黨曉宏,高永,汪季?,羅鳳敏,高君亮,劉陽(yáng)
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,010019,呼和浩特;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,015200,內(nèi)蒙古磴口)
砒砂巖溝坡沙棘根系分布特征及其對(duì)林下土壤的改良作用
黨曉宏1,高永1,汪季1?,羅鳳敏1,高君亮2,劉陽(yáng)1
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,010019,呼和浩特;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,015200,內(nèi)蒙古磴口)
沙棘是砒砂巖地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒樹(shù)種,沙棘根系形態(tài)不但影響植物本身的生長(zhǎng),還影響其保土效果及改土效果。采用根系追蹤法,研究砒砂巖地區(qū)同一坡面不同坡位、不同林齡沙棘根系的分布形態(tài),測(cè)定沙棘林下土壤的理化性質(zhì),以裸坡地作為對(duì)照,分析沙棘林對(duì)土壤的改良作用。結(jié)果表明:1)砒砂巖溝坡沙棘根系在垂直方向上集中分布在0~40 cm深的土壤中,在水平方向分布可達(dá)137 cm。2)沙棘一級(jí)側(cè)根的數(shù)量與小環(huán)境有密切關(guān)系,土壤水分條件越好,側(cè)根數(shù)量越多,根長(zhǎng)越短;沙棘根系的徑粗與埋深呈反比,并且與距植株中心距離也呈反比。3)人工沙棘林在砒砂巖溝坡上,其根系分布表現(xiàn)為坡頂根系由于土層薄受到砒砂巖的限制,水平分布較發(fā)達(dá),在坡底由于土壤厚度及肥力的充足,沙棘在垂直分布上明顯深于坡頂。4)種植沙棘可增加土壤含水量和土壤孔隙度,同時(shí)還可以提高土壤中的速效N、P、K及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量。
砒砂巖;沙棘;根系;分布形態(tài);土壤改良
地處晉陜蒙三省區(qū)交界處的鄂爾多斯地區(qū)屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),土地總面積7 692 km2,其中水土流失面積 7 114 km2,占總土地面積的92.5%。該區(qū)境內(nèi)溝壑縱橫,植被稀疏,土體抗蝕性極差,被稱為“世界水土流失之最”的砒砂巖裸露區(qū),水土流失更加強(qiáng)烈,大面積的丘陵溝壑分布著裸露的砒砂巖[1]。多年來(lái),這一地區(qū)通過(guò)在溝谷中大力種植沙棘(Hippophae rhamnoidesL.),有效控制了溝谷的溯源、下切和拓寬侵蝕,沙棘種植區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了初步改善[2-3]。沙棘根系的空間垂直分布規(guī)律,直接影響其對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)和水分的吸收,進(jìn)而影響到沙棘地上部分的生長(zhǎng),特別是其改良土壤、固持土體等生態(tài)功能的發(fā)揮,是構(gòu)建穩(wěn)定沙棘群落的基礎(chǔ);同時(shí),沙棘根系的空間分布特征除受沙棘本身遺傳特性的影響外,還在很大程度上受立地條件的影響:因此,研究沙棘根系結(jié)構(gòu)及其影響因素,對(duì)砒砂巖地區(qū)植被恢復(fù)、生態(tài)穩(wěn)定具有重要意義[4]?;诖耍P者對(duì)鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)典型砒砂巖溝道坡面上生長(zhǎng)的沙棘根系形態(tài)以及其對(duì)林下土壤的改良作用作初步研究,以期為沙棘林改善當(dāng)?shù)嘏皫r生態(tài)環(huán)境提供理論基礎(chǔ)。
研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部,鄂爾多斯高原東端,蒙晉陜3省交界處的準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)。該區(qū)為典型的砒砂巖地貌,屬大陸性干旱半干旱氣候,年平均氣溫7.3℃,≥10℃積溫3 400℃,太陽(yáng)總輻射量599 kJ/(cm2·a),年蒸發(fā)量2 100~3 700 mm,年降水量251.1~522.2 mm,且多以暴雨形式出現(xiàn),主要集中在7—8月份,平均風(fēng)速12.3 m/s,春季干旱,冬季寒冷,無(wú)霜期僅140 d。研究區(qū)地貌多為切割很深的砒砂巖溝谷,間有蓋沙黃土和黃土出現(xiàn)。砒砂巖層由灰白、灰綠、紫紅、磚紅、黃褐色等不同顏色的砂粒構(gòu)成,層狀結(jié)構(gòu),組織松散,厚度在100~300 m之間,粗沙(粒徑≥0.05 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約80%;有黃土覆蓋層的砒砂巖區(qū)黃土厚度多不足50 cm,平均厚度10 cm左右。
選擇典型的砒砂巖溝道坡面上人工栽種密度為3行1帶、行距為2 m、株距1 m、帶寬為6 m的1~4年生沙棘為研究對(duì)象,按照不同坡位設(shè)置了36個(gè)樣地(表1),在每個(gè)樣地內(nèi)采用“根系追蹤法”調(diào)查每株標(biāo)準(zhǔn)木的根系。
1)在砒砂巖溝坡的坡頂、坡中、坡底分別選取1~4年生的標(biāo)準(zhǔn)木,將選取的標(biāo)準(zhǔn)木從基部伐倒,然后采用根系追蹤法,量取沙棘根系的水平根長(zhǎng)以及垂直分布深度,并從地表開(kāi)始每10 cm為一層,將根系掘出土壤,按層次分別裝入密封袋并標(biāo)記[5]。
2)為了準(zhǔn)確地研究沙棘對(duì)土壤(坡頂土壤僅為30 cm厚)的改良作用,因此在砒砂巖溝坡的坡頂、坡中、坡底所選取的標(biāo)準(zhǔn)木林下挖30 cm的土壤剖面,每10 cm為1層,采用環(huán)刀法取土,分層次裝入鋁盒,每組3個(gè)重復(fù),同時(shí)以裸露坡面相應(yīng)的坡位取的土樣作為對(duì)照。
3)根系徑級(jí)的測(cè)定。在試驗(yàn)場(chǎng)把采集回來(lái)的沙棘根上所附著的泥土沖洗干凈后用精度為10 μm電子游標(biāo)卡尺測(cè)量根系的直徑。
4)根系生物量的測(cè)定。將根系置入75℃的烘箱中烘至恒質(zhì)量后用精度為1 mg電子天平稱量。
5)土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。在土壤實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了所取土樣的含水率、孔隙度、電導(dǎo)率、pH值等物理性質(zhì),有機(jī)質(zhì)、速效N、速效P、速效K等化學(xué)性質(zhì)。
土壤含水率采用烘干法測(cè)定,孔隙度采用比重法測(cè)定,pH值采用2.5∶1水土比-酸度計(jì)法,含鹽量采用5∶1水土比-質(zhì)量法,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定,堿解氮質(zhì)量含量采用堿解擴(kuò)散法,速效鉀質(zhì)量含量用乙酸銨浸提火焰光度法測(cè)定。
實(shí)驗(yàn)選取了1典型坡度為15°,坡長(zhǎng)為275 m的砒砂巖溝坡。據(jù)測(cè)定,坡頂土壤的厚度只有20 cm,在坡中土壤層厚度為40 cm,而在坡底聚集著多年坡面侵蝕下來(lái)的營(yíng)養(yǎng)土使得土層厚度達(dá)到60 cm。調(diào)查不同坡位1~4年生沙棘根系分布情況,在每個(gè)立地條件下選擇3株標(biāo)準(zhǔn)木,共調(diào)查36株,在調(diào)查根系時(shí),遇到有萌蘗根交叉時(shí),根據(jù)最長(zhǎng)根徑粗來(lái)劃分萌蘗根是否歸屬于該根系,其中徑粗>3 mm的根系為一級(jí)側(cè)根。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用加權(quán)平均法處理,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 沙棘根系分布分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of root distribution of Hippophae rhamnoides L.
分析表1可知:1)3個(gè)不同坡位同一樹(shù)齡沙棘主根長(zhǎng)比較發(fā)現(xiàn),坡頂沙棘根系較其他2個(gè)坡位發(fā)達(dá),最長(zhǎng)主根250 cm;同一坡位不同林齡沙棘主根長(zhǎng)隨著樹(shù)齡增加而呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2)3個(gè)坡位沙棘一級(jí)側(cè)根數(shù)量比較發(fā)現(xiàn),坡底沙棘一級(jí)側(cè)根數(shù)量最多達(dá)16條,而同一坡位不同樹(shù)齡沙棘根系一級(jí)側(cè)根數(shù)量雖是隨著樹(shù)齡的增加而增長(zhǎng),但是這種增加的差異性不顯著。3)3個(gè)不同坡位條件下,沙棘根系水平分布比較發(fā)現(xiàn),在坡頂由于土壤層厚度的限制,沙棘根系為了滿足自身養(yǎng)分需求只能水平延伸,其分布最長(zhǎng)為137 cm。坡中由于土壤厚度為40 cm,加之土壤發(fā)育較差,沙棘根系水平分布較差。而在坡底土壤厚度達(dá)到60 cm,加之經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期坡面侵蝕,坡底土壤養(yǎng)分、水分條件好,所以沙棘根系水平分布最差;在同一坡位沙棘根系水平分布隨著樹(shù)齡增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。4)從沙棘根系垂直分布來(lái)看,根系主要分布在0~40 cm土層中,在土壤層最薄的坡頂,沙棘根系受到砒砂巖的限制,分布較淺呈淺根型分布,相反而土壤層厚的坡底沙棘根系分布的深。
由圖1可以看出:1、2年生沙棘根系生物量的年增長(zhǎng)量較小,沙棘根系從第3年開(kāi)始增長(zhǎng)速度加快。其中沙棘根系最大的年增長(zhǎng)量可達(dá)到21.26 g,最小的只有7.59 g。相同立地條件下,沙棘根系生物量隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)而增加。3個(gè)不同立地條件下沙棘根系生物量對(duì)比,坡底沙棘的根系生物量最高,其次是坡中,再次是坡頂。產(chǎn)生這種差異的主要原因是:降水沖刷坡面,表層富含大量養(yǎng)分的土壤流失,坡中截留一小部分,大部分則淤積在坡底,導(dǎo)致坡底土壤肥力增高,同時(shí)坡底比較容易聚集更多的降水,土壤含水率較高,坡底含水率最高可達(dá)到15.18%,林下的草本植物長(zhǎng)勢(shì)較好,也能固持一定數(shù)量的降水;所以坡底沙棘長(zhǎng)勢(shì)較好,生物量也較高,由于土壤層厚度、養(yǎng)分、水分及林下植被的差異,導(dǎo)致坡中沙棘的根系生物量次之,坡頂沙棘的根系生物量最低。
圖1 不同坡位沙棘根系生物量隨樹(shù)齡的變化Fig.1 Changes of root biomass of Hippophae rhamnoides L.with tree age at different slop positions
從圖2中可以看出,隨著土層深度的增加,沙棘根系的生物量都呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。根系主要分布在0~30 cm深的土層中,在此深度內(nèi)根系生物量占全部剖面的70% ~85%。40 cm以下根系較少,僅占沙棘根系總生物量的10%左右。在同一土層深度內(nèi)的根系生物量相比較發(fā)現(xiàn),隨著樹(shù)齡的增加,根系生物量隨之增加,而且沙棘的根系在2~4年生中增長(zhǎng)速度最快,年增長(zhǎng)量可達(dá)到16.64 g。坡頂?shù)耐寥篮穸炔坏?0 cm,在30 cm之下就是堅(jiān)硬的砒砂巖,也正是因?yàn)榕皫r構(gòu)造在垂直深度上的限制,沙棘根系的83%主要分布0~20 cm土層;坡中,根據(jù)現(xiàn)地挖掘土壤剖面發(fā)現(xiàn),土壤厚度在40 cm左右,所以沙棘根系分布的垂直深度比坡頂分布的淺,但是水平分布比較廣,所以沙棘根系生物量的74%分布在0~30 cm的土壤中;由于坡底的土壤水分、養(yǎng)分都較好,沙棘長(zhǎng)勢(shì)最好。
圖2 不同坡位不同樹(shù)齡沙棘根系生物量隨土層深度的變化Fig.2 Changes of root biomass of different tree-age Hippophae rhamnoides L.with soil depth at different slop positions
由表2可以看出,在3種不同立地條件下,沙棘根系徑粗隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),且其減小量隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)而逐漸增加。從以沙棘根莖為中心向四周輻射,沙棘的根徑粗呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì),對(duì)于徑級(jí)>4 mm的根系,它的根密度值在表層最大,隨著土層深度的增加而減小。0~10 cm土層深度內(nèi)的徑級(jí)>4 mm的根系占徑級(jí)>4 mm根系總量的73.33%。隨著土層深度的增加,沙棘根系的平均徑粗逐漸減少,減小幅度最高可達(dá)到58.63%。與表1綜合分析可知,根系長(zhǎng)度隨著根系徑級(jí)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。
隨著沙棘生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的延續(xù),土壤剖面物理性質(zhì)不斷得到改善、協(xié)調(diào)。從圖3可以看出,同一坡位隨著沙棘樹(shù)齡的增加,土壤含水率逐漸增加。不同立地條件下,坡底的林下土壤含水率高于坡頂和坡中,其中坡頂、坡中、坡底沙棘林下土壤的平均含水率分別為6.17%、7.64%、8.65%。從土壤垂直深度上看,隨著土層深度的加深,含水率隨之降低;從栽種沙棘的坡面和裸露的砒砂巖坡面相比較發(fā)現(xiàn),沙棘林下土壤含水率明顯高于裸露坡面。這主要是因?yàn)殡S著林齡的增加,沙棘林的枯落物量增加,枯落物覆蓋地表具有攔截降雨,減少蒸發(fā)的作用。還有,在同一坡面上,坡底本身是聚集降水的地方,加之沙棘林生長(zhǎng)茂盛,林下枯落物量最大,所以土壤含水率比坡頂、坡中的高。綜上所述,沙棘林在造林后對(duì)砒砂巖坡面具有增加土壤含水量和涵養(yǎng)水源的作用。
表2 不同坡位沙棘根系徑級(jí)分布Tab.2 Root diameter distribution of Hippophae rhamnoides L.at different slop positions
圖3 不同坡位土壤含水率變化Fig.3 Changes of soil moisture content at different slope positions
分析圖4得出:從土壤垂直深度上看,隨著土層的加深土壤孔隙度減小,減小量的最大值可達(dá)到1.69%;從沙棘樹(shù)齡的變化角度看,隨著沙棘樹(shù)齡的增加,土壤孔隙度基本呈增大的趨勢(shì),最大增加量可達(dá)到5.81%。表層土壤孔隙度是隨著根系的增長(zhǎng)而增大,結(jié)合圖1和表1還可以看出,隨著沙棘樹(shù)齡的增加沙棘根系隨之增長(zhǎng),根系的生長(zhǎng)使得土壤孔隙度隨著樹(shù)齡的增加孔隙度增加的趨勢(shì),有利于滲、持水及相互間的協(xié)調(diào)。綜上所述,沙棘林對(duì)砒砂巖坡面具有增大林下土壤孔隙度的作用,使得團(tuán)粒體土壤比例增加,說(shuō)明沙棘林對(duì)土壤的物理性質(zhì)和砒砂巖成土過(guò)程有一定的促進(jìn)作用。
圖4 不同坡位土壤孔隙度變化Fig.4 Changes of soil porosity at different slope positions
營(yíng)造沙棘后,土壤肥力有所提高,特別是有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分質(zhì)量含量增加幅度更大。通過(guò)比較栽種沙棘的砒砂巖溝坡與裸坡的土壤化學(xué)性質(zhì)(表3)可以看出:沙棘林對(duì)土壤具有一定的酸化作用,砒砂巖土壤本身堿性較高,一般沙棘適宜生長(zhǎng)的土壤pH值在5.5~7.0之間;但是通過(guò)沙棘生長(zhǎng)狀況調(diào)查,沙棘在堿性土壤的條件下生長(zhǎng)還是比較好的,所以只要不超過(guò)適宜沙棘酸堿性的極值,酸堿度不是沙棘生長(zhǎng)的限制性因子。從含鹽量分析可以看出:沙棘林還有改良鹽堿土的作用。從林下土壤中的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量可以得出,沙棘林可以增加林下植被種類以及枯落物進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量。土壤有機(jī)質(zhì)的聚集是成土過(guò)程的基本特征之一,也是衡量其肥力水平的主要標(biāo)志。盡管目前有機(jī)質(zhì)絕對(duì)數(shù)值仍較低,但它的出現(xiàn)及以后的不斷增加和積累,對(duì)于砒砂巖土的改良是非常重要的。從堿解N和速效K方面來(lái)看,沙棘林具有增加土壤中的堿解N和速效K質(zhì)量含量。這主要是沙棘林一方面通過(guò)林下植被和枯枝落葉返還土壤來(lái)增加土壤肥力,另一方面沙棘根系固著的根瘤菌,具有吸收大氣中的氮素進(jìn)而轉(zhuǎn)化成能被沙棘吸收的氮肥,以此來(lái)增加土壤中的含氮量。沙棘根系生長(zhǎng)、穿插、死亡及其生物量的變化,使得根系土壤的速效營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量含量差異顯著,沙棘林下土壤比裸坡高出9.81%。從表3中還可以看出,沙棘林地土壤中速效養(yǎng)分質(zhì)量含量與砒砂巖土相比,不僅沒(méi)有因?yàn)樯臣L(zhǎng)吸收而減少,反而逐漸增大,這顯然是與沙棘根瘤菌的固氮作用及種類繁多的土壤微生物、酶等對(duì)土壤生化反應(yīng)的促進(jìn)作用是分不開(kāi)的[6]。盡管,速效養(yǎng)分目前的質(zhì)量含量仍不高,但對(duì)于造林后僅3年的沙棘(4年生)林及砒砂巖土這種不良立地條件的組合來(lái)說(shuō),目前所取得的改良土壤效益仍然是十分顯著的,而且由于沙棘的再生及自身更新能力很強(qiáng);因此,它能夠不斷通過(guò)根系和枯落物的作用,使土壤養(yǎng)分逐漸得到積累而提高肥力。
表3 沙棘林對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)改良作用Tab.3 Improving effects of Hippophae rhamnoides L.forests on soil chemical properties
1)砒砂巖坡面沙棘根系集中分布在0~40 cm之內(nèi),不論從沙棘生物量隨著土層深度的變化規(guī)律,還是從沙棘根系徑級(jí)在土壤中的分布規(guī)律來(lái)看,沙棘都是屬于淺根性植物,具有一定的固土作用。
2)沙棘根系的水平長(zhǎng)幅因小環(huán)境的不同而不同。在土壤條件、水分條件差的環(huán)境下,它的長(zhǎng)度增長(zhǎng)而分根數(shù)減少。當(dāng)小環(huán)境境內(nèi)光、水、肥資源充足時(shí),水平根的長(zhǎng)度會(huì)減少而分根數(shù)增加。
3)人工沙棘林在砒砂巖溝坡上,其根系分布表現(xiàn)為坡頂根系由于土層薄受到砒砂巖的限制[3],水平分布較發(fā)達(dá),在坡底由于土壤厚度及肥力的充足,沙棘在垂直分布上明顯深于坡頂。
4)在砒砂巖地區(qū),栽種沙棘林有增加土壤含水率和孔隙度的作用,同時(shí)可以增加土壤中的速效N、P、K以及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量的作用;因此,沙棘林對(duì)改良砒砂巖土壤具有明顯的作用。
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Characteristics of root distribution ofHippophae rhamnoidesL.a(chǎn)nd its improving effect on the forest soil on the ditch slope of soft sandstone area
Dang Xiaohong1,Gao Yong1,Wang Ji1,Luo Fengmin1,Gao Junliang2,Liu Yang1
(1.College of Ecology and Environmental Science,Inner Mongolia Agricultural University,010019,Hohhot;2.Desert Forestry Experimental Center of China Forestry Science Research Institute,015200,Dengkou,Inner Mongolia:China)
Hippophae rhamnoidesL.is one of pioneer tree species in soft sandstone area.The distribution patterns of roots affect not only the growth of the plant itself,but also soil conservation and soil improving.The paper studied the root distribution patterns of different plantation age ofHippophae rhamnoidesL.in three site conditions on slopes using roots tracing method.Through measuring the soil physical and chemical properties inHippophae rhamnoidesL.forests,and compared with that on bare slopes,the improving effect of plantingHippophae rhamnoidesL.on forest soil was analyzed.The results of the study show that:roots ofHippophae rhamnoidesL.mainly distributed in the depth from 0 to 40 cm in soil on ditch slope in the soft sandstone area,in horizontal direction the roots could reach 137 cm.There was a close relationship between the numbers of first lateral root ofHippophae rhamnoidesL.and microenvironment.If condition of soil moisture was better,the tiller ability ofHippophae rhamnoidesL.root systems was stronger,and root was shorter.Root diameter ofHippophae rhamnoidesL.decreased with soil depth and distance to standard strains.For the man-plantedHippophae rhamnoidesL.forest on the soft sandstone slope,because of limit of soft sandstone the horizontal distribution of root on slope top is more developed.Since the soil thickness and fertility at slop bottom were good enough,the vertical distribution of root was apparently deeper than that at slope top.PlantingHippophae rhamnoidesL.could increase soil moisture content and the soil porosity,and increase the mass fractions of available N,P,K and organic matter in soil.
soft sandstone area;Hippophae rhamnoidesL.;roots;distribution pattern;soil improving
2011-11-18
2012-04-26
國(guó)家科技支撐項(xiàng)目“半干旱區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建及資源持續(xù)利用技術(shù)研發(fā)與示范”(2011BAC07B02-3);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“防沙治沙科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”(NDTD2010-11);中國(guó)/全球環(huán)境基金項(xiàng)目“干旱生態(tài)系統(tǒng)防治土地退化伙伴關(guān)系”
黨曉宏(1986—),男,碩士研究生。主要研究方向:荒漠化防治。E-mail:dangxiaohong222333@126.com
簡(jiǎn)介:汪季(1957—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:荒漠化防治。E-mail:wangji1957@163.com
(責(zé)任編輯:程 云)