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摘要：随着社会的发展与进步，重视刺槐根系对深层土壤水分的影响分析对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍在宁夏地区刺槐根系对深层土壤水分的影响的有关内容。
关键词刺槐；根系；土壤；水分；监测；分布；影响；
中图分类号：[P426.68]文献标识码： A 文章编号：
引言
刺槐是宁夏地区的主要造林树不电就刺槐细根的垂直分布而言，哪些特征主要受遗传因索的影响,表现为遗传特征;哪些特征主要受环境和立地条件的影响,表现为环境影响特征,尚不十分清楚,对于刺槐根系与生态环境的相互作用关系还需进行更多的试验研究。
一、研究地区与研究方法
1．1自然概况
研究地点设在地处宁夏地区，该区属暖温带半湿润大陆性季风气候,降雨年际变异大,多年平均降雨量为581.4 mm,最大年降雨量为813.2mm,最小年降雨量为369·5 mm,降水主要集中在7~9月,约占全年降水量的55%以上.年平均气温9.1℃,无霜期171 d,地下水深达50~80 m.林下草本植物群落主要为铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、狗尾草(Setaria faberii)等,覆盖度为100%,样地概况见表1.
1．2根系调查方法
2010年6月采用土钻(Φ=6·8 cm)在每个样地内按照1/4样圆法取样[7, 21].将野外带回的根样用蒸馏水清洗干净后,采用加拿大REGENT公司生产的根系形态学和结构分析系统(WINRhizo),测量细根的表面积.并按式(1)计算样地各土层中细根的表面积密度D(cm2·dm-3):
式中,R为土钻半径(0·034 m),h为土层厚度(0.1 m),m为根表面积(cm2),n、k分别为样木总数及样点总数.
1.3土壤水分监测
将样地中各样木根系取样区分4个方位,在距样木1 m处各安装测管1根, 2011年4月10日至10月30日,每隔10d用中子水分测定仪分土层(20 cm)测定各点根系分布深度至4 m深度范围内的土壤水分。
二、结果与分析
2．1不同立地条件下刺槐细根垂直分布特征
由图1可以看出,无论是在阴坡立地还是在阳坡立地,随土壤深度的增加刺槐细根表面积密度逐渐增大,在0.6 m左右的土层中达到最大值,之后随土壤深度的增加缓慢减少.在阴坡立地上,从表层到0.6 m土层范围内的细根表面积密度和约占总深度范围内细根表面积密度和的47%,而在阳坡立地上可达到54%.阴坡、阳坡立地上刺槐细根分布最大深度均可达到2.0 m(距树干0.5 m处),但阴坡立地上的细根分布密度均明显大于阳坡,在距树干0.5 m处,阴坡与阳坡根系表面积密度平均值分别为4.43和1.77 cm2·dm-3,在2.0 m处分别为3.97和1.20 cm2·dm-3.在水平方向上,不同坡向上刺槐细根垂直分布深度的差异更为明显,随着相对树干距离的增加,阴坡上刺槐细根的分布深度没有变化(均达2.0 m),而在阳坡立地上刺槐细根的分布深度却表现出减小趋势,在距树干0.5、1.0、1.5和2.0 m处分布深度分别为2.0、1.9、1.6和1.4 m。
图1与树干不同距离的槐树细根系的垂直分布
在阴坡立地上,根系在水平、垂直方向以及表面积密度特征值方面均较阳坡有明显的优势,这种根系分布特征优势有利于树木从距树干不同距离、不同深度的土层中吸收更多的土壤水分,具有更大的水分吸收空间.这种差异也说明,不同立地根系空间分布的不同是对其最敏感因子———土壤水分差异的生态适应。
2．2不同立地条件下土壤水分状况
对不同立地条件生长季土壤水分的长期监测结果表明(图2、表2),阴坡刺槐林地的土壤水分条件较好(平均含水量为21.44% ),同处阴坡的草地次之(平均含水量为17.80% ),而处于阳坡的刺槐林地水分条件相对较差(平均含水量为16.53% ).浅层土壤水分状况易受气候条件、植被覆盖程度以及人为活动的影响,表现为阴坡刺槐林地(21.23% )>阴坡草地(19.08% )>阳坡刺槐林地(17.49% ).深层土壤水分因外界作用减弱,而使土壤本身具有的理化性质以及根系对水分的作用更为突出,在1m以下的深层土壤中,阴坡刺槐林地的土壤水分含量随土层深度增加而明显增加,并在2~3m土层形成最大值,同处阴坡的草地土壤水分含量虽随土层深度增加而增加,但增加梯度远不及刺槐林地明显,而阳坡刺槐林地水分则表现出相反的变化趋势,即随土层深度增加含水量减少,且递减梯度随土层深度增加而增加,在所测定的土层范围内,单位深度土层(1 m)上含水量递减率可达3%左右.
图2不同立地土壤平均含水量水分的垂直变化
表2刺槐不同立地不同层次土壤平均含水量(% )
不同立地的土壤水分差异主要是由于黄土高原特殊的黄土在长期的沉积过程中造成深层土壤长期处于低湿状态,并因立地不同存在差异,而全球气候的变化、人为活动、立地上的植被情况等因素使这种差异在一定范围内发生变化,但对深层土壤水分的影响不明显.试验中,阴坡草地和阳坡林地比较,虽两者因立地条件、植被因素等存在差异,但在表层至2·5 m土层范围内,两者之间的差异不明显,而在此深度以下,却明显表现出阳坡立地的土壤水分状况不如阴坡立地,且两者的变化趋势也截然相反.林木根系从土壤中吸取大量水分以满足林木的生长所需和蒸腾消耗,其中以细根(直径小于2mm)吸收和传输水分的能力最强,因此在根土界面中细根与土壤水分的相互作用最密切.结合以上对根系分布的分析可知,在所调查的试验地中水分条件好的阴坡根系分布空间大于水分条件差的阳坡,两者表现出一致的关系,即土壤水分条件好的立地根系分布空间大;反之,土壤水分条件较差的立地根系分布空间较小.
2．3刺槐根系对深层土壤水分的影响
根系对水分的吸收以林木蒸腾等形成的水勢差为动力,通过提水及反提水等作用方式使根土界面中的水分得到重新分配,而种种作用的效果在垂直方向的影响范围因不同立地而存在差异,从而表现出不同立地下不同根系分布特征对土壤水分影响各具特点.通过对林地生长季内土壤水分的垂直变化可以看出(图3),不同立地、不同月份的水分变化均在根系分布层偏下层形成土壤水分含量的低点土层,这时,对土壤水分的作用达到最大,在该土层以上由于有大量根系存在,使土壤水分在时间序列和垂直方向上均呈规律性变化,并因根系密度随土层增加而逐渐减少,变化幅度也较小;在该土层以下
图3刺槐林地土壤水分月季变化
因无大量根系存在,使土壤水分在时间序列和垂直方向上无明显变化.阳坡刺槐根系在距表层2.7 m的土层处形成水分含量低点,而阴坡在3.3 m处.可见,由于阴坡土壤水分环境较好,从而形成较大根系分布空间和具有明显优势的根系表面积密度特征值,进而对深层土壤水分有较大的影响深度(可到根系分布的最大深度以下1.3 m处的土层中).处于阳坡林地的土壤水分环境较差,因此形成的根系分布空间和根系表面积密度特征值不如阴坡,其根系对深层土壤水分的影响深度也不及阴坡(仅到根系分布最大深度以下0.8 m处).在此根系作用层以下的土层中土壤水分稳定在一定水平(阳坡14.83%,阴坡22.02% ),月季间几乎没有差异。
三、结束语
根系对土壤深层水分的影响因根系垂直分布的不同也表现出差异,根系对水分的强烈吸收使根系分布下层形成水分含量的低点土层,这种土层的形成标志着根系对水分吸收作用的结束.根系对水分作用层的深度与根系分布在不同立地条件下存在一定差异,阳坡立地上刺槐根系吸水对深层土壤水分的影响仅局限在细根分布层以下的0.8 m范围内;阴坡立地上这种影响范围虽大于阳坡,也仅深至细根分布层以下1.3 m.黄土高原土壤干层并不是由被一些研究学者称为“抽水机”的人工林根系大量消耗3~8 m土层的土壤水分而形成并不断加剧的,干层的形成可能是由于黄土沉积的历史原因,加之气候干旱、人为高密度粗放经营及不合理的种植方式等造成的.
参考文献
[1]Fan X2L(樊小林), Li S2X(李生秀). 1997.Hydraulic lift of plantroot system.Acta UnivAgricBoreal2Occident(西北农业大学学报),25(5): 75~81( in Chinese)
[2]FuM2S(付明胜), QianW2D(钱卫东), Niu P(牛萍),et al.2002. Impact of the continuous droughton the depth ofdry soil layerand on the existence of plants.Arid Zone Res(干旱区研究),19(2): 71~74( in Chinese)
[3]He X2D(何兴东),GaoY2B(高玉葆). 2003.Discussion on ecolog2ical role ofhydraulic lift arid region.Acta EcolSin(生态学报),23(5): 996~1002( in Chinese)
[4]Hu L2J(胡良军), ShaoM2A(邵明安). 2002.Review onwater eco2environment in vegetation restoration in Loess Plateau.Chin Jappl Ecol(应用生态学报),13(8): 1045~1048( in Chinese)
[5]Jackson RB,Canadell J,MooneyHA. 1996.A global analysis of rootdistribution for terrestrial biomes.Oecologia,180: 389~411
[6]LiP(李鵬), Li Z2B(李占斌),HaoM2D(郝明德). 2003.Rootdistribution characteristics ofnatural grassland on LoessPlateau.ResSoilWater Conserv(水土保持研究),10(1): 144~149( in Chi2nese)
关键词刺槐；根系；土壤；水分；监测；分布；影响；
中图分类号：[P426.68]文献标识码： A 文章编号：
引言
刺槐是宁夏地区的主要造林树不电就刺槐细根的垂直分布而言，哪些特征主要受遗传因索的影响,表现为遗传特征;哪些特征主要受环境和立地条件的影响,表现为环境影响特征,尚不十分清楚,对于刺槐根系与生态环境的相互作用关系还需进行更多的试验研究。
一、研究地区与研究方法
1．1自然概况
研究地点设在地处宁夏地区，该区属暖温带半湿润大陆性季风气候,降雨年际变异大,多年平均降雨量为581.4 mm,最大年降雨量为813.2mm,最小年降雨量为369·5 mm,降水主要集中在7~9月,约占全年降水量的55%以上.年平均气温9.1℃,无霜期171 d,地下水深达50~80 m.林下草本植物群落主要为铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、狗尾草(Setaria faberii)等,覆盖度为100%,样地概况见表1.
1．2根系调查方法
2010年6月采用土钻(Φ=6·8 cm)在每个样地内按照1/4样圆法取样[7, 21].将野外带回的根样用蒸馏水清洗干净后,采用加拿大REGENT公司生产的根系形态学和结构分析系统(WINRhizo),测量细根的表面积.并按式(1)计算样地各土层中细根的表面积密度D(cm2·dm-3):
式中,R为土钻半径(0·034 m),h为土层厚度(0.1 m),m为根表面积(cm2),n、k分别为样木总数及样点总数.
1.3土壤水分监测
将样地中各样木根系取样区分4个方位,在距样木1 m处各安装测管1根, 2011年4月10日至10月30日,每隔10d用中子水分测定仪分土层(20 cm)测定各点根系分布深度至4 m深度范围内的土壤水分。
二、结果与分析
2．1不同立地条件下刺槐细根垂直分布特征
由图1可以看出,无论是在阴坡立地还是在阳坡立地,随土壤深度的增加刺槐细根表面积密度逐渐增大,在0.6 m左右的土层中达到最大值,之后随土壤深度的增加缓慢减少.在阴坡立地上,从表层到0.6 m土层范围内的细根表面积密度和约占总深度范围内细根表面积密度和的47%,而在阳坡立地上可达到54%.阴坡、阳坡立地上刺槐细根分布最大深度均可达到2.0 m(距树干0.5 m处),但阴坡立地上的细根分布密度均明显大于阳坡,在距树干0.5 m处,阴坡与阳坡根系表面积密度平均值分别为4.43和1.77 cm2·dm-3,在2.0 m处分别为3.97和1.20 cm2·dm-3.在水平方向上,不同坡向上刺槐细根垂直分布深度的差异更为明显,随着相对树干距离的增加,阴坡上刺槐细根的分布深度没有变化(均达2.0 m),而在阳坡立地上刺槐细根的分布深度却表现出减小趋势,在距树干0.5、1.0、1.5和2.0 m处分布深度分别为2.0、1.9、1.6和1.4 m。
图1与树干不同距离的槐树细根系的垂直分布
在阴坡立地上,根系在水平、垂直方向以及表面积密度特征值方面均较阳坡有明显的优势,这种根系分布特征优势有利于树木从距树干不同距离、不同深度的土层中吸收更多的土壤水分,具有更大的水分吸收空间.这种差异也说明,不同立地根系空间分布的不同是对其最敏感因子———土壤水分差异的生态适应。
2．2不同立地条件下土壤水分状况
对不同立地条件生长季土壤水分的长期监测结果表明(图2、表2),阴坡刺槐林地的土壤水分条件较好(平均含水量为21.44% ),同处阴坡的草地次之(平均含水量为17.80% ),而处于阳坡的刺槐林地水分条件相对较差(平均含水量为16.53% ).浅层土壤水分状况易受气候条件、植被覆盖程度以及人为活动的影响,表现为阴坡刺槐林地(21.23% )>阴坡草地(19.08% )>阳坡刺槐林地(17.49% ).深层土壤水分因外界作用减弱,而使土壤本身具有的理化性质以及根系对水分的作用更为突出,在1m以下的深层土壤中,阴坡刺槐林地的土壤水分含量随土层深度增加而明显增加,并在2~3m土层形成最大值,同处阴坡的草地土壤水分含量虽随土层深度增加而增加,但增加梯度远不及刺槐林地明显,而阳坡刺槐林地水分则表现出相反的变化趋势,即随土层深度增加含水量减少,且递减梯度随土层深度增加而增加,在所测定的土层范围内,单位深度土层(1 m)上含水量递减率可达3%左右.
图2不同立地土壤平均含水量水分的垂直变化
表2刺槐不同立地不同层次土壤平均含水量(% )
不同立地的土壤水分差异主要是由于黄土高原特殊的黄土在长期的沉积过程中造成深层土壤长期处于低湿状态,并因立地不同存在差异,而全球气候的变化、人为活动、立地上的植被情况等因素使这种差异在一定范围内发生变化,但对深层土壤水分的影响不明显.试验中,阴坡草地和阳坡林地比较,虽两者因立地条件、植被因素等存在差异,但在表层至2·5 m土层范围内,两者之间的差异不明显,而在此深度以下,却明显表现出阳坡立地的土壤水分状况不如阴坡立地,且两者的变化趋势也截然相反.林木根系从土壤中吸取大量水分以满足林木的生长所需和蒸腾消耗,其中以细根(直径小于2mm)吸收和传输水分的能力最强,因此在根土界面中细根与土壤水分的相互作用最密切.结合以上对根系分布的分析可知,在所调查的试验地中水分条件好的阴坡根系分布空间大于水分条件差的阳坡,两者表现出一致的关系,即土壤水分条件好的立地根系分布空间大;反之,土壤水分条件较差的立地根系分布空间较小.
2．3刺槐根系对深层土壤水分的影响
根系对水分的吸收以林木蒸腾等形成的水勢差为动力,通过提水及反提水等作用方式使根土界面中的水分得到重新分配,而种种作用的效果在垂直方向的影响范围因不同立地而存在差异,从而表现出不同立地下不同根系分布特征对土壤水分影响各具特点.通过对林地生长季内土壤水分的垂直变化可以看出(图3),不同立地、不同月份的水分变化均在根系分布层偏下层形成土壤水分含量的低点土层,这时,对土壤水分的作用达到最大,在该土层以上由于有大量根系存在,使土壤水分在时间序列和垂直方向上均呈规律性变化,并因根系密度随土层增加而逐渐减少,变化幅度也较小;在该土层以下
图3刺槐林地土壤水分月季变化
因无大量根系存在,使土壤水分在时间序列和垂直方向上无明显变化.阳坡刺槐根系在距表层2.7 m的土层处形成水分含量低点,而阴坡在3.3 m处.可见,由于阴坡土壤水分环境较好,从而形成较大根系分布空间和具有明显优势的根系表面积密度特征值,进而对深层土壤水分有较大的影响深度(可到根系分布的最大深度以下1.3 m处的土层中).处于阳坡林地的土壤水分环境较差,因此形成的根系分布空间和根系表面积密度特征值不如阴坡,其根系对深层土壤水分的影响深度也不及阴坡(仅到根系分布最大深度以下0.8 m处).在此根系作用层以下的土层中土壤水分稳定在一定水平(阳坡14.83%,阴坡22.02% ),月季间几乎没有差异。
三、结束语
根系对土壤深层水分的影响因根系垂直分布的不同也表现出差异,根系对水分的强烈吸收使根系分布下层形成水分含量的低点土层,这种土层的形成标志着根系对水分吸收作用的结束.根系对水分作用层的深度与根系分布在不同立地条件下存在一定差异,阳坡立地上刺槐根系吸水对深层土壤水分的影响仅局限在细根分布层以下的0.8 m范围内;阴坡立地上这种影响范围虽大于阳坡,也仅深至细根分布层以下1.3 m.黄土高原土壤干层并不是由被一些研究学者称为“抽水机”的人工林根系大量消耗3~8 m土层的土壤水分而形成并不断加剧的,干层的形成可能是由于黄土沉积的历史原因,加之气候干旱、人为高密度粗放经营及不合理的种植方式等造成的.
参考文献
[1]Fan X2L(樊小林), Li S2X(李生秀). 1997.Hydraulic lift of plantroot system.Acta UnivAgricBoreal2Occident(西北农业大学学报),25(5): 75~81( in Chinese)
[2]FuM2S(付明胜), QianW2D(钱卫东), Niu P(牛萍),et al.2002. Impact of the continuous droughton the depth ofdry soil layerand on the existence of plants.Arid Zone Res(干旱区研究),19(2): 71~74( in Chinese)
[3]He X2D(何兴东),GaoY2B(高玉葆). 2003.Discussion on ecolog2ical role ofhydraulic lift arid region.Acta EcolSin(生态学报),23(5): 996~1002( in Chinese)
[4]Hu L2J(胡良军), ShaoM2A(邵明安). 2002.Review onwater eco2environment in vegetation restoration in Loess Plateau.Chin Jappl Ecol(应用生态学报),13(8): 1045~1048( in Chinese)
[5]Jackson RB,Canadell J,MooneyHA. 1996.A global analysis of rootdistribution for terrestrial biomes.Oecologia,180: 389~411
[6]LiP(李鵬), Li Z2B(李占斌),HaoM2D(郝明德). 2003.Rootdistribution characteristics ofnatural grassland on LoessPlateau.ResSoilWater Conserv(水土保持研究),10(1): 144~149( in Chi2nese)