不同立地條件下野生荊條與胡枝子根系生長特性的比較研究

王英宇，宋桂龍，孟強(qiáng)，辜再元，郭宇

(1.北京京石園林綠化有限公司，北京，102600;2.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實驗室草坪研究所，北京100083;3.交通部公路科學(xué)研究院，北京，100088;4.北京綠之源生態(tài)科技有限公司，北京100085)

地下根系是支撐地上植被的強(qiáng)大基礎(chǔ)，也是固土護(hù)坡的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。已有研究證實，根系中粗根的主要作用在于對樹木的機(jī)械支持，而其吸收功能主要由細(xì)根完成。盡管目前對于細(xì)根的定義尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為直徑(d)小于1 mm的根為細(xì)根[1-3]。許多研究結(jié)果證明[4-5]，灌木的有效根密度(根系直徑d≤1 mm)與改善土壤的抗沖性有密切相關(guān)性，同時d≤1 mm的根密度及根量是不同植物群落改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤抗沖性的有效根密度。但是，由于地下根系的隱蔽性，其研究深度遠(yuǎn)不如地上部分，其中地下生物量的測定因缺乏統(tǒng)一有效的方法而存在不確定性[5-6]。本研究選取野生荊條和胡枝子作為研究對象，研究兩種灌木在不同立地條件下的根系生長情況，采取一定體積取根量的方法進(jìn)行測定，以研究兩種灌木根系生長特性與其立地條件的關(guān)系，探討二者在邊坡植被恢復(fù)中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選擇適合北方巖石邊坡生長，抗旱性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)、耐粗放管理的鄉(xiāng)土野生優(yōu)良水土保持灌木——荊條和大面積廣泛應(yīng)用的優(yōu)良護(hù)坡植物——二色胡枝子。

1.2 指標(biāo)與方法

1.2.1 根系生物量 在樣方內(nèi)，選取4株標(biāo)準(zhǔn)木，采用1/4樣圓法對根系進(jìn)行調(diào)查，即在每株樣木的不同方位劃分出1/4區(qū)作為取樣區(qū)。取樣時，以樣木為中心分別在半徑0.2和0.4 m的弧線上按等距確定3個取樣點(diǎn)，分土層(每20 cm 一層)用土鉆(Φ=3.4 cm)鉆取土樣，直至無根系，將所取土樣裝入密封的塑料袋并編號，帶回實驗室。然后在室內(nèi)進(jìn)行分離活根和死根。用根系掃描儀將活根區(qū)分為≤1 mm和＞1 mm。用蒸餾水清洗干凈后置入105℃烘箱中，烘干至恒重，再分別稱重和記錄。

1.2.2 根密度 將同一樣地上4株樹木在不同方位營養(yǎng)空間、不同距離特定徑級根系的分布按照公式(1—2)進(jìn)行合并。利用公式(1)計算某土層特定徑級根系的密度ρ(kg/m3);利用公式(2)計算距離樹干不同距離處特定徑級根系的密度ρ(kg/m2)。

式中:R——土鉆半徑(0.017 m);h——土層厚度(0.2 m);m——根重(g);n ，k——樣木總數(shù)及樣點(diǎn)總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種灌木根系生物總量

圖1—2中分別為兩種灌木在4種立地條件下根直徑d＞1mm根系生物量和d≤1 mm根系生物量變化趨勢。由圖1可以看出，d≤1 mm根系生物量在28°立地條件下無論是陰坡還是陽坡，荊條均大于胡枝子，同時荊條陽坡明顯大于荊條陰坡，胡枝子在陰坡與陽坡的差異較小;而在12°立地條件下，表現(xiàn)為荊條陽坡最大，其次為胡枝子陽坡、荊條陰坡、胡枝子陰坡，結(jié)果表明:荊條d≤1 mm有效根系要高于胡枝子，且陽坡明顯高于陰坡，可以認(rèn)為荊條在改善土壤穩(wěn)定性和提高土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子，且陽坡效果更明顯;兩種灌木在陰坡與陽坡條件下，12°坡度均大于28°坡度，表明小坡度有利于根系的生長，尤其是陽坡胡枝子在兩種坡度條件下根系生物量差異較大。由圖2可以看出，兩種灌木d＞1 mm根系生物量在陽坡均明顯大于陰坡，表明陽坡條件下更適于粗根生長;在陽坡兩種坡度條件下，胡枝子d＞1 mm根系生物量均高于荊條，而陰坡12°立地條件下胡枝子大于荊條，而28°條件下則相反，這說明荊條在坡度較大的立地條件下適應(yīng)性更突出。

圖1 根系直徑d≤1 mm的植物生物量注:J胡枝子，H荊條;S陽坡，N陰坡。下同。

圖2 根系直徑d＞1 mm的植物生物量

2.2 兩種灌木水平根密度研究

2.2.1 12°邊坡距離樹干不同距離處根密度 從圖3—4可以看出，兩種灌木在坡度為12°的立地條件下，根密度在距樹干0.2 m處均大于0.4 m處。其中相同灌木在陽坡的根密度均大于陰坡。說明荊條和胡枝子在陽坡的生長要好于陰坡，表現(xiàn)為根系水平擴(kuò)展性較好。從圖3—4可以看出，兩種灌木直徑d＞1 mm和d≤1mm的根系分布和生長情況不同，胡枝子在陽坡和陰坡0.2 m處d＞1 mm的根密度分別為309.1和268.89 g/m2，大于荊條的根密度268和243.74 g/m2，而0.2 m處d≤1 mm的根密度分別為84.23和64.82 g/m2，則明顯小于荊條的根密度104.37和100.03 g/m2，在0.4 m處同樣是胡枝子d＞1 mm的根密度大于荊條，而d≤1 mm的根密度則小于荊條?？梢钥闯龉嗄揪嚯x樹干越近，根密度越高。許多專家通過大量試驗證明，灌木的有效根密度(根系直徑d≤1 mm)與改善土壤的抗沖性有密切相關(guān)性，同時證明d≤1 mm的根密度及根量是不同植物群落改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤抗沖性的有效根密度[4-5]。分析結(jié)果表明，荊條在改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子。從圖4中可以看出，荊條在陽坡的水平方向的根密度分布分別為104.37和51.35 g/m2，在陰坡的水平方向的根密度分布為100.03和49.25 g/m2，可以看出，差值分別為4.34和4.1 g/m2;胡枝子在陽坡的水平方向的根密度分布分別為84.23和29.52 g/m2，在陰坡的水平方向的根密度分布為64.82和24.95 g/m2，差值分別為19.41和 5.57 g/m2，從陽、陰坡差值相比，胡枝子大于荊條。這說明胡枝子在陰陽坡的根系生長差別大于荊條。

圖3 d＞1 mm植物根密度對比

2.2.2 28°邊坡條件下距離樹干不同距離處的根密度 從圖5可以看出，兩種灌木在28°邊坡立地條件下，d＞1 mm根密度分布不同。距離主干越遠(yuǎn)，根密度數(shù)量越小。胡枝子 d＞1 mm的根密度分別為270.12和198.72 g/m2，而荊條分別為240.51和188.02 g/m2，顯然胡枝子大于荊條。同時也可以看到胡枝子和荊條在陽坡的根密度均大于同樣情況下的陰坡。從圖6可以看出，d≤1 mm的根密度在4種情況下的變化不同于d＞1 mm的根密度。荊條在陽坡的d≤1 mm的根密度為87.88和41.46 g/m2，而其它處理的跟密度分別為 51.37，31.46 g/m2;43.53，36.78 g/m2;30.53，16.83 g/m2。顯然荊條在陽坡的根密度大于其它3種情況。進(jìn)一步說明荊條在改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子。

圖4 d≤1 mm植物根密度對比

圖5 28°邊坡距樹干不同距離處 d＞1 mm根密度對比

圖6 28°邊坡距樹干不同距離處 d≤1 mm根密度對比

2.3 垂直根密度研究

2.3.1 12°邊坡條件灌木垂直根密度 長期以來，人們對于植物根系的分布特征，尤其是根系的垂直分布特征進(jìn)行了大量的研究，并且認(rèn)識到強(qiáng)大的根系是地上部分能夠良好生長所必須的(單建平，1992;呂士行，1990)。根系的垂直分布反映了植物根系在土壤中的縱向生長情況(圖7—8)。

圖7 12°邊坡不同土層深度d＞1 mm根密度對比

圖8 12°邊坡不同土層深度d≤1 mm根密度對比

從圖7可以看出，兩種灌木d＞1 mm根系在陰、陽坡的分布均集中于60 cm以內(nèi)。100 cm以內(nèi)，＞1 mm根密度大小順序為胡枝子(陽坡)〉荊條(陽坡)〉胡枝子(陰坡)〉荊條(陰坡)。其中，0—20 cm 以內(nèi)，胡枝子(陽坡)最大為45.03 g/m2，其次荊條(陽坡)為32 g/m2，再次胡枝子(陰坡)為30.86 g/m2，最小荊條(陰坡)為28.06 g/m2?？梢?，胡枝子粗根生物量大于相同立地條件下的荊條，具有較強(qiáng)的機(jī)械支持能力。圖8顯示，兩種灌木≤1 mm根系在陰、陽坡地分布均集中于60 cm以內(nèi)，這與＞1 mm根系集中分布一致。0—20 cm，20—40 cm以內(nèi)，根密度大小順序為荊條(陽坡)〉胡枝子(陽坡)〉荊條(陰坡)〉胡枝子(陰坡)。其中，荊條(陽坡)最大分別為8.43和5.76 g/m2，其次胡枝子(陽坡)分別為6.32和4.54 g/m2，然后是荊條(陰坡)分別為5.45和3.25 g/m2，最小為胡枝子(陰坡)分別為4.37和2.26 g/m2?？梢姡G條細(xì)根根密度大于相同立地條件下的胡枝子，說明荊條在改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子?？梢钥闯?0—60 cm以內(nèi)，根密度大小順序為荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陽坡)＞胡枝子(陰坡)。同時從趨勢圖的斜率可以看出，隨著土層加深，胡枝子的根密度下降的幅度大于荊條，說明在40 cm以下的土層，荊條的穩(wěn)定土壤、增強(qiáng)土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子。

2.3.2 28°邊坡灌木垂直根密度研究 圖9可以看出，隨著土層加深，兩種灌木的根密度逐漸減少;28°邊坡兩種灌木d＞1 mm根系主要集中于60 cm以內(nèi)。100 cm以內(nèi)，d＞1 mm根密度大小順序均為胡枝子(陽坡)＞荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陰坡)。其中，0—20 cm 以內(nèi)，胡枝子(陽坡)最大為32.25 g/m2，其次荊條(陽坡)為 26.25 g/m2，然后是荊條(陰坡)為 23.17 g/m2，最小胡枝子(陰坡)為21.17 g/m2?？梢?，在坡度為28°的邊坡立地條件下，陽坡的胡枝子粗根生物量大于相同立地條件下的荊條，具有較強(qiáng)的機(jī)械支持能力;而陰坡的胡枝子粗根生物量則小于相同立地條件下的荊條。從圖10可以看出，兩種灌木d≤1 mm根系在陰、陽坡地分布均集中于60 cm以內(nèi)，這與d＞1 mm根系集中分布一致。0—20 cm，20—40 cm 以內(nèi)，根密度大小順序為荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陽坡)＞胡枝子(陰坡)。其中，荊條(陽坡)最大分別為 7.56 g和5.25 g/m2，其次是荊條(陰坡)分別為5.18和3.12 g/m2，再次胡枝子(陽坡)分別為4.56和2.95 g/m2，最小為胡枝子(陰坡)分別為3.88和2.01 g/m2。可見，陰、陽坡的荊條細(xì)根根密度大于胡枝子，再次說明荊條在改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高土壤入滲及增強(qiáng)土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子?？梢钥闯?0—60 cm以內(nèi)，根密度大小順序為荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陰坡)＞胡枝子(陽坡)。同時從趨勢圖的斜率可以看出，隨著土層加深，胡枝子的根密度下降的幅度大于荊條，說明在40 cm以下的土層，荊條的穩(wěn)定土壤、增強(qiáng)土壤抗沖性方面同樣強(qiáng)于胡枝子。

圖9 28°邊坡不同土層中d＞1 mm根密度對比

圖10 28°邊坡不同土層中d≤1 mm根密度對比

3 結(jié)論

(1)陽坡立地條件下胡枝子d＞1 mm根系生物量顯著大于荊條，說明陽坡上生長的胡枝子的機(jī)械支持能力強(qiáng)于荊條。而陰坡立地條件下小坡度生長的胡枝子根系生物量大于荊條，而大坡度情況下則相反，這說明荊條比胡枝子更加適應(yīng)坡度較大的立地條件。荊條d≤1 mm根系生物量無論在陰坡和陽坡都大于胡枝子，可見荊條的有效根密度大于胡枝子，進(jìn)一步說明在改善土壤穩(wěn)定性和提高土壤抗沖性方面強(qiáng)于胡枝子。研究認(rèn)為，荊條適宜建植在陽坡上且可以適應(yīng)坡度較大的邊坡。在邊坡防護(hù)效果上，荊條均比胡枝子的有效根密度大、護(hù)坡性能更好。

(2)通過對兩種灌木的水平根密度分析，得出距離樹干不同距離處d＞1 mm和d≤1 mm根密度不同，離樹干越遠(yuǎn)根密度越小。胡枝子在陽坡和陰坡0.2 m處和0.4 m處均為d＞1 mm的根密度大于荊條，而d≤1 mm的根密度明顯小于荊條，荊條在陰坡和陽坡的水平方向的根密度差值小于胡枝子，這說明胡枝子在陰陽坡的根系生長差別大于荊條。在裸露坡面生態(tài)修復(fù)中，利用荊條在陰坡和陽坡均可以形成較為均一的綠化效果，而利用胡枝子則可能造成陰陽坡差異較大的綠化效果。

(3)通過對垂直根密度分析，得出兩種灌木的根系集中分布于60 cm以內(nèi)的土壤中。不同土層中根系的d＞1 mm和d≤1 mm根密度不同。60 cm的各土層中d＞1 mm根密度的大小分別為胡枝子(陽坡)＞荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陰坡)，而60 cm以內(nèi)d≤1 mm根密度的大小分別為荊條(陽坡)＞荊條(陰坡)＞胡枝子(陽坡)＞胡枝子(陰坡)。表明胡枝子的根系具有較高的機(jī)械支持力，對坡體具有較強(qiáng)的支撐保護(hù)作用，而荊條則可較強(qiáng)地改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和增強(qiáng)土壤抗沖刷性能;胡枝子在陰陽坡的根系生長差別大于荊條。

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