全 文 ：第 34卷 第 5期 生 态 科 学 34(5): 5865
2015 年 9 月 Ecological Science Sep. 2015
收稿日期: 2015-03-04; 修订日期: 2015-04-24
基金项目: 贵州省社会发展攻关项目(黔科合 SY4[2013]3164)
作者简介: 岳玮(1982—), 女, 甘肃天水人, 硕士, 助理工程师, 主要从事环境影响评价, E-mail: yuewei_see@163.com
*通信作者: 刘讯, 男, 博士, 副教授, 主要从事生态恢复研究, E-mail: liuxun-hn@126.com
岳玮, 刘讯, 刘姜艳. 黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布规律研究[J]. 生态科学, 2015, 34(5): 5865.
YUE Wei, LIU Xun, LIU Jiangyan. Research on the fine roots biomass and distribution of main afforestation tree species in Loess
Plateau[J]. Ecological Science, 2015, 34(5): 5865.
黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布
规律研究
岳玮 1, 刘讯 2,*, 刘姜艳 1
1. 甘肃省环境科学设计研究院, 兰州 730020
2. 贵州师范学院, 贵阳 550000
【摘要】 以 2 mm 为粗、细根的划分界限, 采用根钻法对黄土高原安家沟流域油松、白杨、山杏、刺槐、沙棘和柠条
6 个主要造林树种细根分布进行调查研究, 同时测定不同树种林地下的土壤含水量。结果表明: 在垂直方向上, 随着土
层深度的加深, 细根生物量均呈现出减小的趋势; 在水平方向上, 油松细根生物量呈现先增大后减小的二次多项式分
布, 其余 5 个树种细根生物量均呈现对数分布, 并且水平根系发达, 细根主要分布在冠幅半径 2—3 倍左右的范围内,
表明各植被通过水平扩张来获取土壤浅层的大气降水。各造林树种样地土壤含水量由生长季初期到末期呈现降低的趋
势, 土壤含水量决定着细根生物量的大小和分布。
关键词：黄土高原; 细根; 土壤含水量
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.05.009 中图分类号：P332 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)05-058-08
Research on the fine roots biomass and distribution of main afforestation tree
species in Loess Plateau
YUE Wei1, LIU Xun2,*, LIU Jiangyan1
1. Gansu Academy of Environmental Science, Lanzhou 730020, China
2. Guizhou Normal College, Guiyang 550000, China
Abstract: The distribution of fine roots (diameter ≤ 2 mm) of Pinus tabuliformis, Populus tomentosa, Prunus armeniaca,
Robinia pseudoacacia, Hippophae rhamnoides, Caragana korshinskii was investigated by using root drilling method, and the
soil water content beneath different species was measured in Loess Plateau. The results showed that the fine roots biomass of
all these species decreased with the increase in soil depth in the vertical direction; horizontally, however, the distribution of
fine roots biomass of Pinus tabuliformis had a conic curve, and that of other species had logarithm correlation, and the roots
flourished; the fine roots mainly grew in the range of tree crown radius width 2 or 3 times, indicating that all the 6 tree
species got rainfall from the shallow soil through the horizontal expansion. The soil water content displayed a decrease trend
form the beginning to the end of growing season in each sample plot, and the biomass and the distribution of fine roots were
influenced by the quantity and distribution of soil water content.
Key words: Loess Plateau; fine roots; soil water content
5 期 岳玮, 等. 黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布规律研究 59
1 前言
黄土高原是我国生态环境极端脆弱区, 人地关
系矛盾十分突出, 天然植被破坏殆尽, 土地严重退
化, 土壤侵蚀严重, 被严重的水土流失和水资源不
足等问题所困扰, 植被与水土关系的研究也因此为
学者所重视[1–4]。并就加快植被恢复与重建、提高水
资源利用效率, 提出了相应对策[5–6], 而直接与土壤
接触的根系必定成为研究的重点。植物根系不但起
着固定植物的作用, 还是植物摄取、运输和贮存碳
水化合物和营养物质以及合成一系列有机化合物的
器官, 在森林生态系统能量和物质循环中发挥着十
分重要的作用, 根系分布范围影响着林木拥有营
养空间的大小、土壤水分及养分, 是制约人工林生
产水平的关键因素[7]。土壤水分的研究是改善生态
环境 , 控制水土流失的基础 , 对于地处干旱半干
旱地区黄土高原的植被恢复、农业生产以及应对
全球气候变化措施的研究具有重要意义 [8], 同时
土壤水分被认为是影响植被重建及根系分布最主
要的因素[9]。
近些年, 黄土高原植被建设以及土壤水文效应问
题, 日益引起人们的重视, 土壤干化造成黄土高原大
面积的低产林, 植被明显衰退死亡。单长卷等[10]研究
表明, 人工林对土壤水分的大量消耗直接导致林地
深层土壤干化, 尤其是在阳向立地上[10]。余新晓等
(1996)研究发现, 在干旱半干旱地区, 根系发达的树
种具有明显的生存优势, 土壤水分的分布规律影响
着活性根的分布, 同时根系分布规律的变化又会引
起土壤水分的改变, 这种相互作用改变了植被根系
空间分布特征以及细根的周转[11–13]。因此, 将植株
细根分布规律与土壤水分研究相结合, 对于改善黄
土高原的生态环境具有重要意义。
本研究目的为比较黄土高原安家沟流域 6 种人
工植被的细根分布规律及其土壤水分的动态变化,
初步探讨根系分布对土壤水分的影响, 为提高黄土
高原人工植被群落稳定性提供理论依据。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
试验于 2011年 5—10月在定西市安家沟流域进
行。安家沟是黄河流域祖厉河水系的一条小支沟,
位于定西市东(104°23′ E, 35°21′ N)。流域四周为黄
土丘陵环抱, 面积 2.98 km2, 海拔 1900—2250 m。土
壤机械组成粘粒占 39.17%, 粉沙占 50.09%, 砂粒占
10.74%[14]。土壤平均孔隙率在 55%左右。该区属于
中温带半干旱气候区, 年平均气温 6.3 , ℃ 年平均降
水量 427 mm, 年日照时数 2409 h, 蒸发量 1510 mm。
植被属于干旱区森林草原带。
流域内主要以人工植被为主, 分布着油松(Pinus
tabuliformis)、白杨(Populus tomentosa)、山杏(Prunus
armeniaca)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、 柠条(Caragana
korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)。区内土
壤是发育在黄土母质上的黄绵土和沟道盐渍土。
2.2 研究方法
2.2.1 样地基本情况调查
在各造林树种林内分别建立 10 m×10 m 的样地
各一块, 进行每木检尺, 对株高、胸径、树龄等指标
进行测定, 同时记录样地的坡度与坡向。
2.2.2 土壤含水量的测定
土壤含水量采用土钻取样, 烘干法测定。每 10 cm
一层, 取样深度为 120 cm。试验期间每 15 天测定一
次, 测定地点位于各样地中部, 取 3 次重复进行平
均。经过野外土壤水分的测定, 进行实验室分析, 对
5—9 月土壤含水量数据进行整理, 得出 6 种植被各
时期各层土壤含水量的变化规律。
2.2.3 根样的获取及处理
依据每木检尺的结果, 在各样地中选取 4 株平
均木。每株样木在不同方位划分出 1/4 营养区作为
取样区。取样时, 以样木为中心分别在半径方向上
每隔20 cm的弧线上按等距离确定3个取样点, 垂直
方向上每 10 cm 一层, 直至无根系出现(图 1)。本次试
验中, 各样树垂直方向上的取样深度均为120 cm; 水
平方向上, 根据不同树种根系分布状况, 油松水平
方向取样范围为 500 cm, 白杨、山杏为 400 cm, 刺
槐、柠条、沙棘为 300 cm。样本用塑料袋封装, 取回
后风干、过筛(网孔 1 mm×1 mm), 将直径小于 2 mm
的细根挑出进行清洗, 通过根系颜色与柔韧度将死
根与草根去除。然后, 置入 105 ℃烘箱中, 烘干至恒
重, 再分别称重和记录。
将平行钻点的细根生物量测出, 取平均值, 得
到各树种细根生物量水平分布规律。将每个钻点中
每层的细根生物量测出, 与取样深度结合分析, 得
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图 1 吸水根系试验样树取根示意图
Fig. 1 The scheme of getting the fine roots
注: (a)1/4 营养区取根示意图; (b) 水平与垂直方向取样示意图(单位: cm)。
出各树种细根垂直分布规律。按下列公式分别计算
各样地不同土层深度的根重密度:
D = 1 1 2
1
1000
n k
i j
m
nk R h
(1)
其中 D 为某土层根系密度(kg·m–3), h 为土层厚度
(10 cm), m 为根系重量(g), n、k 为样本及样点总数。
2.3 主要造林树种样地概况
依据长势良好, 无病虫害等原则, 在安家沟流
域内选取主要造林树种样地各一块, 各样地基本状
况如表 1 所示。
2.4 数据处理
采用 Excel 整理数据, 并运用 Sigmaplot 11.0 和
SPSS 18.0, 对土壤含水量、根重密度做相关、回归
分析和直线(曲线)拟合, 统计概率水平为 P = 0.05。
3 结果与分析
3.1 各样地土壤水分的年内变化
由图 2 可知, 6 种植被土壤水分各层分布规律大
致相同, 在 0—40 cm 内变化明显并呈现递增趋势,
在 30—50 cm 处达到峰值, 这可能是由于黄土高原
地区主要的水分补给来源于自然降水, 而降水的入
渗能力有限加之该地区强烈的蒸发损失, 因此导致
表层土壤含水量变化明显。80 cm 以下土壤含水量
略有回升, 但是变化不明显, 说明土壤表层的水分
蒸发已影响不到该层的土壤水分。
6 种植被在生长季各时期的土壤水分变化趋势
也基本一致, 从 5 月到 9 月呈现出逐渐降低的趋势。
土壤含水量由于季节性补充而有所上升或下将, 土
壤含水量有明显的季节性变化规律, 经过一个冬季
和春季的恢复和补充, 土壤含水量达到最充沛的状
态, 因此在 5 月份时土壤含水量较高。随着生长季
的到来, 由于植物生长的需要, 土壤水分被逐渐消
耗, 因此在 6—9 月土壤含水量呈现出递减的趋势,
在生长季末期达到最低值。
3.2 不同树种细根分布特征
3.2.1 不同树种细根水平分布特征差异
安家沟流域主要造林树种细根水平分布如图 3
所示。油松细根的水平分布不同于其他 5 个树种, 距
离树干由近及远呈现出先增大后减小的趋势, 细根
表 1 安家沟流域主要造林树种样地概况
Tab. 1 A brief view of sample areas of survey for system of major tree species planted at Anjiagou catchment
树种 坡向 坡度/° 坡位 树龄 平均株高/m 平均胸径/cm
油松 WN 12 中 24 11 10
白杨 N 10 下 20 13 12
山杏 SE 9 上 15 7 8
刺槐 W 7 中 9 8 6
沙棘 N 15 中 10 1.7 4
柠条 SE 19 上 11 2.1 --
5 期 岳玮, 等. 黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布规律研究 61
图 2 各树种不同深度下土壤水分分布规律
Fig. 2 The soil moisture distribution in different depths of tree species
注: a, 油松(Pinus tabuliformis); b, 柠条(Caragana korshinskii); c, 刺槐(Robinia pseudoacacia); d, 白杨(Populus tomentosa); e, 山杏(Prunus
armeniaca); f, 沙棘(Hippophae rhamnoides)。
主要集中在 0—400 cm 的范围内, 占细根总量的
94.2%, 400 cm 之外有少量细根出现, 仅占总量的
5.8%, 油松细根水平分布的最大区域位于距离树干
180—260 cm 的范围内。而白杨、山杏、刺槐、柠
条、沙棘细根生物量的水平分布均伴随着距树干距
离的增加呈现对数递减关系, 细根主要分布在近树
干处, 柠条、刺槐的细根主要分布在 0—80 cm 的范
围内, 分别占细根总量的 60.7%、65.4%; 白杨、山
杏、沙棘细根主要分布在 0—140 cm 的范围内, 分
别占细根总量的 56.6%、60.2%、81.7%。但 6 个树
种细根水平分布的共同点在于细根的分布范围均
大于其冠幅, 这说明土壤水分的利用范围要大于其
冠幅。
油松、白杨、刺槐、山杏较柠条、沙棘具有较
大的细根分布特征, 这可能是由于乔木具有较大的
冠幅体积, 需要更多的水分来维持自身的生长需要,
因此分布范围与生物量都要大于灌木。
3.2.2 不同树种细根垂直分布规律与土壤水分关系
由图 4 可知, 随着土层深度的增加, 6 个树种细
根分布呈现递减趋势。油松、柠条、刺槐、白杨、山
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图 3 各树种细根水平分布
Fig. 3 Horizontal distribution of fine roots of tree species
注: a, 油松(Pinus tabuliformis); b, 柠条(Caragana korshinskii); c, 刺槐(Robinia pseudoacacia ); d, 白杨(Populus tomentosa); e, 山杏(Prunus
armeniaca); f, 沙棘(Hippophae rhamnoides)。
杏、沙棘的细根主要集中在 0—50 cm 的土层中, 分
别占细根总量的 60.2%、58.5%、59.5%、55.5%、61.5%、
62.1%; 其中 0—20 cm 的根系分布最多, 50 cm 以下
的土层中细根分布明显减少。这种垂直分布规律表
明, 安家沟流域 6 种人工植被主要利用 50 cm 以内
的土壤水分, 而这部分土壤水分主要来自于自然降
水, 降雨的多少直接影响该地区造林树种的长势。
6 个树种的细根主要分布在 0—50 cm 的土层范
围内, 100 cm 以下细根分布极少。然而土壤水分分
布与细根分布规律恰好相反, 细根集中分布的土层,
土壤含水量低, 细根分布少的土层, 土壤含水量较
高(图 4)。0—40 cm 土层中, 土壤含水量呈递增趋势,
0—10 cm 内土壤含水量较低, 一是因为表层土壤中
细根分布集中, 需要吸收大量的水分, 因此表层土
5 期 岳玮, 等. 黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布规律研究 63
图 4 细根垂直分布与土壤水分关系
Fig. 4 Relationship between soil moisture and vertical distribution of fine roots
注: a, 油松(Pinus tabuliformis); b, 柠条(Caragana korshinskii); c, 刺槐(Robinia pseudoacacia ); d, 白杨(Populus tomentosa); e, 山杏(Prunus
armeniaca); f, 沙棘(Hippophae rhamnoides)。
壤含水量较低; 二是因为该地区蒸发量大, 表层土
壤水分易蒸发而损失。土壤表层至 40 cm, 细根生物
量随着土壤水分的增加而减少。在 40—70 cm 之间,
细根量有小幅度的增加, 土壤含水量也相应减少。
80 cm 以下, 根量虽有小幅度的变化, 但土壤水分变
化并不明显, 这说明植物对 80 cm 以下的土壤水分
利用较少。
根系是植物生长吸收水分的器官, 土壤某一层
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表 2 土壤水分与根重密度的相关性分析
Tab. 2 Relativity analysis of soil water content with root density
油 松 山 杏 刺 槐 柠 条 沙 棘 白 杨
树种
水分 根量 水分 根量 水分 根量 水分 根量 水分 根量 水分 根量
平均值 8.64 0.089 5.74 0.103 8.15 0.035 5.89 0.091 7.64 0.029 9.66 0.215
标准方差 1.28 0.038 0.86 0.057 1.09 0.018 1.79 0.048 1.56 0.019 2.47 0.094
最大值 11.31 0.15 7.72 0.191 9.61 0.067 8.31 0.019 11.21 0.063 14.30 0.345
最小值 6.64 0.05 4.61 0.005 5.87 0.005 2.34 0.016 5.95 0.002 6.20 0.032
相关系数 –0.21 –0.25 –0.21 –0.77 –0.19 0.61
注: 各组样本数均为 12; 土壤水分单位为“%”, 根重密度单位为“kg·m–3”。
次内细根分布多就要吸收大量土壤水分, 来维持植
物生长的需要, 导致该层次内土壤水分减少。表 2
为各树种各土层土壤含水量与根量的相关性分析总
结, 除白杨外, 其余树种的相关系数均为负值, 呈
现负相关关系, 虽然除柠条外, 其余树种的相关关
系并不明显, 但是结合图 4 还是可以看出, 在同一
土层内根量分布随水分的增加而减少。然而, 白杨
呈现出良好的正相关关系, 这可能是由于白杨样地
植株密度较大, 很难选取单个植株进行取样, 存在
根系重叠的现象, 形成整个样地的取样而不是单株
取样, 但从另一个方面反映出, 同一样地内土壤含
水量越高, 则样地内细根的总量就越多。
4 结论与讨论
安家沟流域 6 个主要造林树种, 细根垂直分布
规律相似, 均随土壤深度的增加而递减。在 0—
50 cm 范围内, 细根集中分布, 尤其以 0—20 cm 内
最多, 由此可知, 这 6 种树木主要利用 0—50 cm 土
层内的水分, 这可能是由于表层土壤具有丰富的养
分, 且可获得较多的降水补给, 也是根系集中分布
于土壤表层的重要原因。流域内主要造林树种水平
根系发达, 均超出冠幅范围 2—3 倍, 可见安家沟流
域 6 种人工植被土壤水分利用空间远远大于冠幅,
这种水平根系分布特征, 有利于植被在降雨稀少、
蒸发量大的干旱半干旱区生长。细根在水平方向上
随距离的增加而减少, 其中油松细根主要集中在
180—260 cm 范围内, 呈二次多项式分布, 其余树种
均呈对数分布。由此可见, 细根的分布特点充分体
现其生根和防止水土流失的作用, 同时也表明根系
的生长发育受到降雨量的限制, 对细根分布的影响
主要体现在生物量上, 而对细根分布规律影响甚小,
这与刘健等(2010)对毛乌素沙地沙柳的研究结果相
似[15]。
各造林树种样地内的土壤水分年内变化规律基
本相同, 即 5 月>6 月>7 月>8 月>9 月, 这是由于随
着生长季的到来, 植物生长需要大量的水分, 陈文
庆等(2009)对渭北黄土高原主要造林树种土壤水分
的研究中得到了相同结果[16]。由图 2 可知, 柠条和
山杏样地土壤含水量较小, 这可能是由于柠条与山
杏样地位于阳坡, 其余样地位于阴坡(表 1), 在植物
的生长过程中, 阳坡立地上的光照强度较阴坡立地
上强, 加之阴坡立地上枯落物覆盖较好, 据前人研
究成果可知, 枯落物的存在能够有效的拦蓄雨水、
延阻地表径流、抑制蒸发和提高降水入渗量[17–18],
同时阳坡立地上具有较大的土壤蒸发和植被蒸腾作
用, 这可能是导致柠条和山杏样地土壤水分较小的
主要原因。
根据前人的研究可知, 适当的干旱能够诱导根
系下扎, 使根系拥有更大的水分空间。进一步研究
结果表明[19], 干旱程度和时间超过一定限度, 就会
对根系生长产生抑制作用, 降低根系活力, 甚至导
致根系死亡。另外, 干旱和高温能够提高根系木质
化程度, 加速根系老化, 降低根系的吸收性能。各造
林树种细根密度与土壤含水率具有负相关关系, 在
土壤剖面上, 某一土层的土壤含水量减少, 则表明
该层次细根生长活跃, 根量增加; 对于整个样地而
言, 土壤含水量越高, 样地的细根总量就会越大。土
壤水分随着细根根重密度的增大而减小。土壤水分
与细根根重密度呈显著负相关关系。本研究区, 降
雨少, 土壤表面蒸发强烈, 导致土壤表层(0—40 cm)
水分变化剧烈。6 种植被具有相同的觅食策略。以下
这些土层具有最低的土壤水分和最高的细根根重密
度(油松和刺槐, 0—10 cm; 白杨和山杏, 10—20 cm;
沙棘和柠条, 30—40 cm), 这说明 6 种植被由于根系
5 期 岳玮, 等. 黄土高原丘陵沟壑区主要造林树种细根生物量分布规律研究 65
吸水和土壤蒸发的原因, 导致土壤干层的出现, 将
直接影响植被的生长。除土壤水分外, 土壤理化性
质被认为是影响植被根系分布的第二大因素。土壤
容重与植被根系分布有关, 预示着物理阻抗将影响
根系的生长[11]。Návar (1990)也报道增加土壤容重可
以影响根系的扎根深度[20]。土壤粘粒含量大会导致
土壤孔隙性变差影响根系生长, 高碱、高酸的土壤
环境也会影响根系生长[21]。细根在高氮量区域聚集,
为了吸收更多氮素, 土壤氮含量通常与有机质含量
相关联[22]。
流域内各造林树种根系呈辐射状分布, 单株取
样方式虽然欠妥, 但某一水平方向上细根分布的变
化足以代表其整体的分布趋势。同时本文受各树种
样地位置以及树龄的限制, 并没有找到一个合适的
标准对不同树种的细根分布进行比较, 也没有对同
一树种在不同立地条件下的细根分布及土壤水分进
行比较, 在以后的研究中应加强此方面的工作, 并
进行多次动态取样完善结论。
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