陕北黄土丘陵区三种林地根系分布特征

2015-12-02

长江工程职业技术学院学报 2015年4期

（长江工程职业技术学院，武汉 430212）

1 研究对象

根系形态和分布是植被与土壤环境相互作用的结果，它反映了植被对土壤水分和养分的利用状况、植被对土壤环境的改善能力，以及土壤环境对植被的影响，因此植物根系在土壤中的分布特征倍受关注。黄土高原是我国生态环境建设的重点地区，生态建设明显促进了高原植被的恢复，改善了区域环境状况。植被根系在防治水土流失中发挥重要作用，高原林地根系的分布特征也受到了关注。由于根系具有改善土壤结构、防止土壤侵蚀的功能，特别是植被浅层根系分布的层次同土壤侵蚀层次完全吻合，不同径级的根系在防治水土流失中的作用也不同（如粗根固土性能较好，细根抗冲蚀性能较强），因此研究黄土丘陵区浅层根系的分布特征对指导生态环境建设具有重要的意义。

本研究以黄土丘陵区的山杨林、油松林和灌木林为对象，对根系生态位指数在三种林地浅层根系的分布进行了系统的研究，目的是为黄土丘陵区林业生态工程措施提供重要理论依据。

2 地区概况及研究方法

2.1 地区概况

研究区位于陕西宜川县铁龙弯林场，属陕北黄土高原丘陵沟壑区，海拔最低388.8m，最高1 710.5m，为暖温带半湿润大陆性季风气候，年日照时数2 435.6h，年均气温9.9℃，极端最高气温39.9℃，极端最低气温-22.4℃，无霜期185d，年降水量577.2mm，多集中在7～9月，地带性植被为温带落叶阔叶林，森林覆盖率约为44.9%，主要乔木树种有栎类、山杨，侧柏、油松、刺槐等，灌木树种有胡枝子、绣线菊、狼牙刺、柠条、荆条、山桃、山杏、酸枣等。

2.2 研究方法和原理

在该林场典型的次生山杨林、人工油松林和灌木林下，分别选取一个80cm×80cm样方，样方概况见表1。采用分层挖掘法，首先除掉表层的枯枝落叶层，然后每5cm一层挖掘，挖至30cm，分别仔细拣出其中的根系，装袋并冲洗，以备测量。

表1 样方概况

根系测量方法：首先用游标卡尺对根系直径分级，分为＜1cm、1～3cm、3～5cm、5～10cm、＞10cm共五个级别，并统计各类根数；然后，把湿根放于盛有少量水分的透明盘中，将标有毫米尺寸的绘图纸放于盘下，用镊子拉直根系，置于平盘的部位，测量根系的长度，计算其毫米数；利用量筒采用排水法测量根体积，为减少误差，采用了10cm、20cm、50cm、100cm、250cm和500cm五种型号的量筒，对直径大小不同的根系，用相应的量筒测量。

研究原理：仿照群落生态学研究方法，将植物群落根系视为“标准地”，分布于每个土体层次的每个径级根系视为“植物种”，将根体积、根长、根数作为“植物种”的观测变量。若i为土体层次（i=1，2，…），即0～5cm，5～10cm，…；j为不同径级根（j=1，2，3，4，5），即＜1mm，1～3mm，3～5mm，5～10mm，＞10mm。则：

式中，Eij为层径级根系生态位指数；Vmax、Lmax、Nmax分别为对应于根体积Vij、根长Lij、根数Nij的指标最大值。

将某一群落各层径级生态位指数（Eij）之和，定义为植物群落根系生态位指数，即：

3 结果与分析

3.1 根系生态位垂直分布特征

从图1中可以看出，三种林地根系生态位指数随深度的增加呈现较明显的下降趋势，为典型的表层聚积生态位型。由于植物根系的分布深度受生物学特性和环境的双重影响，生物本身的遗传因素、土壤厚度、土壤容重以及土壤水分和土壤养分都会对根系的生长和分布产生影响，因此三种林地根系生态位也有明显的垂直差异。在山杨林地中，根系生态位指数最大值为1.37，出现在5～10cm处，随着土层深度的增加，生态位指数减少迅速，最大值是最小值的6.95倍，可见根系的表层聚积相当明显；在油松林中，最大值为1.07，出现在0～5cm处，最大值为最小值的2.41倍，较之山杨林地过渡相对平缓；灌木林中，最大值是0.76，出现在0～5cm处，最大值是最小值的2.75倍。

植物对空间的竞争不仅表现在地面部分，根系对地下空间的竞争甚至比地上更加激烈，山杨林地浅层根系生态位指数在土层0～20cm间明显高于其下面土层，这种分布特征说明植物根系对0～20cm土层空间的水分和养分的竞争激烈，同时也说明在0～20cm土层空间的水分和养分条件相对较好，现场挖掘和观察表明，山杨林地该土层土壤湿度明显较高，而且土壤颜色较深，说明土壤有机质含量高，养分丰富，土壤条件好，因此该层根系生态位指数高也就不足为奇。

还可以看出，三种林地各层几乎呈现一个共同的特征，那就是相同深度的根系生态位表现为：山杨林＞油松林＞灌木林。在陕北黄土丘陵区，山杨林为该区植物群落演替系列中的过渡森林群落，气候性的演替顶极为辽东栎林，油松林为亚顶极。山杨林根系生态位各层较高的特点，反应了它作为黄土高原天然次生林先锋树种更能充分利用土壤浅层水分和养分，且能进一步改善土壤环境，为向顶级植物群落演替奠定基础。

图1 林地根系生态位随土层深度的变化

3.2 根系生态位的径级分布特征

依据根系生态位的径级分布特征可以认识不同径级根系在土壤中的地位和作用。从图2，3，4中可以看出：山杨林地和油松林地根系生态位径级分布呈明显的不等高U型特征，从径级＜1mm的细根开始逐渐降低，山杨林地3～5cm径级根系生态位最低，油松林地是5～10cm径级根系最低，然后反弹上升，但左侧明显高于右侧，即径级＜1mm的细根生态位高于径级＞10mm粗根，两种乔木的根系生态位主要集中分布在小于1mm的细根和大于10mm的粗根上，这两种径级的根系是山杨林地和油松林地根系的主体，可见这两种林地浅层根系为细-粗混合型群落根系；灌木林地根系生态位径级分布为明显的反J型特征，随着径级的增加生态位不断下降，根系生态位主要分布在小于1mm径级的细根上，细根是灌木林地根系的主体，可见，灌木林地浅层根系为细根型群落根系。

图2 山杨林地不同径级根系生态位指数

图3 油松林地不同径级根系生态位指数

图4 灌木林地不同径级根系生态位指数

植被根系生态位径级分布类型有J型（为粗根型），反J型（为细根型），U型和S型（为上两者的过渡型）。根系可以将大量的有机质归还到土壤中，使土壤水稳性团聚体明显增加，也提高了土壤的非毛管孔隙度，增加了土壤有机质并降低土壤容重，改良土壤结构性状，这对改善林地的土壤环境具有重要的意义。但细根和粗根的生态功能不同，细根扩大了细根与土壤的接触面积，有利于林木从土壤中吸收更多的养分和水分，供植物的生长发育；细根的生物周转量快，能较快地将养分归还土壤，细根生产和周转是土壤碳和养分的重要来源；同时细根密度增加可以降低土壤侵蚀速率，与＞10mm径级的植被粗根密度无显著相关性，但粗根有利于固持地表土壤。比较三种林地生态位径级分布特征，次生山杨林、人工油松林比灌木林更有利于黄土丘陵区的水土保持。

3.3 三种植物群落根系生态位对比

从群落根系生态位指数来看，山杨林地最高，其次为油松林，灌木林最低，灌木林地生态位指数仅相当于山杨林地的57.2%，相当于油松林的70.1%（如表2）。

表2 三种植物群落根系生态位比较

植物群落根系生态位指数是对研究区植被根长，根体积及根数的综合反映，根系的生长和空间分布受多种因素影响。研究区的次生山杨林和人工油松林由于植物群落结构复杂，林下有灌木层和草本层，乔灌草结合，物种多样，土壤中根系丰富，加之乔木根系相对粗大，因此两种乔木根系生态位指数较灌木林较高；山杨林是原林地遭受反复破坏后所形成的次生先锋群落，一方面对生长条件并不严格，具有生长速度快，繁殖能力强，根系浅等特点，另一方面山杨林的乔、灌、草本层的物种丰富度指数高，而人工油松林物种丰富度相对较低，因此山杨林群落根系生态位指数又较油松林高。在陕北黄土丘陵区，由于黄土质地均一，土壤非毛管孔隙在10%以下，地表水下渗到深层困难，且降水少，水分是该地植被生长的主要限制因子，就现场挖掘来看，山杨林地和油松林地的水分条件明显好于灌木林，有利于植被根系生长，生长在山坡的灌木林，土壤水分条件差，受其影响，灌木林地浅层根系少，且林下草本层受放牧的影响，土层紧实，长势差，整个灌木林群落结构简单，限制根系生长，因此群落根系生态位指数最小。