河北壩上地區(qū)不同坡向植物根系分布特征研究

王詩(shī)楠，張卓棟，韓 玥，賈穎芳

（北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875）

根系是植物重要的功能器官，具有錨定植株、吸收和運(yùn)輸土壤中的水分及養(yǎng)分、合成和貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等重要功能［1］。根系具有強(qiáng)大的固持水土功能，根系特征是牧草水分和養(yǎng)分管理、刈割和放牧利用的基本依據(jù)，與土壤耕作及作物種植制度關(guān)系密切。此外，植物根系可以通過(guò)改善土壤的自然侵蝕環(huán)境提高土壤的抗侵蝕能力［2］。因而根系的研究對(duì)于水土保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域均有重要意義。

河北壩上地區(qū)位于我國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是華北溫帶闊葉林與草原、農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的過(guò)渡帶，也是內(nèi)陸流域和域外流域的交接帶［3］。這種特有的生態(tài)環(huán)境，形成了該地區(qū)層次結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自我調(diào)節(jié)能力差的脆弱生態(tài)系統(tǒng)［4］。在不利自然因素和人為活動(dòng)的干擾下，河北壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境的平衡系統(tǒng)容易被打破，產(chǎn)生草地退化嚴(yán)重，承載力急劇下降；生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)等多種生態(tài)問(wèn)題［5］。根系的分布特征能夠反映土壤的物質(zhì)和能量被利用的可能性以及土地的生產(chǎn)力。植物根系在土壤侵蝕控制中的作用是無(wú)法替代的，是改善土壤侵蝕環(huán)境的一個(gè)最重要的因素［6］。植物根系在改善土壤生態(tài)環(huán)境方面具有兩大顯著特點(diǎn)，即強(qiáng)化降水就地入滲的水文效應(yīng)和創(chuàng)造抗沖性土體構(gòu)型的機(jī)械效應(yīng)［7］。因此定量研究根系的空間分布特征對(duì)進(jìn)一步研究根系分布規(guī)律及其影響機(jī)制、水土保持、充分發(fā)揮土地生產(chǎn)力有重要意義。河北壩上地區(qū)這種生態(tài)脆弱性和敏感性使得該地區(qū)的根系研究具有必要性。

地形是影響河北壩上地區(qū)水熱分配的首要限制因子，壩上地區(qū)坡向等不同地形條件對(duì)溫度、降水、蒸散等都有明顯的影響，導(dǎo)致根系會(huì)體現(xiàn)一定的分異規(guī)律。前人對(duì)根系的分布特征做過(guò)很多研究，其中包括對(duì)根系的生物量等指標(biāo)與土壤垂直深度關(guān)系模式的研究［8］，對(duì)根系指標(biāo)與陰陽(yáng)坡立地關(guān)系的研究［9］，以及對(duì)根系各指標(biāo)與海拔高度因素關(guān)系的研究［10］等。但已有的研究主要集中于根系垂直分異規(guī)律、根系指標(biāo)與陰陽(yáng)立地和海拔的關(guān)系等方面的研究，對(duì)生物量與4個(gè)不同坡向之間關(guān)系的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。本文旨在通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，研究河北壩上地區(qū)東、南、西、北四個(gè)坡向植物根系的垂直分異特征，進(jìn)而分析其影響因素，以期為壩上地區(qū)植物建設(shè)和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧縣大灘鎮(zhèn)二道河村壩上草原地區(qū)，所在緯度為41°32′07″—41°32′30″、經(jīng)度為116°05′—116°07′，海拔高度為1 500～1 800m。該村年平均氣溫約為0.6℃，最熱月均溫為17.5℃，年無(wú)霜期有90～150d，降水少且多集中在7—8月，年均降水量437mm左右，屬大陸性季風(fēng)氣候，年均風(fēng)速為4.41m／s，年均大風(fēng)日數(shù)達(dá)150～160d。

研究區(qū)屬中國(guó)北方溫帶典型的農(nóng)牧林交錯(cuò)區(qū)，雨熱同期，適合較多農(nóng)作物、草木的生長(zhǎng)。豐寧大灘地區(qū)壩上草原多為草甸草原，主要植物為多年生草本植物，高度30～60cm。沿壩一帶還分布有壩上天然林和灌木林，天然林多以白樺、山楊、杏林為主；灌木林有白榆、小紅柳、沙杞柳、檸條等。當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)繁茂，土壤中根系復(fù)雜繁多。4個(gè)坡向樣帶如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及四個(gè)坡向示意圖（影像來(lái)源：GOOGLE EARTH）

1.2 研究指標(biāo)與方法

根系研究發(fā)展至今，出現(xiàn)了許多測(cè)定方法，如挖掘法［11］、根鉆法［12］、根室法、土柱法等。每種方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，根鉆法是研究根系生物量最常用、最可靠的方法。本研究通過(guò)根鉆法獲取土壤樣品，稱(chēng)量其中所含的根系生物量。所使用的根鉆由荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)，其技術(shù)參數(shù)如下：重量為27kg，采樣深度為2m，采樣類(lèi)型為原狀土、直徑8cm、長(zhǎng)15cm。另附標(biāo)準(zhǔn)配置一支復(fù)合型Edelman鉆頭（直徑10cm）和一支Riverside鉆，兩者均可用于打鉆。此外，還配備有擊打手柄等相關(guān)附件。

選取的研究指標(biāo)為根系生物量，同一坡向上調(diào)查5～10個(gè)樣點(diǎn)。樣點(diǎn)的選定盡量保證從山坡的坡腳至坡頂海拔高度均勻分布，其中，南坡和北坡各10個(gè)樣點(diǎn)，東坡和西坡各5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分土層（總?cè)由顬?0cm，前30cm每5cm一層，后30cm每15 cm一層）用根鉆鉆取土柱。將其裝入密封的塑料袋并編號(hào)，然后在室內(nèi)進(jìn)行洗根。用清水將其清洗干凈后置入60℃烘箱，烘干8h至恒重，再分別使用電子天平（0.000 1g）稱(chēng)重和記錄。

為獲取水分?jǐn)?shù)據(jù)，分別在研究區(qū)東、西、南、北4個(gè)坡選取樣點(diǎn)，用剖面環(huán)刀和洛陽(yáng)鏟取0—5cm，20—25cm，40—45cm深度田間土樣。并對(duì)環(huán)刀所取土樣進(jìn)行稱(chēng)重、吸水、再稱(chēng)重處理，對(duì)洛陽(yáng)鏟所取土樣進(jìn)行稱(chēng)重、烘干、再稱(chēng)重處理，即可計(jì)算各點(diǎn)土壤容重及含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型坡面根系的垂直分布特征

選取不同坡向共22個(gè)有效樣點(diǎn)（有效樣點(diǎn)是指在0—60cm深度范圍內(nèi)均有數(shù)據(jù)的樣點(diǎn)）進(jìn)行作圖分析。其中，由于個(gè)別樣點(diǎn)打鉆時(shí)遇到礫石，東、南、西、北4個(gè)坡的有效樣點(diǎn)分別為9，5，4，4個(gè)（圖2）。

從北坡按海拔從低到高排序第1，3，6，9共4個(gè)樣點(diǎn)的曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤中的根系生物量明顯高于其它層，并隨土層深度的增加基本呈減少的趨勢(shì)，但根系生物量在10—20cm深度都會(huì)有一個(gè)峰值。對(duì)比第6點(diǎn)和第9點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)第6點(diǎn)處第二層（5—10cm）根系生物量超過(guò)第一層（0—5cm），第9點(diǎn)處第三、四層（10—15cm，15—20cm）根系生物量遠(yuǎn)超過(guò)第二層。根系生物量隨土層深度變化的規(guī)律和峰值出現(xiàn)的規(guī)律基本適用于各個(gè)坡向所有有效樣點(diǎn)。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，表層土壤（0—10cm）根系生物量的比重占到總生物量的一半以上，說(shuō)明根系主要分布于土層較淺的地區(qū)。隨著土層深度的增加，根系生物量急劇下降，最低點(diǎn)多出現(xiàn)在25—30cm深度范圍之內(nèi)，在10—20cm深度范圍內(nèi)也有出現(xiàn)。此外，北坡、西坡和東坡大部分樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示根系生物量在土層深度為15—25cm范圍內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，該峰值明顯高于周?chē)翆又械母瞪锪浚h(yuǎn)低于表層土壤的根系生物量。

圖2 四個(gè)坡向樣點(diǎn)根系生物量隨土層深度變化圖（圖例中括號(hào)里內(nèi)容為海拔）

對(duì)這22個(gè)樣點(diǎn)在SPSS中進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)根系生物量與土壤剖面深度符合指數(shù)關(guān)系。在置信水平為0.05的條件下，兩者的相關(guān)性十分顯著，回歸方程為：

式中：x——土壤剖面深度；y——根系生物量。從上式可以看出，隨著土層深度的增加，根系生物量是減少的，其變形得到根系生物量和土壤剖面深度的關(guān)系式：

從（2）式中可以發(fā)現(xiàn)，土壤剖面深度和根系生物量的自然對(duì)數(shù)是呈線(xiàn)性關(guān)系。

2.2 不同坡向根系的垂直分異規(guī)律

為了分析各個(gè)坡向根系生物量和土壤剖面深度之間關(guān)系的差異，分別對(duì)北南西東這4個(gè)坡向的所有有效樣點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如表1所示

表1 各坡向根系生物量和剖面深度回歸分析結(jié)果

從表1可以看出，各坡向的回歸結(jié)果都為顯著，說(shuō)明指數(shù)方程適用于該地區(qū)根系生物量與土層深度之間關(guān)系的計(jì)算和表達(dá)。為了進(jìn)一步分析兩者之間的關(guān)系，作根系生物量分配比例的垂直變化圖，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在0—20cm的表層土壤中，西、東、北、南坡向的根系生物量分配比例分別為75.86%，81.27%，83.19%，83.79%，說(shuō)明南坡、北坡和東坡的植物根系大多分布在較淺的土層，而西坡相較于其他三個(gè)坡向而言有更多根系分布在較深的土層。此外，在45—60cm的深層土壤中，西坡的根系生物量所占比例為7.00%，而其他三個(gè)坡向根系生物量所占的比例均小于5%，東坡的比例僅為3.79%，進(jìn)一步說(shuō)明了西坡的根系生物量分布較深，而東坡較淺。

將不同坡向各樣點(diǎn)不同土層深度的根系生物量相加，得到樣點(diǎn)的總根系量，再除以不同坡向有效樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，得到不同坡向樣點(diǎn)的平均根系生物量。北坡為16.639 7g，南坡為11.397 1g，西坡為11.998 7 g，東坡為11.007 0g。北坡根系質(zhì)量明顯高于其他坡向，比南坡高46.0%，比西坡高38.7%，比東坡高51.2%。而南坡、東坡、西坡相對(duì)差異不大，這與實(shí)際情況結(jié)合較好。

不同坡向根系的狀況還與土壤水分有密切的關(guān)系，通過(guò)環(huán)刀法測(cè)定得到不同坡向特定樣點(diǎn)的土層含水率（表2），結(jié)果表明北坡土壤樣點(diǎn)平均含水率高于南坡土壤樣點(diǎn)。因此北坡比南坡更適合生長(zhǎng)多種陰生植物，其實(shí)地測(cè)得的根系生物量也較高；而南坡較不利于植物生長(zhǎng)，大多生長(zhǎng)較為矮小的牧草等生長(zhǎng)周期短的植物，其根系生物量較小。

表2 北坡和南坡土層含水率

3 討論

3.1 河北壩上地區(qū)根系垂直分布特征

作物根系生物量在不同深度土層中的分布可用指數(shù)遞減方程y＝Ae－bx來(lái)描述。b為垂直遞減速率，b值越大，說(shuō)明根系生物量隨土層深度增加而減少的速率越大［13］。牛海等［14］針對(duì)毛烏素沙地不同水分梯度地區(qū)進(jìn)行了根系垂直分布規(guī)律的研究，4個(gè)不同梯度分別位于沙丘的頂部、中坡、下坡、丘間低地。轉(zhuǎn)換形式后的回歸分析結(jié)果表明，根系生物量隨著土壤剖面深度的加大均呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，但表1和毛烏素沙地不同水分梯度地區(qū)作物回歸方程的斜率有一定的差異，毛烏素地區(qū)作物回歸方程的斜率總體上要高于表1中方程的斜率。這說(shuō)明毛烏素地區(qū)根系重量隨土壤深度減少的速率要比河北壩上地區(qū)大，其主要原因可能為兩個(gè)地區(qū)植物類(lèi)型和土壤性質(zhì)的差異。毛烏素地區(qū)的土壤以沙地為主，受水分影響，多淺根系植物生長(zhǎng)，因此淺層土壤中根系較多，根系生物量隨深度增加的減少速率較快；而河北壩上地區(qū)多黏土和壤土，不同土壤深度中土壤水分的變化沒(méi)有在沙地中明顯，因此根系生物量隨深度增加的減少速率相對(duì)慢一些。

3.2 各坡向根系分布差異比較

植物根系的垂直分布與植物類(lèi)型、生長(zhǎng)時(shí)間、土壤水分、土壤養(yǎng)分和物理性質(zhì)、地下水位等有關(guān)。無(wú)論是高草原、混合草原，還是矮草草原和荒漠草原，其地下生物量主要集中分布在0—10cm的土層中。其中，土壤水分是限制植物根系生長(zhǎng)的最主要環(huán)境因素之一，土壤水分狀況直接影響細(xì)根生物量、生長(zhǎng)和周轉(zhuǎn)［1］。在一般情況下，南坡的水熱條件較北坡好，但是由于河北壩上地區(qū)氣候較為干旱，南坡光照強(qiáng)、土溫高，其實(shí)際蒸散發(fā)量大于北坡，從而導(dǎo)致土壤含水量低于北坡。且從野外實(shí)際情況來(lái)看，南坡的環(huán)境比較惡劣，礫石多、植物覆蓋度小，且土壤礦化嚴(yán)重。因此南坡土壤深度增加時(shí)根系的生物量會(huì)減少得較快，且根系生物量也會(huì)比北坡更小。

東坡樣地植物較為稀少且多矮小，礫石較多，水熱條件差，因此盡管其表層土壤較為肥沃，但由于根系生物量隨深度增加會(huì)迅速減少，深層土壤中根系生物量較少。而西坡樣地距離溝谷很近，土壤水分含量高，且光照適宜，溫度適中，因而在深層土壤中也會(huì)有更多根系生長(zhǎng)，所以其垂直遞減速率并不大，且平均根系生物量也是4個(gè)坡向中較大的。植物根系從水文效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)兩個(gè)方面，通過(guò)提高土壤的抗沖性、抗蝕性、抗剪強(qiáng)度和根系網(wǎng)的固土功能提高土壤的抗侵蝕能力［7］。由此來(lái)看，北坡根系生物量最大、植被蓋度好，土壤侵蝕程度較低；而南坡、西坡與東坡由于根系生物量低、植被差，所以土層淺薄、土壤侵蝕相對(duì)嚴(yán)重、地表出露礫石明顯增多。

3.3 根系生物量與土壤水分的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比各樣點(diǎn)附近的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)（表2），發(fā)現(xiàn)含水率較高的土層中根系生物量也較多。此外，干旱脅迫會(huì)使細(xì)根向深土層發(fā)展，導(dǎo)致深土層細(xì)根比例相對(duì)增加。因此，引起北坡、西坡和東坡的大部分樣點(diǎn)在土層深度為15—25cm的范圍內(nèi)出現(xiàn)根系生物量極大值現(xiàn)象的可能是因?yàn)楹颖眽紊系貐^(qū)深度為15—25cm范圍內(nèi)的土層中水分含量較高，促進(jìn)了在此范圍內(nèi)根系的生長(zhǎng)。從表2中還可以看出各層土壤含水率較高的樣點(diǎn)總根系生物量也較大。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)植物根系的分布特征進(jìn)行了大量的研究。但是對(duì)于不同坡向根系垂直分異規(guī)律的差異研究，仍然有待于進(jìn)一步加深。在河北壩上地區(qū)，有限的土壤水分條件是生態(tài)重建的主要限制因素之一。深入探討植物根系在不同坡向的生長(zhǎng)情況和分布特征，并將其與當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)重建聯(lián)系起來(lái)，對(duì)于提高當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的自我維系能力、抗干擾能力和自我恢復(fù)能力有著重要的實(shí)踐意義［8］。

3.4 植物根系的水土保持作用

土壤的抗侵蝕能力主要取決于土壤的內(nèi)在特性，如土壤的孔隙狀況、有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體能指標(biāo)［15］。土壤這些特性的優(yōu)劣，在很大程度上取決于地下植被狀況，即植物根系。植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗沖性，防止土壤侵蝕等方面發(fā)揮著極其重要的作用［2］，因此，根系具有極為顯著的水土保持功能。查軒等［16］的研究結(jié)果表明，地面林草植被遭到破壞和耕墾后，土壤的抗沖抗蝕性能明顯減弱，侵蝕由輕微突變?yōu)閺?qiáng)烈。

李勇等［17］的研究指出，草類(lèi)根系對(duì)土壤抗沖性具有強(qiáng)化效應(yīng)。20cm土層內(nèi)，根系的減沙效應(yīng)較強(qiáng)且不受坡度及雨強(qiáng)的影響。20cm以下土層根系的減沙效應(yīng)明顯降低。本文的研究區(qū)為河北壩上草原地區(qū)，植物組成以草類(lèi)植物為主。且從圖3中可以看到，各個(gè)坡向根系生物量在0—20cm土層中的分配比例均高于75%，說(shuō)明壩上地區(qū)植物的根系能夠明顯提高土壤的抗沖性。根系生物量在0—20cm土層中的分配比例以南坡最高，北坡略次之，東坡再次之，西坡最低，說(shuō)明在同等的植被條件下，南坡對(duì)于土壤抗沖性的強(qiáng)化作用最為明顯，西坡最不明顯，北坡和東坡介于兩者之間。壩上地區(qū)屬農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，土壤質(zhì)地為沙地的耕地和低覆蓋度草地土壤侵蝕強(qiáng)度最高［18］。因此，根據(jù)各坡向的水熱條件，結(jié)合植物根系對(duì)土壤抗沖性的強(qiáng)化效應(yīng)，保護(hù)和改良?jí)紊系貐^(qū)的現(xiàn)有草場(chǎng)，能夠顯著提高該地區(qū)土壤的抗沖性，進(jìn)一步降低土壤侵蝕的發(fā)生率。

4 結(jié)論

河北壩上地區(qū)土壤典型剖面根系的垂直分異特征明顯，隨著土層深度的增加，根系生物量呈指數(shù)減少的趨勢(shì)。0—20cm土壤層中的根系生物量占到了總生物量的75%以上，且在北坡、西坡和東坡土層深度為15—25cm范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)根系生物量的極大值。各坡向根系生物量自然對(duì)數(shù)的垂直分布規(guī)律基本符合線(xiàn)性方程，即lny＝A－bx，但回歸方程的系數(shù)有所不同。土壤剖面中0—20cm根系生物量分配比例以南坡和北坡最大，北坡略小于南坡，東坡次之，西坡最小。各坡向根系分布深度以西坡最深、北坡次之、東坡和南坡最淺，南坡略淺于東坡。

不同坡向根系的狀況還與土壤水分有密切的關(guān)系，含水率較高的土層中根系生物量較多，各層土壤含水率均較高的樣點(diǎn)總根系生物量也較大。由于草類(lèi)植物在0—20cm土層中根系能夠有效控制土壤侵蝕，在不同坡向根系分布的差異性會(huì)對(duì)其土壤侵蝕情況產(chǎn)生一定影響。在同等的植被條件下，南坡的水土保持作用最為明顯，北坡略次之，東坡再次之，西坡最不明顯。因此，不同坡向根系的分布特征對(duì)于更有效地控制水土流失，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

致謝：感謝北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院張科利教授對(duì)本研究的指導(dǎo)，感謝本科生方明、肖樂(lè)彧、高翔在野外采樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中做出的貢獻(xiàn)。

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