扫描根窗法在落叶松人工林细根动态研究中的应用1)

赵晓敏 孙桂琳 霍常富 于立忠 王朋

(辽宁生态工程职业学院,沈阳,110101) (中国科学院沈阳应用生态研究所)

植物细根处于不断生产、衰老和死亡的周转过程。全球尺度上,细根(直径小于2 mm)生产消耗陆地净初级生产力22%,细根死亡对土壤碳和养分的贡献比地上凋落物还多[1-2]。由于根系藏于土壤,对细根动态的了解较困难,限制了陆地碳模型对地下生态过程的模拟[3]。植物地下根系资料的匮乏,很大程度上受研究方法的限制。微根管法是目前研究细根动态的最佳方法,与连续土钻法相比,微根管法在不破坏根的形态的情况下,可以连续观测同一条根的生长动态[4-5],因此微根管法被广泛应用于多种生态系统的研究,为了解植物根系动态积累了宝贵的资料[6]。由于微根管的有效观测窗面积较小,所观测根系的分枝等级或功能类型不够全面[7],而且不同功能类型的根(如吸收根和运输根)在形态、化学成分和生理功能等存在很大的差异[1,8]。因此,有必要按根系功能类型观察分析根系的动态。扫描根窗法可按根系功能类型原位观测细根动态,通过定期直接观测获取根系生长动态数据,基本原理与微根管法一致。目前将扫描根窗法成功应用于温带森林和草原的植物根系观察[7,9-10],但很少区分根系功能类型。本文以落叶松(Larixolgensis)人工林为研究对象,应用扫描根窗法长期观测实践,以区分吸收根和运输根的现存量指标为例,详细介绍和评估野外原位扫描根窗法,旨在为改进地下根系观测方法提供参考。

1 研究区概况

研究区位于辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站。该地区属长白山系龙岗山脉北麓,气候为温带大陆性季风气候,年均气温5.4 ℃,1月平均气温-16.3 ℃,7月平均气温23.1 ℃,年降水量800 mm。植被以长白植物区系为主,地带性植被类型为阔叶红松林,目前以次生林和人工林为主。土壤种类以棕色和暗棕色森林土为主。试验林分位于山坡中下部,1965年营造的落叶松人工林,试验开始时的林分密度为1 019株·hm-2,平均胸径20 cm,样地土层厚度40 cm。

2 研究方法

2.1 根窗安装

2011年11月,在落叶松人工林内设置4个20 m×20 m的样方,每个样方布设10个根窗。随机选取目标树木,在距离树干0.5～1.0 m安装根窗玻璃片。先用自制的平面钢铲(宽30 cm×高35 cm)垂直于地面完全切入土层之中,接着挖开钢铲一侧(扰动侧)土壤(坑大小为宽30 cm×长40 cm×深35 cm),小心取下钢铲,仔细修整土壤剖面。然后,把事先准备好的玻璃片(厚度5 mm,大小为宽30 cm×高35 cm,其中有效观测面积为宽20 cm×深30 cm,雕刻成6个10 cm×10 cm的方格,玻璃片除上沿外其余三边留5 cm用于固定)紧贴于土壤剖面,使土壤充实整个玻璃片背景(不要留有空隙),并用不锈钢钉在四角固定(见图1)。最后,回填土壤以及凋落物,并在地表插上标记方便后续取样。

图1 野外原位根窗及扫描观测设备

2.2 观测及图像数字化

2012年5月开始第一次观测,在生长季定期观测,每月观测一次(见表1)。观测时,挖开根窗扰动侧土壤,擦净玻璃片,放入平板扫描仪(EPSON V33,Japan)使其紧贴玻璃片进行扫描。采用蓄电池(电压12 V、容量20 AH)和逆变器(直流12 V转交流220 V)为扫描仪供电。获取的图像大小为A4幅,分辨率设定为600 dpi(根据研究需求和扫描仪参数设定分辨率),32位彩色图像,每个根窗每次采集一张图像。采集完成后,立即回填土壤和凋落物,尽量减轻观测过程对根系生长的干扰。这种观测时挖开-回填的方式,虽然费力,但是可以最大限度的保证玻璃片表面根系的生长环境(如温度和湿度)与土体一致。北方冬季因土壤上冻,故暂停观测。

表1 落叶松人工林根窗观测取样日期

图像依据根窗号、采集日期、序列号和采集人等信息命名,同一个根窗的图片存放到一个文件夹内。用Rootfly软件(V2.0.2, Clemson University)对图像中出现的每条根,手动描出根长和直径,同时进行编号、生根日期、颜色、存活状态(活着或死亡)、死亡日期以及用户自定义信息(根系分枝等级和土层)的记录(见图2)。通常根据根系的颜色和形态来判断根存活状态,白色根和棕色根定义为活根,黑色、表皮脱落、褶皱且后续取样日期不再生长的根定义为死根。此外,有些突然消失(被地下生物取食或土壤掩埋)的白色和棕色根也归类为死亡[11]。根窗图像数字化过程非常耗时费力,这是及时获取细根观测数据的“瓶颈”环节。近年来,机器学习已能代替人工数字化土壤背景简单的图像[12-14],但应用于森林土壤背景复杂的图像仍充满挑战。人工描根的缺点是需要依靠个人经验来判定根系的存活状态,导致细根寿命数据存在主观误差,为了提高数据的可靠性,同一批根窗图像应由同一个人描根。

图2 应用Rootfly软件人工描根数字化根窗图像过程

2.3 数据处理

由于根窗图像人工数字化过程非常耗时,本研究在每样地随机挑选出2个根窗,共选取了8个根窗,进行数字化获取细根数据。主要目的是介绍扫描根窗法,因而只计算细根现存量指标,并用其来评价根窗安装扰动后的恢复时间。将落叶松细根区分为吸收根(1～2级根)和运输根(3～5级根)两种功能类型进行统计。细根现存量指每次取样日期观测到的单位根窗面积上的活根总长度,年平均细根现存量为该年内各取样日期数据的均值。为了消除不同年份年平均细根现存量差异对季节格局的影响,采用该扫描日期现存量除以该年最大现存量,获取各扫描日期现存量的相对值,进而比较季节格局的年际间差异。采用单因子方差分析和Duncan多重比较检验细根现存量在不同取样日期和年份间的差异显著性,统计过程用SPSS软件完成。

3 结果与分析

3.1 扫描根窗法观测效果及评价

在辽宁清原县的落叶松人工林样地,经过多年的实践,野外原位根窗经历了冻融交替和夏季强降雨的检验。从同一根窗号不同取样日期的序列图像上,可以清晰的观测到落叶松和林下植物(如草本)细根出生、伸长(分枝)、衰老、死亡甚至分解这一细根动态全过程(见图3)。传统的微根管技术(如美国的Bartz公司生产的BCT-100设备)的观测窗口大小为1.4 cm×1.8 cm[15],如此小的观测窗,植物根系由于不断的伸长生长,因而很容易超出观测视野,极大地限制了对目标根系分枝等级的确定。近年来,虽然出现了可以旋转扫描的微根管设备(如,CI-600,CID公司,美国),观测窗口大小为20 cm×20 cm,但其对根系分枝过程的观测结果仍鲜有报道。

图像大小为A4,白线方格为10 cm×10 cm,绿圈短虚线区域示白色的草根,红圈长虚线区域示棕色的落叶松根图3 落叶松根窗真实扫描图像序列实例

由表2可知,扫描根窗法与微根管法相比最明显的优势具有较大的观测窗口。因此,扫描根窗法可观测到树木细根的完整分枝结构,进而满足按根系分枝等级(根序)或功能类型(如吸收根和运输根)来细化细根群体的研究要求。扫描根窗法还具有材料和设备成本很低的优势。扫描根窗法系统主要由野外原位的若干个玻璃根窗,以及取样时的扫描仪、蓄电池(含逆变器)和便携式电脑所组成。扫描根窗法的成本主要是根窗玻璃材料费和扫描仪费用,与昂贵的微根管设备相比十分廉价。当然,扫描根窗法缺点是根窗布设时需要挖开土壤剖面,对样地的扰动较大;由于北方冬季低温,样地土壤经历冻融交替作用,导致根窗玻璃裂纹甚至脱落。但通过增加布设根窗数量或者考虑其他透明材料,弥补或减少根窗数量的损耗。研究发现细根生产和寿命对不同根窗材料(玻璃、丙烯酸和醋酸丁酸纤维素)的反应和微根管存在差别,但细根形态和物候没有明显改变[16]。尽管扫描根窗法仍存在一些问题,但该方法为野外原位观测植物细根动态提供了一种经济有效的技术手段。

表2 扫描根窗法与微根管法在细根动态研究中的优缺点

3.2 根窗恢复时间

由表3可知,落叶松细根现存量随取样日期而波动,尤其在根窗安装后第一个生长季,细根现存量(吸收根和运输根)从7月份的5.72 m·m-2迅速增加至11月份的31.76 m·m-2。由于根窗安装时切根,导致的细根补偿性生长。很多利用微根管和根窗对细根的研究,也发现了这一现象[4,10]。实际上,第1年观测到的细根都是新出生的根,很少发生死亡,使细根现存量不断累积。随着观测年限的增加,细根群落的年生产量和年死亡量接近平衡,使细根年平均现存量波动幅度减小,说明根窗观测到的根群恢复至土体中的水平。一般认为,微根管安装扰动至少1年,细根生长才能恢复平衡[15]。北方深秋季节安装的根窗,经过冻融交替和一个生长季后细根现存量迅速恢复且趋于稳定。虽然根窗安装时扰动较大,但其恢复时间与微根管类似。本研究根窗安装所需的土壤剖面由带利刃的自制钢铲一刀切成,高质量的剖面将有利于细根在土壤与根窗玻璃界面的迅速恢复。

表3 落叶松细根现存量随取样日期的变化

3.3 细根中吸收根和运输根现存量的季节波动差异

由表4可知,落叶松吸收根和运输根现存量的季节格局呈单峰型,但峰值出现时间不一致,其中吸收根峰值多出现在春季和初夏,而运输根峰值多出现在秋季。Mei et al.[17]采用连续土钻法观察了黑龙江帽儿山落叶松细根(直径<2 mm)现存生物量,呈双峰型且峰值出现在春季和秋季。从表面上看与本试验的单峰型结果相矛盾,其实把细根区分为吸收根和运输根后,这恰好支持了本试验的结果。落叶松在5月上旬展叶,同期需要生长大量吸收根为地上提供水分和养分,而秋季树木把地上的光合产物转移至地下,运输根迎来生产高峰用于储存光合产物[18]。鉴于吸收根和运输根现存量季节格局的差异,因此未来研究需要区分不同功能或分枝等级细根的必要性[1,8]。本研究的长期观测资料证实,落叶松无论吸收根还是运输根现存量的季节格局存在年际变异,吸收根2015年现存量的峰值出现时间与其他年份不一致,这与年际间温度和降水的波动有关[19]。扫描根窗法和微根管法可发挥其连续长期观测的优势,可弥补对细根动态的研究的不足[20-21]。

表4 落叶松细根现存量的季节动态

4 结论

长期以来,缺乏观测植物根系的有效方法,限制了对植物地下细根数据的获取。本文结合扫描根窗法对温带落叶松人工林细根动态研究案例,详细介绍了适合野外原位观测细根动态的扫描根窗法。扫描根窗法的基本原理与微根管法一致;扫描根窗法最大优势是可观测到细根的完整分枝结构,将高度异质性的细根群体细分为不同根序或功能类型;扫描根窗法成本低,可在野外大量布设;根窗图像清晰的记录了落叶松细根从出生、分枝到死亡的动态过程;根据细根现存量指标,推荐根窗安装后恢复期为1年,对不同功能类型细根进行长期观测。