林业科学  2004, Vol. 40 Issue (5): 50-55   PDF    
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赵忠, 李鹏, 薛文鹏, 郭生武.
Zhao Zhong, Li Peng, Xue Wenpeng, Guo Shengwu.
渭北主要造林树种细根生长及分布与土壤密度关系
Study on Relations of Growth and Vertical Distribution of Fine Root System of Main Planting Tree Species to Soil Density in the Weibei Loess Plateau
林业科学, 2004, 40(5): 50-55.
Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(5): 50-55.

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收稿日期:2004-02-09

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赵忠
李鹏
薛文鹏
郭生武

渭北主要造林树种细根生长及分布与土壤密度关系
赵忠 , 李鹏 , 薛文鹏 , 郭生武     
西北农林科技大学林学院 杨凌 712100
摘要: 采用野外样地调查和盆栽试验的方法,研究了土壤密度对渭北主要造林树种细根生长及分布特征的影响。结果表明,在0~100 cm的深度内,不论是阴坡还是阳坡,油松林地的土壤密度均表现出随土层的加深逐渐增大的趋势;刺槐林地的土壤密度大于油松林地,且各土层间的差异不大。油松林地各土层土壤密度与不同径级根系长度存在显著的负相关关系。盆栽基质密度对不同树种苗木根系的生长和发育的影响虽各异,但在基质密度和孔隙度适中的条件下均生长良好,生物量达到最大。盆栽基质的密度对刺槐和油松根系的生长和发育的影响最显著;侧柏和山杏的细根生长发育受土壤密度的影响较小,其根系生物量在不同密度的基质中没有明显变化。
关键词: 细根    土壤密度    主要造林树种    渭北黄土高原    
Study on Relations of Growth and Vertical Distribution of Fine Root System of Main Planting Tree Species to Soil Density in the Weibei Loess Plateau
Zhao Zhong, Li Peng, Xue Wenpeng, Guo Shengwu     
College of Forestry, Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry Yangling 712100
Abstract: In this study influence of woodland soil density on growth and distribution of fine root system of main planting tree species in the Weibei Loess Plateau was conducted by means of pot culture and field survey. Results indicated that in the woodland of Pinus tabulaeformis, soil bulk density increased with the depth on different sites; while in the woodland of Robinia pseudoacacia, soil bulk density was bigger than that in P. tabulaeformis, and there was no clear difference across the profile. Further analysis implied that there existed negative correlations between soil density and the length root of system with different diameter class in the woodland of P.tabulaeformis. Results from pot culture ind icated that although effects of medium density of pot culture on fine roots growth and development of seedlings were different for different tree species, all the seedlings could grow better under the conditions of medium with mid-level density and porosity, and had the maximum biomass. Medium density of pot culture had significant effects on the growth and development of P.tabulaeformis and R. pseudoacacia seedlings' roots, especially on that of P.tabulaeformis. But it had less effect on that of Platycladus orientalis and Prunus armeniaca var. ansu, whose fine root biomass changed little in different densities of medium.
Key words: Fine root    Soil bulk density    Main planting tree species    Weibei Loess Plateau    

土壤物理性质是影响林木生长发育的重要因素,是反映土壤肥力的重要指标。不同的土壤物理性状影响土壤水、气、热特征和土壤矿质养分的供应状况,进而影响植物的生长发育(李勇,1993)。近20年来,有关土壤物理特性对农作物生长影响的研究很多,其中有关土壤有效水含量、土壤密度和孔隙度作用的研究最为广泛和深入。土壤密度是土壤重要的物理性质之一,它不仅直接影响到土壤孔隙度与孔隙度大小分配、土壤的穿透阻力及土壤水肥气热变化,而且也间接影响植物生长及根系在土壤中的穿插和活力大小(李潮海等,2002)。王晨阳等(1992)的研究证实,当土壤含水量低于田间持水量60%时,植物根系数量明显减少,400 g·kg-1的田间持水量是干旱极限指标。对农作物生长而言,最佳的土壤密度值在1.1~1.3 Mg·m-3之间(姚贤良等1986);当土壤密度达1.8 Mg·m-3时,根系难以生长。李志洪等人(2000)的试验证明,土壤的毛管孔隙度与密度呈正相关,通气孔隙度与土壤密度呈负相关;低密度土壤上根系纵向分布均匀,数量多,根细而长,而高密度土壤上根系短而密度小。尽管国内外有关土壤物理特性对根系生长发育影响的研究取得了相当的成果和进展(李勇等,1993),但是总的来说,由于根系的生长及其发育主要发生在地下,目前我们对于根系的认识和理解还远不能满足生产和实践的需求,需要更多的研究和试验深入系统的揭示其作用过程和机理。

因此开展土壤密度对林木根系,特别是对细根生长影响的研究,对于深化黄土高原林木根系生态学研究,探讨根系生长及分布对土壤水分的影响,进而揭示黄土高原土壤干化的机理具有重要的科学意义。本研究在前人研究的基础上,采用野外调查和盆栽试验相结合的方法,研究土壤密度对渭北主要造林树种根系生长及分布的影响,为进一步揭示黄土地区人工林根系与环境条件之间的作用机制提供科学证据和理论基础。

1 研究方法与材料 1.1 调查地概况

调查地陕西省永寿县槐坪林场地处黄土高原残塬沟壑区,属暖温带大陆性季风气候。海拔1 100~1 492 m,年均气温10.8℃,年均降水量601.6 mm,主要集中于7~9月,无霜期171 d。林地土壤为黄土母质上发育的石灰性褐土。2001年5月上旬在不同坡向立地上的人工林中选设临时样地,采用土钻法对油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)根系的分布及土壤密度进行了取样调查。样地概况如表 1所示。

表 1 油松、刺槐根系调查样地概况 Tab.1 A survey of sample plots for root system investigation of P.tabulaeformis and R.pseudoacacia
1.2 取样方法

在每个样地内按照1/4样圆法进行取样(王文全,1994)。取根样时,以样木为中心分别在半径0.5 m和1.5 m的弧线上按等距确定3个取样点,用土钻ϕ=6.8 cm)分土层(10 cm)钻取土样,直至无根系出现。从各土层钻取的土样中拣出所有根系,编号后装入塑料袋带回实验室。

以各样木的扇形区作为取样区,在半径1.0 m的弧线中部确定一个取样点,在0~100 cm深度范围分土层(10 cm)用土钻(ϕ=9.0 cm)钻取土样,用环刀法(内径4.9 cm,高5.1 cm)测定各土层土壤密度。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),按ϕ < 0.5 mm,0.5 mm≤ϕ < 1 mm,1 mm≤ϕ < 3 mm和ϕ≥3 mm的标准分为4级,测定各径级的根系长度。并按公式(1)分别计算出样地中各土层中根系的分布特征值(m·m-3):

(1)

式中,R为土钻半径(0.034 m),h为土层厚度(0.1 m),m为根长(cm),nk分别为样木总数及样点总数。

根系形态指标测定完成之后,将根样置入85℃烘箱中烘干至恒重,分别称重,计算生物量。

1.3 盆栽材料

采用生黄土、珍珠岩和河沙混合物作盆栽基质(表 3)。生黄土采自校内基建工地深层挖掘土,风干后过2 mm筛;珍珠岩为建筑用保温材料,适当压碎后过3 mm筛;河沙取自渭河河道,剔除杂物,过3 mm筛。

选用渭北地区主要造林树种刺槐、油松、侧柏(Platycladus orientalis)和山杏(Prunus armeniaca var.ansu)的苗木作为盆栽对象。各树种供试苗木的详细情况如表 2所示。

表 2 盆栽试验苗木概况 Tab.2 General situation of potted seedlings in experiment
表 3 盆栽基质配方及密度测定结果 Tab.3 Medium formulation of pot culture and the determined density

通过调整生黄土、珍珠岩和河沙的比例,配置21种不同的盆栽基质,并对各配方样品的密度和土粒密度进行测定。样品密度采用环刀法测定,土粒密度采用定容称量法测定。

1.3.1 盆栽试验设计

根据对21种配方基质密度、土粒密度的测定结果,选择了其中4种配方配置盆栽基质(表 3)。2002年3月布置了刺槐、油松、侧柏和山杏的盆栽试验。每个供试树种均设置4种基质处理梯度,每个处理设5盆重复,每盆栽1株苗木。整个试验期间,保证苗木的水分供应。

1.3.2 试验指标的测定

试验结束的1星期前,停止给苗木供水。然后将苗木沿根部齐根剪下,将地上部分全部装入大纸袋内,风干,称重,计算地上部分生物量。用环刀取样,对各处理盆栽基质的密度、土粒密度进行测定(表 3)。翻盆捡出所有根系。将所获根系用清水冲洗干净,沿一侧根剪下一定重量(10 g)的根,然后测定根系长度和根系表面积。之后,用烘干称重法测定各盆栽苗木的根系生物量。

2 结果与分析 2.1 油松、刺槐细根垂直分布特征

土壤质量含水量的测定数据表明(表 4),在近地表 0~100 cm的土层中,油松、刺槐林地土壤的质量含水量一般在120 g·kg-1以上,没有出现土壤干化的现象,在阴坡立地上的土壤水分状况要比阳坡立地上的更好一些,这与已有的研究成果是一致的(王力等,2001)。刺槐林地的土壤状况要更好一些,不同立地上的土壤质量含水量均高于160g·kg-1,明显好于油松林地。这种现象出现的原因可能与林地树木的生长状况(生理生态特征)、地表植被的覆盖特征以及林地地表的蒸发散有关,其具体的原因有待于进一步的试验验证。

表 4 油松、刺槐林地土壤质量含水量测定结果 Tab.4 Data of moisture content of woodland soil of P.tabulaeformis and R.pseudoacacia plantations

根长的测定结果表明(表 5),在阴坡立地上不论距树干0.5 m处,还是1.5 m处,油松和刺槐的细根(ϕ < 1 mm)长度都表现出随着土层深度增加而减小的趋势,且距离树干1.5 m处的根系长度大于0.5 m处的根系长度。两个树种在相同土层中的根系长度相近,刺槐的略大一些。说明在阴坡立地水分相对较充足的条件下(表 4),油松和刺槐的根系都具有较好的生长潜势,并没有很明显的差异。而在阳坡立地上,在距树干不同距离处,各土层中油松和刺槐的根系长度都比阴坡立地上的小;在同一土层深度,刺槐的根长特征值都要比油松的高。这一分布特征表明,在阳坡立地上,刺槐根系的分布空间和根系的有效吸收空间要比油松的大,具有更大的水分吸收空间,因而在干旱和半干旱地区具有更强的适应能力。

表 5 不同立地油松、刺槐细根(ϕ < 1 mm)长度垂直分布特征 Tab.5 Vertical fine root (ϕ < 1 mm) length distribution of P.tabulaeformis and R.pseudoacacia on different sites

另外,根据两个树种根系生物量的测定结果可以看出(表 6),在阴坡立地上,距树干0.5 m处和1.5 m处油松和刺槐的细根生物量都表现出随着土层深度的增加而减小的趋势,同一深度土层中油松的细根生物量比刺槐的要略大一些,结合其根系长度的分布特征,这一现象说明油松细根的径级要比刺槐的大,这与根系的木质化程度以及根系生长的立地条件有关。而在阳坡立地上,无论是油松还是刺槐,细根的生物量总体上要比阴坡上的细根生物量小。其中油松细根生物量集中分布在0~50 cm的土层,而刺槐的细根生物量即使在较深的土层中(可达90 cm)也有较多分布,并且分布相对均匀。这一结果除了与因坡向不同造成的土壤水分条件差异有关外,还与两个树种根系抗旱性方面的差异密切相关(赵忠等,2002)。

表 6 不同立地油松、刺槐细根(ϕ < 1 mm)生物量垂直分布特征 Tab.6 Vertical distribution of fine root (ϕ < 1 mm) biomass for P.tabulaeformis and R.pseudoacacia on different sites
2.2 油松、刺槐对林地土壤密度的影响

表 7可见,油松和刺槐林地垂直剖面上的土壤密度具有不同的变化规律。油松林不同立地的土壤密度随土层的加深逐渐增大;而刺槐林地的土壤密度从表层到较深层一直保持较高。与刺槐林土壤密度相比,油松林地同一土层的土壤密度要小,特别是在油松细根集中分布土层的土壤密度更是如此。进一步分析结果表明,油松根系对林地表层土壤(0~30 cm)物理性质的改良作用在阴坡立地上表现得更显著。可以看出,与刺槐林地相比,油松林地的土壤物理性质得到了明显改善,增强了土壤的抗旱、保墒能力。这种改善作用与林木根系之间到底存在何种内在关系,以及这种关系的作用机制仍需耍进一步的深入研究。

表 7 油松、刺槐林地土壤密度测定结果 Tab.7 Soil density of forest land in P.tabulaeformis and R.pseudoacacia plantations
2.3 油松、刺槐细根分布特征与土壤密度的关系

为了进一步验证根系生长与土壤密度之间的关系,对土壤密度与刺槐及根系的相关性进行了初步分析。结果表明在油松林中,不同立地上土壤密度与不同径级细根长度之间具有显著的负相关关系(表 8),说明土壤密度越大,油松细根分布越少;而在刺槐林地上,土壤密度和根系分布之间并不存在稳定的相关关系(表 9),说明土壤密度对刺槐根系生长没有明显的限制作用,这也从另外一个角度揭示了油松、刺槐在根系垂直分布方面差异的原因。

表 8 油松细根分布特征值与土壤密度的关系(距树干1.5 m处) Tab.8 The relationship between fine root distribution of P.tabulaeformis and soil density
表 9 刺槐细根分布特征值与土壤密度的关系(距树干1.5 m处) Tab.9 The relationship between fine root distribution of R.pseudoacacia and soil density
2.4 盆栽基质对苗木根系生长的影响

盆栽试验的结果表明(图 1),不同盆栽基质密度对各树种苗木根系的影响不同。所有苗木根系在2号配方基质(密度为1.32 Mg·m-3)中生长最好,其细根长度和表面积具有最大值。基质密度对不同苗木的影响程度不同,其中过于疏松和紧实的盆栽基质均不利于刺槐和油松根系的生长和发育,对油松根系生长的影响程度要稍大一些,这与2.3中的研究结果是一致的;盆栽基质对侧柏和刺槐根系的影响较小,两个树种苗木的根系长度在不同密度的基质中没有明显的变化。

图 1 盆栽基质密度对刺槐、油松、侧柏和山杏根系生长发育的影响  图 2  盆栽基质密度对刺槐、油松、侧柏和山杏根系及地上部分生物量的影响 Fig. 1 Influence of medium density of pot culture on root development of 4 tree species  Fig. 2  Influence of medium density of pot culture on biomass of root and shoot for 4 tree species

另外,从图 2可以看出各个树种的细根生物量和地上部分生物量在不同的盆栽基质密度条件下表现出了明显的差异。高密度(1.63 Mg·m-3)、低孔隙度和高孔隙度、低密度(1.15 Mg·m-3)的盆栽基质环境对根系和地上部分的生长具有显著的负面影响;适宜的土壤密度(1.32 Mg·m-3)和孔隙度促进了苗木根系和地上部分的生长。

3 结论

通过对林木细根分布特征的调查研究和细根生长与土壤密度关系模拟试验的分析,可以得到以下结论:

立地条件对刺槐、油松根系垂直分布特征有显著影响。其中阴坡水分相对充足,对油松和刺槐的细根垂直分布没有很明显的差异。而在阳坡立地上,不同林地的土壤水分有差异,油松细根长度随土层深度增加而减小,细根生物量的绝大部分都集中分布在0~50 cm的土壤表层;而刺槐的细根根长度则随土层的深度增加而减小的趋势较为缓慢,其细根在较深的土层中较多且相对均匀。

在不同立地上,油松林土壤密度均随土层深度增加而增大;而在刺槐林地上,土壤密度从表层到较深土层一直保持着较高的值。在0~100 cm的深度范围内,刺槐林地各土层的土壤密度均较油松林地的大,特别是在50 cm以上土层。

土壤密度对油松和刺槐根系分布特征的影响不同。不同立地上的油松林中,各土层土壤密度与不同径级根系长度特征值之间呈现出显著的负相关关系;而刺槐林土壤密度和根系分布之间的关系并没有明显的相关关系,说明土壤密度对刺槐的影响程度相对较小。

盆栽基质的密度对不同树种苗木根系的生长和发育影响各异。密度条件对刺槐和油松根系的生长和发育均有显著影响,对油松的影响程度要稍大些;基质密度对侧柏和油松根系的生长发育没有明显的影响。

参考文献(References)
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