宁南黄土区典型林分林下草本植被根系分布特征_王月玲.pdf

北方园艺 （）：资源环境生态第一作者简介：王月玲（），女，硕士，副研究员，现主要从事黄土高原水土保持与生态环境建设等研究工作。：基金项目：宁夏 区 农 业 科 技 自 主 创 新 资 金 资 助 项 目（）；宁 夏 重 点 研 发 资 助 项 目（）；宁 夏 区 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（）；中央财政林业科技推广示范资助项目（）。收稿日期：宁南黄土区典型林分林下草本植被根系分布特征王 月 玲，王 思 成，许浩，万 海 霞，董 立 国，韩 新 生（宁夏农林科学院 林业与草地生态研究所，宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室，宁夏 银川 ；宁夏农业综合开发中心，宁夏 银川 ）摘要：以宁南黄土区彭阳中庄小流域种典型林分（山杏林、山桃林、山杏柠条林、山杏沙棘林）林下草本植被为研究对象，通过采用样方根钻法和 根系分析系统对不同林地 土层的草本根系生物量和分布特征进行了定量分析，以期揭示宁南黄土区不同人工林下草本根系分布特征，为研究区生态恢复和林分配置提供参考依据。结果表明：各林地草本总生物量、总根长密度和总根系表面积密度均表现出山杏柠条和山杏沙棘混交林较大，山杏林和山桃林较小且相差不大。根系参数主要分布于 ，随着土壤深度的增加各指标均呈现递减的趋势。土层不同径级的根长密度和根表面积密度基本以 径级的根系分布最广，径级的细根所占比例较大，且随着根系直径的增加二者基本呈现下降趋势。不同土层不同径级的根长密度基本表现为 。总体反映出混交林林下草本植被各根系参数相较于纯林在土壤表层占比均较高，能够有效改善表层土壤结构，提高土壤抗侵蚀性能。关键词：宁南黄土区；林地；草本根系；根长密度；根表面积密度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）水土保持中最有效和最根本的方法就是植被固土，林下植被作为人工林生态系统的重要组成部分，在促进人工林养分循环和维护林地土壤质量中起着不可忽视的作用，对维护整个系统的物种多样性也十分重要。植物根系是支持植物地上部生长发育的重要组成部分，是连接植物地上部与土壤水分、养分的桥梁，植物根系对于植物体具有重要意义。根系功能的发挥与其数量、分布、寿命、形态和构型密切相关，而这些特征受植物自身特性、植被构成及立地条件等的影响，了解根系在土壤系统中的结构组成、分布规律是认识森林碳平衡与养分循环的基础。因此，植物根系研究一直以来都是生态学、土壤侵蚀学等学科研究的重要内容。目前，学者对植物根系的分布特征已做了大量研究，安慧等对黄土高原子午岭林区不同林木细根垂直分布特征研究发现油松和白桦林表层土壤（）的比根长、根长密度和细根表面积显著高于底层（）；金晓等 对晋西黄土区不同植被类型表层根系分布特征研究发现各植被类型不同根径范围的根系指标中，径级的根长密度均最大，根体积密度总体表现为细根比粗根小；葛芳红等 对黄土丘陵区种典型植物根系分布特征研究发现，种 植 物 的 根 系 径 级 主 要 集 中 在 ，且根系径级越大，根系各密度参数越小；李鹏等 对黄土高原天然草地根系主要参数的分布特征研究发现，所有径级的根系均集中分布在表层 的土层中，在 以下的土层中分布相对较少。在所有径级的根系中，直径范围在 的根系具有最大的分布值。钱文丽等 通过研究混交对红松人工林细根生物量和空间分布的影响发现，混交树种、土壤深度和根直径等级均是影响红松细根生物量的重要因子。黄林等对不同森林类型根系分布于土壤性质的关系研究中发现，各种森林类型的根长密度随着土壤深度的增加表现为递减规律，在相同的土层中，根长密度随径级的变化并不一致。各径级根长密度随土层加深也表现为递减趋势等。这些研究对深入探讨根系吸收水分和养分时空的分布规律具有非常重要的指导意义。宁南黄土区是我国黄土高原严重的水土流失区之一，由于人类活动的影响，植被大规模的破坏和消失，导致了一系列的环境失调问题。其中植被恢复是退化生态系统的恢复和重建的首要工作。近几十年来，随着国家退耕还林还草政策的实施，区域生态恢复成效显著，植被恢复进展良好，但是也出现了树种单一、人工植被退化严重等生态问 题，而 混 交 恢 复 可 以 改 善 这 一 系 列 问题。虽然关于根系的研究目前已经开展了很多，但是关于宁南黄土区基于水平沟工程措施扰动的林地草本根系研究相对较少，为了深入研究宁南黄土区林下草本根系的生态环境效应，需要首先了解根系的垂直分布特征。该研究区分布面积最广的主要有山杏林、山桃林、山杏沙棘林和山杏柠条林，当然还有一些少量的油松林、云杉林、杨树林等。采用土钻法通过对研究区个典型林地草本植物根系垂直分布特征的研究，不仅有助于探讨林地草本植物的细根动态变化，为草本植物根系固土抗蚀、防治水土流失、保护生态环境提供参考依据，而且通过对比研究可为宁南黄土区造林树种的选择与配置及植被恢复提供科学参考依据，实现林业又好又快发展。材料与方法 试验地概况试验地位于宁夏彭阳县白阳镇中庄村小流域，地处 彭 阳 县 城 东 北 （北 纬 ，东经 ），地貌类型属于黄土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面倾斜度大，平均海拔为 ，属于典型的温带大陆性气候。该地区多年平均年降水量 ，降水季节分布很不均匀。该村年平均气温 ，的积温为 ，境内年蒸发量较大，干燥度（的蒸发量）为 ，无霜期 。土壤类型以普通黑垆土为典型土壤，土壤母质为黄土及黄土状物，在 ，土层深厚，土质疏松。试验材料区域植被类型为干草原类，主要分布有长芒草（）、猪 毛 蒿（.）、赖草（）、百里香（）等 草 本 植 物。人 工 林 有 山 桃（）、山 杏（.）、沙 棘（）、柠条（）等，林草覆盖率在 以上。试验方法在研究区全面踏查的基础上，选择宁南黄土区种典型林分（山杏林、山桃林、山杏柠条林、山杏沙棘林）林下草本植被为研究对象，采用对比分析法研究不同林地草本植被根系分布特征。样地基本概况见表。于 年月植物生长末期，进行野外植被群落调查及根系取样测定。植被调查采用样方法进行，每个样地随机设置个 的样方，调查指标包括林下植被的物种组成、总盖度、物种盖度、频度、植株高度、密度、生物量以及根系。草群盖度采用针刺法；频度采用样圈法测定；密度采用记单位面积的分蘖、分枝法测定；高度则随机选取株测定，取其平均值。同时收获地上生物量称取鲜质量，并带回实验室烘干称质量。根系测定在样方内进行 型 点取样，用根钻（直径北方园艺月月（上上）表样地基本概况 林分类型 海拔 坡度 （）林龄 平均地径 平均树高 平均冠幅 郁闭度 草本层盖度 主要植物种 山杏林 百里香、本氏针茅山桃林 百里香、本氏针茅山杏柠条林 本氏针茅、百里香山杏沙棘林 本氏针茅、达乌里胡枝子，高 ）在各样点分 层（、和 ）钻取土壤，用筛子将各层样品过筛并拣出所有根系，用水清洗干净后，采用根系扫描仪浙江万深 系列植物根系分析仪对不同径级根系分布进行根长、根表面积指标测定分析，并计算根长密度（）和根表面积密度（）等，扫描后的根系样品编号后装入牛皮纸信封，置入 （）烘箱中烘干，以测定根系生物量。项目测定根系参数根长密度、根表面积密度和根体积密度 的 计 算 公 式 分 别 为：，。式中：为根长密度；为根系长度（）；为根表面积密度；为根系表面积（）；为根体积密度；为根系体积（）；为土样体积（）。数据分析利用 和 软件对根系数据进行作图和统计分析，采用单因素方差分析进行差异显著性分析（）。结果与分析 不同林分林下植被根系生物量、表面积和根长密度及其分布特征由图可知，土层种林分林下植被根系总生物量介于 ，总根长密度介于 ，总根系表面积密度介于 。种林分相比较，总生物量、总根长密度和总根系表面积密度均表现出混交林较纯林要略高一些，其中山杏柠条林最高，生物量达到 ，根长密度达到 ，根表面积密度达到 ，其次为山杏沙棘混交林，总生物量、总根长密度和总根系表面积密度分别为 、；山杏林 和 山 桃 林 相 差 不 大，总 生 物 量 分 别 为 、，总 根 长 密 度 分 别 为 、，总根系表面积密度分别为 、。不同林分 土层地下植被根系生物总量之间差异不显著（），根长密度之间、根表面积密度之间均存在显著差异（）。在垂直剖面上，根系生物量、根长密度和根表面积密度主要分布于表土层 ，随着土壤深度的增加各指标均呈现递减的趋势。同一土层，不同林分根系生物量、根长密度和根表面积密度基本以混交林较高，纯林较低。不同林分根系生物量 除 表 土 层 差 异 不 显 著（）外，其它土层均存在显著差异（）。不同林分根长密度除表下层 差异不显著外（），土层均存在显著差异（）。不同林分根系根表面积密度除表土层 差异显著外（），土层不存在显著差异（）。同一林分不同土层之间根系生物量、根长密度和根表面积密度基本均呈现显著差异（）。不同林分林下植被 土层不同径级根系参数分布特征在研究根系功能时，一般将径级的根系称为细根，细根主要起吸收水分和养分的作用。由图可知，种林分山杏林、山桃林、山第第期期 北方园艺注：不同小写字母表示不同林分根系生物量差异显著（），不同大写字母表示不同土层根系生物量差异显著（）。：（），（）图不同林地根系生物量、根长密度和表面积指标 ，杏柠条林和山杏沙棘林 土层不同径级的根长密度基本以 径级的根系分布最广（除 山 桃 林 外），分 别 占 总 根 长 密 度 的 、，其次为 径级根系，分别占总根长密度的 、，径级根系，分 别 占 总 根 长 密 度 的 、，径级根系，分别占总根长密度的 、，径级根系最少，分别占总根长密度的 、。可见细根占总根长密度较大的比例。种林地植被的根长密度均随根系直径的增加基本呈现下降趋势。根系径级 时，山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林的根长密度显著高于山杏林和山桃林（）；根系径级为 与 时，均表现为山杏柠条林根长密度较大，显著高于山杏林，与山杏沙棘林和山桃林根长密度之间差异不显著（）。不同径级的根表面积密度与根长密度的分布北方园艺月月（上上）注：不同小写字母表示不同林分同一径级根系参数差异显著性（）。下同。：（）图不同林分 土层各径级根系参数分布 趋势略有差异。也是以 径级的根系分布最广（除山杏柠条林外），其次为 径级根系，径级根系，分别占总根长密度的 、。细根占总根表面积密度较大的比例。山杏林和山桃林林下细根所占比例极为接近，山杏柠条林和山杏沙棘林相近。种林地植被的根表面积密度随根系直径的增加基本呈现下降趋势。根系径级 时，山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林的根表面积密度显著高于山杏林和山桃林（）；根系径级为 与时，均表现为山杏柠条林根表面积密度较大，显著高于山杏林和山桃林，与山杏沙棘林之间差异不显著（）。不同林分林下植被不同土层各径级根系参数分布特征由图可知，不同土层各径级的根长密度均存在 显 著 差 异（），基 本 表 现 为 。计算各林地 不同径级的根系长度比（），山杏林为 ，山桃林为 ，山杏柠条林为 ，山杏沙棘林为 ；在土层 不同径级的根系长度比山杏林为 ，山桃林为 ，山 杏 柠 条 林 为 ，山 杏 沙 棘 林 为 ；在 不同径级的根系长度比山杏林为 ，山桃林为 ，山 杏 柠 条 林 为 ，山 杏沙 棘 林 为 。总体反映出各林地根径范围基本以 根长密度分布较多。另外，对比不同土壤剖面，从图还可以看出，种林地各径级根的根长密度主要以 分布最广，根长密度分别 占 总 根 长 密 度（）的 ，其 次 是 ，占总根长密度 的 ，分布的最少，占总根长密度的 。不同土层各径级的根表面积密度也表现出不同的分布趋势。在 ，山杏林、山桃林和山杏沙棘林基本表现为相似的规律，以径级为 的根表面积密度较大，随着根系径级的不断增大，根表面积密度呈现减少趋势，山杏柠条林根表面积密度随着根径的增加呈现先增大后较小的趋势。各径级根表面积密度表现为山杏柠条林山杏沙棘林山桃林山杏林。土层各林地不同径级的根系表面积密度分布特征与 类似。土层各林地不同径级的根系表面积密度分布趋势波动性较大。从图还可以看出，种林地各径第第期期 北方园艺图不同土层各径级根系参数分布 级根表面积密度主要以 分布最广，根表面积密度占总表面积密度的 ，其次是 ，占总表面积密度的 ，分布最少，占总表面积密度的 。讨论根系是植被与土壤环境之间进行物质和能量交换的主要桥梁，完善的根系系统是植物地上部分能够良好生长的基础条件，同时植物的根系在土壤不同深度的分布因植物种类及生存环境的变化而有所差异。研究不同林分类型根系的分布特征和径级组成，可以深入了解植物种类和生长状况。该试验研究了宁南黄土区种典型林分山杏林、山桃林、山杏柠条林和山杏沙棘林植被根系分布特征，结果表明种林分相比较，土层地下植被根系总生物量、总根长密度和总根系表面积密度均表现出山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林较纯林要略高一些，山杏纯林和山桃纯林相差不大，与以往的研究结论相吻合 ，说明混交对林分细根的生长起到了一定的促进作用。方差分析显示不同林分 土层地下植被根系生物总量之间差异不显著（），根长密度之间、根表面积之间均存在显著差异（）。在垂直剖面上，各林分根系参数主要分布北方园艺月月（上上）于 ，随着土壤深度的增加各指标均呈现递减的趋势，呈现出了一定的表聚现象。树种混交作为重要的森林经营措施之一，不仅影响林分干材的生长过程，而且对细根动态和分布特征均有影响。该研究发现，种林分山杏林、山桃林、山杏柠条林和山杏沙棘林 土层不同径级的根长密度和根表面积密度基本以 径级的根系分布最广，径级的细根所占比例较大，且随着根系直径的增加二者基本呈现下降趋势。种林分中山杏柠条林和山杏沙棘林的根长密度和根表面积密度分布占比均明显高于山杏林和山桃林，说明混交林使得细根生物量在土壤浅层的占比提升，这与李浩等 的研究结论林分混交恢复模式起到了一定的积极作用是相吻合的。种典型林地不同土层根系各根径级的根长密度均存在显著差异（）。各林地不同土层不同径级的根长密度基本表现为 。这一结论与吕刚等、陈晏 随着根系径级的不断增大，根系长度不断减小的研究结论相吻合。通过比较各林地不同土层不同根径级的根系长度比，总体反映出各林地根径范围基本以 根长密度分布较多。说明细根根系长度大，在土壤中穿插、缠绕、固结土壤能力强，从而增加土壤的机械抗冲作用，提高土壤的抗冲性能，这与金晓等 的结论一致。同一根径级，不同林地植被根长密度也不同，个土层均反映出山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林的不同径级的总根长密度明显高于山杏林和山桃林，根系径级 时，山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林的根长密度显著高于山杏林和山桃林（）。可以看出，混交改变了林下根系根长密度的垂直分布格局，但影响程度与混交树种 有关。结论宁南黄土区山杏林、山桃林、山杏柠条林、山杏沙棘林种林分林下植被根系分布特征总体表明山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林林下细根（）总生物量、总根长密度和总根系表面积密度要高于山杏纯林和山桃纯林。在垂直分布上，各参数也呈现出了一定的表聚现象。种林地不同土层各径级根长密度和根表面积密度基本以 径级的根系分布最广，径级的细根所占比例较大。由此可见，直径小于 的吸收根对资源竞争具有更高的敏感性，尤其是山杏柠条混交林和山杏沙棘混交林，对于宁南黄土区退耕还林中树种的合理选择和配置提供了必要的参考依据。参考文献褚建民，卢琦，崔向慧，等 人工林林下植被多样性研究进展世界林业研究，（）：张鋆鋆，刘冰洋，王一凡，等植物根系研究进展天津农业科学，（）：黄林，王峰，周立江，等不同森林类型根系分布与土壤性质的关系 生态学报，（）：张毓涛，胡莎莎，李吉玫，等 新疆种主要森林类型根系生物量变化特征研究干旱区地理，（）：占海歌 种草本植物根系特征对土壤抗侵蚀性能影响 武汉：华中农业大学，熊燕梅，夏汉平，李志安，等 植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展应用生态学报，（）：陈义君，彭石磊，谌芸，等紫色土坡耕地香根草根系的固土抗蚀效应草业科学，（）：张晓艳，周正朝黄土高原地区草地植被调控土壤水蚀机理的研究进展草业科学，（）：安慧，韦兰英，刘勇，等黄土丘陵区油松人工林和白桦天然林细根垂直分布及其与土壤养分的关系植物营养与肥料学报，（）：金晓，陈丽华晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征 水土保持学报，（）：葛芳红，周正朝，刘俊娥，等黄土丘陵区种典型植物根系分布特征及对土壤分离速率的影响水土保持学报，（）：李鹏，李占斌，郝明德，等黄土高原天然草地根系主要参数的分布特征水土保持研究，（）：，钱文丽，卢元，王韶仲，等混交对红松人工林细根生物量和空间分布的影响东北林业大学学报，（）：李浩，胡婵娟，冯德显，等半干旱黄土丘陵区退化人工林群落结构 调 整 下 细 根 特 征 分 析 干 旱 区 地 理，（）：白世红，丁新景，马风云，等 黄河三角洲盐碱地人工刺槐混交林细根分布研究中国生 态农业学报，（）：寇萌，焦菊英，王巧利，等 黄土丘陵沟壑区不同植被带植物群落的细根分布特征 农业机械学报，（）：万海霞，蔡进军，郭永忠，等宁夏南部黄土丘陵区典型草本根系分布特征水土保持研究，（）：黄建辉，韩兴国，陈灵芝森林生态系统根系生物量研究进第第期期 北方园艺展 生态学报，（）：李鹏，李占斌，澹台湛黄土高原退耕草地植被根系动态分布特征 应用生态学报，（）：吕刚，刘红民，高英旭，等排土场边坡根系分布及其对土壤抗冲性的影响 土壤通报，（）：陈晏紫色土丘陵区土壤抗冲性及影响因素研究重庆：西南大学，（，；，）：（，：；北方园艺月月（上上）