一種測定荒漠草原根系生物量的內生長土芯法①

王占義，金 凈，王成杰*，侯 佳，徐文藝

(1 內蒙古農業大學草原與資源環境學院，呼和浩特 010018；2 內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古包頭 014100)

一種測定荒漠草原根系生物量的內生長土芯法①

王占義1，金 凈1，王成杰1*，侯 佳2，徐文藝1

(1 內蒙古農業大學草原與資源環境學院，呼和浩特 010018；2 內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古包頭 014100)

介紹了一種測定荒漠草原植物根系生物量的裝置與用法，并將其在實際中加以應用。實踐證明，本方法可有效測定荒漠草原植物根系生物量及地下凈初級生產力，比較適用于植被覆蓋度較低的荒漠草原地區。

根系生物量；地下凈生產力；網袋法；土壤

測定植物地下凈生產力和根系生物量的動態變化，常用內生長土芯法也稱為生長袋法、網袋法，即把裝有無根土壤的網袋放入地面洞穴內，間隔一段時間后再將網袋取出，分離、挑選獲得根系[1]。該法由Flower-Ellis 和 Persson[2]首次提出，之后在Steingrobe等[3]研究了網袋內土壤因素變化對根系的影響后獲得廣泛使用。該法能夠連續動態定點監測樣地內植物群落地下生物量的變化，具有成本較低、相對準確性、重復性較高、工作量較小的優點[4–5]，在森林、草地和農田等生態系統研究中得到廣泛應用[6–10]。文獻顯示雖然各研究中該法應用的原理相同[11]，但其具體使用方法則不盡相同。有些采用地面打孔，填入裝有無根系土壤的網袋；有些則在地面打孔，然后直接填充無根系土壤，標記位置，一定時間后繼續在相同位置打孔取土；尼龍網袋的直徑也不同，有4 cm[3,12]、5 ～5.2 cm[13–15]、7 cm[16]、8 cm[17]，10 cm[18–19]。如果從對樣地的破壞性角度考慮，打孔孔徑越小、點數越少越好；而從試驗的重復性考慮，則是打孔取樣點越多，孔徑越大越好。此外，不同的植被類型區，物種不同，植被蓋度不同，取樣大小也應不同。

我國北方荒漠地區和荒漠草原地區，氣候干旱、植被覆蓋度低，在這些地區鉆取直徑細小的土芯，可獲得的根系數量較少，迫使我們思考改進現有方法使其在植被覆蓋度較低的地區更加適用。

1 裝置的原理與制作

該法通過在植物根系周圍放置網袋，裝入無根土壤，待一定時間植物根系穿過紗網進入土環內土壤后(圖 1)，取出紗網和土壤，分離出根系，監測根系生物量的積累動態。本文所用內生長土芯包括外圍尼龍紗網、不銹鋼骨架、內管及頂部蓋帽4部分(圖2)。尼龍網網眼孔徑2 mm。不銹鋼骨架需要請專業人員制作，制作時為保證鋼圈的圓形標準，宜用鋼管分段鋸斷以獲得鋼圈，鋼圈管壁厚度5 mm左右，不宜太薄，以保證焊工操作方便，上下鋼圈中間可設置至少3根鋼棍(長度30 cm)。在上下鋼圈上沿著半徑方向再分別焊制至少3個短鋼樁(長度3 cm)用以固定內部的PVC管，內管可采用PVC材料管及配套堵頭。裝置外圈半徑8.5 cm，內管半徑5.5 cm，高度30 cm，裝置高度還可根據實際土層厚度和試驗需要調整。使用時，可以將裝置整體拔出，用小刀按深度切開PVC管外圍土壤，獲得分層土壤樣品；若不需要分層取樣，可直接拔出內管，取出網內土壤和根系即可。

2 實際應用

利用本裝置在內蒙古包頭達茂旗希拉穆仁草原進行了實際應用。本區屬于半干旱荒漠草原，年均降水量284 mm[20–21]。試驗區于2014年開始圍封禁牧，禁牧區共包括3塊樣地，每塊樣地面積110 m×120 m，在每塊樣地內安裝3套裝置，裝置間距30 m，呈三角形排布，安裝時首先轉取半徑為 8.5 cm、深度為30 cm的圓柱形洞穴，將裝置骨架放入洞穴，然后將過1 mm篩后的無根系土壤，按深度分層填入PVC管外圍與紗網之間的空隙，并用木棍適當壓實土壤到接近原有土壤緊實度，再將蓋帽安裝固定。待植物根系生長一個月后，把裝置的內管緩慢拔出，再把網袋拉出獲得根系和土壤混合體，然后再用干篩法進行后續根系和土壤的分離。試驗從2016年5月份開始到8月份，每月進行一次取樣，地下凈生產力通過累加每月新生長的根系生物量干重獲得。

圖1 內生長土芯法測定植物根系生長原理圖(左)和現場安裝照片(右)

圖2 內生長土芯法裝置構成圖

從結果來看，5—8月份每月均可以獲得一定量的根系(表 1)，通過計算月地下凈初級生產力 BNPP可得到該地區的年地下初級生產力為 457.59 g/m2。侯向陽等[22]對內蒙古蘇尼特右旗荒漠草原圍封禁牧區的測定結果為 450.2 g/m2(干旱年份5—9月份)，可見本研究結果與此基本一致。2016年本研究區也比較干旱[23]。此外，Gao等[12]在內蒙古錫林郭勒典型草原圍封區測定的BNPP結果是366 ～ 464 g/m2，本研究的結果也接近。整體上，應用本裝置可以測定荒漠草原根系周轉和地下生產力。

表1 運用內生長土芯法測定內蒙古荒漠草原圍封區地下生產力

3 裝置的優缺點

優點：①采用PVC管填充了網袋之內的部分空間，減少了后續分離、挑選根系所需處理的土量；②單個網袋直徑較大，增大了取樣范圍，同時又減少了樣地內的取樣點數和對樣地的破壞；③避免了取樣土壤在凍融或者其他外力作用下變形，引起外圍土壤的厚度變化；④裝置內部填充的土壤厚度小，貼近外圍試驗地的土壤，減小了土芯內部土壤和外圍土壤之間的差異；⑤裝置采用不銹鋼和PVC管等惰性材料，在土壤中不易和土壤發生反應，不影響植物根系生長。

缺點：①單點取樣直徑較大，在植被發育密集、蓋度大的地區不太適用。因為這些地區的根系密集分布，應用本方法獲得根量可能較多，增加了后續分離根系的工作量；②應用本方法需要制作不銹鋼骨架，增加了成本，建議有條件的可以使用塑料或者 PVC材料代替不銹鋼。

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A Ingrowth Core Method in Determining Root Biomass in Desert Steppe

WANG Zhanyi1, JIN Jing1, WANG Chengjie1*, HOU Jia2, XU Wenyi1
(1 College of Grassland and Resource Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China; 2 College of Vocational and Technical, Inner Mongolia Agricultural University, Baotou, Inner Mongolia 014100, China)

A device and method was introduced and applied to determine the root biomass of the plant in desert grassland. The results proved that this method could effectively be used to measure the root biomass and net primary productivity of grassland in the desert steppe. It is more suitable to be applied in the desert steppe when the vegetation coverage is low.

Root biomass; Belowground net primary production; Net-bag method; Soil

S154.4；Q948.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.030

國家自然科學基金項目(31560141)、教育部科學技術研究項目(213006A)、內蒙古自然科學基金項目(2015MS0319)和教育部科技創新團隊項目(IRT1259)資助。

* 通訊作者(nmgcjwang3@163.com)

王占義(1981—)，男，內蒙古包頭人，博士，主要從事草地植物根系生物學方面的工作。E-mail: zhanyiwang2006@163.com