王雪妍,張卓棟,羅夢婷,覃 昕,廖家儀
(北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院,北京100875)
根系是一株植物全部根的總稱。根系在完成植物體本身結(jié)構(gòu)功能之外,對水土保持、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)兩大領(lǐng)域都具有重大意義。植物根系能有效保持坡面土壤穩(wěn)固[1-2],還能夠作為土壤酸堿度、肥力等特性的指示劑,以及牧草養(yǎng)護(hù)、利用的基本依據(jù)[3],對理論研究和實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義。
河北壩上地區(qū)是溫帶山地落葉小葉林和溫帶草甸的交錯地帶[4],是京津地區(qū)與北部渾善達(dá)克沙地之間生態(tài)屏障[5],其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣,直接影響著京津的大氣環(huán)境和水源安全。壩上草原地區(qū)根系的分布對壩上地區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境將起到重要作用。國內(nèi)外學(xué)者已對不同地區(qū)植物根系空間分布有過大量研究,其研究對象包括新疆旱生蘆葦根系與土壤水分的關(guān)系[6]、黃土區(qū)草地植被細(xì)根垂直分布與土壤環(huán)境的關(guān)系[7]、賀蘭山油松根系空間分布特征[8]、意大利東北部Legnaro的甜菜根系[9]等。這些研究對于各地土壤中植物根系空間分異與土壤理化性質(zhì)的探索具有推動作用,然而有關(guān)壩上草原的根系研究目前還少見報道。有限的壩上地區(qū)根系研究成果主要集中在根系的生物量與坡向因素的關(guān)系等[10],對坡面根系空間變異的研究還不夠深入,無法充分掌握較大尺度的植物根系空間分布規(guī)律與空間變異程度。
相比于景觀、流域[11]等水土保持研究尺度,坡面是水土流失研究的重要單元。本研究以坡面為研究尺度,通過根鉆法實(shí)地采樣,取得壩上草原研究區(qū)坡面上樣點(diǎn)各個深度層次的根系生物量,通過空間插值等方法,構(gòu)建坡面各層次根系生物量空間分布圖,從而得到各土層根系生物量在坡面的分布特征。相比以往單點(diǎn)、單樣帶的研究,本研究中完整坡面的根系空間變異,更能反映坡面根系生物量分布的實(shí)際情況。同時,本研究在掌握坡面尺度上壩上地區(qū)根系的分布規(guī)律后,還可與小區(qū)、景觀、流域等尺度研究結(jié)合,為全面多尺度掌握壩上植物根系分布情況提供有價值的參考,為壩上地區(qū)更為精細(xì)化的水土保持工作提供建議。
豐寧壩上草原地處內(nèi)蒙古高原東南緣,燕山山脈北部。海拔高度為1 500~1 800m。區(qū)域年平均氣溫約為0.6℃,年均降水量400mm 左右[4],雨熱同期,屬大陸性季風(fēng)氣候。由歷史演變及氣候環(huán)境,這里成為北方典型的溫帶農(nóng)牧林交錯區(qū),植被以草本灌木為主。雖植被覆蓋較好,根系繁多,然而單一的植被結(jié)構(gòu),短小的生物鏈?zhǔn)贡镜厣鷳B(tài)環(huán)境極為脆弱。數(shù)十年內(nèi),草原發(fā)生了嚴(yán)重的退化現(xiàn)象,土壤貧瘠,蒿類繁盛,風(fēng)災(zāi)增多,侵蝕嚴(yán)重[5]。
本研究選取樣地為河北省豐寧縣大灘鎮(zhèn)二道河村火石溝南側(cè)一東坡,位置41.534°N,116.112°E,坡向88°,東西跨度280m,南北跨度200m,總面積約27 000 m2。坡面坡度14.8°,平緩延綿,屬于典型的壩上草原丘陵山地地形[4]。坡面各樣點(diǎn)優(yōu)勢種包括中華隱子草、散穗早熟禾、金狗尾草等典型溫帶草甸的植被類型[4]。坡面土地利用以放牧為主,坡面南北二百米外均為耕地,土地利用類型具較強(qiáng)的壩上地區(qū)代表性[5]。因此,該坡面具有典型壩上草原坡面特征。
圖1 樣地?cái)?shù)字高程模型及三維模型
本研究以根系生物量為指標(biāo),使用Eijkelkamp根鉆Edelman型鉆頭,采集直徑8cm、長15cm土柱。在實(shí)地考察時,將研究地坡脊及坡谷,分別作為凸坡和凹坡樣帶,并以此為樣地邊緣。隨后根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,將本研究區(qū)分為四個部分,包括凸坡、偏凸坡、偏凹坡和凹坡。沿樣帶位置采集樣點(diǎn),其中凸坡9個樣點(diǎn),凹坡8個樣點(diǎn),兩個過渡地帶各5個樣點(diǎn)。每樣點(diǎn)分8個層次(0—30cm段分層間隔5cm,30—60cm段分層間隔15cm)。為便于下文敘述,將27個樣點(diǎn)分別依照不同坡型樣帶分類編號,如圖1所示。
在實(shí)驗(yàn)室對土壤根系樣品進(jìn)行清洗,分揀操作。將經(jīng)過粗處理的根系置于60℃烘箱內(nèi)烘8h至恒重,再使用研缽、鑷子、有機(jī)玻璃棒等工具將根系與附著的土壤顆粒分離。最后使用精確至0.000 1g的電子天平對處理后的根系進(jìn)行稱重并記錄。
利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,完成可靠性檢查后,進(jìn)行根系生物量隨深度變化的回歸分析,得到指數(shù)回歸方程。同時,將各樣本根系生物量數(shù)據(jù)及點(diǎn)位空間信息導(dǎo)入ArcGIS 10.2軟件,運(yùn)用泰森多邊形法改良的自然鄰近插值法(Natural Neighbor)對根系數(shù)生物量進(jìn)行空間插值,得到根系生物量在不同深度的根系密度的空間插值圖,并進(jìn)行交叉驗(yàn)證,對插值結(jié)果進(jìn)行可靠性評價。該插值法具有使用便捷、參數(shù)簡單,運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。
本次采樣中,共得到206份土樣。統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。
由表1可知,凸坡平均根系生物量最高,達(dá)到4.68g/L。偏凸坡相差不大,數(shù)值為凸坡的91%,而凹坡及偏凹坡平均根重較少,分別只達(dá)到凸坡的79%和58%。在各個坡形中,偏凹坡土樣之間根重差距較大,從最小值到最大值,增大了將近300倍,其變異系數(shù)也遠(yuǎn)高于其他坡形。
表1 不同坡形的樣本統(tǒng)計(jì)特征
表2 不同深度樣本根系生物量密度統(tǒng)計(jì)特征
由表2可知,從表層0-5cm段15.59g/L至底層的30—45cm段0.88g/L,根系生物量平均值減少為原先的二十分之一。各個深度層次土柱的變異系數(shù)相差不大,均在0.55左右,其中25—30cm深度的變異系數(shù)相對較大,20—25cm深度的變異系數(shù)最小。
由自然鄰近插值法(Natural Neighbor)法,得到不同深層根重插值圖(圖2)所示。根系生物量的極大值即各圖中顏色比周圍區(qū)域更深的點(diǎn)。插值得到的極大值結(jié)果無論屬于樣點(diǎn)上還是樣點(diǎn)之間,大多都位于樣地的邊緣,即坡度變化較大的地形轉(zhuǎn)變處。例如,凸坡邊緣即為坡面與坡脊的轉(zhuǎn)變處,出現(xiàn)根系生物量極大值樣點(diǎn)7個(圖2c中A2,A6兩點(diǎn)、圖2d中A6點(diǎn)、圖2e中A1,A6兩點(diǎn)、圖2f中A7點(diǎn),圖2i中A7點(diǎn),具體點(diǎn)編號位置信息見圖1);凹坡即坡面與溝谷的轉(zhuǎn)變處,出現(xiàn)根系生物量極大值的樣點(diǎn)有10個(圖2b中D4點(diǎn)、圖2c中D1點(diǎn)、圖2d中D6點(diǎn)、圖2e中D5與D6之間一點(diǎn)、圖2f中D1,D6兩點(diǎn)、圖2g中D4,D6兩點(diǎn)、圖2h中D4點(diǎn)、圖2i中D6點(diǎn))。
除位于南北兩邊緣的凸坡和凹坡的坡型極值外,東西兩邊緣坡底和坡頂?shù)暮0螛O值處也因“地形轉(zhuǎn)變”而出現(xiàn)根系生物量極大值。坡頂即坡面與山頂平面的地形轉(zhuǎn)變處,出現(xiàn)根系生物量極大值的樣點(diǎn)有5個(圖2b中A1點(diǎn)、圖2c中D1點(diǎn)、圖2e中A1點(diǎn)、圖2f中D1點(diǎn)、圖2h中D1點(diǎn));坡底即坡面與山底平面的地形轉(zhuǎn)變處,出現(xiàn)根系生物量極大值的點(diǎn)約有2個(圖2b中B5點(diǎn)、圖2f中B5點(diǎn))。在四條邊緣線上,或由于坡面形狀原因,坡頂和坡底出現(xiàn)的根系生物量極大值次數(shù)較少,凸坡和凹坡的根重極大值樣點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)更大。在 ArcGIS 10.2中采用 Geostatistical Wizard功能對各深層插值結(jié)果進(jìn)行Cross Validation(交叉驗(yàn)證)。在Prediction Error窗口中得到Mean(誤差平均值)、Root-Mean-Square(誤差均方根)、Mean Standardized(誤差標(biāo)準(zhǔn)平均值)、Root-Mean-Square Standard(誤差標(biāo)準(zhǔn)均方根)、Average Standard Error(平均標(biāo)準(zhǔn)誤差),結(jié)果如表3所示。
各深層插值平均相對誤差最小為10.2%,最大為35%,平均值20.8%。表層由于少量土樣位置靠近植株,根系生物量異常大,導(dǎo)致平均標(biāo)準(zhǔn)誤差加大。隨層次加深,平均標(biāo)準(zhǔn)誤差略有有減少趨勢??傮w插值結(jié)果較為理想。
根系生物量密度隨深度增加,迅速下降并漸漸平緩趨于零值,具有指數(shù)為負(fù)時的指數(shù)函數(shù)變化特征。將根系生物量密度(g/L)取自然對數(shù)形式,和剖面深度進(jìn)行回歸,方程形式如下:
lny=a-bx
其中縱截距a代表表層土壤根系生物量水平,斜率的負(fù)值b表達(dá)隨深度增加時,根系生物量密度降低的速率[8]。繪制根系生物量密度隨深度變化散點(diǎn)圖及擬合線如下(圖3)。
圖2 不同層次根系生物量插值圖
表3 插值模型交叉分析結(jié)果
圖3 各坡型根系生物量密度隨深度變化散點(diǎn)圖及回歸曲線圖
比較不同坡型散點(diǎn)圖,其中凸坡、凹坡都存在若干根系生物量密度極大值,散點(diǎn)分布較為規(guī)律;偏凹坡數(shù)值較低且散點(diǎn)分布較為分散;偏凸坡樣點(diǎn)中有根系生物量最大超過50g/L,為所有樣品中最大值,散點(diǎn)分布非常集中。比較四條回歸擬合曲線,凹坡縱截距最大,表層根系生物量水平最高;凸坡其次,與總平均情況相當(dāng)。偏凸坡斜率最高,其根系生物量隨深度增加而降低速率最快;偏凹坡斜率最低,其生物量降低速率最緩。將各坡型散點(diǎn)圖分別進(jìn)行回歸(表4),均符合指數(shù)遞減關(guān)系。在0.05置信水平下,結(jié)果均顯著。進(jìn)一步由不同坡形的回歸方程可知,在本研究中,由凸坡到凹坡的四種坡形的b值分別為6.05,6.80,5.24,5.70,表明不同的地形單元的植物根系,其生物量隨深度增加而降低的速率有所不同。
表4 各坡向根系生物量和剖面深度回歸分析結(jié)果
在坡面尺度上,地形的分布決定了水熱再分配,從而決定了植物根系生物量在空間上的分布。干旱少雨是壩上地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的主導(dǎo)因素[11],坡面水分條件從坡底到坡頂漸差,因此植物根系量漸低。孫中鋒指出,在坡面不同立地條件的天然灌木林分的生物產(chǎn)量一般由坡下至坡上遞減[12],本研究中由0—60cm根系生物量插值結(jié)果(圖2a)可知,與之結(jié)論相同。減少趨勢中的波動,或與牲畜放養(yǎng)和人為因素有關(guān)。坡底屬于三道河一級河流階地,又恰好有鄉(xiāng)間土路穿過,牲畜覓食踩踏、人類的走動、農(nóng)用車的行駛?cè)菀讓ο缕碌闹脖划a(chǎn)生影響。從單個層面而言,不同坡形的根系生物量情況有所不同,根重極大值出現(xiàn)在樣地邊緣。其中,凸坡根重是對土壤侵蝕不利條件的逆反饋。由于土壤侵蝕嚴(yán)重,細(xì)顆粒少,礫石較多且空隙大。冷蒿根系緊密攀附于礫石上,填補(bǔ)了礫石之間的空隙。而凹坡的根重情況,是充足水分條件的正反饋。凹坡本身可以匯聚雨水及山坡上沖刷下來的土壤顆粒,水土條件優(yōu)越,植被覆蓋度高,單位面積植株數(shù)量多,所以根重多出現(xiàn)極值。
除水平分布外,根系生物量在垂直方向上的分布與土壤固土保水性能有密切聯(lián)系。根系對土壤的加固是由于它們的拉伸強(qiáng)度和摩擦或粘附性質(zhì)[13]。其中垂直于土壤表面延伸的根對土壤的加固,是通過增加根土體在剪切面上的的剪切強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的[14]。根系生物量隨深度增加減少的速率,決定了其剪切強(qiáng)度。
本研究中根系生物量密度與剖面深度符合指數(shù)回歸關(guān)系lny=a-bx。已有研究指出,指數(shù)回歸式中b值越大,根系生物量隨土層深度增加而減少的速率越大,剪切強(qiáng)度越差,保水性能越差[15]。王詩楠等在壩上草原同一地區(qū)以同樣公式分析不同坡向的根系生物量隨深度的變化,得到lny=2.540-0.039x的回歸方程。本研究在此基礎(chǔ)上,將根系生物量質(zhì)量替換為根系生物量密度,解決了不同體積土樣相互比較的問題,使方程更加嚴(yán)謹(jǐn)。在本研究中,由凸坡到凹坡的四種坡形的b值分別為6.05,6.80,5.24,5.70,說明凸坡及偏凸坡的根系生物量隨深度增大而減少的速率大,深層次根系生物量較總量相比相對較少,對深層次水分吸收利用能力較弱,保水性能差;而凹坡及偏凹坡的由于b值相對較小,根系生物量隨深度增大而減少的速率小,深層次根系生物量相對較多,能更多吸收利用深層次的水分,保水性能好,這與楊巧麗等人對于本公式b值與根系保水性能的闡釋相符合。王巧利曾指出黃土高原溝谷地、近地表1 mm層根系生物量較大[16],本研究通過以上指數(shù)回歸結(jié)果,發(fā)現(xiàn)壩上草原的根系生物量隨深度變化也有類似現(xiàn)象。
但在這樣的趨勢下,保水性能并非沿坡型單調(diào)變化,而是存在波動。偏凸坡保水性能比“凸特征”更明顯的凸坡保水性能差,偏凹坡的保水性能比“凹特征”更明顯的凹坡更好。這樣非單調(diào)的變化與樣地地下鈣積層及回歸方法帶來的誤差有關(guān)。鈣積層是土壤淋溶作用所致,其結(jié)構(gòu)緊實(shí),通透性差,影響根系向深層發(fā)展[17]。凸坡在中坡以上的部分樣點(diǎn),由于達(dá)到鈣積層,根系生物量降為零無法參與指數(shù)回歸,現(xiàn)實(shí)中其凸坡b值或許大于偏凸坡。其次本研究坡面地形復(fù)雜,一條弧形沖溝位于偏凹坡樣帶中下坡位置上,使偏凹坡某些位置匯水聚土能力較凹坡更佳,從而利于根系保水。所以本文認(rèn)為,在保水性能自凸坡向凹坡逐步改善的趨勢下,鈣積層位置導(dǎo)致土壤保水性能降低,溝壑位置有助于土壤保水性能提高,這些客觀因素也對根系生物量的分布起到作用。
在草原坡面上,加強(qiáng)植物根系是最經(jīng)濟(jì)高效的水土保持手段。其中水保效果好,利于根系生長的區(qū)域應(yīng)該進(jìn)行重點(diǎn)撫育保護(hù),以解決時間緊、任務(wù)重、資金短缺、成活率不高等問題[18]。根系對土壤錨固效果在很大程度上取決于空間密度和深度[19],所以了解根系生物量在空間密度及各深度的分布,對于草原坡面植被分布具有很大意義。王詩楠等在壩上草原同樣區(qū)域,采用類似方法研究了不同坡向上根系分布情況,得出南坡保水性能最佳[8]的結(jié)論。本文在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了同一坡向不同坡形的根系空間分異。
在空間密度上,應(yīng)利用坡面地形轉(zhuǎn)折處對植被根系發(fā)展的優(yōu)勢,繼續(xù)于凸坡脊、凹坡溝、坡頂、坡底等重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┲脖粨嵊?。使之在適宜的條件下,形成不同深度貫通的根系網(wǎng)格,從而增加地表粗糙度,攔截坡面徑流,削減流速,防止坡面侵蝕[20]。程龍飛曾提出,坡頂風(fēng)化強(qiáng)烈,發(fā)生暴雨時其水流拖曳力及水流上升力會加劇水土流失[21]。這一結(jié)論與本研究對坡面網(wǎng)格的重點(diǎn)區(qū)域選擇觀點(diǎn)相同。同時在深度分布數(shù)據(jù)中,由于溝壑處根系生物量隨土層深度增加而減少的速率最小,保水性能最佳,所以在溝谷充分利用水分條件,加強(qiáng)植被覆蓋,其成功率較高。此外,坡底是坡面水土流失的最后一道屏障,相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)管理,減少牲畜覓食、人類通行踩踏、機(jī)動車碾壓等等對坡底植被的破壞。綜上所述,通過四周植被“框”、溝壑植被“帶”以及坡底人為保護(hù)等措施,迅速建立起第一層植被防護(hù),將有利于完成草原坡面進(jìn)一步的更為全面的植被保護(hù)。
本研究利用根鉆實(shí)地采樣并分析,得到壩上草原坡面根系生物量在空間密度及深度上的分異規(guī)律。在空間密度方面,根系生物量的極值多分布于坡面區(qū)域的邊緣,即地形轉(zhuǎn)折處,其中凸坡和凹坡極大值出現(xiàn)最多,中下坡根系生物量相對較多。在深度方向上,根重密度隨深度呈指數(shù)函數(shù)變化的特征,在凸坡和偏凸坡根系生物量隨深度減少速率較大,保水性能較差,凹坡和偏凹坡根系生物量隨深度減少速率較小,保水性能好的趨勢下存在小范圍波動,即含有鈣積層的位置根系保水作用更差、溝壑處根系保水作用更佳。
當(dāng)水土保持縮小到坡面研究尺度時,影響根系分布的因素主要為微地形因素。因此在恢復(fù)草原坡面植被時,應(yīng)抓住地形特點(diǎn),有重點(diǎn)地分階段開展工作。首先應(yīng)利用上述根系生長的有利地形,如地形轉(zhuǎn)折處,在坡面邊緣迅速覆蓋第一批植被網(wǎng)格。同時利用溝壑保水有利條件,加強(qiáng)溝壑及周邊植被覆蓋,此后再逐步鑲嵌填充,完成整個坡面的植被恢復(fù)與穩(wěn)固。
致謝:北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院張科利教授對本研究進(jìn)行了理論指導(dǎo),高曉飛高級實(shí)驗(yàn)師對實(shí)驗(yàn)室烘干等操作提供了詳細(xì)指導(dǎo),董衛(wèi)華副教授提供為本研究提供了Tremble GeoExplorer 6000 XT亞米級GPS儀器,本科生張東宇、董釗永在野外采樣及樣品處理過程中做出了貢獻(xiàn),在此一并致謝。
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