全 文 :植物生态学报 2009, 33 (4) 764~771
Chinese Journal of Plant Ecology
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收稿日期: 2008-12-15 接受日期: 2009-03-23
基金项目: 山西省自然科学基金(2007021032)和山西省科技攻关项目(2006031014)
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: mbwang@sxu.edu.cn
幼龄柠条细根现存量与环境因子的关系
荀俊杰 李俊英 陈建文 史建伟 王孟本*
(山西大学黄土高原研究所,太原 030006)
摘 要 以晋西北黄土高原区柠条(Caragana korshinskii)幼龄人工林为研究对象, 应用微根管技术(Minirhizotron
technique)对林地100 cm土层范围的柠条细根生长动态进行了观测。以2007年生长季(5~9月)的根长密度(RLD,
mm·cm–3)数据为基础, 对柠条细根现存量(RLDst, mm·cm–3)及其与环境因子(≥10 ℃积温、同期土壤积温、积降雨
量和土壤水分等)的关系作了研究。结果表明, 40~90 cm土层是柠条细根的主要分布区和生长活跃区, 其细根占细
根总量的59.7%。柠条细根现存量的季节变化特征为: 5月至9月上旬RLDst持续增加, 9月下旬RLDst略有降低。柠条
细根现存量季节变化与≥10 ℃积温、同期土壤积温和积降雨量均存在极显著正相关关系。
关键词 细根 柠条 现存量 微根管 环境因子
RELATIONSHIPS OF FINE ROOT STANDING LENGTH OF CARAGANA
KORSHINSKII SEEDLINGS WITH ENVIRONMENTAL FACTORS
XUN Jun-Jie, LI Jun-Ying, CHEN Jian-Wen, SHI Jian-Wei, and WANG Meng-Ben*
Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract Aims Fine root growth dynamics is a key aspect of the functions of forest ecosystems. Our
objective was to analyze the seasonal growth pattern of fine root standing length of Caragana korshin-
skii, an important shrub species in the Loess Plateau, China.
Methods We used the minirhizotron technique to investigate fine root growth dynamics of C. kor-
shinskii in a 5-year old plantation in the Loess Plateau area, Northwest Shanxi and, based on data of root
length density (RLD, mm·cm–3) from May to September 2007, analyzed relationships of fine root
standing length (RLDst, mm·cm–3) with environment factors such as ≥10 ℃ accumulated air tem-
perature, accumulated soil temperature, accumulated precipitation and soil water content.
Important findings The 40–90 cm soil layer was the main area of growth and distribution of fine
roots, accounting for 59.7% of the total. From May to early September, RLDst increased gradually, fol-
lowed by a slight decrease in late September. The seasonal growth pattern of fine roots was closely re-
lated to ≥10 ℃ accumulated air temperature, accumulated soil temperature and accumulated
precipitation.
Key words fine root, Caragana korshinskii, fine root standing length, minirhizotron, environmental factor
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.015
林木细根(直径<2 mm)具有较大的吸收表面
积, 是林木吸收水分和养分的主要器官。虽然细
根占林木根系总生物量的不足30%, 但其年净生
产力却占森林总净生产力的30%~80% (Vogt et
al., 1986)。细根的死亡和分解可将大量有机质和
养分元素归还到土壤中 ,每年通过枯死细根向土
壤归还的碳、养分和能量比地上凋落物多18%~
58%。如果忽略细根的生产、死亡和分解, 土壤
有机物质和营养元素的周转将被低估20%~80%
(Vogt et al., 1986; Santantonio & Grance, 1987;
Gordon & Jackson, 2000)。因此, 细根在森林生态
系统的物质循环和能量流动中起着十分重要的作
用(Vogt et al., 1986; Ruess et al., 1996; Gordon &
Jackson, 2000)。传统的根系研究方法有土钻法、
4期 荀俊杰等: 幼龄柠条细根现存量与环境因子的关系 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.015 765
内生长法、挖掘法、根室法和土柱法等(张小全和
吴可红, 2000)。微根管(Minirhizotron)法是一种非
破坏性、可以原位直接观察和研究植物细根的新
方法。自20世纪90年代以来, 已经比较广泛地运
用于农作物和野生植物细根生长动态和功能的研
究(Taylor et al., 1990; Liedgens & Richner, 2001)。
其最大优点是可以在不影响根系生长过程的情况
下, 对细根生长(从根系发生到死亡)进行长期监
测。因此, 微根管法已被用在研究植物细根的发
生、生长、死亡、寿命和物候, 以及生态系统地
下部分的碳估算和根系吸水模型的建立等方面
(Majdi,1996; Kage et al., 2004)。
柠条(Caragana korshinskii)属于豆科锦鸡儿
属植物 , 主要分布于我国北方干旱半干旱地区 ,
是黄土高原地区的最主要造林灌木树种之一。柠
条具有良好的防风固沙和保持水土功能, 同时又
是优质灌木饲料植物资源, 具有较高的生态和经
济价值(牛西午, 1999; 贾丽, 2001)。有关柠条生物
学特性、资源分布、水分利用状况及其在群落中
的作用等方面的研究较多(牛西午, 1999; 李新荣
等, 2000; Li et al., 2004), 但有关其根系分布和动
态的研究则较少。张志山等(2006)主要从研究方
法比较的角度出发, 用微根管法和根钻法对沙漠
区柠条细根生长动态进行了观测。
黄土高原地区的人工柠条林多生长在水分条
件比较严酷的生境之下。研究柠条细根分布和生
长动态不仅对深入认识它的生长规律及其与环境
因子的关系具有重要意义, 同时可为人工林营造
和管理提供有价值的参考。为此, 我们以晋西北
黄土区五年生人工柠条林为研究对象, 采用微根
管技术对柠条的细根生长动态进行了野外定位观
测。本文旨在以2007年生长季观测数据为基础 ,
对幼龄柠条细根现存量的季节变化特征及其与环
境因子的关系进行探讨。
1 研究方法
1.1 试验区概况和样地设置
试验区设在山西省五寨县张家坪林场
(111°16.296′ E, 38°58.825′ N, 海拔1 448 m), 属温
带大陆性气候 , 四季分明 , 春季干旱多风 , 夏秋
雨量集中。年平均降雨量478.5 mm, 年蒸发量
1 784.4 mm, 年平均气温4.9 ℃, 最冷月(1月)平
均温度–13.2 ℃, 最热月(7月)平均温度20.0 ℃ ,
终霜日一般在5月中旬 , 始霜日一般在9月中旬 ,
平均无霜期125 d。该区土壤为黄土状淡栗褐土,
土壤肥力较低。
试验用林分为五年生人工柠条纯林, 位于梁
峁缓坡部位, 坡度0~5°。林分源于2002年秋季播
种造林, 播种时行距2 m。在林地设置30 m×30 m
样地 , 样地四周以2 m高铁丝网维护 , 建成固定
样地。样地内有柠条11行共291株(丛), 2007年平
均株高123.6 cm, 基茎2.65 cm, 总盖度32.7%。
1.2 微根管的安装
2006年10月, 在固定样地中心25 m×25 m区
域内, 距株行0、50和100 cm位置上分别随机安装
3个微根管 , 共安装微根管9个。参照Johnson等
(2001)介绍的方法安装微根管(美国Bartz技术公
司生产)。微根管(长150 cm, 外径5. 5 cm, 内径5.0
cm)的安装与地面成45°角, 垂直深度100 cm, 露
出地面部分约20 cm。安装前管底部密封, 微根管
露出地面部分先封一层黑色胶带, 而后加封一层
黄色胶带。微根管固定之后, 用外涂白色涂料的
塑料桶(高20 cm)将管口封盖。
1.3 数据的采集、整理
2007年4月10日开始对柠条细根生长状况进
行野外观测。采用BTC图像采集系统(美国Bartz
技术公司生产)进行采样, 观测窗面积为1.8 cm×
1.4 cm, 每支管收集91~92幅图片。从2007年4月
10日开始至2007年11月15日止 , 共观测9次。用
RooTrack2.0软件(Craine & Tremmel, 1995)对所获
图像进行处理, 以获取细根长度、直径等数据。
将细根分为活根(白色与褐色细根)和死根(黑色与
两次观测期间消失的细根 )两类 (Hendrick &
Pregitzer, 1992)。依据微根管号、图框位置、取样
时间和细根编号建立细根数据库。
为了与常见的单位土壤体积为基础的细根动
态数据进行比较(Johnson et al., 2001; 白文明等,
2005; 史建伟等 , 2006b), 本文采用根长密度
(RLD, mm·cm–3) 表 示 细 根 现 存 量 (RLDst,
mm·cm–3)。
RLD=RL/A×DOF
其中, RL (mm)为观测窗中观测到的细根根
长; A (cm2)为观测窗面积; DOF (cm)为田间深度
(Depth of field) (张志山等 , 2006; 李俊英等 ,
2007)。DOF值一般在0.2~0.3 cm之间(Taylor et al.,
1970; Sanders & Brown, 1978; Itoh, 1985; Steele et
766 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33卷
al., 1997)。由于柠条的细根直径较小(详见下文),
本研究中DOF取0.2 cm。在统计细根数据时, 将观
测垂直剖面(0~100 cm)平均分为10个土层深度 ,
分层计算细根RLDst。
1.4 环境因子的观测
气象因子、土壤温度和土壤含水量等的观测
与细根观测同期进行。气温和降雨量通过在野外
设立气象站(Watch Dog, 美国Spectrum公司生产)
获取。土壤含水量用烘干法测定, 每次3个重复,
取其平均值; 土壤温度用TidbiT v2袖珍温度记录
仪(美国Onset公司生产)测定, 在20、40、60、80
和100 cm土层深度各安装温度自动记录仪1个。因
为Watch Dog气象站的降雨量测定功能法在2007
年中期出现故障, 本文降雨量数据取自距试验点
约6 km的五寨县气象站。
1.5 数据分析
由于本地无霜期介于5月中旬至9月中旬。根
据我们的气温观测数据, 2007年日平均气温≥10
℃的时期为4月下旬至9月下旬。因此, 本文主要
对当年5月至9月的柠条细根现存量变化特征进行
研究。
采用单因素方差分析和多重比较法对不同土
层以及不同月份之间细根现存量(RLDst)的差异
进行显著性检验; 采用简单相关分析法探讨细根
现存量与≥10 ℃积温、同期土壤积温、积降雨量
和土壤含水量等环境因子之间的关系。
2 结果和分析
2.1 细根直径的径级结构与季节变化情形
在观测到的细根中, 直径<0.5 mm的占92%;
直径在0.5~1.0 mm的占6.8%; 直径在1.0~1.5 mm
的占1%; 直径在1.5~2.0 mm的仅占0.2%; 细根直
径的总平均值为(0.204 6±0.075 1) mm (平均值±
标准误差, 下文同)。细根平均直径的季节变化明
显, 自5月26日开始细根直径逐渐增大, 至9月5日
达到最大(0.252 1±0.044 0) mm, 而后随着年生长
期的逐渐结束有所减小。
2.2 细根现存量的垂直分布
从柠条细根RLDst的垂直分布图(图1)可以看
出 , 在各次观测中 , 30~40 cm土层的RLDst均最
小 ; 除5月26日和9月23日两次观测之外 , 其余
各次观测的40~50 cm土层的RLDst均最大。5月26
日20~30 cm土层的RLDst最大、9月23日70~80 cm
土层的RLDst最大。30~40 cm土层的柠条细根
RLDst平均值最小(5.224 7±3.046 4), 40~50 cm土
层的细根RLDst平均值最大(17.4478±6.930 0)。方
差分析表明 , 30~40 cm土层的RLDst值与40~50
cm 土层的RLDst值, 以及50~60、70~80和80~90
cm土层的RLDst值具有差异显著(p<0.05)。总体而
言, 40~90 cm土层的细根分布最多, 占整个观测
深度总细根量的59.7%, 是柠条细根的主要分布
区(图2a)。
2.3 细根现存量的季节动态
在0~100 cm土壤剖面各个土层, RLDst的季
节变化均表现为单峰型(图3), 不同之处仅在于峰
值出现的时间不同, 并且随土层的下降, 峰值出
现的时间推后。具体表现在: 0~50 cm各土层柠条
细根现存量的峰值全都出现在8月12日, 50~60和
90~100 cm土层峰值出现在9月5日, 60~90 cm土层
峰值出现在9月23日。从整体上看(图4A), 细根现
存量的季节变化亦为单峰型 , 5月26日到9月5日
RLDst不断增大 , 并在 9月 5日达到全年峰值
(0.607 2± 0.574 5), 之后RLDst略有减小。
方差分析表明, 生长季前期(5月26日至7月4
日)之间或者生长季后期(7月26至9月23日)之间的
细根RLDst值没有显著差异(p>0.05); 但是生长季
前期(5月26日至7月4日)与后期(8月12日至9月23
日)的细根RLDst值具有显著差异(p<0.05)。
2.4 细根现存量与环境因子的关系
2007年5月26日至8月12日平均气温逐渐升
高 , 并在7月27日至8月12日平均气温达到最高
(19.98 ℃), 此后气温开始下降。≥10 ℃积温的
季节变化如图4B所示。
土壤温度的季节变化与气温的季节变化趋势
大致相同。在垂直方向上, 年均土壤温度随土层
的加深逐渐降低(图2b)。其明显特征是5月26日至
8月12日随土层的加深逐渐降低 , 此后则随土层
的加深逐渐升高。随土层的加深, 土壤最高和最
低气温出现的时间后延, 并且土壤温度的变化幅
随土层的加深而减小。土壤积温的季节变化如图
4C所示。
同期降水量为437.9 mm, 明显高于历年同期
平均降水量。其特点是是5月26日到7月26日降水
量逐渐增加, 随后呈现波动变化。积降雨量的季
节变化曲线如图4D所示。
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图1 2007年生长季各测定期幼龄柠条细根现存量(RLDst)的垂直分布
Fig. 1 The vertical distributions of fine root standing length (RLDst) of Caragana korshinskii seedlings
during the growing season in 2007
a. 5月26日 May 26 b. 7月4日 Jul. 4 c. 7月26日 Jul. 26 d. 8月12日 Aug. 12 e. 9月5日 Sept. 5 f. 9月23日
Sept. 23
图2 2007年生长季幼龄柠条细根现存量(RLDst)、土壤温度和土壤水分的总体垂直变化情形
Fig. 2 The vertical changes of average fine root standing length (RLDst) of Caragana korshinskii seedlings, average soil
water content and average soil temperature in the 100 cm soil profile during the growing season in 2007
土壤含水量的季节变化趋势大致与同期降水
量相同。相关分析表明, 柠条细根现存量季节变
化与≥10 ℃积温(r=0.971, p<0.01)、同期土壤
积温(r=0.965, p<0.01)和积降水量(r=0.926, p<
0.01)的变化均存在极显著正相关, 但是与土壤含
水量相关不显著(p>0.05)。
768 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33卷
图3 林地10个土层幼龄柠条细现存量(RLDst)的季节动态 (2007年5月~9月)
Fig. 3 The seasonal dynamics of fine root standing length (RLDst) of Caragana korshinskii seedlings
in each soil layer in a 5-year old plantation (May to Sept., 2007)
a, b, c, d, e, f: 同图1 See Fig.1
图4 幼龄柠条细根现存量(RLDst)与≥10 ℃积温及其同期土壤积温和积降水量的季节动态(2007年5月~9月)
Fig. 4 The seasonal dynamics of average fine root standing length (RLDst) of Caragana korshinskii seedlings, ≥10 ℃
accumulated air temperature, accumulated soil temperature and accumulated precipitation (May to Sept., 2007)
a, b, c, d, e, f: 同图1 See Fig.1
3 讨 论
以往研究表明 , 细根多集中分布于表土层
(Fahey et al., 1988; 李凌浩等, 1998; 杨丽韫和李
文华, 2005; 史建伟等, 2006a)。但也有研究表明
一些树种细根垂直变化不明显或中下部土层分布
较多(Jonsson et al., 1988; Dhyani et al., 1990;
Toky & Bisht, 1992)。沙漠区小叶锦鸡儿根系主要
分布于0~100 cm土层中(阿拉木萨等, 2003)。柠条
根系的已有研究显示, 在黄土高原地区, 柠条的
根系主要密集于10~100 cm土层中(牛西午, 1998);
而在沙漠区柠条的大部分根系集中在10~80 cm土
层(张志山等, 2006)。本研究表明, 40~90 cm土层
是幼龄柠条细根的主要分布区和生长活跃区。细
根集中分布于这一土层范围, 可能与植物耐旱性
和林地表土层干旱胁迫严重有关。虽然柠条耐旱
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的主要特点之一就是根茎比大, 根系发达, 但是
林地表土层水分胁迫比较严重(图2c), 而干旱胁
迫能够增加深土层细根的比例(Persson, 1983)。所
以接近表土层的细根较少 , 中下层细根较为集
中。值得注意的是, 由于试验林目前林龄较小, 随
着年趋成熟, 柠条细根在土层中的主要分布区有
可能向下延伸, 对其细根主要分布区是否会进一
步下移或下移程度如何则尚待进一步观测。
由于在一定深度之内, 土层越深, 其温度上
升或下降的时间愈滞后。大气降雨入渗到达的时
间亦愈滞后。对植物根系生长较为有利的土壤温
度和水分条件在土壤下层便相对滞后。在生长季
末的不利土壤温度条件的到来同样相对滞后。因
此, 50 cm以下土层的柠条细根现存量峰值出现时
间相对滞后, 可能与土壤温度和土壤水分的最佳
配合条件滞后有关。
植物细根的季节生长节律可以是春季和秋季
双峰型, 春季单峰型(Joslin & Henderson, 1987;
Burke & Raynal, 1994)和夏季或秋季单峰型
(Hendrick & Pregitzer, 1992; Rytter & Hansson,
1996), 这主要与土壤水分 (Harris et al., 1977;
Teskey & Hinckley, 1981)和土壤温度(Steele et
al., 1997)有关。由于水分多少和温度高低可以影
响根系对水分和矿质元素的吸收以及呼吸速率等
生理过程,从而影响根系的生长发育(Steele et al.,
1997)。本研究中柠条细根现存量的季节变化呈秋
季单峰型。分析表明, ≥10 ℃积温及其同期土壤
积温和积降雨量与柠条细根现存量的季节变化的
相关性极显著, 从新的角度上揭示了温度和水分
对柠条细根生长具有重要影响。
由于生长季柠条细根现存量具有累加性质 ,
而土壤含水量则没有这一特点。所以这二者的相
关性不显著。因此, 仅从这二者的相关性不显著
并不能排除土壤水分对柠条细根生长具有重要影
响。
鉴于细根根长密度与土壤N的有效性具有明
显的相关性(梅莉等, 2008), 土壤生物(如真菌、病
原菌和土壤植食性动物等)对细根生长亦有重要
影响(Eissenstat & Yanai, 1997)。因此, 进一步从
更广的角度探讨环境因子与柠条细根生长动态的
关系, 并继续进行柠条细根周转规律研究, 将会
使有关细根研究更加深入。
参 考 文 献
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责任编委: 杨 劼 责任编辑: 姜联合