不同立地条件下野生荆条与胡枝子根系生长特性的比较研究

王英宇，宋桂龙，孟强，辜再元，郭宇

(1.北京京石园林绿化有限公司，北京，102600;2.北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室草坪研究所，北京100083;3.交通部公路科学研究院，北京，100088;4.北京绿之源生态科技有限公司，北京100085)

地下根系是支撑地上植被的强大基础，也是固土护坡的主要物质基础。已有研究证实，根系中粗根的主要作用在于对树木的机械支持，而其吸收功能主要由细根完成。尽管目前对于细根的定义尚无统一的标准，但是大多数学者认为直径(d)小于1 mm的根为细根[1-3]。许多研究结果证明[4-5]，灌木的有效根密度(根系直径d≤1 mm)与改善土壤的抗冲性有密切相关性，同时d≤1 mm的根密度及根量是不同植物群落改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤抗冲性的有效根密度。但是，由于地下根系的隐蔽性，其研究深度远不如地上部分，其中地下生物量的测定因缺乏统一有效的方法而存在不确定性[5-6]。本研究选取野生荆条和胡枝子作为研究对象，研究两种灌木在不同立地条件下的根系生长情况，采取一定体积取根量的方法进行测定，以研究两种灌木根系生长特性与其立地条件的关系，探讨二者在边坡植被恢复中的应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选择适合北方岩石边坡生长，抗旱性强、抗逆性强、耐粗放管理的乡土野生优良水土保持灌木——荆条和大面积广泛应用的优良护坡植物——二色胡枝子。

1.2 指标与方法

1.2.1 根系生物量 在样方内，选取4株标准木，采用1/4样圆法对根系进行调查，即在每株样木的不同方位划分出1/4区作为取样区。取样时，以样木为中心分别在半径0.2和0.4 m的弧线上按等距确定3个取样点，分土层(每20 cm 一层)用土钻(Φ=3.4 cm)钻取土样，直至无根系，将所取土样装入密封的塑料袋并编号，带回实验室。然后在室内进行分离活根和死根。用根系扫描仪将活根区分为≤1 mm和＞1 mm。用蒸馏水清洗干净后置入105℃烘箱中，烘干至恒重，再分别称重和记录。

1.2.2 根密度 将同一样地上4株树木在不同方位营养空间、不同距离特定径级根系的分布按照公式(1—2)进行合并。利用公式(1)计算某土层特定径级根系的密度ρ(kg/m3);利用公式(2)计算距离树干不同距离处特定径级根系的密度ρ(kg/m2)。

式中:R——土钻半径(0.017 m);h——土层厚度(0.2 m);m——根重(g);n ，k——样木总数及样点总数。

2 结果与分析

2.1 两种灌木根系生物总量

图1—2中分别为两种灌木在4种立地条件下根直径d＞1mm根系生物量和d≤1 mm根系生物量变化趋势。由图1可以看出，d≤1 mm根系生物量在28°立地条件下无论是阴坡还是阳坡，荆条均大于胡枝子，同时荆条阳坡明显大于荆条阴坡，胡枝子在阴坡与阳坡的差异较小;而在12°立地条件下，表现为荆条阳坡最大，其次为胡枝子阳坡、荆条阴坡、胡枝子阴坡，结果表明:荆条d≤1 mm有效根系要高于胡枝子，且阳坡明显高于阴坡，可以认为荆条在改善土壤稳定性和提高土壤抗冲性方面强于胡枝子，且阳坡效果更明显;两种灌木在阴坡与阳坡条件下，12°坡度均大于28°坡度，表明小坡度有利于根系的生长，尤其是阳坡胡枝子在两种坡度条件下根系生物量差异较大。由图2可以看出，两种灌木d＞1 mm根系生物量在阳坡均明显大于阴坡，表明阳坡条件下更适于粗根生长;在阳坡两种坡度条件下，胡枝子d＞1 mm根系生物量均高于荆条，而阴坡12°立地条件下胡枝子大于荆条，而28°条件下则相反，这说明荆条在坡度较大的立地条件下适应性更突出。

图1 根系直径d≤1 mm的植物生物量注:J胡枝子，H荆条;S阳坡，N阴坡。下同。

图2 根系直径d＞1 mm的植物生物量

2.2 两种灌木水平根密度研究

2.2.1 12°边坡距离树干不同距离处根密度 从图3—4可以看出，两种灌木在坡度为12°的立地条件下，根密度在距树干0.2 m处均大于0.4 m处。其中相同灌木在阳坡的根密度均大于阴坡。说明荆条和胡枝子在阳坡的生长要好于阴坡，表现为根系水平扩展性较好。从图3—4可以看出，两种灌木直径d＞1 mm和d≤1mm的根系分布和生长情况不同，胡枝子在阳坡和阴坡0.2 m处d＞1 mm的根密度分别为309.1和268.89 g/m2，大于荆条的根密度268和243.74 g/m2，而0.2 m处d≤1 mm的根密度分别为84.23和64.82 g/m2，则明显小于荆条的根密度104.37和100.03 g/m2，在0.4 m处同样是胡枝子d＞1 mm的根密度大于荆条，而d≤1 mm的根密度则小于荆条。可以看出灌木距离树干越近，根密度越高。许多专家通过大量试验证明，灌木的有效根密度(根系直径d≤1 mm)与改善土壤的抗冲性有密切相关性，同时证明d≤1 mm的根密度及根量是不同植物群落改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤抗冲性的有效根密度[4-5]。分析结果表明，荆条在改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤土壤抗冲性方面强于胡枝子。从图4中可以看出，荆条在阳坡的水平方向的根密度分布分别为104.37和51.35 g/m2，在阴坡的水平方向的根密度分布为100.03和49.25 g/m2，可以看出，差值分别为4.34和4.1 g/m2;胡枝子在阳坡的水平方向的根密度分布分别为84.23和29.52 g/m2，在阴坡的水平方向的根密度分布为64.82和24.95 g/m2，差值分别为19.41和 5.57 g/m2，从阳、阴坡差值相比，胡枝子大于荆条。这说明胡枝子在阴阳坡的根系生长差别大于荆条。

图3 d＞1 mm植物根密度对比

2.2.2 28°边坡条件下距离树干不同距离处的根密度 从图5可以看出，两种灌木在28°边坡立地条件下，d＞1 mm根密度分布不同。距离主干越远，根密度数量越小。胡枝子 d＞1 mm的根密度分别为270.12和198.72 g/m2，而荆条分别为240.51和188.02 g/m2，显然胡枝子大于荆条。同时也可以看到胡枝子和荆条在阳坡的根密度均大于同样情况下的阴坡。从图6可以看出，d≤1 mm的根密度在4种情况下的变化不同于d＞1 mm的根密度。荆条在阳坡的d≤1 mm的根密度为87.88和41.46 g/m2，而其它处理的跟密度分别为 51.37，31.46 g/m2;43.53，36.78 g/m2;30.53，16.83 g/m2。显然荆条在阳坡的根密度大于其它3种情况。进一步说明荆条在改善土壤结构稳定性，提高土壤入渗及增强土壤抗冲性方面强于胡枝子。

图4 d≤1 mm植物根密度对比

图5 28°边坡距树干不同距离处 d＞1 mm根密度对比

图6 28°边坡距树干不同距离处 d≤1 mm根密度对比

2.3 垂直根密度研究

2.3.1 12°边坡条件灌木垂直根密度 长期以来，人们对于植物根系的分布特征，尤其是根系的垂直分布特征进行了大量的研究，并且认识到强大的根系是地上部分能够良好生长所必须的(单建平，1992;吕士行，1990)。根系的垂直分布反映了植物根系在土壤中的纵向生长情况(图7—8)。

图7 12°边坡不同土层深度d＞1 mm根密度对比

图8 12°边坡不同土层深度d≤1 mm根密度对比

从图7可以看出，两种灌木d＞1 mm根系在阴、阳坡的分布均集中于60 cm以内。100 cm以内，＞1 mm根密度大小顺序为胡枝子(阳坡)〉荆条(阳坡)〉胡枝子(阴坡)〉荆条(阴坡)。其中，0—20 cm 以内，胡枝子(阳坡)最大为45.03 g/m2，其次荆条(阳坡)为32 g/m2，再次胡枝子(阴坡)为30.86 g/m2，最小荆条(阴坡)为28.06 g/m2。可见，胡枝子粗根生物量大于相同立地条件下的荆条，具有较强的机械支持能力。图8显示，两种灌木≤1 mm根系在阴、阳坡地分布均集中于60 cm以内，这与＞1 mm根系集中分布一致。0—20 cm，20—40 cm以内，根密度大小顺序为荆条(阳坡)〉胡枝子(阳坡)〉荆条(阴坡)〉胡枝子(阴坡)。其中，荆条(阳坡)最大分别为8.43和5.76 g/m2，其次胡枝子(阳坡)分别为6.32和4.54 g/m2，然后是荆条(阴坡)分别为5.45和3.25 g/m2，最小为胡枝子(阴坡)分别为4.37和2.26 g/m2。可见，荆条细根根密度大于相同立地条件下的胡枝子，说明荆条在改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤抗冲性方面强于胡枝子。可以看出40—60 cm以内，根密度大小顺序为荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阳坡)＞胡枝子(阴坡)。同时从趋势图的斜率可以看出，随着土层加深，胡枝子的根密度下降的幅度大于荆条，说明在40 cm以下的土层，荆条的稳定土壤、增强土壤抗冲性方面强于胡枝子。

2.3.2 28°边坡灌木垂直根密度研究 图9可以看出，随着土层加深，两种灌木的根密度逐渐减少;28°边坡两种灌木d＞1 mm根系主要集中于60 cm以内。100 cm以内，d＞1 mm根密度大小顺序均为胡枝子(阳坡)＞荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阴坡)。其中，0—20 cm 以内，胡枝子(阳坡)最大为32.25 g/m2，其次荆条(阳坡)为 26.25 g/m2，然后是荆条(阴坡)为 23.17 g/m2，最小胡枝子(阴坡)为21.17 g/m2。可见，在坡度为28°的边坡立地条件下，阳坡的胡枝子粗根生物量大于相同立地条件下的荆条，具有较强的机械支持能力;而阴坡的胡枝子粗根生物量则小于相同立地条件下的荆条。从图10可以看出，两种灌木d≤1 mm根系在阴、阳坡地分布均集中于60 cm以内，这与d＞1 mm根系集中分布一致。0—20 cm，20—40 cm 以内，根密度大小顺序为荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阳坡)＞胡枝子(阴坡)。其中，荆条(阳坡)最大分别为 7.56 g和5.25 g/m2，其次是荆条(阴坡)分别为5.18和3.12 g/m2，再次胡枝子(阳坡)分别为4.56和2.95 g/m2，最小为胡枝子(阴坡)分别为3.88和2.01 g/m2。可见，阴、阳坡的荆条细根根密度大于胡枝子，再次说明荆条在改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤抗冲性方面强于胡枝子。可以看出40—60 cm以内，根密度大小顺序为荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阴坡)＞胡枝子(阳坡)。同时从趋势图的斜率可以看出，随着土层加深，胡枝子的根密度下降的幅度大于荆条，说明在40 cm以下的土层，荆条的稳定土壤、增强土壤抗冲性方面同样强于胡枝子。

图9 28°边坡不同土层中d＞1 mm根密度对比

图10 28°边坡不同土层中d≤1 mm根密度对比

3 结论

(1)阳坡立地条件下胡枝子d＞1 mm根系生物量显著大于荆条，说明阳坡上生长的胡枝子的机械支持能力强于荆条。而阴坡立地条件下小坡度生长的胡枝子根系生物量大于荆条，而大坡度情况下则相反，这说明荆条比胡枝子更加适应坡度较大的立地条件。荆条d≤1 mm根系生物量无论在阴坡和阳坡都大于胡枝子，可见荆条的有效根密度大于胡枝子，进一步说明在改善土壤稳定性和提高土壤抗冲性方面强于胡枝子。研究认为，荆条适宜建植在阳坡上且可以适应坡度较大的边坡。在边坡防护效果上，荆条均比胡枝子的有效根密度大、护坡性能更好。

(2)通过对两种灌木的水平根密度分析，得出距离树干不同距离处d＞1 mm和d≤1 mm根密度不同，离树干越远根密度越小。胡枝子在阳坡和阴坡0.2 m处和0.4 m处均为d＞1 mm的根密度大于荆条，而d≤1 mm的根密度明显小于荆条，荆条在阴坡和阳坡的水平方向的根密度差值小于胡枝子，这说明胡枝子在阴阳坡的根系生长差别大于荆条。在裸露坡面生态修复中，利用荆条在阴坡和阳坡均可以形成较为均一的绿化效果，而利用胡枝子则可能造成阴阳坡差异较大的绿化效果。

(3)通过对垂直根密度分析，得出两种灌木的根系集中分布于60 cm以内的土壤中。不同土层中根系的d＞1 mm和d≤1 mm根密度不同。60 cm的各土层中d＞1 mm根密度的大小分别为胡枝子(阳坡)＞荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阴坡)，而60 cm以内d≤1 mm根密度的大小分别为荆条(阳坡)＞荆条(阴坡)＞胡枝子(阳坡)＞胡枝子(阴坡)。表明胡枝子的根系具有较高的机械支持力，对坡体具有较强的支撑保护作用，而荆条则可较强地改善土壤结构稳定性和增强土壤抗冲刷性能;胡枝子在阴阳坡的根系生长差别大于荆条。

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