黑龙江省张广才岭樟子松人工林根系与优先路径的关系*

艾力夏提·库尔班，伊怀虎，韦自强，任鹏，辛颖

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 黑龙江 150040)

土壤优先流是土壤中的水分快速渗透，非平衡流动的现象[1]。是一种土壤水分运移的特殊形式，为土壤水分运移开辟了有效通道，能够减少地表径流，对森林水文和水资源管理有着重要影响[2]。越来越多的学者关注土壤优先流研究[3]，发现影响土壤优先流的因素很多，包括土壤质地[4]、土壤容重[5]、土壤大孔隙[6]、动物活动[7]、石砾[8]及植物根系[9]等。植物根系在生长过程中，能改变土壤结构、增加土壤团聚体含量[10]，产生很多孔隙通道[11]，这些孔隙会形成优先路径，加快水分的运移。相关研究发现，东北地区榛子(CorylusheterophyllaFisch.)灌木林[12]和华北地区森林生态系统中[13]林木根系与土壤优先流有密切关系。表明林木根系在土壤水分运移过程中起到不可忽视的作用。根长密度、根重密度和根表面积作为根系的重要指标[12]，可以用来分析根系会对优先路径产生何种影响。

黑龙江省东部帽儿山实验林场是阿什河重要的水源地，植被曾遭受过极大地破坏，后期经人工恢复，种植了大量的针叶人工林。目前对该区域林分的水源涵养功能已有大量研究[12,14-16]，发现这些林分发挥着涵养水源、保持水土的重要作用。但是关于水分在这些林分土壤中如何快速运移，以及林木根系对优先路径的影响还未见报道。因此，本研究以黑龙江省张广才岭樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林为研究对象，结合土壤优先流特征，探究樟子松人工林根系特征与土壤优先流形成之间的关系，明晰根系在土壤水分运移过程中的关键作用，为该区域土壤优先流、水源涵养机理的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

老山人工林试验站位于黑龙江省东部山地(45°20′～45°25′ N，127°36′～127°39′ E)，是集教学、科研、生产为一体的基地。地处长白山系张广才岭余脉，平均海拔300 m。属温带大陆性季风气候，年均气温2.8 ℃[17]，年平均降水量600～800 mm，森林覆盖率为70.2%[12]。在1897—1945年遭到了两次掠夺性破坏，原始植被遭受重大的破坏，帽儿山林场1957年开展人工植被恢复[18]，种植了大量的樟子松、红松(P.koraiensis)、落叶松(Larixgmelinii)人工林，其地带性土壤为暗棕壤[19-20]。主要灌木植物有卫矛(Euonymusalatus)、忍冬(Lonicerajaponica)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等，主要草本植物有两型豆(Amphicarpaeaedgeworthii)、铃兰(Convallariamajalis)、小玉竹(Polygonatumhumile)等。

1.2 染色示踪试验

2020年10月，以老山人工林试验站具有代表性的樟子松人工林为研究对象，设置一个20 m×20 m标准样地。樟子松平均胸径为23.37 cm，平均树高为23.41 m，郁闭度为0.50。在标准样地内选择3个试验点，每个样点与周围各乔木基本等距且植株数基本相同。

染色示踪试验前一周无降雨。在样点上放置一个长和宽均为1.0 m、高0.6 m的铁框，先去除铁框内地表上的枯枝落叶。沿铁框外壁挖沟，使铁框自然下落0.5 m，并用橡胶锤将紧贴铁框内壁5 cm内的土壤夯实。铁框上布设模拟降雨器，均匀喷洒浓度为4.0 kg/m3、体积为25 L的甲基蓝染色剂。之后将铁框盖好，以避免或防止降水及凋落物进入框内[21-22]。

1.3 样品采集

染色示踪试验24 h后移去塑料薄膜和铁框，四周每边去除10 cm，修成80 cm×80 cm的土壤剖面，修平刷掉浮土后用索尼相机(Alpha 7 Ⅱ，日本)拍摄垂直染色剖面，每个染色剖面重复拍3次。之后水平挖掘土壤剖面，每10 cm为一层，拍摄土壤水平剖面染色图像。同时，收集每个土层内所有根系，带回实验室进行测定[22]。

1.4 根系的测定

将分层采集的根系按照染色与未染色分开，在水中冲洗干净后用纱布吸干根系表面的水分，将染色与未染色的根系分为5个径级(d<1 mm、1 mm10 mm)。将5个径级的根系用天平称重，算出根重密度；用EPSON LE 2400根系扫描仪(爱普生，中国)进行根系扫描，获得根长密度及根表面积等数据。

根长密度[23]计算公式如下。

qrl=∑Lr/Vsoil

式中：qrl为根长密度(m/m3)；Lr为某径级长度(m)；Vsoil为土壤剖面的体积(m3)。

根重密度[23]计算公式为：

qrm=∑Mr/Vsoil

式中，qrm为根重密度(kg/m3)，Mr为某径级根系重量(kg)，Vsoil为土壤剖面的体积(m3)。

1.5 图片处理

使用Photoshop CS6.0对染色图像进行处理[24-25]。处理后的图片导入ArcMap 10.4图像处理软件[26]，将图片转换成0～255像素组成的图片，并将0～255像素的图片进行二值化处理，计算出染色面积[27-28]。参考吕刚等[29]的方法量化优先路径的分布特征。染色面积比计算公式：

1.6 数据处理

使用SPSS 21.0 和Excel 2016进行数据分析，对染色面积比和各项根系指标进行显著性检验和回归分析。

2 结果与分析

2.1 土壤优先流空间分布特征

野外染色示踪试验能够很好呈现土壤水分运移的过程，明显展示土壤优先流的空间分布特征。由图1可以看出，樟子松人工林土壤存在明显的优先流现象。0～2 cm土层染色较为均匀。2 cm以下土层，由于樟子松根系的存在，产生了很多孔隙，土壤中的水分沿着根孔隙通道向下运移，存在明显的优先路径，且运移路径较远。10～40 cm土层范围内，染色溶液呈漏斗状集中快速向下运移，最大染色深度达到43 cm。

图1 樟子松人工林土壤的染色纵剖面

去除土壤表面均匀染色的部分，从2 cm层开始出现明显的局部染色，染色区域即为优先流区，未染色区域为基质流区(图2)。樟子松人工林土壤各层之间优先流染色面积比存在明显差异， 2 cm层(图2A)土壤优先流染色面积比是77.0%。因为2～10 cm土层范围内土壤结构疏松，动植物活动频繁，根系分布集中，示踪剂呈现条状扩散快速向下运移。10 cm层(图2B )优先流染色面积比为67.2%，优先流区主要分布在有植物根系的区域，示踪剂主要沿着根系向下运移，再次说明樟子松的根系对土壤优先流具有一定影响。20 cm层(图2C)优先流染色面积比是76.2%，在10～20 cm土层范围内，染色面积并不是随着土壤深度的增加而减少，也会出现中间染色较浅、表层和深层染色较深的现象，说明示踪剂滞留时间较短，土壤优先流具有环绕和快速穿透特征[30-31]。30 cm层(图2D)土壤优先流染色面积比是67.6%， 40 cm土层(图2E)优先流染色面积比减少到43.3%。随着土层加深，土壤更为紧实，土壤水分主要沿着大孔隙优先流动。

图2 樟子松人工林土壤的染色横剖面

2.2 根长密度对土壤优先流的影响

由表1可知，樟子松人工林的根系主要分布在0～40 cm土层范围内，根长密度为9 826.56 m/m3，随着土层深度的增加，根长密度逐渐减少。

表1 樟子松人工林的根长密度的分布特征

每10 cm土层内，根系径级越小，根长密度越大。0～10 cm土层中，分布着大量的细根，根长密度最大的是d<1 mm的根系，达到4 017.95 m/m3，占该层总根长密度的80.0%，分别是其他4个径级的5.0、34.6、82.3和441.5倍。其中优先流区d<1 mm的根长密度为2 078.36 m/m3，占该层总根长密度的41.4%；1 mm10 mm的根系全部被染色，说明粗根系周围的孔隙通道更利于示踪剂运移。10～30 cm土层范围内，优先流区分布的根系较多。10～20 cm和20～30 cm层优先流区根长密度分别占各层总根长密度的61.3%和63.3%，分别是基质流区根长密度的1.6倍和1.7倍。可见樟子松根系的存在，利于土壤优先流的发生。30～40 cm土层范围内只有d<5 mm的根系分布。

随着土层深度的加深，樟子松人工林d<5 mm根系的根长密度明显减小，尤其是d<1 mm根系。0～10 cm土层中d<1 mm的根长密度分别是下面3层的2.3、3.3和11.6倍，1 mm

染色根系根长密度与染色面积比的相关性分析结果显示，樟子松人工林的根长密度与染色面积比相关性不显著(表2)。

表2 樟子松人工林根长密度和根重密度与染色面积比的相关性

2.3 根重密度对土壤优先流的影响

由表3可知，随着土层加深樟子松人工林的根重密度减少，这与植物根系的生长特性有关。0～10 cm土层的根重密度最大，为5.9 kg/m3；10～20 cm土层根重密度为5.0 kg/m3；30～40 cm土层细根较多，根重密度最小，只有0.45 kg/m3。

表3 樟子松人工林根重密度的分布特征

0～10 cm土层优先流区的总根重密度是基质流区的2.1倍，优先流区d>5 mm的根系根重密度较大，占比达69.4%。优先流区d<1 mm、1 mm

在40 cm土层范围内，d<1 mm、1 mm10 mm的总根重密度分别为0.9、3.53、2.77、3.86和3.59 kg/m3。各径级的根重密度均随着土层的加深，逐渐减少。虽然d<1 mm的根系根长密度最大，但是其根重密度最小。

由表2可知，根重密度与染色面积比呈现显著正相关，其中1 mm

2.4 根表面积对土壤优先流的影响

由表4可知，樟子松人工林根系表面积随土层的增加而出现递减的趋势。0～10 cm土层的根表面积为5 988.47 cm2，其中优先流区根表面积为3 013.90 cm2，占50.3%。优先流区d>5 mm的粗根表面积为734.52 cm2，其他d<5 mm的根表面积均小于基质流区。10～20 cm土层的根表面积为5 295.73 cm2，其中优先流区根表面积为3 277.67 cm2，占61.9%。优先流区1 mm

表4 樟子松人工林根表面积的分布特征

在0～40 cm土层范围内，优先流区d<1 mm的总根表面积最大，达到3 004.16 cm2；其次是1 mm10 mm的根系总根表面积为771.59 cm2，比d<1 mm的总根表面积少了2 232.57 cm2，减少74.32%。

由染色根的根表面积与染色面积回归分析结果(表5)可知，1 mm

表5 樟子松人工林根表面积与染色面积比的关系

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究采用野外染色示踪法来研究黑龙江张广才岭樟子松人工林根系与土壤优先路径的关系，研究发现樟子松人工林有明显的土壤优先流现象，染色示踪剂沿着樟子松根系通道向下运移，在2 cm土层以下存在多条优先路径，随着土层的增加，染色面积比与土壤深度之间并不是逐层递减的关系，这是因为樟子松人工林土壤优先流具有环绕和快速穿透的特征，土壤中水分沿多条优先路径环绕基质流区向下运移，这与牛健植等[32]关于贡嘎山暗针叶林水分运移特征结果一致。但侯芳等[33]研究表明：随着土层深度增加染色面积比缓慢减少，与本研究结果略有不同，可能是由于地域、树种及土壤的不同造成的差异。

植物根系是影响土壤优先流的一个重要因素，樟子松根系主要分布在0～40 cm土层范围内，根长密度随着土层深度的增加而减少。其中细根(d<1 mm)的根长密度最大，且主要分布在土壤表层，对优先流的形成有一定促进作用，这与金兆梁[34]关于不同林龄樟子松人工林根长密度的研究结果一致。究其原因，樟子松人工林表层土壤中的细根较多且纵横交错地生长，产生很多孔隙，为优先流的发生提供了路径，尤其细根生命力短暂，死亡之后较易形成根孔，提高土壤孔隙度，利于优先流的产生。

整体来看，樟子松人工林染色区根重密度大于未染色区，此结果与魏虎伟等[35]研究结果一致，植物根系在未染色区与染色区之间具有差异性，说明樟子松根系对土壤优先流的形成有积极作用。尤其是1 mm

根系特征是产生优先路径的因素之一，本文仅研究樟子松人工林根系与优先路径的关系，除植物根系外，土壤特性、植被类型、外界干扰以及土壤动物的活动等都会对土壤优先流产生不同程度的影响，这些问题都有待后续的进一步研究。

3.2 结论

黑龙江省张广才岭樟子松人工林土壤优先流以大孔隙流为主，具有环绕和快速穿透特征，樟子松根系对土壤优先流的产生有重要影响。樟子松的粗根系虽然少，根表面积小，但粗根系周围的孔隙通道可使土壤中的水分优先快速运移。表层土壤中细根分布多，d<1 mm根系的根长密度最大。染色面积比与1 mm