掃描根窗法在落葉松人工林細(xì)根動態(tài)研究中的應(yīng)用1)

趙曉敏 孫桂琳 霍常富 于立忠 王朋

(遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院,沈陽,110101) (中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)

植物細(xì)根處于不斷生產(chǎn)、衰老和死亡的周轉(zhuǎn)過程。全球尺度上,細(xì)根(直徑小于2 mm)生產(chǎn)消耗陸地凈初級生產(chǎn)力22%,細(xì)根死亡對土壤碳和養(yǎng)分的貢獻(xiàn)比地上凋落物還多[1-2]。由于根系藏于土壤,對細(xì)根動態(tài)的了解較困難,限制了陸地碳模型對地下生態(tài)過程的模擬[3]。植物地下根系資料的匱乏,很大程度上受研究方法的限制。微根管法是目前研究細(xì)根動態(tài)的最佳方法,與連續(xù)土鉆法相比,微根管法在不破壞根的形態(tài)的情況下,可以連續(xù)觀測同一條根的生長動態(tài)[4-5],因此微根管法被廣泛應(yīng)用于多種生態(tài)系統(tǒng)的研究,為了解植物根系動態(tài)積累了寶貴的資料[6]。由于微根管的有效觀測窗面積較小,所觀測根系的分枝等級或功能類型不夠全面[7],而且不同功能類型的根(如吸收根和運(yùn)輸根)在形態(tài)、化學(xué)成分和生理功能等存在很大的差異[1,8]。因此,有必要按根系功能類型觀察分析根系的動態(tài)。掃描根窗法可按根系功能類型原位觀測細(xì)根動態(tài),通過定期直接觀測獲取根系生長動態(tài)數(shù)據(jù),基本原理與微根管法一致。目前將掃描根窗法成功應(yīng)用于溫帶森林和草原的植物根系觀察[7,9-10],但很少區(qū)分根系功能類型。本文以落葉松(Larixolgensis)人工林為研究對象,應(yīng)用掃描根窗法長期觀測實(shí)踐,以區(qū)分吸收根和運(yùn)輸根的現(xiàn)存量指標(biāo)為例,詳細(xì)介紹和評估野外原位掃描根窗法,旨在為改進(jìn)地下根系觀測方法提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站。該地區(qū)屬長白山系龍崗山脈北麓,氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫5.4 ℃,1月平均氣溫-16.3 ℃,7月平均氣溫23.1 ℃,年降水量800 mm。植被以長白植物區(qū)系為主,地帶性植被類型為闊葉紅松林,目前以次生林和人工林為主。土壤種類以棕色和暗棕色森林土為主。試驗(yàn)林分位于山坡中下部,1965年?duì)I造的落葉松人工林,試驗(yàn)開始時的林分密度為1 019株·hm-2,平均胸徑20 cm,樣地土層厚度40 cm。

2 研究方法

2.1 根窗安裝

2011年11月,在落葉松人工林內(nèi)設(shè)置4個20 m×20 m的樣方,每個樣方布設(shè)10個根窗。隨機(jī)選取目標(biāo)樹木,在距離樹干0.5～1.0 m安裝根窗玻璃片。先用自制的平面鋼鏟(寬30 cm×高35 cm)垂直于地面完全切入土層之中,接著挖開鋼鏟一側(cè)(擾動側(cè))土壤(坑大小為寬30 cm×長40 cm×深35 cm),小心取下鋼鏟,仔細(xì)修整土壤剖面。然后,把事先準(zhǔn)備好的玻璃片(厚度5 mm,大小為寬30 cm×高35 cm,其中有效觀測面積為寬20 cm×深30 cm,雕刻成6個10 cm×10 cm的方格,玻璃片除上沿外其余三邊留5 cm用于固定)緊貼于土壤剖面,使土壤充實(shí)整個玻璃片背景(不要留有空隙),并用不銹鋼釘在四角固定(見圖1)。最后,回填土壤以及凋落物,并在地表插上標(biāo)記方便后續(xù)取樣。

圖1 野外原位根窗及掃描觀測設(shè)備

2.2 觀測及圖像數(shù)字化

2012年5月開始第一次觀測,在生長季定期觀測,每月觀測一次(見表1)。觀測時,挖開根窗擾動側(cè)土壤,擦凈玻璃片,放入平板掃描儀(EPSON V33,Japan)使其緊貼玻璃片進(jìn)行掃描。采用蓄電池(電壓12 V、容量20 AH)和逆變器(直流12 V轉(zhuǎn)交流220 V)為掃描儀供電。獲取的圖像大小為A4幅,分辨率設(shè)定為600 dpi(根據(jù)研究需求和掃描儀參數(shù)設(shè)定分辨率),32位彩色圖像,每個根窗每次采集一張圖像。采集完成后,立即回填土壤和凋落物,盡量減輕觀測過程對根系生長的干擾。這種觀測時挖開-回填的方式,雖然費(fèi)力,但是可以最大限度的保證玻璃片表面根系的生長環(huán)境(如溫度和濕度)與土體一致。北方冬季因土壤上凍,故暫停觀測。

表1 落葉松人工林根窗觀測取樣日期

圖像依據(jù)根窗號、采集日期、序列號和采集人等信息命名,同一個根窗的圖片存放到一個文件夾內(nèi)。用Rootfly軟件(V2.0.2, Clemson University)對圖像中出現(xiàn)的每條根,手動描出根長和直徑,同時進(jìn)行編號、生根日期、顏色、存活狀態(tài)(活著或死亡)、死亡日期以及用戶自定義信息(根系分枝等級和土層)的記錄(見圖2)。通常根據(jù)根系的顏色和形態(tài)來判斷根存活狀態(tài),白色根和棕色根定義為活根,黑色、表皮脫落、褶皺且后續(xù)取樣日期不再生長的根定義為死根。此外,有些突然消失(被地下生物取食或土壤掩埋)的白色和棕色根也歸類為死亡[11]。根窗圖像數(shù)字化過程非常耗時費(fèi)力,這是及時獲取細(xì)根觀測數(shù)據(jù)的“瓶頸”環(huán)節(jié)。近年來,機(jī)器學(xué)習(xí)已能代替人工數(shù)字化土壤背景簡單的圖像[12-14],但應(yīng)用于森林土壤背景復(fù)雜的圖像仍充滿挑戰(zhàn)。人工描根的缺點(diǎn)是需要依靠個人經(jīng)驗(yàn)來判定根系的存活狀態(tài),導(dǎo)致細(xì)根壽命數(shù)據(jù)存在主觀誤差,為了提高數(shù)據(jù)的可靠性,同一批根窗圖像應(yīng)由同一個人描根。

圖2 應(yīng)用Rootfly軟件人工描根數(shù)字化根窗圖像過程

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于根窗圖像人工數(shù)字化過程非常耗時,本研究在每樣地隨機(jī)挑選出2個根窗,共選取了8個根窗,進(jìn)行數(shù)字化獲取細(xì)根數(shù)據(jù)。主要目的是介紹掃描根窗法,因而只計(jì)算細(xì)根現(xiàn)存量指標(biāo),并用其來評價(jià)根窗安裝擾動后的恢復(fù)時間。將落葉松細(xì)根區(qū)分為吸收根(1～2級根)和運(yùn)輸根(3～5級根)兩種功能類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。細(xì)根現(xiàn)存量指每次取樣日期觀測到的單位根窗面積上的活根總長度,年平均細(xì)根現(xiàn)存量為該年內(nèi)各取樣日期數(shù)據(jù)的均值。為了消除不同年份年平均細(xì)根現(xiàn)存量差異對季節(jié)格局的影響,采用該掃描日期現(xiàn)存量除以該年最大現(xiàn)存量,獲取各掃描日期現(xiàn)存量的相對值,進(jìn)而比較季節(jié)格局的年際間差異。采用單因子方差分析和Duncan多重比較檢驗(yàn)細(xì)根現(xiàn)存量在不同取樣日期和年份間的差異顯著性,統(tǒng)計(jì)過程用SPSS軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 掃描根窗法觀測效果及評價(jià)

在遼寧清原縣的落葉松人工林樣地,經(jīng)過多年的實(shí)踐,野外原位根窗經(jīng)歷了凍融交替和夏季強(qiáng)降雨的檢驗(yàn)。從同一根窗號不同取樣日期的序列圖像上,可以清晰的觀測到落葉松和林下植物(如草本)細(xì)根出生、伸長(分枝)、衰老、死亡甚至分解這一細(xì)根動態(tài)全過程(見圖3)。傳統(tǒng)的微根管技術(shù)(如美國的Bartz公司生產(chǎn)的BCT-100設(shè)備)的觀測窗口大小為1.4 cm×1.8 cm[15],如此小的觀測窗,植物根系由于不斷的伸長生長,因而很容易超出觀測視野,極大地限制了對目標(biāo)根系分枝等級的確定。近年來,雖然出現(xiàn)了可以旋轉(zhuǎn)掃描的微根管設(shè)備(如,CI-600,CID公司,美國),觀測窗口大小為20 cm×20 cm,但其對根系分枝過程的觀測結(jié)果仍鮮有報(bào)道。

圖像大小為A4,白線方格為10 cm×10 cm,綠圈短虛線區(qū)域示白色的草根,紅圈長虛線區(qū)域示棕色的落葉松根圖3 落葉松根窗真實(shí)掃描圖像序列實(shí)例

由表2可知,掃描根窗法與微根管法相比最明顯的優(yōu)勢具有較大的觀測窗口。因此,掃描根窗法可觀測到樹木細(xì)根的完整分枝結(jié)構(gòu),進(jìn)而滿足按根系分枝等級(根序)或功能類型(如吸收根和運(yùn)輸根)來細(xì)化細(xì)根群體的研究要求。掃描根窗法還具有材料和設(shè)備成本很低的優(yōu)勢。掃描根窗法系統(tǒng)主要由野外原位的若干個玻璃根窗,以及取樣時的掃描儀、蓄電池(含逆變器)和便攜式電腦所組成。掃描根窗法的成本主要是根窗玻璃材料費(fèi)和掃描儀費(fèi)用,與昂貴的微根管設(shè)備相比十分廉價(jià)。當(dāng)然,掃描根窗法缺點(diǎn)是根窗布設(shè)時需要挖開土壤剖面,對樣地的擾動較大;由于北方冬季低溫,樣地土壤經(jīng)歷凍融交替作用,導(dǎo)致根窗玻璃裂紋甚至脫落。但通過增加布設(shè)根窗數(shù)量或者考慮其他透明材料,彌補(bǔ)或減少根窗數(shù)量的損耗。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)根生產(chǎn)和壽命對不同根窗材料(玻璃、丙烯酸和醋酸丁酸纖維素)的反應(yīng)和微根管存在差別,但細(xì)根形態(tài)和物候沒有明顯改變[16]。盡管掃描根窗法仍存在一些問題,但該方法為野外原位觀測植物細(xì)根動態(tài)提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。

表2 掃描根窗法與微根管法在細(xì)根動態(tài)研究中的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 根窗恢復(fù)時間

由表3可知,落葉松細(xì)根現(xiàn)存量隨取樣日期而波動,尤其在根窗安裝后第一個生長季,細(xì)根現(xiàn)存量(吸收根和運(yùn)輸根)從7月份的5.72 m·m-2迅速增加至11月份的31.76 m·m-2。由于根窗安裝時切根,導(dǎo)致的細(xì)根補(bǔ)償性生長。很多利用微根管和根窗對細(xì)根的研究,也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象[4,10]。實(shí)際上,第1年觀測到的細(xì)根都是新出生的根,很少發(fā)生死亡,使細(xì)根現(xiàn)存量不斷累積。隨著觀測年限的增加,細(xì)根群落的年生產(chǎn)量和年死亡量接近平衡,使細(xì)根年平均現(xiàn)存量波動幅度減小,說明根窗觀測到的根群恢復(fù)至土體中的水平。一般認(rèn)為,微根管安裝擾動至少1年,細(xì)根生長才能恢復(fù)平衡[15]。北方深秋季節(jié)安裝的根窗,經(jīng)過凍融交替和一個生長季后細(xì)根現(xiàn)存量迅速恢復(fù)且趨于穩(wěn)定。雖然根窗安裝時擾動較大,但其恢復(fù)時間與微根管類似。本研究根窗安裝所需的土壤剖面由帶利刃的自制鋼鏟一刀切成,高質(zhì)量的剖面將有利于細(xì)根在土壤與根窗玻璃界面的迅速恢復(fù)。

表3 落葉松細(xì)根現(xiàn)存量隨取樣日期的變化

3.3 細(xì)根中吸收根和運(yùn)輸根現(xiàn)存量的季節(jié)波動差異

由表4可知,落葉松吸收根和運(yùn)輸根現(xiàn)存量的季節(jié)格局呈單峰型,但峰值出現(xiàn)時間不一致,其中吸收根峰值多出現(xiàn)在春季和初夏,而運(yùn)輸根峰值多出現(xiàn)在秋季。Mei et al.[17]采用連續(xù)土鉆法觀察了黑龍江帽兒山落葉松細(xì)根(直徑<2 mm)現(xiàn)存生物量,呈雙峰型且峰值出現(xiàn)在春季和秋季。從表面上看與本試驗(yàn)的單峰型結(jié)果相矛盾,其實(shí)把細(xì)根區(qū)分為吸收根和運(yùn)輸根后,這恰好支持了本試驗(yàn)的結(jié)果。落葉松在5月上旬展葉,同期需要生長大量吸收根為地上提供水分和養(yǎng)分,而秋季樹木把地上的光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至地下,運(yùn)輸根迎來生產(chǎn)高峰用于儲存光合產(chǎn)物[18]。鑒于吸收根和運(yùn)輸根現(xiàn)存量季節(jié)格局的差異,因此未來研究需要區(qū)分不同功能或分枝等級細(xì)根的必要性[1,8]。本研究的長期觀測資料證實(shí),落葉松無論吸收根還是運(yùn)輸根現(xiàn)存量的季節(jié)格局存在年際變異,吸收根2015年現(xiàn)存量的峰值出現(xiàn)時間與其他年份不一致,這與年際間溫度和降水的波動有關(guān)[19]。掃描根窗法和微根管法可發(fā)揮其連續(xù)長期觀測的優(yōu)勢,可彌補(bǔ)對細(xì)根動態(tài)的研究的不足[20-21]。

表4 落葉松細(xì)根現(xiàn)存量的季節(jié)動態(tài)

4 結(jié)論

長期以來,缺乏觀測植物根系的有效方法,限制了對植物地下細(xì)根數(shù)據(jù)的獲取。本文結(jié)合掃描根窗法對溫帶落葉松人工林細(xì)根動態(tài)研究案例,詳細(xì)介紹了適合野外原位觀測細(xì)根動態(tài)的掃描根窗法。掃描根窗法的基本原理與微根管法一致;掃描根窗法最大優(yōu)勢是可觀測到細(xì)根的完整分枝結(jié)構(gòu),將高度異質(zhì)性的細(xì)根群體細(xì)分為不同根序或功能類型;掃描根窗法成本低,可在野外大量布設(shè);根窗圖像清晰的記錄了落葉松細(xì)根從出生、分枝到死亡的動態(tài)過程;根據(jù)細(xì)根現(xiàn)存量指標(biāo),推薦根窗安裝后恢復(fù)期為1年,對不同功能類型細(xì)根進(jìn)行長期觀測。