綠洲節(jié)水型林帶單株不同土層深度根生物量

趙英銘，楊文斌，雷淵才，李 煒，孫 非，張 格，郝玉光，劉 芳

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，100091，北京；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，015200， 內(nèi)蒙古巴彥淖爾；3.國家林業(yè)和草原局內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，015200，內(nèi)蒙古巴彥淖爾； 4.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，100091，北京)

森林吸碳放氧可減緩氣候變暖[1]，中國森林生態(tài)系統(tǒng)作為全球森林生態(tài)系統(tǒng)的一部分發(fā)揮了重要的碳匯作用[2]，尤其三北防護林[3]，綠洲農(nóng)田防護林作為核心部分，固碳功能往往容易被忽略，難以全面評價生態(tài)效益。綠洲農(nóng)田防護林碳儲量由生物量和含碳量得出，生物量研究極其重要?，F(xiàn)存生物量模型[4]，種間差異大，無大徑級。魏艷敏[5]、胡莎莎等[6]、桑巴葉等[7]在新疆得出新疆楊(Populusalbavar.pyramidalisBunge.，PAP)片林生物量模型，但樣本量小、胸徑小，缺乏代表性，很難對內(nèi)蒙古磴口黃灌綠洲的窄林帶生物量進行指導(dǎo)，片林難適應(yīng)干旱氣候致林分退化成小老頭樹或死亡。三北防護林退化面積達322.6萬hm2，華北、西北地區(qū)楊樹退化也較嚴重[8]。

根系是樹木吸收水肥的主要器官和碳儲量重要組成部分，發(fā)揮著重要固碳作用；但因挖掘困難，分布復(fù)雜，目前對窄林帶結(jié)構(gòu)根生物量研究不夠深入，尤其研究根生物量不同土層深度分布及變化規(guī)律尚不多。但因其重要性直接反映林帶健康狀況，且根系與土壤間的碳循環(huán)對于土壤固碳起著重要作用[9]，所以對干旱區(qū)防護林根生物量的研究意義重大。

綠洲防護林20年為一個輪伐期，長期觀測難度大；每年調(diào)查會降低林帶保存率、防風(fēng)、固碳等效益；干旱區(qū)造林多易形成小老頭樹，年齡建模與實際不符；挖根易對渠、路、田、電造成破壞。筆者以烏蘭布和沙漠東北部磴口節(jié)水型窄林帶田渠林路式綠洲農(nóng)田防護林為研究對象，為克服長期觀測難度大，解決每年生物量調(diào)查降低林帶保存率、防風(fēng)、固碳等效益、年齡建模與實際不符、模型樣本量小和胸徑小、破壞基礎(chǔ)設(shè)施等問題，以胸徑、樹高與根生物量建模，研究林帶不同土層深度根生物量分布及其變化規(guī)律，為窄林帶農(nóng)田防護林根碳儲量研究提供參考，以便全方位評價干旱區(qū)綠洲農(nóng)田防護林的生態(tài)功能。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部磴口綠洲，地理坐標(biāo)為E 106°47′5.47″，N 40°27′28.19″，海拔1 051 m，沙丘地貌，沙壤土和黏土，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣候干旱少雨，年均降雨量144 mm，蒸發(fā)量3 000 mm左右，地下水位7～8 m，風(fēng)沙危害嚴重，是沙塵暴發(fā)源地之一。天然植被以唐古特白刺(NitrariatangutorumBor.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)為建群種。該區(qū)域為防風(fēng)固沙建設(shè)了大范圍的農(nóng)田防護林網(wǎng)。

2 研究方法

數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古磴口縣中國林科院沙林中心二實驗場水權(quán)置換渠道整改林帶更新采伐，實地調(diào)查田渠林路式2行PAP防護林，株行距2.3 m×7.2 m，林帶年齡20 a，平均胸徑(diameter at breast height,DBH)27.75 cm，平均樹高19.96 m，渠道寬4 m，渠道邊至PAP=1.6 m，PAP至柏油路1 m。

試驗儀器為CGQ-1直讀式測高儀，哈爾濱光學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)，精度0.1 m。胸徑尺，北京太平洋量具制造有限公司，精度1 mm。臺秤，神特工貿(mào)有限公司生產(chǎn)，精度0.03 kg。電子秤，JZC-TSC，上海凡展衡器有限公司生產(chǎn)，精度1 g。

筆者采用空間代替時間的方法，用同一時空內(nèi)各徑級根生物量(T)代替各時段胸徑T′，選出林帶20棵目標(biāo)樹種，調(diào)查林帶胸徑、樹高、冠幅、株行距等基礎(chǔ)參數(shù)，按徑級采伐，對林帶各徑級單株P(guān)AP固定樣方不同土層深度主根生物量(M)、側(cè)根生物量(L)進行調(diào)查。用SPSS 18.0軟件分析，將各徑級土層T與胸徑、樹高建模并篩選，以模擬林帶各時間段T′。

固定樣方調(diào)查法：以伐倒木為中心，選定樣方寬×長×深分別為2.3 m×2.5 m×2 m，分4層挖根：Ⅰ層(0～50 cm)、Ⅱ?qū)?51～100 cm)、Ⅲ(101～150 cm)、Ⅳ層(151～200 cm)。沖洗，稱鮮質(zhì)量取樣。M現(xiàn)場稱鮮質(zhì)量并測長，每隔50 cm取盤稱鮮質(zhì)量，65 ℃烘至恒質(zhì)量，鮮質(zhì)量乘以干鮮比得生物量。

根生物量公式

T=M+L。

(1)

式中：T為根生物量，kg；M為主根生物量，kg；L為側(cè)根生物量，kg。

主根生物量公式

M=∑M0ω1。

(2)

式中：M0為主根鮮質(zhì)量，kg；ω1為主根樣品干鮮比。

主根生物量公式

L=∑L0ω2。

(3)

式中：L0為側(cè)根鮮質(zhì)量，kg；ω2為側(cè)根樣品干鮮比。

L調(diào)查方法：樣方4土層，每層根系按基徑分5級：細根(<2 mm)、小根(2～5 mm)、中根(6～20 mm)、大根(21～50 mm)、粗根(>50 mm)，分別稱量總鮮質(zhì)量、兩端直徑、長度，取樣稱干質(zhì)量，計算干物質(zhì)含量。依據(jù)文獻[10]所得L建模公式(1)計算L。

(4)

式中：d1為側(cè)根基徑，cm；d2為樣方內(nèi)側(cè)根末端直徑，cm。

實驗數(shù)據(jù)采用實地調(diào)查法進行觀測，歷時45 d。

統(tǒng)計方法采用SPSS分析軟件進行線性回歸建立模型及顯著性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 各土層林帶單株P(guān)AP根系生物量及增長模擬

3.1.1 各土層林帶單株P(guān)AP生物量 隨著胸徑增加Ⅰ、Ⅱ?qū)又鞲蛡?cè)根比值呈減小的趨勢。Ⅰ層幼齡林胸徑10 cm時，M/L=2.85；中齡林胸徑時，M/L=1.40，Ⅱ?qū)佑g林胸徑10 cm時，M/L=2.85；中齡林胸徑20 cm時，M/L=2.05；近熟林胸徑30 cm時，M/L=1.76；成熟林胸徑40 cm時，M/L=1.41。胸徑大于22.85 cm在Ⅲ土層才有根生物量分布，以主根生物量為主，很少有側(cè)根生物量分布。胸徑大于36.30 cm Ⅳ層才有根生物量分布，同樣主要是主根，幾乎沒有側(cè)根分布。詳見圖1～圖4。

圖1 PAPⅠ層T與胸徑的關(guān)系Fig.1 Relationship between PAP root biomass and DBH in soil layer Ⅰ

圖2 PAPⅡ?qū)覶與胸徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between PAP root biomass and DBH in soil layer Ⅱ

圖3 PAPⅢ層T變化過程Fig.3 Variation process of PAP root biomass of in soil layer Ⅲ

圖4 PAPⅣ層T變化過程Fig.4 Variation process of PAP root biomass in soil layer Ⅳ

3.1.2 各土層林帶單株P(guān)AP根生物量增長模擬 林帶單株P(guān)APⅠ層M按照胸徑由小到大建立相關(guān)關(guān)系得到圖1，以此來模擬根、M和L的增長過程，經(jīng)過對各種模型的篩選，冪函數(shù)擬合度最好，則得到Ⅰ層M隨胸徑增長的模型

(5)

式中：M11為Ⅰ層M，kg；D1.3為胸徑，cm；相關(guān)系數(shù)R=0.979 4，經(jīng)檢驗?zāi)Ｐ头浅ｏ@著。

PAP單株Ⅰ層M按照胸徑和樹高建模，經(jīng)篩選冪函數(shù)擬合度最好得到模型

(6)

相關(guān)系數(shù)R=0.976 3，經(jīng)檢驗?zāi)Ｐ头浅ｏ@著。

同理，可由圖1～圖4，林帶單株P(guān)AP各層T、M、L與胸徑建立相關(guān)關(guān)系，得到各土層T、M、L增長模型，見表2。

3.2 各土層林帶單株P(guān)AP根生物量比較

為直觀將各徑級土層空間T乘以-1，以表示根系向下生長，再填充圖層表示不同的土層空間，得到圖5。如圖所示，每一個徑級都呈現(xiàn)出4土層空間T由淺入深逐層垂直遞減的趨勢，即Ⅰ層>Ⅱ?qū)?Ⅲ層>Ⅳ層；隨著胸徑的增長，4個土層空間T均有所增加，但增幅不同，順序與T排序一致；根總生物量亦隨胸徑累積而增長；從生長過程，胸徑10 cm和20 cmT主要分布在Ⅰ、Ⅱ土層空間內(nèi)，胸徑達到30～40 cmⅢ層和Ⅳ層才有T分布；整個過程中Ⅰ層與Ⅱ?qū)覶為主體，Ⅲ層和Ⅳ層只占一小部分。4土層T以M為主，隨胸徑增長而累積。與干旱區(qū)植物相類似[21]，PAP單株L亦呈雙層分布結(jié)構(gòu)，第1層分布在Ⅰ層，第2層分布在Ⅱ?qū)涌臻g。

3.3 各土層單株P(guān)AP根系生物量分配比例與胸徑的關(guān)系

3.3.1 各土層單株P(guān)AP根系生物量分配比例 Ⅰ～Ⅳ層T平均比例分別為59.32%、38.68%、1.82%、0.18%，如圖6所示，從垂直空間看T分配比例隨深度呈倒金字塔形狀分布；從時間尺度上看，如圖7所示，各土層生物量分配比例并不歲胸徑增長，而呈現(xiàn)明顯變化；由各土層T所占比例可知T主要分布在Ⅰ層、Ⅱ?qū)樱渲孝駥覶約占2/3，Ⅱ?qū)覶約占1/3，只有胸徑增至22.85～36.30 cm時，Ⅲ層、Ⅳ層才占有很小的分配比例。

胸徑10 cmM占Ⅰ層的比例是L的3.11倍，胸徑20 cmM占Ⅰ層的比例是L的2.22倍，胸徑30 cmM占Ⅰ層的比例是L的1.75倍，胸徑 40 cmM占Ⅰ層的比例是L的1.43倍。

胸徑10 cmM占Ⅱ?qū)拥谋壤荓的0.88倍，胸徑20 cmM占Ⅱ?qū)拥谋壤荓的0.62倍，胸徑30 cmM占Ⅱ?qū)拥谋壤荓的1.39倍，胸徑 40 cmM占Ⅱ?qū)拥谋壤荓的2.40倍。

表1 PAP各組件各土層地下生物量模型Tab.1 Underground biomass models in different soil layers of PAP of the shelterbelt

注：D1.3，cm；*P<0.05顯著,**P<0.01非常顯著，L12、T1、M1、L22、T2、M31、L32、T3、M41、L42、T4分別為Ⅰ層L、Ⅰ層T、Ⅱ?qū)覯、Ⅱ?qū)覮、Ⅱ?qū)覶、Ⅲ層M、Ⅲ層L、Ⅲ層T、主根總生物量、側(cè)根總生物量、根總生物量。Notes:D1.3, cm; *P<0.05 Significant , **P<0.01 very significant，L12，T1，M21，L22，T2，M31，L32，T3，M41，L42，andT4represents lateral root biomass in soil layer Ⅰ，root biomass in soil layer Ⅰ，main root biomass in soil layer Ⅱ , lateral root biomass in soil layer Ⅱ，root biomass in soil layer Ⅱ， main root biomass in soil layer Ⅲ， lateral root biomass in soil layer Ⅲ， root biomass in soil layer Ⅲ，total main root biomass，total lateral root biomass，and total root biomass，respectively.

圖5 林帶單株各土層空間生物量比較Fig.5 Comparison of the spatial biomass in different soil layers

胸徑30～40 cm時，Ⅲ層、Ⅳ層才有T，主要為M，很少有L分布。

圖6 PAP各土層T分配比例整體生長變化過程Fig.6 Process of root biomass growth of PAPin different soil layers

圖7 PAPⅠ～Ⅳ土層T平均分配比例Fig.7 Proportion of average root biomass of PAP in soil layer Ⅰ-Ⅳ

3.3.2 各土層單株P(guān)AP根系生物量分配比例隨胸徑增長模擬與分析 Ⅰ～Ⅳ層不同徑級T占比與胸徑數(shù)據(jù)建模相關(guān)系數(shù)均不高，模型不顯著，只有Ⅲ層擬合度略高，經(jīng)過模型篩選得到模型為

(21)

從生長過程來看林帶Ⅰ層根系占主體，以M為主，此結(jié)果與胡莎莎等[6]研究基本一致。與胡莎莎等[6]的研究不同的是：Ⅰ層根系比例減少，Ⅱ?qū)痈当壤黾?，而且胸?0 cm、40 cmⅢ、Ⅳ土層才有根系分布，以M為主，深度130 cm左右。胸徑10 cm、20 cm、30 cmⅠ層根系分別減少了17.34%、34.21%、33.79%，Ⅱ?qū)臃謩e增加了17.34%、46.74%、18.59%，胸徑40 cmⅢ、Ⅳ層T分別增加了2.43%、0.24%，詳見圖6。

4 結(jié)論

林帶T垂直空間呈倒金字塔形狀逐層遞減淺土層集中分布，且分配比例相對恒定；隨胸徑增長，4土層T、M、L均有所增加，但增幅不同，順序與T排序一致；各土層T占根總生物量分配比例雖略有浮動，但未呈現(xiàn)明顯的趨勢性變化；胸徑10 cm和20 cmT主要分布在Ⅰ、Ⅱ土層空間內(nèi)，占T分配比例分別為2/3和1/3，比例相對恒定；T集中分布在100 cm以內(nèi)，胸徑達到30～40 cm左右Ⅲ層和Ⅳ層才有少量T分布；4土層T以M為主占2/3，隨胸徑增長而累積，但Ⅰ層占比呈遞減趨勢，剩余3層則增加；L呈雙層分布結(jié)構(gòu)，第1層分布在Ⅰ層，第2層分布在Ⅱ?qū)涌臻g，生物量占1/3，Ⅰ層占比例呈遞增趨勢，Ⅱ?qū)颖壤齽t遞減。

林帶T垂直空間呈倒三金字塔形狀逐層遞減呈淺土層集中分布，隨胸徑增長而增大，適用于干旱區(qū)綠洲農(nóng)田防護林帶T、碳儲量的研究，對于全方位評價干旱區(qū)乃至三北地區(qū)綠洲農(nóng)田防護林的生態(tài)效益有重要的參考價值。

5 討論

研究結(jié)果與期望值一致，未曾預(yù)料的是各層根、M、L分配比例相對恒定，呈淺土層集中分布。

綠洲農(nóng)田防護林不同土層T垂直空間呈倒金字塔逐層遞減，與胸徑樹高正相關(guān)，分配比例相對恒定。這可能是由5個方面原因造成的：一可能是干旱氣候和地下水位較低，向水性使根系富集于0～100 cm渠道灌溉滲漏集中淺土層內(nèi)；二可能是Ⅰ層為土壤耕作層，土壤疏松、水肥充足利于根系生長，故Ⅰ層分布約2/3T；三可能是渠道行水期短，迫使根系向林帶兩側(cè)農(nóng)田生長，以滿足水肥需求；四可能是農(nóng)業(yè)機械破壞Ⅰ層耕作層根系，且為減小脅地影響林帶兩側(cè)挖0～60 cm斷根溝，迫使根從溝底向Ⅱ?qū)由L，但100 cm土層以下土壤水分逐漸減少，故L只能在Ⅱ?qū)臃植?/3的根生量；五可能是力學(xué)穩(wěn)定性迫使根系只有達到一定深度，才能起到抗大風(fēng)倒伏的作用。綠洲林帶根系呈倒金字塔垂直遞減淺層集中分布，可能是沙漠植物長期對干旱氣候、土壤、大風(fēng)、灌溉及耕作環(huán)境的一種適應(yīng)性進化的結(jié)果，這與荒漠植物T淺層分布具有一致性[11-13]。

筆者只對PAP單株T進行了研究，還需在林帶、林網(wǎng)及區(qū)域尺度上對T計算方法和結(jié)果進一步研究，以便為林帶、林網(wǎng)及區(qū)域尺度根碳儲量的研究提供借鑒。