全 文 ： 2010年 12月
8(6):41-46
中 国 水 土 保 持 科 学
ScienceofSoilandWaterConservation
Vol.8 No.6
Dec.2010
泥石流源区新银合欢细根质量动态与垂直分布特征
郭灵辉1, 2, 3 , 王道杰 1, 2 , 张云红 1, 4 , 矫震1, 2, 3 , 陈东1 , 2, 3
(1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室;
2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所:610041,成都;
3.中国科学院研究生院 , 100049,北京;4.山东师范大学人口资源与环境学院 , 250014, 济南)
摘要 以中国科学院东川泥石流观测站人工林中 3、 5、9、14和 20年生新银合欢为研究对象 , 采用分层挖掘法对距
树干 1.0m处细根质量动态与细根质量密度分布进行研究。结果表明:新银合欢细根质量在相同范围剖面中并非
随树龄的增加而单一增大 ,而是先减小后增大;不同树龄细根质量密度最大值都出现在 0 ～ 20cm土层 ,呈现出明显
的表聚特征 ,但随树龄的增加 , 根系集中化特征减弱 ,表现为向深层化扩张 、均匀化方向发展;细根质量密度与土层
深度相关性关系明显 ,垂直分布特征遵循指数函数分布 , 其中根径 D≤2mm细根在细根分布特征中起主导作用 , 而
2mm
收稿日期:2009-11-19 修回日期:2010-09-10
项目名称:国家自然科学基金 “固氮植物防治泥石流的抑灾作用机制研究 ”(40771025);中国科学院知识工程重要方向课题
“震裂坡地暴雨型泥石流滑坡区生态恢复理论与技术 ”(kzcx2-yw-332);国家科技支撑计划课题 “西南重大水电工
程区生态保护与泥石流滑坡防治技术开发”(2008BAD98B06-3)
第一作者简介:郭灵辉(1983— ), 男 ,硕士研究生。主要研究方向:植物生态学。 E-mail:2277410@163.com
责任作者简介:王道杰(1968— ), 男 ,副研究员。主要研究方向:水土保持及生态修复。 E-mail:wangdj@imde.ac.cn
Dynamicsandverticaldistributionpatternsoffinerootweightsof
differentagedLeucaenaleucocephalastandindebrisflowsourcearea
GuoLinghui1, 2, 3 , WangDaojie1, 2 , ZhangYunhong1, 4 , JiaoZhen1, 2, 3 , ChenDong1, 2, 3
(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandEarthSurfaceProcesses, ChineseAcademyofSciences, 610041, Chengdu;
2.ChengduInstituteofMountainHazardsandEnvironment, MinistryofWaterResources, ChineseAcademyofSciences, 610041, Chengdu;
3.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences, 100049, Beijing;
4.ColegeofPopulationResourcesandEnvironment, ShandongNormalUniversity, 250014, Jinan:China)
Abstract Inthisstudy, Dynamicsandverticaldistributionpaternsoffinerootweightsofdiferentaged
Leucaenaleucocephalawereinvestigatedbymeanofdigmethodfromuptodownatthedistance1.0 m
fromthestem, inDongchuanDebrisFlowObservationandResearchStation, ChineseAcademyofSci-
ences.Theresultsindicatedthattheweightsoffinerootsoftreewerenotsolelyincreasingwiththein-
creasingtreeage, butdecreasedatfirstandthenincreasedinthesimilarlyrangedprofile.Themaximum
weightdensitiesoffinerootsfordiferentagedtreewerecompletelylocatedat0 -20 cmsoillayer, also
therootappearedanobviousaccumulationtraitinthetopsoillayer.However, itscentralizedfeature
weakenedasthetimewentby, showingadeep-seatedanduniformgrowtrend.Inaddition, therewere
apparentcorelationsbetweensoildepthsandfinerootweightdensities, whichdecreasedatanexponent
functionwithincreasesofsoildepths.Comparedwiththelessimportantparticles(2 mm
rootweights, whichwilbetheimportantbasisofdebrisflowcontrolwithbiologicalmeasures.
中国水土保持科学 2010年
Keywords Leucaenaleucocephala;fineroot;rootweightdynamics;rootweightdensity;debrisflow
sourcearea
泥石流是山区常见的自然灾害 ,具有点多面广 、
暴发突然 、来势凶猛 、成灾迅速且活动频繁重复成灾
等特点 。据不完全统计 ,全国 2 800多个县级行政
单元中 ,约有 950个县市分布着 8万余条泥石流沟 ,
其中严重的有 8 500余处 ,其活动区域面积约 430
万 km2 ,其中活动强烈的地区达 130万 km2 [ 1] ,每次
灾害的发生都会给当地生命财产带来巨大的损失;
因此 ,探求有效的泥石流防治措施尤为重要 。生态
工程措施是泥石流治理的重要措施之一 ,在目前泥
石流综合防治体系建设中 ,几乎都包含有生态工程 ,将
植被保护 、建设与泥石流防治土木工程并重[ 2-3] 。
植物根系能够提高土壤抗侵蚀能力 [ 4-6] ,是生态
工程治理灾害的重要组成 。根系中的细根成分不仅
是林木吸收养分和水分的主要器官 ,在森林生态系
统碳平衡和养分循环过程中起着重要作用[ 7-9] ,而且
也是植物提高土壤抗侵蚀能力的重要因素 ,在稳定
土壤结构 、提高土壤抗冲性 、防治土壤侵蚀等方面有
着粗根无法比拟的作用 [ 10-12] 。细根有较强的固持
土壤功能 ,与土壤抗冲性关系密切 ,用不同土层中细
根根系的分布状况估算土壤抗冲性强化值的大小更
能揭示根系的作用实质[ 13-16] ,同时 ,细根的存在能
够有效地增加土壤中水稳性团聚体的数量 ,改善土
壤结构 ,抑制土壤侵蚀 [ 17-18] ;但是大多数相关研究
主要集中在根系(尤其是细根)对抑制常规侵蚀的
作用 ,对于极端侵蚀类型中泥石流源区植物细根分
布及固土能力研究甚少。新银合欢 (Leucaena
leucocephala)抗旱 、抗瘠薄 、耐高低温 、生长迅速 、再
生能力强 ,是泥石流频发区荒山治理极有潜力的先
锋树种 ,已在该区域大面积营造;因此 ,对泥石流源
区新银合欢细根根系动态与分布特征进行研究 ,以
期为泥石流源区植物根系构型及含根土体固土模型
等抑灾研究提供理论参数 。
1 研究区概况
研究区位于中国科学院东川泥石流观测站所在
的蒋家沟流域。地貌类型为侵蚀中山 ,海拔在 1 042
～ 3 269 m之间。区内多年平均气温 20.2 ℃,极端
最高气温 40.9 ℃,极端最低气温 -6.2 ℃,年活动
积温 7 177 ℃,年日照时间 2 292.4 h,年太阳辐射总
量为 138.8kJ/cm2 ,干湿季分明 , 88%的降雨集中在
湿季(8— 10月),年均降雨量 691.3 mm,年均蒸发
量 3 752.17mm,蒸发量是降雨量的 5倍多 ,相对湿
度 54%,属于半干旱气候区[ 19] 。该流域有支沟 200
多条 ,地表形态十分复杂 ,滑坡和崩塌活动面积占流
域面积的 61%,松散固体物质储备丰富 ,一到雨季 ,
泥石流频频发生 ,每年平均超过 10次。在长期的水
土流失和泥石流作用下 ,该区石漠化严重 ,土壤含砾
石较高。植被类型和种类组成具有明显的分异性 ,
从谷地到分水岭可以分为 3带 ,依次为稀树草原带 、
针阔叶混交林带和灌丛草甸带 [ 20] 。主要乔木树种
有新银合欢 、赤桉 (Eucalyptuscamaldulensis)、滇青
冈 (Cyclobalanopsisglaucoides)、云 南 松 (Pinus
yunnanensis)等 , 灌木树种主要有苦刺 (Sophora
davidi)、马 桑 (Coriariasinnica)、南烛 (Lyonia
ovalifolia)等 , 草木植被主要有扭黄茅(Heteropogon
contortus)、香茅(Cymbopogonjwarancusa)、小叶荩草
(Arthraxonlancifolius)等。人工新银合欢于 1988年
在该区荒坡上以实生苗种植而成 ,种植后一直封育
禁伐 ,目前已经成片成林 ,胸径大于 3 cm的种群密
度大约为 2 517株 /hm2 ,林下自然萌发的幼苗密度
达到 4 150株 /hm2 [ 21] 。
2 研究方法
1)标准木选取。 2008年 7— 9月 ,在中国科学
院东川泥石流观测站附近选择长势良好的人工新银
合欢林 ,设置 20 m×20 m的调查样地 ,调查样地内
新银合欢的胸径 、树高 、冠幅和枝下高并编号。由于
新银合欢人工林生境条件比较相似 ,经统计分析 ,样
地内所调查的 22株样木胸径和树龄具有很强的相
关性(y=2.11x+0.49, R2 =0.97, P<0.05);故以
平均胸径作为地上标准木选择的依据 ,同时结合株
距和恢复区的扰动情况 ,实验最终确定 3年生 、5年
生 、9年生 、14年生和 20年生 5个龄级标准木各
1株。
2)根系调查。在距树干 1.0 m处自上而下采用
分层挖掘法分层取样 ,取样器大小为 10cm×10cm×
10 cm, 每层深度 20cm, 每个剖面挖 9层 ,自上而下
进行土样编号密封带回实验室。采用水洗法将土样
倒入桶中 ,用水拌匀 ,然后过 0.25 mm筛子 ,每个土
样重复 3次 ,尽量收集土样中所有根系 。鲜根风干
称量 ,分根径 D≤2 mm、2 mm
mm3级测量并记录 。为区分根系的功能 ,按根径大
42
第 6期 郭灵辉等:泥石流源区新银合欢细根质量动态与垂直分布特征
小分为粗根和细根 ,一般认为根径 2 ～ 5mm以下[ 22]
为细根 ,但也有文献定义为 2mm以下[ 23] 。本研究以
根径 5mm以下(包括 5mm)为细根。
3)根质量密度。
Dw=wd/abc (1)
式中:Dw为细根质量密度 , mg/cm3;a取样器长度 ,
cm;b为取样器宽度 , cm;c为取样器高度 , cm;wd为
某土层 d级细根质量 , g;土层总细根质量为各级细
根质量之和 。
3 结果与分析
3.1 细根质量与根质量增长量变化特征
新银合欢细根的生长除受生物学特性影响外 ,
也受其生境的影响。不同树龄新银合欢剖面全样品
细根质量和根质量增长量变化(图 1)显示 ,新银合
欢细根质量随树龄的增加先减小后增大。早期 3 ～
5年生 ,由于和其他草本 、灌木生境资源的竞争 ,距
树干 1.0 m处细根质量较大 ,所取样品中最大总根
质量 30.26 g;随后几年时间内 ,由于根系迅速向外
扩张 ,距树 1.0 m处细根质量有所减少 , 5年生新银
合欢总根质量由 28.80 g下降到 9年生的 20.01 g,
减少幅度为 31%;9 ～ 20年生间 ,距树 1.0 m处细根
有所增加 ,但增加幅度前快后慢 ,最后趋于稳定 , 9 ～
14年生细根年均增加幅度约为 2%, 14 ～ 20年生细
根年均增加幅度约为 0.1%。植物不同生命周期细
根的生长发育有着不同的特征 ,表现出明显的阶段
性 [ 24-25] ,新银合欢细根质量的动态特征可能与新银
合欢人工林生命周期有关。也有研究 [ 26]表明人工
林幼龄阶段 ,土壤有机养分和有效养分含量较高 ,中
龄阶段最低 ,成熟阶段又有所回升 。人工林下不同
发育时期土壤养分的变化也可能是新银合欢细根质
量动态变化的又一个原因。
图 1 不同树龄新银合欢细根质量和根质量增长量变化
Fig.1 ChangesoffinerootsweightsandweightgrowthsofLeucaenaleucocephalaunderdiferentagedphases
细根质量随树龄变化的动态特征是不同径级细
根共同作用的结果 ,由表 1可知:D≤2mm细根质量
随树龄变化趋势与总细根质量变化趋势类似 ,龄级
间增量所占比例大 , 分别占总细根质量增量的
93%、95%、78%和 61%,从量上决定着总细根质量
随树龄的变化特征;而 D>2 mm细根质量动态趋势
不同 , 3 ～ 9年生 D>2 mm细根质量增加 , 9 ～ 20年
生 D>2 mm细根质量减少 ,但其变化幅度较小 ,对
整个细根质量变化趋势影响不大。
表 1 不同径级新银合欢细根质量增量变化
Tab.1 ChangesoffinerootsweightgrowthsofLeucaena
leucocephalatreeunderdiferentdiameterclasses
树龄阶段
年生
根质量增长量 /g
D≤2 mm 2 mm
质量增量比例 /%
3～ 5
5～ 9
9～ 14
-1.58
-9.27
2.72
0.13
0.48
-0.75
93
95
78
14～ 20 0.45 -0.28 61
3.2 细根质量密度垂直分布特征
图 2为距径向 1.0 m处 ,不同树龄新银合欢细
根质量密度垂直分布曲线和分布累计曲线 ,可以看
出 , 3、5、9、14和 20年生新银合欢最大细根质量密
度都位于表层 0 ～ 20 cm, 分别占其细根质量的
42%、47%、29%、25%和 29%。细根在土层中的分
布状况是林木特性和生存环境条件综合作用的结
果 ,土壤资源的异质性主要表现在立地条件和土壤
养分水分状况上 ,新银合欢细根根系的这种分布可
能与土壤表层具有更好的细根生长条件有关。有研
究 [ 27]表明人工林土壤养分表聚现象十分明显 ,利于
植物根系生存 。
细根质量密度分布累计曲线还表明 ,新银合欢
细根主要集中在 0 ～ 100 cm土层中 ,占样品总质量
的 65%以上 ,但集中程度随树龄的增加有所降低 ,
3、5、9、14和 20年生新银合欢在该层中的细根质量
密度比例分别为 84%、83%、72%、67%和 80%。其
中:0 ～ 40cm土层中 , 3、5、9、14和 20年生新银合欢
43
中国水土保持科学 2010年
细根质量密度比例分别为 52%、57%、48%、33%和
39%;在 40 ～ 100 cm土层中 ,各自比例分别为 32%、
26%、24%、34%和 41%,随树龄的增加 , 0 ～ 40 cm
土层细根质量密度比例降低 , 40 ～ 100 cm土层细根
质量密度比例增加 ,这说明根系分布随树龄的增加
向深层次扩张程度加大 ,表现为 “层次均匀化 ”发展
动态。阿拉木萨等[ 28] 对沙地人工小叶锦鸡儿
(Caraganaicrophyla)植被根系与土壤水分关系
研究发现 ,人工林小叶锦鸡儿植被根系主要集中
在 0 ～ 100 cm土层 ,但 19年生人工小叶锦鸡儿植
被根系集中程度低于 4年生植被;与 4年生人工
小叶锦鸡儿植被相比 , 19年生植被根系尤其是吸
收根主要分布层较深且均匀 ,这与我们的研究结
果相似 。
图 2 不同树龄新银合欢细根质量密度垂直分布曲线与分布累计曲线
Fig.2 Verticaldistributionpaternsandaccumulationcurvesoffinerootwightdensitiesof
Leucaenaleucocephalatreesunderdifferentages
对图 2进一步分析表明 ,各龄级细根质量密度
随深度递减 ,但随树龄增长递减速度不同。其中:3
年生新银合欢在 20 ～ 40 cm土层细根质量密度迅速
减少 ,减少幅度为其总根质量密度的 32%, 40 ～ 60
cm土层中细根质量密度有所增加 ,增加幅度为其总
根质量密度的 7%, 60 ～ 80 cm细根质量密度由 5.21
mg/cm3迅速减少为 1.82 mg/cm3 ,减少幅度为其总
根质量密度 11%,之后 80 ～ 180 cm土层细根质量稍
微波动 ,总体趋势呈缓慢减少;5年生新银合欢 20 ～
40cm土层根质量密度也迅速减少 ,减少幅度为其
总根质量密度的 38%, 40 ～ 80 cm土层变化幅度仅
为 0.3%, 80 ～ 180cm变化平缓;9年生新银合欢在
20 ～ 80 cm土层细根质量密度缓慢减少 ,幅度为其
总根质量密度的 25%, 80 ～ 180cm土层细根质量密
度波动趋于缓和;14和 20年生新银合欢在 20 ～ 40
cm土层中细根质量密度缓慢减少 ,幅度分别为其总
根质量密度的 16%和 19%, 50 ～ 100 cm土层中都出
现了一个明显的峰值 ,根质量密度分别为其总根质
量密度的 17%和 23%,但是 20年生的波动峰值比
14年生的深 20 cm, 14年生新银合欢在 120 cm达到
一小峰值 , 20年生新银合欢在 140 cm达到一小峰
值 , 140 ～ 180 cm土层二者都变化不大。根系是植
物从土壤中获取营养的主要器官 ,其空间构型和形
态变化对植物的生长发育势必有很大的影响 ,不同
树龄期植物的根系分布和资源需求不同[ 29] ,随着新
银合欢的定居 、生长 、发育 ,细根根系范围扩张 ,根系
向四周空间发展 ,达到一定范围稳定之后 ,主要趋于
根系密度增长 ,这可能是上述现象的原因。
不同树龄新银合欢细根质量密度的垂直变化特
征是由不同径级细根沿垂直剖面分布不同引起的 ,
从不同土层 D≤2 mm径级细根质量密度及其在该
层中的比例(表 2)来看 ,除 9年生 100 ～ 120 cm土
层和 5年生 80 ～ 100 cm土层外 ,其根质量密度在各
土层中的含量均大于 70%,大部分为 80%以上 ,在
各层中占据明显的优势 ,决定着整个细根质量密度
的垂直分布趋势。同时 ,各龄级新银合欢 D≤2 mm
细根质量密度最大值也均出现在 0 ～ 20cm土层中 ,
随深度增加其根质量密度与总根质量密度相似地呈
下降趋势。 2 mm
和 20年生最大细根质量密度也出现在 0 ～ 20 cm土
层中 ,但各层含量较少 ,对总细根质量密度变化特性
影响不大 。
3.3 细根质量密度与土层深度相关性分析
王进鑫等 [ 30]对刺槐和侧柏人工林根系密度进
行研究 ,认为以 e为底的指数函数能够较好地反映
根系密度垂直分布 。通过对不同龄级新银合欢细根
质量密度垂直分布进行拟合 ,发现其也遵循指数函
44
第 6期 郭灵辉等:泥石流源区新银合欢细根质量动态与垂直分布特征
表 2 不同土层 D≤2mm细根质量密度及其在该层中的比例
Tab.2 Finerootweightdensities(D≤2mm)andpercentagesofthetotalfordifferentlayers
土层深度 /cm 根质量密度 /(mg·cm
-3)
3年生 5年生 9年生 14年生 20年生
0～ 20
20～ 40
40～ 60
60～ 80
80～ 100
100～ 120
120～ 140
140～ 160
160～ 180
12.32(97)
2.71(91)
3.92(75)
1.72(95)
2.34(94)
2.22(94)
1.07(100)
0.61(100)
0.97(100)
12.79(94)
2.53(93)
3.22(100)
2.31(81)
0.95(65)
0.45(98)
1.10(85)
2.46(92)
0.51(100)
5.41(92)
3.20(86)
2.00(95)
0.80(100)
1.80(92)
0.13(7)
1.24(98)
1.65(93)
0.81(100)
4.86(90)
1.77(97)
3.64(95)
2.20(93)
1.36(98)
2.01(74)
1.26(77)
1.35(100)
1.33(87)
5.61(88)
1.83(86)
1.37(85)
4.89(96)
2.20(93)
0.94(89)
1.75(100)
0.65(91)
0.94(93)
注:括号中数字为该层中细根质量占该层中总根质量的比例 , %。
数分布 Y=aexp(bx)(式中:Y为细根质量密度;x为
土层深度;a、b为参数)。由表 3可知 ,随着树龄的
增加(除 20年生外),参数 a值在减小 , b值在增大 ,
根据指数函数的性质分析 ,这也说明随着新银合欢
的生长 ,细根质量密度随深度增加而减少的幅度变
缓 ,即细根质量在表层集中程度降低 ,向深层分布量
增多 ,这与前面所述一致。结合图 2可以发现 ,之所
以 20年生 a值较大 , b值较小是因为 9 ～ 20年生新
银合欢细根质量在增加 ,而且以 50 ～ 100 cm土层中
细根质量增加的最快 、最多 ,上层细根密度扩张迅
速 ,导致 0 ～ 100 cm和 100 ～ 180 cm土层细根质量
重密度差异加大 ,指数曲线下降迅速 。
表 3 细根质量密度与土层深度相关性分析
Tab.3 Correlationanalysesbetweensoildepthsandfineroot
weightdensities
树龄 /年生 拟合方程 决定系数 显著水平
3 Y=9.94exp(-0.015x) 0.79 <0.001
5 Y=7.93exp(-0.014x) 0.56 <0.05
9 Y=4.36exp(-0.009x) 0.54 <0.05
14 Y=4.08exp(-0.006x) 0.51 <0.05
20 Y=5.24exp(-0.010x) 0.57 <0.05
4 结论
通过对不同树龄新银合欢在距树干 1.0 m处的
大型剖面细根变化趋势分析 ,发现细根质量在时间
尺度上和空间尺度上均有明显的变化特征。
1)新银合欢细根质量在相同范围剖面中不随
树龄的增加而单一增大 ,而是先减小后增大。 3年
生 、5年生新银合欢细根在距树干 1.0 m处剖面根
质量较大 , 5 ～ 9年生新银合欢细根质量明显减小 ,
9 ～ 20年生新银合欢细根质量又逐渐增大 。
2)不同树龄新银合欢细根质量密度最大值都
出现在 0 ～ 20 cm土层 ,表现为明显的 “表聚特征 ”;
细根根系主要集中在 0 ～ 100 cm土层中 ,含量为
65%以上 ,但随树龄的增加 ,根系 “集中 ”化特征减
弱 ,表现为向深层化扩张 、均匀化方向发展 。
3)不同龄级新银合欢细根质量密度与土层深
度相关性关系明显 ,垂直分布特征遵循指数函数分
布 Y=aexp(bx),根据其函数性质表明细根质量密
度随深度增加而减少 ,且其减少幅度逐渐变缓。
4)D≤2 mm细根在细根分布特征中起主导作
用 ,其根质量密度在各土层中的比例几乎全大于
70%(除 5年生的 80 ～ 100 cm层和 9年生的 100 ～
120 cm层),大部分为 80%以上 ,决定着整个细根质
量密度的垂直分布趋势;2 mm
土壤抗侵蚀能力的大小不仅取决于土壤自身特
性 ,也受制于植被状况。已有研究 [ 6, 15-16, 31]表明 ,植
物细根质量是根系增强土壤抗侵蚀性能的重要指
标 ,其在土层中的分布特征在很大程度上反映了土
壤抗侵蚀能力的变化趋势。新银合欢细根质量密度
最大值都出现在 0 ～ 20 cm土层 ,且随着深度的增
加 ,细根质量密度遵循指数函数递减 ,新银合欢细根
的表层集聚特征将有利于增强表层土壤抗侵蚀性
能;相同范围剖面中随树龄的增长 ,细根质量先减小
后增大 ,新银合欢细根的根质量动态特征也预示着
随着新银合欢的生长发育 ,其抗侵蚀能力并不一定
是单一增强。当然 ,由于根系研究的特殊性和困难
性 ,本区新银合欢细根根系生长发育 、适应特征 、固
土性能还有待进一步研究。
野外实验和室内实验过程中 ,得到了洪勇 、杨德
45
中国水土保持科学 2010年
伟及中国科学院东川泥石流观测研究站全体工作人
员的大力支持 ,在此表示衷心感谢!
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(责任编辑:程 云)
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