林业科学  2007, Vol. 43 Issue (5): 24-29   PDF    
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董慧霞, 李贤伟, 张健, 范冰, 范川.
Dong Huixia, Li Xianwei, Zhang Jian, Fan Bing, Fan Chuan.
退耕地三倍体毛白杨林地细根生物量及其与土壤水稳性团聚体的关系
Biomass of Fine Root and Its Relationship with Water-Stable Aggregate in Compound Lands of Triploid Populus tomentosa on Lands Converted from Agricultural Lands
林业科学, 2007, 43(5): 24-29.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(5): 24-29.

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收稿日期:2006-04-28

作者相关文章

董慧霞
李贤伟
张健
范冰
范川

退耕地三倍体毛白杨林地细根生物量及其与土壤水稳性团聚体的关系
董慧霞1,2, 李贤伟1, 张健1, 范冰1,3, 范川1     
1. 四川农业大学生态林业工程省级重点实验室 雅安 625014;
2. 河南师范大学生命科学学院 新乡 453007;
3. 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016
摘要: 以未退耕的陡坡耕地作对比,对退耕还林(草)4年后2种草本层模式的三倍体毛白杨林地进行≤1 mm细根生物量及土壤水稳性团聚体(WSA)含量的研究。结果表明:2种林地的林木细根生物量均为上层>中层>下层,比值均约为50:30:20,黑麦草林地林木细根年平均生物量约为自然草林地的2倍;但就总细根量来说,自然单根系大于黑麦草根系,是黑麦草的4.4倍;林地的水稳性团聚体含量和未退耕地在总量上差别不大,但林地上层和中层大粒级的水稳性团聚体含量明显高于未退耕地;相关性分析结果表明,≤1 mm细根能提高大粒级及水稳性团聚体含量及水稳性团聚体总量。
关键词:细根    草根    生物量    水稳性团聚体    
Biomass of Fine Root and Its Relationship with Water-Stable Aggregate in Compound Lands of Triploid Populus tomentosa on Lands Converted from Agricultural Lands
Dong Huixia1,2, Li Xianwei1, Zhang Jian1, Fan Bing1,3, Fan Chuan1     
1. State Key Laboratory of Ecological Forestry Engineering, Sichuan Agricultural University Ya'an 625014;
2. College of Life Sciences, Henan Normal University Xinxiang 453007;
3. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences Shenyang 110016
Abstract: Taking unconverted steep slope farmland as control site, a study on biomass of fine root and its relationship with water-stable aggregate in two herbaceous modes of four years triploid Populus tomentosa lands converted from agricultural lands were conducted. Results showed that the biomass of fine root(≤1 mm)in different layers are different as following descending sequence: upper layer, middle layer, lower layer, and at an approximately ratio as 50:30:20. Average biomass every year of fine roots in ryegrass were two times more than that of natural grass-forest compound lands; Total amount of natural grass root was 4.4 times than that of ryegrass mode. Water-stable aggregate of upper layer, middle layer, lower layer and unconverted lands represented no significant differences, whereas water-stable aggregate of big-particle in upper and middle layer were much higher than that of unconverted lands, water-stable aggregate of natural grass-forest lands were higher than that of managed grass-forest lands. Two-way analysis of variance indicated that fine root (≤1 mm) can enhance water-stable aggregate and total water-stable aggregate significantly. Consequently, project converting agricultural lands to forest-grass lands were effective on improving anti-erosion capability.
Key words: fine root    grass root    biomass    water-stable aggregate    

土壤抗蚀性是评价土壤抵抗侵蚀能力的重要参数之一,与土壤内在的理化性质密切相关。水稳性团聚体含量是评价土壤抗蚀性的最佳指标(安和平,2000)。直径≤1 mm细根的活细胞提供分泌物,死细胞提供有机质作为土壤团粒的胶结剂,由于根系的穿插、挤压和缠绕,土壤中的大粒级水稳性团聚体增加,提高了土壤的抗侵蚀能力(李勇等,1998刘定辉等,2003)。以典型的退耕地为对象,研究退耕还林(草)初期水稳性团聚体变化、根系的分布、动态变化规律以及它们之间的关系,对于揭示不同的林草组合模式的生态和水土保持功能有着重要的作用。

1 研究区概况

研究区位于四川盆地西缘天全县河源乡四川农业大学退耕还林(草)科技试验示范研究站(102°48′ E,30°01′ N),海拔700~800 m,坡度26 °,坡向东南,土壤类型为红紫泥,土层厚30~50 cm。属亚热带湿润气候区,年降雨量1 735.6 mm,年蒸发量922.6 mm;年均气温15.1 ℃,1月平均气温5.1 ℃,7月平均气温24.1 ℃。夏秋季有大风、冰雹,暴雨季节常出现洪涝、泥石流等自然灾害,是长江上游生态屏障建设的重要区域。

2 研究方法

2000年4月退耕后,5月完成三倍体毛白杨(Populus tomentosa)造林工作,栽植密度3 m × 3 m,9月上旬在新造林地上建植多花黑麦草(Lolium multiflorum),播种量为40 kg · hm-2,相邻的另一部分林地不实施人工种草,任其自然长草。采样前,三倍体毛白杨+黑麦草复合模式毛白杨平均树高6.1 m,胸径6.0 cm,郁闭度0.6,黑麦草高0.2 m,盖度100%;一般是随机收割黑麦草,并且在过冬前的11月份进行少量的施肥,全年不进行灌溉。三倍体毛白杨+自然草(自然生长的草,下同)模式中毛白杨平均树高5.5 m,胸径5. 0 cm,郁闭度0.5,林下自然条件下生长的草本层,以茅草类植物如白茅(Imperata cylindrica)、野青茅(Deyeuxia beauv)和蕨类植物如中华鳞盖蕨(Microlepia strigosa)为主,平均高0.4 m,盖度100%。另外,在试验地附近,选择与退耕林地立地条件相同的陡坡耕地作为对照,四季种植玉米、水稻、油菜等多种农作物。

在试验区2种不同模式的林地内分别建立样地(20 m × 20 m)5个。林草根量的测定采用土柱法,采样时间为2004年1—12月,每月在样地中选毛白杨平均木3株,以平均木树干为圆心,在距树体50、100、150 cm处,分别挖取土柱(10 cm × 10 cm × 30 cm)3~5个(辐射状分布),并分为上(0~10 cm)、中(10~20 cm)、下(20~30 cm)3层,装袋,带回实验室,用流动水浸泡、漂洗、过筛,分拣出林木细根与草根根系。然后根据细根的外形、色泽、弹性及皮层与中柱剥离难易程度区分出死细根和活细根。将所有根置于80 ℃烘箱中烘干至恒重后称量,计算出细根和草根每层每公顷根系的生物量。

分别在上述每个样地及临近的对照地(未退耕地)内按“S"形布点,分层取样(上层:0~10 cm;中层:10~20 cm;下层:20~30 cm),多点混合,每层采样3个供室内分析。采样时间根据预备试验(研究方法与此相同)结果来确定,分别在细根生物量的高峰和低谷的1、5、7、9、12月采集(其中,5和9月为高峰值出现期,其余为低谷时期)。每次采样后运回室内,剔去粗根和小石块。土样摊平在透气通分处自然风干。采用干湿筛法测定水稳性团聚体含量。其增加量的计算公式为A = (B-C) × 100/C。式中A为水稳性团聚体增加量(%);B为林地团聚体含量(%);C为未退耕地团聚体含量(%)。试验结果用Excel、SPSS 11.5软件进行分析和处理。

3 结果与分析 3.1 2种模式林地内林木细根生物量的垂直分布及月变化

图 1可以看出,土壤上层林木细根生物量的积累均呈双峰型,峰值出现在5和9月,黑麦草林地峰值分别为0.252 1和0.282 1 t·hm-2,自然草林地分别为0.103 2和0.174 0 t· hm-2。中层林木细根生物量积累均呈单峰型,在黑麦草林地,峰值出现在6月,其值为0.202 1 t·hm-2。自然草林地9月达到峰值,林木细根生物量为0.081 0 t·hm-2

图 1 林木细根总生物量的垂直分布及月变化 Fig. 1 Monthly changes and vertical distributions of the biomass of the fine tree root(≤1 mm)

在下层,黑麦草林地林木细根生物量曲线变化缓和,呈单峰型,峰值出现在6月;而自然草林地下层林木细根生物量全年差异不大,在0.018 7~0.047 2 t·hm-2之间。总的来说,黑麦草林地中林木细根生物量在上、中、下3层均高于自然草林地,且变化趋势也均比自然草林地明显。黑麦草与自然草林地林木细根年平均生物量分别为0.359 0和0.189 1 t·hm-2,比值约为2:1,且上、中、下3层之比约为50:30:20,这与前人的研究结果相似(张小全等,2000)。

造成上述结果的原因是林木细根对环境因子有较强的依赖性,水分、养分及温度的差异均影响细根的生长。在垂直分布上,由于上层较中下层环境因子的变化较大,林木细根生物量变化幅度也较大,中层和下层的变化不如上层明显。另外,黑麦草林地由于人为干扰(如施肥等),养分较自然草林地充足,故而各层的林木细根生物量也相对较大。证实了林木细根是根系中生长和活性最旺盛的部分,其生物量的积累受环境条件的影响最强烈这一结论(张小全,2001)。

3.2 2种模式林地内草根生物量的垂直分布及月变化

图 2可以看出,黑麦草根系在林地内只在上层和中层分布。上层草根生物量变化呈双峰型,约占总生物量的84.6%。在温湿条件较好的5月和9月达到高峰,峰值分别为0.138 3和0.118 9 t·hm-2,8月为低谷,其值为0.097 7 t·hm-2。而中层基本上呈平缓的单峰型变化。

图 2 草根生物量的垂直分布及月变化 Fig. 2 Monthly change and vertical distribution of the biomass of grass root

而在自然草林地内,草根3层均有分布,但也主要分布于上层。上层草根生物量占草根全部的69. 7%,而中层和下层差别不大,分别占16.5%和13.7%。上层的峰值也出现在5和9月,和黑麦草的相同,但草根生物量值比黑麦草要大得多,分别为0.546 9和0.519 2 t·hm-2;在中层,除7月草根生物量较高外,其余几乎和下层相当,且变化不大,明显低于上层。由此可见,自然草根系生物量远比黑麦草根系大。在上层,自然草全年平均生物量为0.371 7 t·hm-2,而黑麦草为0.101 9 t·hm-2,则自然草根系为黑麦草根系的3倍以上;在中层,自然草全年平均生物量为0.088 0 t·hm-2,黑麦草为0.018 5 t·hm-2,则自然草根系几乎为黑麦草根系的5倍。下层自然草全年平均生物量为0.073 1 t·hm-2,而黑麦草为0。总体而言,自然草根系全年平均生物量为0.532 8 t·hm-2,黑麦草为0.120 4 t·hm-2,自然草根系是黑麦草的4.4倍。

3.3 2种模式林地内≤1 mm细根总生物量的垂直分布及月变化

图 3可知,黑麦草林地上层的总细根生物量平均为0.280 9 t·hm-2,其中细根占64%;中层生物量平均为0.136 3 t·hm-2,其中细根占86%;下层生物量平均为0.061 5,全部为细根。自然草林地上层的总细根平均生物量上、中、下3层分别为0.472 8、0.141 7和0.106 9 t·hm-2,3层中细根均占30%~40%。2种模式林地3层生物量之比均约为60:25:15。

图 3 细根总生物量的垂直分布及月变化 Fig. 3 Monthly changes and vertical distribution of all fine root biomass

在上层,由于草根和林木细根生物量的变化趋势基本一致,所以黑麦草林地总细根总生物量也呈双峰型,并且峰值也是在5和9月,只是在量上的增加。随着土层的增加,由于草根的急剧减少甚至在下层没有分布,使得根系总生物量在变化趋势和数值上都和细根的相当。而自然草林地上、中、下3层的草根生物量均远比细根的大,所以3层根系总生物量的变化趋势与草根的相似。

3.4 2种模式林地与未退耕地的水稳性团聚体含量

表 1知,退耕还林(草)4年后,不管是人工种植的黑麦草林内,还是自然生长的草本层林内,水稳性团聚体含量在总量上均和未退耕陡坡耕地之间无显著差异(P>0.05)。在2种模式林地内水稳性团聚体含量都表现为上层>中层>下层,在未退耕地3层均呈无规律变化。这与林木细根和草根主要分布于土壤上层(60%)和中层(25%)有关。

表 1 2种草本层林地与未退耕地水稳性团聚体含量比较 Tab.1 Water-stable aggregates of the three vegetation types

水稳性团粒含量相同时,团粒结构的颗粒越大,其抗蚀性越强。从表 1可以看出,退耕还林(草)4年后,尽管2种林地水稳性团聚体在总量上差别不大,甚至低于未退耕地。但有林地土壤的上层和中层的大粒级水稳性团聚体含量比未退耕地明显高。在1、5、7、9、12月,>5 mm的上层水稳性团聚体含量为黑麦草林地比未退耕地高6.5%~49.65%,自然草林地比其高34.6 1%~95.44%。在中层,黑麦草林地比未退耕地高22.64%~149.42%,自然草林地比其高49.42%~156.91%。在下层,黑麦草林地比未退耕地高0.72%~87.45%,自然草林地比其高18.4%~91.47%。

研究表明,细根生产和周转迅速,其生物量的周转速率大约是枯枝落叶的2.2~5.0倍,通过细根周转(地下凋落量)进入土壤的有机质一般是地上凋落量的1至数倍(张小全等,2000)。细根在林地地力维持方面所起的作用可能超过枯枝落叶(Harris et al., 1977Grier et al., 1981Aber et al., 1985Vogt et al., 1986McClaugherty et al., 1984)。自然草林内,由于生长大量茅草,长势较黑麦草旺盛,其根系量比黑麦草大得多,并且林地草本层由于没有被收获而自然枯死,使得地下和地上部分进入土壤的有机、无机养分均比人工种植的黑麦草要多,从而能更好地改善土壤结构。此外,在黑麦草林地内,由于1年生黑麦草连年枯死、重播,需要不断地翻动土壤,破坏了根系和土壤本已相对稳定的内部环境。使得部分大粒级水稳性团聚体在形成过程中因人为干扰而停止。

3.5 2种模式林地内细根、草根和水稳性团聚体的相关性分析

表 2可知,≤1 mm的活细根、死细根及细根总量与土壤中>5 mm,3~5 mm以及水稳性团聚体总量之间呈极显著或显著的正相关,而与1~2 mm水稳性团聚体呈显著的负相关。说明≤1 mm的活细根和死细根均能显著增加土壤中大粒级水稳性团聚体,同时减少1~2 mm的较小粒级的团聚体含量。但死细根增加大粒级、减少小粒级水稳性团聚体含量的作用比活细根小。

表 2 ≤1 mm细根、草根和水稳性团聚体间的相关性 Tab.2 Correlations between WSA and fine /grass root (≤ 1 mm)

草根和不同粒级水稳性团聚体之间的相关性与细根相同。<1 mm的根系与>5 mm,3~5 mm,1~2 mm的团聚体之间呈极显著相关,相关系数分别为0.723,0.552与-0.512,草根的作用不可忽视。可见,以未退耕地作对照,在水稳性团聚体总量保持不变的情况下,总细根可以增加土壤中大粒级水稳性团聚体含量,同时减少土壤中小粒级水稳性团聚体含量。

4 结论与讨论

1) 2种模式林地内,林木细根生物量(包括生、死细根)分布表现为上层>中层>下层,但黑麦草林地的林木细根生物量较自然草林地高,约为自然草林地的2倍。林木细根3层生物量之比均约为50:30:20,黑麦草林地的草根仅分布于上层和中层,自然草林地则3层均有分布,而2种模式下草根根系主要还是分布于上层,且自然草根系生物量比黑麦草根系的大得多,比值为4.4:1。在黑麦草林地,由于连年的收割、施肥及翻耕,草根生物量累积相对较少,林木细根生物量增加;但是,在这种林草复合模式中草根和林木细根在地下部分不单纯是一个积累过程(李贤伟等,2005),实际的情况是一边生长,一边死亡,因此,其地下的枯落物为三倍体毛白杨生长提供了有效的养分;在自然草林地,人为扰动很小,草的自然死亡为其新生草的生长提供了丰富的地上和地下枯落物,且主要聚集在土壤上层,草根在这一层次因此而密集。

2) 退耕还林(草)4年后,林地与未退耕陡坡耕地的水稳性团聚体含量在总量上差别不大,但林地上层和中层大粒级水稳性团聚体含量明显比未退耕地高,且自然草林地高于人工草林地,自然草林地改良土壤、增强土壤抗蚀性的功效优先表现出来。大粒级水稳性团聚体含量与土壤有机质的多少有关,与大团聚体相关联的有机碳比微团聚体中的有机碳更易矿化,大团聚体中的有机碳比较年轻,且大团聚体中的有机碳比微团聚体中多(赵世伟等,2006),一方面,使林地比未退耕陡坡耕地具有更多的有效性或易分解的有机质,从而为植物生长提供更多有效养分;但另一方面,正如Elliott等(1991)所指出的,与微团聚体相关联的有机碳就会转移到大团聚体中,但大团聚体中有机碳不稳定,直接参与了植被、大气和土壤之间的碳循环。

3) 在退耕还林工程中营建林草复合模式初期,就提高土壤中>5 mm及3~5 mm的大粒级水稳性团聚体含量及减少1~2 mm的小粒级水稳性团聚体含量而言,≤1 mm根系的作用显著,这与吴彦等(19 97)、刘定辉等(2003)的研究结果相符,草根的作用不可忽视。程洪等(2006)认为草本植物根系密度大,须根多,单位须根密度的剪切强度增加值是树木根系的2~3倍,并将其总结为“加筋作用”。≤1 mm根系通过分泌和死亡等一系列过程,向土壤提供了更多的胶结物质,从而增强地表根系网结程度,活化土壤有机结构,促使根土界面这个多孔介质内的物质流、能量流和信息流形成良性循环。

4) 在三倍体毛白杨幼林地人工种草或自然生长草,都会增强林地的土壤抗蚀性,提高水土保持功能,这可能与林草复合模式经营管理中施用肥料,增加了水稳性团聚体,特别是大粒级水稳性团聚体含量有关(Whalen et al., 2003),今后应注重研究施肥(有机、无机肥及其量)对林木细根和土壤水稳性团聚体的影响,土壤微生物量C、N、土壤酶、土壤微生物、菌根等与水稳性团聚体间的关系。目前,国外对这方面的研究主要涉及到农作物(Six et al., 2002Martin, 2002Sainju et al., 2003Wright et al., 2004),国内在这方面也已经向植被恢复方向延伸(王国梁等,2002彭新华等,2003宁丽丹,2005杨建国等,2006)。

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