青海共和盆地典型固沙植物根系分布特征

石坤,贾志清,张洪江†,张友焱,李清雪,冯莉莉,何凌仙子

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.中国林业科学研究院,100091,北京)

青海共和盆地典型固沙植物根系分布特征

石坤1,贾志清2,张洪江1†,张友焱2,李清雪2,冯莉莉2,何凌仙子2

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.中国林业科学研究院,100091,北京)

为了解共和地区典型固沙植物的根系分布特征,为该地区人工植被恢复的物种选择提供依据,本文选取当地典型荒漠化防治植物种中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿、沙柳、小叶杨、小穗柳和乌柳6种植物,进行根系分布特性研究。采用整株挖掘法获取植物根系样本,使用WinRHIZO Pro 2500a根系分析系统,计算根系生物量密度、根长密度、比根长、根系消弱系数。所研究的6种植物根系主要集中在0～40 cm深度范围内,根系生物量密度与根长密度沿土层深度波动下降。小穗柳细根比根长显著大于其他植物种,说明其细根根系活性最强,对环境的适应性最好。沙柳与中间锦鸡儿的根系生物量消弱系数显著大于其他植物种,沙柳的根长密度显著大于其他植物有助于增加土壤抗性,具有较强的固土能力。柠条锦鸡儿的生物量密度显著大于其他植物种,获取能量的能力较强。在共和盆地人工植被恢复宜选用适应性较强的小穗柳,或固土能力较强的沙柳与中间锦鸡儿。

共和盆地;荒漠化;根系分布特征;根系消弱系数

我国荒漠化问题十分严峻,尤其在我国西北部,荒漠化所造成的环境问题已经严重影响到当地居民的生产生活,成为制约当地经济发展的主要原因之一[1]。人工植被恢复是荒漠化地区固定流动沙丘、防治荒漠化、改善自然环境的手段之一,在我国西北地区应用广泛[2]。根系是植物从土壤中获取水分与养分的主要器官[3],对于植物生长发育和新陈代谢十分重要。了解根系的分布特征,对于选择适宜的造林植物种,提高其成活具有重要意义。

根系的分布特征不仅受到植物种遗传因素控制,而且受到环境因素的影响[4]。研究表明,不同植物在不同的生态环境中生态位不同,植物根系在地下不同深度空间范围内获取养分与水分[56]。张宇清等[7]在宁夏西吉县黄土丘陵区研究的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)根系深达7 m以上,几乎没有水平根,垂直根系发达,而该地区的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)根系深度也达4 m以上。崔秀萍等[8]在浑善达克沙地研究的黄柳(Salix gordejevii)根系主要分布在0～30 cm的深度范围内,水平根系发达,侧根与不定根远超过主根的长度。赵爱芬等[9]在奈曼旗的研究发现差巴嘎蒿(Artemisia halodendron),小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)等灌木的根系主要分布在较浅的土层中。张莉等[10]在毛乌素沙地的研究发现该地区沙柳(Salix psammophila)的根系主要分布在0～60 cm的深度范围内,柠条的根系主要分布在30～80 cm的深度范围内。由于植物物种及其生长环境的差异,定性描述结果往往严谨性不足,E.R.Page等[11]的研究结果指出根长密度随土壤深度的增加而呈现指数下降趋势,并提出计算根系消弱系数的公式,其中根系消弱系数越大,则表示根系在土壤中分布的越深,反之则表示根系分布较浅。不同植物根系分布对植物抗旱性产生不同的影响,发达根系吸收水分的效率更高,这使植物具备更强的抗旱能力[12]。相关研究[13]也证明,含根土体所组成的土壤根系复合结构相较于土壤和根系其抗性大幅增加。不少科学家对于部分植物种在我国西北荒漠化防治造林中的应用进行了研究,但对于其根系的分布研究报道较少。

本研究采用整株挖掘法,研究中间锦鸡儿(Caragana intermedia)、柠条锦鸡儿、沙柳、小叶杨(Populus simonii)、小穗柳(Salix microstachya)和乌柳(Salix cheilophila)6种青海省共和盆地典型固沙植物的根系特征,为该区域人工植被恢复、荒漠化防治植物种的选择提供依据。

1 研究区概况

本研究在国家林业局青海共和荒漠生态系统定位观测站进行,位于青海省海南自治州共和县沙珠玉乡,地理坐标为E 100°45′～100°30′,N 36°03′～36°36′,海拔为2 871～3 870 m,风沙土分布广泛,位于由干旱荒漠区向半干旱草原区的过渡地带,地下水位约为2 810～2 640 m左右,多年平均降水量为320 mm左右,年日照时间2 770 h,年均潜在蒸发量1 800 mm左右,干燥度指数在3.9～7.1之间。该地寒冷多风,昼夜温差大,多年平均气温为3.5℃,活动积温约为2 344℃,最高风速达40 m/s,多年平均风速达2.7 m/s[14],荒漠化程度严重。目前该区域人工固沙典型植物主要有中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿、沙柳、小叶杨、小穗柳、乌柳、沙蒿(Artemisia desertorum)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、枸杞(Lycium chinense)、紫花苜蓿(Medicago sativa)等。

2 材料与方法

2.1 根系样品采集与测定

本研究于2015年7月进行,试验选取位于丘间地内的沙柳纯林、小叶杨纯林、小穗柳纯林和乌柳纯林以及位于沙丘上的中间锦鸡儿纯林、柠条锦鸡儿纯林6块样地。6块样地的植物均于20世纪90年代后期采用插干造林方式种植。在6个样地内设置20× 20 m的样方,分别测量其株高、冠幅,选取标准株,进行根系调查与测定,每个样地选取4株作为重复(表1)。

采用整株挖掘法对植株根系进行取样,根据调查发现该区域内植物的根系主要分布在距离植株主干半径2 m的范围内,故挖掘根系主要在该范围进行。由外向内每隔20 cm进行挖掘,在深度方向上从上到下每隔20 cm分层挖掘,用6 mm土壤筛筛去沙土后收集全部根系,分别装入写有标注的自封袋内,待室内测定分析用。

表1 样地基本特征Tab.1 Basic characteristics of sample plot

将根系用蒸馏水洗净,置于室温下阴干,使用WinRHIZO Pro 2500a根系扫描系统对根系进行扫描,获取根系的根长和根系体积数据。将直径＜2.0 mm的根系计作细根,将直径＞2.0 mm并＜5.0 mm的根系计作中根,将直径＞5.0 mm的根系计作粗根。挑选各植物种具有代表性的根系扫描,烘干至恒重后称量。土壤水分数据使用环刀法测定。

2.2 根系特征参数

根系生物量:

式中:ρ表示该植物种的根系生物量密度,kg·m-3; V0表示该植物种所取部分根系的体积,m3;W0表示该植物种所取部分根系的生物量,kg;Vi表示该植物种根系的体积,m3;B表示该植物种的根系生物量,kg。

根系消弱系数:

式中:γ表示从地表到一定深度土层的根系生物量累计比例;d表示土层深度,cm;βB表示根系生物量消弱系数。

2.3 数据处理

数据采集与处理使用Microsoft Office Excel 2013软件,利用SPSS 18.0软件对数据进行统计分析,用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan多范围检验法比较根系参数的差异(α=0.05)。

3 结果与分析

3.1 植物种特征参数

3.1.1 土壤含水量 6种植物根系所在土壤的含水量如图1所示。植物根系附近土壤含水量的变化趋势与根系生物量密度,根系长度密度,比根长等特征参数均无显著的相关性(P＞0.05)。

图1 不同植物种根部不同深度土壤含水量Fig.1 Soil water content at different depth of root for different tree species

3.1.2 根系特征参数 根系生物量密度由大到小的顺序为柠条锦鸡儿＞沙柳＞小叶杨＞中间锦鸡儿＞乌柳＞小穗柳。根长密度由大到小的顺序为沙柳＞小叶杨＞小穗柳＞乌柳＞柠条锦鸡儿＞中间锦鸡儿(表2)。柠条锦鸡儿根系生物量密度显著高于其他植物种(P＞0.05),沙柳根长密度显著高于其他植物种(P＞0.05)。

根系生物量消弱系数由大到小的顺序为沙柳＞中间锦鸡儿＞乌柳＞小叶杨＞小穗柳＞柠条锦鸡儿(表2),沙柳与中间锦鸡儿的根系在深层土壤中的分布比例较大,乌柳、小叶杨、小穗柳和柠条锦鸡儿的根系主要分布在浅层土壤中。

乌柳、小叶杨、小穗柳和柠条锦鸡儿根系中约75%的根系分布在0～40 cm的表层土壤中,中间锦鸡儿与沙柳在该层土壤中的根系约占根系总量的30%与60%,这与消弱系数所反映的根系分布规律相符。

同一植物不同径级根系的比根长不同。如图2所示,6种植物均呈细根比根长＞中根比根长＞粗根比根长,细根比根长最大,其吸收水分与养分的能力较强。随着直径的增加,植物根系吸收水分与养分的能力减弱。

表2 不同植物种根系生物量密度Tab.2 Root biomass density of tree species

图2 不同植物种不同径级根系比根长比较Fig.2 Comparing specific root lengths of different diameter classes for different tree species

小穗柳细根比根长＞中间锦鸡儿细根比根长＞柠条锦鸡儿细根比根长＞小叶杨细根比根长＞乌柳细根比根长＞沙柳细根比根长,小穗柳细根比根长显著大于其他植物种的细根比根长(P＞0.05),小穗柳细根摄取水分与养分的能力最强,最适应当地的生长环境。

3.2 根系生物量密度分布

6种植物不同径级根系生物量密度分布见表3。根系主要分布在0～40 cm的土壤深度范围内,不同植物根系生物量密度随深度的增加差异显著(P＞0.05)。

表3 不同植物种不同径级不同深度根系生物量密度Tab.3 Root biomass density of tree species with different diameter classes in different soil depth

中间锦鸡儿的根系主要分布在0～100 cm的范围内,比柠条锦鸡儿根系分布更深。随深度的增加,中间锦鸡儿根系生物量密度均呈先增大后减小的趋势。40～60 cm深度内的根系生物量密度显著高于其他土层中的根系生物量密度(P＜0.05)。柠条锦鸡儿的中根与细根生物量密度沿深度呈下降趋势。

沙柳、小叶杨、小穗柳、乌柳的根系主要分布在0～80 cm深度内。随深度增加,不同径级根系生物量密度变化趋势不同。4种植物的粗根均集中分布在浅层土壤中,80～100 cm范围内的粗跟生物量密度均较小。其中沙柳与乌柳的中根与细根生物量密度变化趋势类似,0～40 cm范围内中根生物量密度显著大于40～80 cm范围内的中根生物量密度(P＜0.05),0～20 cm范围内细根生物量密度显著大于其他地块内的细根生物量密度(P＜0.05)。小叶杨与小穗柳的中根与细根生物量密度随深度变化先增大后减小,峰值均在20～40 cm范围内。

6种植物根系生物量密度随距树干中心水平距离增大均呈下降趋势。如图3所示,中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿、沙柳、乌柳4种植被根系生物量密度与距树干中心水平距离呈幂函数关系,小叶杨、小穗柳植被根系生物量密度与距树干中心水平距离呈指数相关关系。

3.3 根长密度分布

6种植物不同径级根系生物量密度分布如图4所示,随深度变化,不同植物根长密度均有显著差异(P＞0.05)。

不同植物根长密度空间变化趋势不同。中间锦鸡儿、小叶杨、小穗柳、乌柳4种植物的根长密度随深度增加先增大后减小,在40～60 cm深度内达到峰值,根长密度变化类似等腰三角形状。随距树干中心水平距离增加,各植物种的根长密度锐减。

沙柳、柠条锦鸡儿的根长密度随深度增加呈下降趋势,表层根系根长密度显著大于深层根系根长密度(P＞0.05),在水平方向上沙柳与柠条锦鸡儿的根系集中在树干中心附近,根长密度变化类似直角三角形。

4 讨论

图3 不同植物种根系生物量密度水平分布Fig.3 Horizontal distribution of root length biomass for different tree species

图4 6种植物种根长密度等值线图Fig.4 Root length density contour maps of six plants

1)植物根系分布反映了植物摄取水分与养分的范围。浅根型植物主要吸收利用浅层土壤的水分、养分;深根型植物在吸收浅层土壤水分的同时,也在长期干旱时吸收深层土壤中的水分,对干旱的适应性更强[15]。此次研究的6种植物根系分布较浅,均属于浅根型植物。这与部分认为北方植被根系分布均较浅的研究结果相符[16]。造成这种根系分布可能是由于共和盆地位于干旱半干旱区域,该区域降水多集中在夏季[17],但由于蒸发强烈,雨水渗入到浅层土壤后,既被植物根系吸收利用,或蒸发进入大气中,不能渗入深层土壤。而植物根系分布常受到土壤水分胁迫的影响[18],因此深层土壤根系分布较少。

2)植物根系分布不仅受到遗传因素控制,也受土壤、养分、水分、风等多种环境因素影响[19]。所选样地内深度大于1 m的土壤硬化,根系难以穿透,被迫改变生长方向,所以深度超过1 m的土壤中根系含量极低。

张琳琳[20]在新疆地区对霸王的研究表明大风对植物的刺激会导致植物浅层根系增加。本次研究的6种植物根系分布均较浅,可能是由于共和盆地常年大风,导致浅层根系进一步发育。

3)6种植物根系分布与土壤水分并没有显著相关性。这与王迪海等[21]在黄土高原地区对根系分布与土壤水分的研究结果类似。一般认为土壤长期含水量对根系分布具有较大影响[22],短期的土壤水分数据受到降雨、蒸发等因素影响较大,与植物根系分布没有显著相关性。

4)植物根系具有固持土壤的作用,植物根系在土体中能增大土壤抗剪切强度[23]。研究表明,植物根系埋深越深,根系的固土效果越好[24]。中间锦鸡儿与沙柳的根系消弱系数较大,根系埋深较深,在固土方面具有优势。随根长密度增大,土壤粘聚力呈线性增长,土壤抗力强度增大[25]。沙柳根长密度显著大于其他植物(P＞0.05),在提高土壤抗力方面具有优势。

5 结论

1)中间锦鸡儿与沙柳的根系消弱系数较大,根系分布较深;柠条锦鸡儿的根系消弱系数最小,根系分布最浅。沙柳的根长密度较大,其固持土壤的能力较强。因此,中间锦鸡儿与沙柳具有较强的固土能力。柠条锦鸡儿的根系生物量密度显著大于其他植物,其获取能量的能力最强。小穗柳的细根比根长显著大于其他植物种,其细根的生理活性更强,对当地环境的适应性最好。植物根系分布与短时期土壤含水量并没有显著相关性。

2)6种植物根系主要分布在0～40 cm深度土层内。中间锦鸡儿、小叶杨、小穗柳的中根与细根根系生物量密度沿深度变化先增大后减小,柠条锦鸡儿、沙柳、乌柳中根与细根根系生物量密度沿深度变化呈减小趋势。中间锦鸡儿、小叶杨、小穗柳、乌柳4种植物的根长密度随深度增加先增大后减小,沙柳、柠条锦鸡儿的根长密度随深度增加呈下降趋势。

3)共和盆地的植被恢复,宜选择固土能力较强的中间锦鸡儿和沙柳,或适应性较强的小穗柳。

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Root distribution characteristics of typical sand-fixing plants in Gonghe Basin of Qinghai Province

Shi Kun1,Jia Zhiqing2,Zhang Hongjiang1,Zhang Youyan2,Li Qingxue2,Feng Lili2,He Lingxianzi2

(1.School of Water and Soil Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Chinese Academy of Forestry,100091,Beijing,China)

[Background]Desertification is one of the most serious environment problems in China, which has resulted in the land degeneration and affected local people life.Local economic development is also hindered by the desertification,and this situation may last for quite a long time.Gonghe Basin, located in Qinghai Province of China,is a typical desertification area.Artificial vegetation restoration, which performs wellindesertificationareaofChina,mayimmobilizemovingdunes,control desertification and improve environment.Root is the most important plant organ of obtaining water and nutrients from soil,and also plays a key role in plant growth and metabolism.Study of root system distribution patterns means significant for the selection of suitable afforestation tree species and survival rate enhancement.[Methods]Six typical desertification control plants in local area were selected for this study:Caragana intermedia,Caragana korshinskii,Salix psammophila,Salix microstachya,Populus simonii and Salix cheilophila in six plots separately with area of 20×20 m2.All the studied plants were grown in 1990s with method of cuttage forestation.Plant height and crown diameter were measured and then type trees were chosen.The root samples of type tree were obtained by whole plant excavating method and scanned by WinRhizo Pro 2500a Root Analysis System.Finally,root biomass density,rootlength density,specific root length,and root extinction coefficient were calculated and analyzed.The root of studied plants mainly distributes in 2 m diameter circle away from trunk,so we excavated this area to get root samples.[Results]Specific fine root length of S.microstachya(2.74 m/g)was significantly higher than that of other five species(P＞0.05),indicating that the fine root activity of S.microstachya was the strongest,and it can be inferred that fine root of S.microstachya adapted best to the environment among all 6 plants.Root biomass extinction coefficients of S.psammophila and C.intermedia(0.982, 0.979)were significantly higher than that of other five species,thus they may function well in increasing soil shear resistance.The root biomass density of C.korshinskii(3.882 kg/m3)was significantly higher than that of other five plants(P＞0.05),the root length density of S.psammophila(372.728 cm/m3) was significantly higher than that of other five plants.Therefore,C.korshinskii presented the strongest ability of obtaining energy.All studied plant roots distributed mainly between 0-40 cm depth in soil. Root biomass density and root length density both decreased with depth and distance from trunk center. Root distribution was not affected by soil moisture content in short period.[Conclusions]As a result,it can be seen that in Gonghe Basin of Qinghai Province,S.microstachya with strong adaptability,S. psammophila and C.intermedia with strong reinforcement capability perform best in artificial vegetation recovery.

Gonghe Basin;desertification;root distribution characteristics;root extinction coefficient

SP727.23

A

1672-3007(2016)06-0078-08

10.16843/j.sswc.2016.06.010

2016 02 16

2016 09 26

项目名称:林业公益性行业专项“青海共和盆地典型固沙植物根系特征及功能研究”(201504420)

石坤(1992—),女,硕士研究生。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。Email:shikunwork@126.com

†通信作者简介:张洪江(1954—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:流域治理和森林水文。Email:zhanghj@bjfu.edu.cn