 灌木林地不同徑級根系生態(tài)位指數(shù)

植被根系生態(tài)位徑級分布類型有J型（為粗根型），反J型（為細根型），U型和S型（為上兩者的過渡型）。根系可以將大量的有機質(zhì)歸還到土壤中，使土壤水穩(wěn)性團聚體明顯增加，也提高了土壤的非毛管孔隙度，增加了土壤有機質(zhì)并降低土壤容重，改良土壤結(jié)構(gòu)性狀，這對改善林地的土壤環(huán)境具有重要的意義。但細根和粗根的生態(tài)功能不同，細根擴大了細根與土壤的接觸面積，有利于林木從土壤中吸收更多的養(yǎng)分和水分，供植物的生長發(fā)育；細根的生物周轉(zhuǎn)量快，能較快地將養(yǎng)分歸還土壤，細根生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)是土壤碳和養(yǎng)分的重要來源；同時細根密度增加可以降低土壤侵蝕速率，與＞10mm徑級的植被粗根密度無顯著相關性，但粗根有利于固持地表土壤。比較三種林地生態(tài)位徑級分布特征，次生山楊林、人工油松林比灌木林更有利于黃土丘陵區(qū)的水土保持。

3.3 三種植物群落根系生態(tài)位對比

從群落根系生態(tài)位指數(shù)來看，山楊林地最高，其次為油松林，灌木林最低，灌木林地生態(tài)位指數(shù)僅相當于山楊林地的57.2%，相當于油松林的70.1%（如表2）。

表2 三種植物群落根系生態(tài)位比較

植物群落根系生態(tài)位指數(shù)是對研究區(qū)植被根長，根體積及根數(shù)的綜合反映，根系的生長和空間分布受多種因素影響。研究區(qū)的次生山楊林和人工油松林由于植物群落結(jié)構(gòu)復雜，林下有灌木層和草本層，喬灌草結(jié)合，物種多樣，土壤中根系豐富，加之喬木根系相對粗大，因此兩種喬木根系生態(tài)位指數(shù)較灌木林較高；山楊林是原林地遭受反復破壞后所形成的次生先鋒群落，一方面對生長條件并不嚴格，具有生長速度快，繁殖能力強，根系淺等特點，另一方面山楊林的喬、灌、草本層的物種豐富度指數(shù)高，而人工油松林物種豐富度相對較低，因此山楊林群落根系生態(tài)位指數(shù)又較油松林高。在陜北黃土丘陵區(qū)，由于黃土質(zhì)地均一，土壤非毛管孔隙在10%以下，地表水下滲到深層困難，且降水少，水分是該地植被生長的主要限制因子，就現(xiàn)場挖掘來看，山楊林地和油松林地的水分條件明顯好于灌木林，有利于植被根系生長，生長在山坡的灌木林，土壤水分條件差，受其影響，灌木林地淺層根系少，且林下草本層受放牧的影響，土層緊實，長勢差，整個灌木林群落結(jié)構(gòu)簡單，限制根系生長，因此群落根系生態(tài)位指數(shù)最小。

4 結(jié)論

（1）三種林地根系生態(tài)位指數(shù)隨深度的增加呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢，為典型的表層聚積生態(tài)位型。但根系生態(tài)位垂直分布也有差異，隨著土層深度的增加，山楊林地根系生態(tài)位指數(shù)減少迅速，而油松林地和灌木林地相對平緩。相同深度的根系生態(tài)位表現(xiàn)為：山楊林＞油松林＞灌木林。

（2）山楊林地和油松林地根系生態(tài)位徑級分布呈明顯的不等高U型特征，這兩種林地淺層根系為細-粗混合型群落根系，而灌木林地根系生態(tài)位徑級分布為明顯的反J型特征，灌木林地淺層根系為細根型群落根系。

（3）由于山楊林群落結(jié)構(gòu)復雜，且山楊林為淺根型林木，人工油松林群落結(jié)構(gòu)次之，灌木林群落結(jié)構(gòu)最為簡單，因此，群落根系生態(tài)位指數(shù)山楊林地最高，其次為油松林，灌木林最低。