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西鄂尔多斯绵刺(Potaninia mongolica)和短脚锦鸡儿(Caragana brachypoda)根系特征对土壤水分的响应



全 文 :2014年 9月 内蒙古大学学报(自然科学版) Sept. 2014
第45卷第5期 Journal of Inner Mongolia University(Natural Science Edition) Vol.45 No.5
  文章编号:1000-1638(2014)05-0520-06    DOI:10.13484/j.nmgdxxbzk.20140514
西鄂尔多斯绵刺(Potaninia mongolica)和
短脚锦鸡儿(Caragana brachypoda)
根系特征对土壤水分的响应

万志强,杨九艳,高 峰
(内蒙古大学生命科学学院,呼和浩特010021)
摘要:以西鄂尔多斯荒漠草原常见灌木绵刺与短脚锦鸡儿为研究对象.采用全根挖掘法研究
西鄂尔多斯绵刺与短脚锦鸡儿的根系形态特征,调查土壤水分的分布格局.结果表明绵刺和短
脚锦鸡儿根系生物量和根长密度均表现出随土壤深度的加深先增大后减小的趋势.绵刺和短
脚锦鸡儿的根系分布浅,主要分布于0~30cm的土壤中;根/冠比很小(分别为0.47和1.38),
但根幅可达冠幅6~8倍.根系的细根根长密度、吸水能力与土壤含水量呈显著正相关关系,根
系形态构型与土壤含水量的垂直分布格局相匹配.绵刺和短脚锦鸡儿的根系特征表现出了对
干旱区的有限降水、局限渗透和土壤含水量的垂直分布格局的生态适应性.
关键词:西鄂尔多斯;绵刺;短脚锦鸡儿;根系形态构型;土壤含水量
中图分类号:Q948  文献标志码:A
  鄂尔多斯高原位于37°38'~40°52'N,106°27'~111°28'E,黄河围绕西北东三面,南接黄土高原,是
我国半干旱地区相对独立的自然单元之一[1],在生态地理方面是多样的多层次的过渡带[2],生境复杂
多样,植物种类较为丰富,是干旱地区古老的生物多样性中心之一[3],灌木是该地区的优势植物,是我
国温带草原地区灌木分布多样性和起源的中心[4].
绵刺为蔷薇科绵刺属植物,在我国仅一属一种,是珍稀濒危物种,短脚锦鸡儿为豆科锦鸡儿属植
物,两个物种在鄂尔多斯高原地区都可以形成荒漠群落.两者都生长在极端干旱与贫瘠的荒漠环境
中,但由于人为破坏环境的日益加剧,导致它们的分布区域一直缩小,数量急剧减少,现在绵刺已经被
列为国家二级重点保护植物.但是目前,关于绵刺的研究主要集中在遗传多样性[5]、胚胎学[6]、叶解剖
结构[7]、繁殖对策[8]等方面的研究,对短脚锦鸡儿的研究较为少见.对根系构型的研究有助于了解根
系结构和根系功能在生态系统中的重要作用[9],但关于绵刺和短脚锦鸡儿的根系研究较为有限,特别
是两种植物根系形态对土壤水分的响应的研究尚未报道.
在荒漠区,水分是植物生存和生长发育的关键影响因子[10-13],而水分获取途径和适应特性决定
了植物根系分布范围和深度[10,12].本文以西鄂尔多斯桌子山东西麓的绵刺和短脚锦鸡儿为研究对
象,研究了绵刺和短脚锦鸡儿的根系形态特征和土壤水分格局,旨在揭示绵刺与短脚锦鸡儿根系的适
应特征,为保护和合理利用绵刺与短脚锦鸡儿提供依据.
* 收稿日期:2013-10-29;修回日期:2014-01-09
基金项目:内蒙古教育厅高等学校科学研究项目《红砂种群遗传多样性研究》(项目编号310002)
作者简介:万志强(1988- ),男,山东省新泰人,2011级硕士研究生.草地生态学专业.E-mail:xiao-
qiang1988117@126.com.
通信作者:杨九艳(1963- ),女,内蒙古呼和浩特人,副教授,博士.E-mail:yangjy1122@163.com.
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区在内蒙古鄂尔多斯高原西北部鄂托克旗碱柜乡境内,属于典型的暖温带大陆型气候区,年
均气温7.8~8.1℃,全年日照时数3 047~3 227h,多年平均降雨量162~271mm,而蒸发量高达2470
~3481mm(为降水量的20倍),且降水季节性分配极不均匀,7、8月份降水量占全年的60%以上[14].
土壤类型为棕钙土和灰漠土.群落类型以红砂(Reaumuria soongorica)、四合木(Tetraena mongoli-
ca)、半日花(Helianthemum soongoricum)、绵刺(Potaninia mongolica)、霸王(Sarcozygium xan-
thoxylon)和沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)为优势种,短脚锦鸡儿(Caragana brachypoda
Pojark)为伴生种[15].
1.2 研究方法
1.2.1 样地选择
在研究区选择人为干扰小、具代表性的绵刺和短脚锦鸡儿群落为研究样地,地理位置为39°55′
N,106°45′E,海拔约1103米,绵刺与短脚锦鸡儿为镶嵌性分布,平均盖度不足10%.在8月下旬进行
样地调查和根系样品的采集.
1.2.2 土壤含水量的测定
采用剖面法采集土壤水分含量测定所需的样品,10cm为一层,取样深度为0-50cm,每一剖面3
个重复,剖面样点设置在植株取样点旁边.称取土壤样品烘干前后的重量,采用下式计算土壤的含水
量WC(%)=W0-WdW0 ×100
式中WC为土壤含水量;W0 为土样鲜重;Wd 为土样干重.
1.2.3 根系特征调查
随机选取6株绵刺、6株短脚锦鸡儿,在野外现场,在植株根系原生长状态下记录根走向、根幅、
根深,同土壤水分测定深度一致,分层(10cm为一层)收集活根.将每层根系按平均直径的大小分为4
个等级:①细根(直径<1mm),②小根(直径1-2mm),③中根(直径2-5mm),④粗根(直径>
5mm)[16];测量各级根的直径、长度和干重(85℃烘干).依据测量的数据,计算下述4项指标:
(1)根幅/冠幅:量取的地上部分的冠幅与地下部分根系分布幅度之比
(2)根冠比:根冠比=
茎叶干重
根系干重
(3)根长密度:RLD=LV
式中RLD 为根长密度;L为根系长度;V 为根系体积[17],根系体积为每
段根的长度与截面的平均面积的乘积.
1.2.4 数据分析
所有采用软件Eecel2003和SPSS18.0进行分析,对土壤含水量、根长密度、根系吸收能力采用
Pearson Correlation进行相关性分析.
2 结果与分析
2.1 土壤水分垂直分布格局
从图1可以看出,绵刺和短脚锦鸡儿群落内,土壤含水量随土壤深度呈明显的层次变化,并表现
出相似的规律.群落内表层(0~10cm)土壤含水量最低,分别为4.4%和4.7%;随着土壤深度的增
加,土壤含水量在10~20cm的土层达到最高值,分别为7.4%和8.3%;之后随着土壤深度的增加而
逐渐降低,20~30cm土层的含水量分别为6.9%和6.4%;40cm以下土层的含水量分别降到4.8%
和4.1%.
125第5期 万志强 等 西鄂尔多斯绵刺(Potaniniamongolica)和短脚锦鸡儿……
图1 绵刺和短脚锦鸡儿群落土壤水分垂直分布格局
Fig.1 Vertical distribution pattern of soil moisture in Potaninia mongolica and
Caragana brachypoda Pojark communities
2.2 根系特征
2.2.1 根幅与冠幅比和根冠比
根据调查结果(表1),绵刺和短脚锦鸡儿的冠幅分别为571.42±18.54cm2 和452.62±
15.67cm2,根幅分别为3114.93±112.15cm2 和3846.57±132.21cm2,根幅高于冠幅6~8倍,且短脚
锦鸡儿的根幅与冠幅比稍高.另外,绵刺的根冠比为0.47,短脚锦鸡儿根冠比为1.38.
表1 绵刺、短脚锦鸡儿的冠幅、根幅
Table 1 Crown width,root width of Potaninia mongolica and Caragana brachypoda Pojark
测定项目
绵刺 短脚锦鸡儿
均值 均值
冠幅 571.42±18.54  452.62±15.67
根幅 3114.93±112.15  3846.57±132.21
根幅/冠幅 6.01±1.72  8.52±1.93
2.2.2 根系生物量和根长密度的垂直分布特征
表2 不同土层根系的生物量
Table 2 Root biomass in different soil layers
土层深度(cm)       绵刺            短脚锦鸡儿      
均值(g/m2) 百分比(%) 均值(g/m2) 百分比(%)
0-10  24.77±12.12  58.82  36.50±18.75  58.66
10-20  14.8±4.29  35.24  19.87±14.36  31.94
20-30  2.32±0.75  5.52  5.70±1.75  9.16
30-40  0.18±0.35  0.42  0.15±0.03  0.25
  从表2可见,绵刺和短脚锦鸡儿的地下生物量随着土层的加深降低,地下生物量的90%以上集
中分布在0~20cm土层,其中约60%的地下生物量分布于0~10cm的土壤深度.
与生物量的垂直分布特征不同(图2,图3),绵刺的根长密度在10~20cm和20~30cm土层所占
比例较大,占总根长密度的58.3%.绵刺不同径级根的根长密度在各土层中的分布不同:粗根根长密
度主要分布在表层(0~10cm),中根和小根的根长密度分布在0~10cm和10~20cm两个土层中.细
225 内蒙古大学学报(自然科学版) 2014年
根在各层均有分布,在10~20cm土层最高,而且细根在各土层中的根长密度都是最高的.
图2 绵刺根长密度分布
Fig.2 Root length density of Potaninia mongolica
图3 短脚锦鸡儿根长密度分布
Fig.3 Root length density of Caragana brachypoda Pojark
短脚锦鸡儿粗根主要在0~20cm表层中;中根根长密度较小,分布在0~30cm土层中;小根和细
根在10~20cm和20~30cm两个土层中,占比例最大.
2.3 土壤水分对根系的影响
根系的吸水主要集中在细根,因此分别将绵刺和短脚锦鸡儿的细根根长密度、吸水能力和平均土
壤质量含水量之间进行相关性分析发现,无论是绵刺还是短脚锦鸡儿,细根根长密度、以及根吸水能
力均与土壤质量含水量具有正相关性.
表3 土壤含水量、根长密度、根系吸收能力之间的相关性分析
Table 3 Correlation among average soil moisture content,root length density and ability of root absorption
皮尔逊
相关性系数
Y1 Y2
相关性 显著性 相关性 显著性
X1 0.854  0.146  0.827  0.173
X2 0.916  0.084  0.953  0.047
  X1 表示绵刺群落土壤含水量,X2 表示短脚锦鸡儿群落土壤含水量,Y1 表示根长密度,Y2 表示根系系吸水能力
3 讨论
水分是荒漠植物生存和生长的主要限制因子,在长时间的生态进程中,植物会进化出与适应生长
325第5期 万志强 等 西鄂尔多斯绵刺(Potaniniamongolica)和短脚锦鸡儿……
地区水分利用策略的特征.土壤水分是根系分布的影响因子之一[16,18],Schwinning和Ehleringer认
为:在干旱环境中,若不定的降水是植物水分的主要来源,则最理想的植物表现型将倾向于能够最大
限度利用不定降水的适应;对于根系则表现为浅根系,小的根/冠比[1].本研究发现绵刺和短脚锦鸡儿
根系形态构型明显地受土壤中水分分布格局的影响,表现为:根系分布浅,侧根不发达,根冠比小,但
根幅冠幅比大.
通常,根系的适应机制是在含水量高的土层中投入较多的碳水化合物,扩大根系吸收面积[19-20];
根系中的细根部分不仅有大的吸收面积,而在吸收水分和养分方面且具有活跃的吸收能力[20].绵刺
与短角锦鸡儿的小根与细根大部分分布在10~30cm深度范围内.在本研究区绵刺和短脚锦鸡儿群
落中,有效降雨主要渗透到浅层(30cm以上)土壤中,对较深(30cm以下)土壤水分补充较少.而绵刺
与短脚锦鸡儿的根系为浅根系类型,侧根发达,根幅与冠幅的比值可达10以上,这些表明绵刺与短脚
锦鸡儿主要利用0~30cm土层的水分.根系的细根根长密度及其吸水能力与土壤水分的垂直分布格
局相匹配,是绵刺和短脚锦鸡儿适应干旱区水分状况的重要途径.
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(责任编委 梁存柱)
Response of Root Characteristics of Potaniniamongolicaand
Caragana brachypodain West Ordos to Soil Moisture
WAN Zhi-qiang,YANG Jiu-yan,GAO Feng
(School of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)
  Abstract:Common shrubs of Potaninia mongolica and Caragana brachypodain the West Or-
dos desert grassland were selected as the research object.The method of ful root excavation was
used to study the root morphological characteristics of the two plant species,and the soil moisture
distribution pattern within the community was investigated.The results showed that both root bio-
mass and root length density of the two plant species increased first and then decreased with the soil
depth,and their roots mainly distributed in a shalow soil layer of 0-30cm.They had low root to
shoot ratios of 0.47and 1.38respectively,and their root crown width was 6to 8times of that of
shoot.The fine root length density and water absorbing ability of the two shrubs had a significant
positive correlation with soil moisture,and their root morphology configurations matched with soil
moisture vertical distribution pattern.Root morphological characteristics showed that Potaninia
mongolica and Caragana brachypoda had a wel ecological adaptability in limited precipitation,lim-
ited penetration,and vertical distribution pattern of soil moisture in arid region.
  Key words:West Ordos;Potaninia mongolica;Caragana brachypoda;root morphological con-
figurations;soil moisture
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