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1、渭北黄土区刺槐根系空间分布特征研究李 鹏1，2，赵 忠2，李占斌1，澹台湛11. 西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌712100；2. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安710048摘要：采用土钻法对黄土高原地区主要造林树种刺槐的根系分布特征进行调查，结果表明不同立地上刺槐根系的空间分布特征具有明显差异。阴坡立地上，刺槐根系随距树干距离的增加表现出了先增加后减少的趋势，并且不同深度土层的分布相对比较均匀，这一分布特征扩大了刺槐根系的吸收空间范围，有利于树木地上部分的生长；而阳坡立地上的刺槐根系随距树干距离的增加呈降低趋，并且各处根系集中分布在4080 cm的土层中，这一分布特征限制了根系在土
2、层中的吸收空间，进而树木地上部分的生长也产生了一定的限制作用。对不同径级根系生物量分布特征的分析结果表明，不同立地上根系存在的差异主要是由于大径级根系生物量而引起的，阴坡立地上的细根生物量更大一些。在两个立地上，直径为1 mmd3 mm的根系生物量具有相似的分布特征；而直径d1 mm的根系生物量具有明显的差异，反映了立地条件对于树木生长的影响，可以作为反映根系吸收等生理特性的有效根系。结合树木根系消弱系数，从量化的角度对不同立地上刺槐根系分布特征的进一步分析，结果表明阳坡立地上刺槐较细根系的根系消弱系数数值较小，说明在深层土壤中的分布较少，这种分布结构不利于树木对深层土壤水分和养分的吸收利用；
3、而阴坡立地上的刺槐较细根系的根系消弱系数数值较大，说明在深层土壤中细根的分布比例相对较大，这种分布特征扩大了刺槐的吸收空间，有利于树木吸收深层的水分和养分，促进树木地上部分的生长和发育。关键词：刺槐；根系生物量；径级；空间分布；根系消弱系数；黄土区中图分类号：Q944.3 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）03-0405-05刺槐是渭北黄土高原地区的主要水土保持造林树种之一，没有明显的主根，具有巨大的土壤网络能力，曾经一度被认为是浅根性树种1。但是近来的研究证实2，在黄土高原地区，刺槐是深根性树种，其根系在深层土壤中也有较多的分布。在黄土高原地区,一方面由于水资源匮乏,另
4、一方面由于刺槐耗水性特强，致使黄土高原人工刺槐林出现了林地水分亏缺、土壤干化层、小老树、林分防护效益差等问题。针对这些问题，研究人员从不同角度对此进行了研究，认为问题的关键是土壤水分与刺槐生长关系的问题3。在树木生长过程中，根系，特别是细根是树木从外界环境进行水分和养分吸收的主要通道。但是到目前为止，对于细根依然没有统一的定义，由于研究目的和背景的不同，不同研究人员对细根的定义也不尽相同46（Kummerow and Mangan，d1 mm；Berish，d2 mm；Farrish，d3 mm）。长期以来，适地适树是黄土高原地区进行人工植被建设的基本原则。但是这一问题到现在仍然没有得到很好解
5、决，关键之一在于没有科学客观地了解主要造林树种的根系空间分布特征，并将根系的分布特征与其生存的环境特征联系起来进行分析。为了进一步推动这一问题研究的不断深入，本研究以黄土高原地区分布广泛的人工刺槐林为研究对象，从不同角度对不同立地上林木根系生物量的空间分布特征进行了分析。1 材料与方法1.1 研究地区概况调查地位于陕西省长武县。当地为黄土高原残塬沟壑区，属于暖温带大陆性季风气候。土壤横跨两个地带性土类，即由褐土带向黑垆土带过渡，主要土壤类型有黑垆土、黄绵土、碳酸盐褐土和红胶土，成土母质均黄土。当地海拔9501225 m，年均气温9.1 ，年均降水量584.1 mm。降水量主要集中于79月，无霜
6、期171 d。1.2 根系取样方法表1 王东沟流域刺槐林乔木根系调查样地概况Table 1 A brief view of sample areas of survey for root system of R. pseudoacacia at WangdongWatershed序号地点坡向坡度坡位土壤林龄/a平均高/m平均胸径/cm1杏树壕东向16下位黄墡土2314.214.72王东村大沟东向20中下位黄墡土2313.814.23尚家洼西向18下位黄墡土2511.6*13.44尚家洼西向30中上位黄墡土2512.0*13*阳坡立地上的刺槐已经出现上部枯死现象，干枯部分的高度为2.3 m*该阳
7、坡立地上的刺槐也出现上部枯死现象，干枯部分的高度为2.5 m选择长武县王东沟流域不同坡向上的刺槐林为调查对象(如表1)，在各样地内随机选取30株样木，进行每木检尺，并从中选择出4株平均样木。采用改进的1/4样圆法对根系进行调查2（如图1所示），即在每株样木的不同方位划分出1/4营养区作为取样区。取样时，以样木为中心分别在半径0.5 m，1.0 m，1.5 m，2.0 m，2.5 m和3.0 m等不同距离处的弧线上按等距确定3个取样点，分土层(10 cm)用土钻(d =9.0 cm)钻取土样。用d=0.5 mm的筛子将各层土壤进行过筛，并拣出所有根系，编号后装入塑料袋带回实验室。将从野外带回的各
8、个根样，按d0.5 mm，0.5 mmd1 mm，1 mmd3 mm和d3 mm的标准分为四级。用蒸馏水清洗干净后置入105 烘箱中，烘干至恒质量，再分别称质量和记录。3 m代表样木； 代表取样点图1 根系调查取样示意Fig 1 Sketch map for root investingation1.3 数据分析将同一样地上4株树木在不同方位营养空间上、不同距离上特定径级根系的分布按照下列公式进行合并计算，1.3.1 根系生物量水平分布特征的计算 （1）式中为根系密度，单位g/cm3；为圆周率；R= 土钻半径（3.4 m）；H为该点上根系的分布深度。1.3.2 根系生物量垂直分布特征的计算 （
9、2）式中为根系密度，单位g/cm3；为圆周率；R =土钻半径（3.4 cm）；h =土层厚度（10 cm）；m =根质量(g)；n、k =样木总数及样点总数。2 结果与讨论2.1 刺槐根系生物量的空间分布特征2.1.1 刺槐根系生物量的垂直分布特征00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0081030507090110130150土壤深度/cm2.5 m2.0 m1.5 m1.0 m0.5 m3.0 m00.0010.0020.0030.0040.0050.006 10 4070100130160190土壤深度/cm2.5 m2.0 m1.5 m1.0 m0
10、.5 m根系密度/(gcm-3)根系密度/(gcm-3)图2 不同立地上刺槐根系的垂直分布特征（左图为阴坡；右图为阳坡）Fig. 2 Vertical root distribution characters on different sites (the left represents northern slope; the right represents southern slope)从图2可以看出，阴坡立地上的刺槐具有与阳坡立地上的刺槐完全不同的根系分布特征。在阴坡立地上，距离树干不同距离处的根系在不同深度的土层中均有分布，0.5 m处的根系集中分布在5070 cm的土层中，距离树干1
11、.0 m处的根系集中分布在70 90 cm的土层中，距离树干1.5 m处的根系在表层30 70 cm的土层中分布相对比较集中，距离树干2.0 m处的根系在表层3050 cm和深层110140 cm处都有比较大的分布，距离树干2.5 m处的根系在4070 cm和110130 cm的土层中都有比较大的分布，距离树干3.0 m处的根系生物量比较少，而且其分布集中于表层60 cm以内的土层中。而在阳坡立地上，距离树干不同距离处的根系表现出了比较一致的分布特征，集中分布在4080 cm的土层中。可以看出，阴坡立地上，根系在距离树干不同距离处、不同深度的土层中均有分布，这种根系分布特征有利于树木从距离树干
12、不同距离处、不同深度的土层中吸收土壤水分，具有更大的水分吸收空间，有利于树木的生长发育。而在阳坡立地上，距离树干不同距离处的刺槐根系都集中分布在较浅的土层中，这种分布特征限制了树木的水分吸收空间，并且在很大程度上受外界环境条件（降雨、蒸发等）的制约，不利于树木的生长发育。2.1.2 刺槐根系生物量的水平分布特征在两个立地上，刺槐根系生物量的水平分布特征也表现出了明显不同的分布特征（图3、图4）。在阴坡立地上，刺槐根系的生物量随着距离的增加表现出了先增加，后减少的趋势，最大根系生物量出现在距离树干1.0 m，1.5 m和2.0 m处。而阳坡立地上的刺槐根系生物量随着距离的增加表现出了明显的降低趋
13、势，随着距离的增加，根系生物量迅速降低。另外，从两个立地上刺槐根系的生物量的分布特征也可以看出，阳坡立地上刺槐根系的生物量远远大于阴坡立地上的刺槐根系的生物量。作为树木与外界环境进行物质和能量交换的主要器官，根系的生理生态特征对树木的生长具有决定性的作用，根系的吸收功能越强，对地上部分生长的促进作用也就越大。但是从两个立地上刺槐地上部分的生长特征可以明显看出（表1），阴坡立地上的刺槐生长状况要高于阳坡立地上的刺槐，这与两个立地上刺槐根系的生长状况是矛盾的，因此为了进一步深入分析两个立地上刺槐根系生长和分布特征的差异，需要对两个立地上的不同径级根系生物量之间的差异进行分析。2.2 不同径级刺槐根
14、系生物量的分布特征在前人的研究中，对于细根的定义一直没有统一的见解，为了能够与前人的研究结果联系起来进行比较，在分析不同径级根系生物量的过程中，按照下述根系径级划分方法对不同径级的根系生物量进行了分析和比较：d0.5 mm；0.5 mmd1 mm；1 mmd3 mm；d3 mm表3 阳坡立地上距离树干不同距离处不同径级根系生物量分布特征Table 3 root biomass of different diameter classes with different distanceto the trunk on southern slope 10-5 gcm-3d0.5 mm0.5 mmd1
15、mm1 mmd3 mmd3 mm0.5 m0.04 0.17 6.72 85.21 1.0 m0.32 0.34 11.98 28.51 1.5 m0.06 3.71 5.03 18.43 2.0 m0.05 0.77 6.96 7.99 2.5 m0.00 0.56 8.25 2.26 表2 阴坡立地上距离树干不同距离处不同径级根系生物量分布特征Table 2 Root biomass distributions of different diameter with differentdistance to the trunk on northern slope 10-5 gcm-3d0.5
16、 mm0.5 mmd1mm1 mmd3 mmd3 mm0.5 m0.521.316.7813.351.0 m0.212.896.0826.431.5 m0.854.399.0321.602.0 m0.421.559.1222.192.5 m0.131.585.055.513.0 m0.071.953.022.40从表2和表3中可以看出，不同径级的根系生物量表现出了不同的分布特征。与其他径级的根系生物量相比，大径级（d3 mm）根系生物量的分布值最大，是决定刺槐根系生物量分布特征的主要因素，其分布特征与根系生物量的水平分布特征基本一致，两个立地上刺槐根系生物量的差别主要是由于大径级根系生物量的差
17、别而引起的。因此尽管两个立地上的刺槐根系生物量具有较大的差别，但是由于大径级根系不具有吸收功能，或者说吸收功能较差，这种差别对于树木的吸收功能不会产生太大的影响，即不会导致树木生长产生根本性的差别。根系密度/(gcm-3)00.00010.00020.00030.00040.5m1.0m1.5m2.5m3.0m2.0m距离树干距离/m图3 阴坡立地根系生物量的水平分布特征Fig. 3 Horizontal root biomass distribution on southern slope根系密度/(gcm-3)00.00020.00040.00060.00080.0010.5m1.0m1.
18、5m2.0m2.5m距离树干距离/m图4 阳坡立地上根系生物量的水平分布特征Fig. 4 Horizontal root biomass distribution on northern slope在以前的研究中，由于对于细根没有统一的定义，研究人员在研究中也没有采取同一的标准进行研究。一般认为，直径较小的根系（d3 mm）是树木进行水分和养分吸收的主要器官，其生物量的差别对于树木的生长产生了决定性的作用。从不同径级根系生物量的分布特征可以看出，两个立地上，直径较小的根系（d3 mm）生物量表现出了与大径级（d3 mm）根系生物量不同的分布特征。在距离树干不同距离处，直径较小的根系（d3 mm
19、）生物量在距离树干1.0 m和1.5 m处达到最大值，说明这个范围是树木进行水分和养分吸收的集中区。从对不同径级根系生物量的分布特征的进一步分析可以看出，在两个立地上，直径为1 mmd3 mm的根系生物量具有相似的分布特征，在距离树干不同距离处的生物量基本接近，其中在阳坡立地上的根系生物量要稍微大一些；直径为0.5 mmd1 mm的根系生物量也具有基本相似的分布特征，但是阴坡立地上的根系生物量要更大一些；直径为d0.5 mm的根系生物量也具有与直径为0.5 mmd1 mm的根系相似的分布特征。这也就是说在阴坡和阳坡两个立地上，直径d1 mm的根系表现出了明显的差异性。结合对树木地上部分的调查结
20、果进行进一步分析，在所有的根系中，大径级（d3 mm）根系生物量反映了两个立地上刺槐根系生物量的差异，但是该径级根系不能反映根系的吸收特性；而直径为1 mmd3 mm的根系生物量具有相似的分布特，因此难以反映立地条件对于树木生长的影响；只有直径为0.5 mmd1 mm和直径为d0.5mm的根系表现出了明显的差异，并且与根系地上部分的生长状况一致，反映了立地条件对于树木生长所产生的影响。因此可以认为，在两个立地上样木的所有根系中，直径d1 mm的根系生物量具有明显的差异，反映了立地条件对于树木生长的影响，可以作为反映根系吸收等生理特性的有效根系。2.3 不同立地上的刺槐根系垂直分布特征参数M.R
21、.Gale 和D.F.Grigal等人7通过对不同演替阶段不同树种根系的分布特征的研究，提出了一个根系垂直分布模型：Y=1-h （1）式中，Y为从地表到一定深度的根系生物量累积百分比；h为土层深度/cm；为根系消弱系数（root extinction coefficient）。其中值越大说明根系在深层土壤中分布的百分比越大，反之值越小，则说明有更多的根系集中分布于接近地表的土层中。值的大小与根系体积或者根系密度无关，只是说明了根系的垂直分布特征与深度的关系。作为描述植被根系垂直分布特征的主要参数，其研究在最近几年中得到广泛的应用8,9。在黄土高原地区，有关这个方面的研究还比较少。为了能够进一步
22、与国外的大量研究结合起来进行深入的分析和比较，并在有关方面进行更加深入的分析和研究，本文采用数值模拟的方法求解刺槐根系的垂直分布特征参数，对不同立地上、不同径级刺槐根系的垂直分布特征进行进一步的分析。表4 阴坡立地上不同径级根系生物量根系消弱系数分布特征Table 4 Value of root extinction coefficient of different diameter classes on the two sites坡向全部根系生物量d3 mm根系生物量d1 mm根系生物量阳坡0.9840.9800.975阴坡0.9880.9900.990从表4可以看出，在不同立地上，不同径级
23、根系生物量的根系消弱系数表现出了不同的特征。其中，在阳坡立地上，全部根系生物量的值为0.984，而较细根系中，直径d3 mm根系生物量和d1 mm的根系生物量的值分别为0.980和0.975；在阴坡立地上，不同径级根系生物量的值都比较大，接近或者等于0.99，几乎没有明显的变化。根据根系消弱系数的定义可知，在阳坡立地上，直径小于3 mm的根系，特别是直径小于1 mm的根系，在深层土壤中所占的比例相对较小，这种分布特征限制了树木对深层土壤水分的吸收利用，不利于树木的生长发育；而在阴坡立地上，直径小于3 mm 和直径小于1 mm的根系在深层土壤的分布比例都比较大，树木根系的这种分布结构扩大了树木的
24、吸收空间，有利于促进树木地上部分的生长发育，特别是对于土层深厚，气候干旱的黄土高原地区的树木生长具有尤为重要的意义。3 结论本文采用土钻法对黄土高原地区的主要造林树种刺槐的根系空间分布特征进行调查，通过分析不同立地上刺槐根系生物量空间分布特征的差异及不同径级根系空间分布特征的差异，得到了如下结论：在不同立地上，刺槐根系的空间分布特征具有明显差异。其中在阴坡立地上，距离树干不同距离处，刺槐根系在不同深度的土层中均有分布，扩大了刺槐根系的吸收空间范围，有利于树木地上部分的生长；而阳坡立地上的刺槐根系集中分布在4080 cm的土层中，限制了根系在土层中的吸收空间，对树木地上部分的生长也产生了一定的限
25、制作用。从根系水平分布特征来看，在阳坡立地上，随着离树干距离的增加，根系生物量迅速减少；而在阴坡立地上，根系生物量在1.0 m，1.5 m和2.0 m处达到最大值，这从另外一个角度说明了阳坡立地上的刺槐根系具有更大的吸收空间。尽管阳坡立地上刺槐根系的生物量较大，但是对不同径级根系生物量的分析结果表明，这种现象主要是由于大径级根系造成的。从树木吸收功能的角度来看，径级较小的根系才具有真正的生理意义。进一步的分析结果表明，在两个立地上，直径为1 mmd3 mm的根系生物量具有相似的分布特征；而直径d3 mm). Further analysis indicated that on the two
26、sites, root biomass with diameter between 1 mm and 3 mm has similar distribution patterns; but there was obvious differences in the root biomass distribution patterns with its diameter less than 1 mm, which was in accordance with the site differences, and can be treated as physiological effective ro
27、ot to reflect the effect of site on tree growth. Combined with the root distinction coefficient, root biomass distribution characters were analyzed quantitatively. Results indicated that on southern slope, root distribution coefficient of total root biomass, root biomass with diameter less than 3 mm
28、, 1 mm was 0.984, 0.980 and 0.975 respectively, which indicated that relative small root, especially fine root, was distributed in deeper soil. While on northern slope, root distribution coefficient of total root biomass, root biomass with diameter less than 3 mm, 1 mm was 0.988, 0.990 and 0.990 res
29、pectively, which indicated that there was relative lager root, especially fine root was distributed in deeper soil. Comparatively, the root biomass distribution pattern on northern slope extended the absorption space of the tree, favored the absorption of soil moisture and nutrient in deeper soil, and promoted the growth and development of the upper part.Key words: R. pseudoacacia; root biomass; diameter class; spatial distribution pattern; root distinction coefficient; loess area
