長(zhǎng)白山系榛子灌木林根系對(duì)優(yōu)先流的影響
2018-01-02 09:31:39王趙男趙雨森
林業(yè)科學(xué)研究 2017年6期
王趙男，辛 穎*，趙雨森
(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)
長(zhǎng)白山系榛子灌木林根系對(duì)優(yōu)先流的影響
王趙男1，辛 穎1*，趙雨森1
(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)
根長(zhǎng)密度；根生物量；優(yōu)先流；基質(zhì)流；
土壤優(yōu)先流是一種常見(jiàn)的土壤水分和溶質(zhì)快速運(yùn)移的現(xiàn)象，其研究理論被越來(lái)越多的土壤學(xué)家、水分地質(zhì)學(xué)家和森林水文學(xué)家關(guān)注[1]，開(kāi)展優(yōu)先流的研究，有利于了解降雨對(duì)地下水位的影響、地表徑流和壤中流的形成機(jī)制。土壤地下水分和溶質(zhì)的運(yùn)移一直是土壤學(xué)和水文學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
林木根系是土壤層中的重要組成結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤理化性質(zhì)有明顯的改善作用[2]，根系通過(guò)穿插、網(wǎng)絡(luò)和固結(jié)將土壤單粒級(jí)有機(jī)物質(zhì)粘結(jié)起來(lái)改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和孔隙性[3]，形成了微型的攔土過(guò)濾篩，阻止了土粒的搬運(yùn)和滾動(dòng)，加強(qiáng)了水分和溶質(zhì)的運(yùn)移[4]。根長(zhǎng)密度、根質(zhì)量密度和根生物量是林木根系結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，影響優(yōu)先流路徑發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)根系對(duì)優(yōu)先流的路徑分布的研究較多，但沒(méi)有明確其優(yōu)先流類(lèi)型，而不同徑級(jí)根系對(duì)優(yōu)先流的貢獻(xiàn)率需要進(jìn)一步明確。
1 研究地區(qū)與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
1.2 研究方法
1.2.1 樣地的選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)置 在帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)老山試驗(yàn)站，選取地勢(shì)較為平坦，遭受重大破壞后恢復(fù)較好的榛子灌木林。設(shè)置面積為400 m2(20 m×20 m)的試驗(yàn)觀測(cè)樣地。機(jī)械布設(shè)3個(gè)樣點(diǎn)放置實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用不銹鋼鐵框和模擬降雨器，確保每個(gè)樣點(diǎn)與周?chē)嗄揪嚯x相距1 m且數(shù)量大體相同。不銹鋼鐵框長(zhǎng)×寬×高(1.0 m×1.0 m×0.6 m)，放入土中0.5 m，模擬降雨器由4根內(nèi)直徑2.5 cm長(zhǎng)1 m不銹鋼管，每隔0.2 m處安裝一個(gè)1.2 mm的霧狀噴頭，組成的相互連通等壓的1 m×1 m的降雨器，距離鐵框內(nèi)部土壤平面0.5 m。
1.2.2 染色示蹤實(shí)驗(yàn)及圖片的獲得 于2015年9月27日—10月5日進(jìn)行試驗(yàn)。選用濃度為4.0 kg·m-3[7-9]體積25 L(50 mm為當(dāng)?shù)卮笥杲涤炅?。亮藍(lán)染色劑(Brilliant Blue FCF)，利用模擬降雨器噴灑在選好的樣點(diǎn)內(nèi)，噴灑完畢后用2 m×2 m透明塑料布將鐵框密封，防止再降雨和枯枝落葉的落入[10]。24 h后撤去塑料，開(kāi)挖剖面，用佳能相機(jī)拍攝染色剖面，圖像以JPG格式儲(chǔ)存。以10 cm為一層，用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)在剖面10 cm處取原狀土柱，分染色與未染色，3個(gè)重復(fù)，(每層6個(gè))，最終剖面修成80 cm×80 cm×60 cm的矩形剖面。縱向每隔2 cm為準(zhǔn)，用相機(jī)拍攝剖面，每個(gè)剖面拍攝3次，直至染色消失。縱剖面規(guī)格：80 cm×60 cm×80 cm。
1.2.4 根系的獲得及處理 在縱向切剖面的同時(shí)，將橫向每10 cm的土層內(nèi)的所有根系全部取出帶回，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將根系樣品分成染色與未染色兩類(lèi)，用80目篩子在流水中沖洗，洗好后用濾紙吸干[13]，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量并分成d<1 mm，1
1.2.5 根貢獻(xiàn)率的測(cè)定 先分別算出剖面內(nèi)5種不同根系徑級(jí)的優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的總根長(zhǎng)密度，之后用每個(gè)根系徑級(jí)的優(yōu)先流區(qū)的根長(zhǎng)密度與該根系徑級(jí)的總根長(zhǎng)密度之比得到該根系徑級(jí)的優(yōu)先流區(qū)所占的比率即為該根系對(duì)優(yōu)先流的貢獻(xiàn)率。
2 結(jié)果與分析
2.1 優(yōu)先流的空間分布
對(duì)研究點(diǎn)內(nèi)的拍攝后的照片經(jīng)過(guò)Image-ProPlus6.0等圖像處理軟件的處理，提取出研究點(diǎn)內(nèi)的優(yōu)先流路徑數(shù)量和優(yōu)先流的空間分布情況，見(jiàn)圖1。
實(shí)際的絕熱加速量熱儀實(shí)驗(yàn)中,受限于樣品熱電偶動(dòng)態(tài)特性及爐體加熱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,在樣品絕熱反應(yīng)階段,樣品和爐體之間存在一定溫度差,使式(2)不能完全滿(mǎn)足,導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)求解誤差。為了量化這一溫度差對(duì)動(dòng)力學(xué)求解的影響,本文通過(guò)絕熱反應(yīng)過(guò)程的建模仿真對(duì)其進(jìn)行分析。
圖1 優(yōu)先流區(qū)的二維與三維縱向剖面提取信息Fig1 2D and 3D vertical profiles of the preferential flow area
圖1縱向二維，三維剖面圖，白色為未染色區(qū)，黑色為染色區(qū)[14]，三維圖中柱狀長(zhǎng)短代表該處染色強(qiáng)度(長(zhǎng)為弱，短為強(qiáng))。
土壤表層染色較為均勻，染色劑呈網(wǎng)狀擴(kuò)散式蔓延并繞過(guò)基質(zhì)區(qū)快速下滲，形成極其明顯的“優(yōu)先路徑”，整體呈現(xiàn)扭曲環(huán)繞特征。染色區(qū)域內(nèi)的“空點(diǎn)”多而密，形成連貫的曲線與直線相互連通的網(wǎng)狀通路。染色剖面的“優(yōu)先路徑”大多伴隨著土壤內(nèi)的植物根系、石礫、裂隙出現(xiàn)，圖中可以看到明顯的沿根系染色和繞過(guò)石礫的痕跡。土壤優(yōu)先流類(lèi)型主要為大孔隙流，漏斗流和環(huán)繞流，并出現(xiàn)側(cè)向入滲現(xiàn)象。
2.2 根長(zhǎng)密度對(duì)優(yōu)先流的影響
根系結(jié)構(gòu)特征是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)[18]，而單位面積上的根長(zhǎng)(根長(zhǎng)密度)是衡量根系結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)之一，決定根系吸收養(yǎng)分和水分的能力。不同土層深度的不同根系徑級(jí)密度見(jiàn)圖2。
圖2 不同土壤深度下根長(zhǎng)密度在優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的分布Fig.2 Distribution of root length density in preferential pathways and soil matrix for different soil depth
根系生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的隨機(jī)性的過(guò)程[20]，研究點(diǎn)中不同土層內(nèi)的水分和養(yǎng)分的分布，以及土壤內(nèi)異質(zhì)性使得根系在水平與垂直的空間分布存在明顯的差異，同時(shí)活根系與死根系的相互作用，在圖1中均勻染色區(qū)有顯示。都導(dǎo)致了整個(gè)剖面內(nèi)根長(zhǎng)密度出現(xiàn)了較大的差異。
表1 優(yōu)先流根長(zhǎng)密度的均值、標(biāo)準(zhǔn)差隨根系徑級(jí)和土壤深度的變化
榛子灌木林優(yōu)先流區(qū)根長(zhǎng)密度基本都大于基質(zhì)流區(qū)，細(xì)根系(d<1 mm)對(duì)優(yōu)先流貢獻(xiàn)率最大(67.9%)，且5個(gè)不同根系徑級(jí)貢獻(xiàn)率均值都在58.5%以上，對(duì)優(yōu)先流的形成為促進(jìn)作用。這是因?yàn)楣嗄緝?nèi)土層土壤有一層致密的枯枝落葉層。這層枯枝落葉層內(nèi)部與根系營(yíng)造了許多缺氧狀態(tài)下的小室，給許多厭氧動(dòng)物與微生物提供了生存環(huán)境，同時(shí)也加速了死根系的腐敗，使得原來(lái)緊實(shí)的土壤變的更加松動(dòng)，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物質(zhì)，加速了土壤團(tuán)聚體的形成。進(jìn)而改善了土壤自身理化性質(zhì)[21]，與根系結(jié)構(gòu)(活根與死根)構(gòu)成了相互連通的土壤空間網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了土壤水分與溶質(zhì)的快速運(yùn)移。
無(wú)論根系徑級(jí)的不同還是土壤層次的不同，其根長(zhǎng)密度有顯著的差異，優(yōu)先流區(qū)的根系含量也相對(duì)較高，進(jìn)而得出染色面積百分比與根長(zhǎng)密度的關(guān)系，圖3。
圖3 染色面積百分比與根長(zhǎng)密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between dye coverage and root length density
圖3為實(shí)驗(yàn)剖面內(nèi)不同根系徑級(jí)根長(zhǎng)密度之和與平均染色面積百分比。隨著根長(zhǎng)密度的增加，到達(dá)根長(zhǎng)密度最大值時(shí)(10 962.11 mm·100 cm-3),染色面積百分比也隨之增加，而后根長(zhǎng)密度降低，染色面積百分比依然增加。這是因?yàn)殚蛔庸嗄玖值母瞪L(zhǎng)主要集中在土壤表層，致密的枯枝落葉層內(nèi)土壤團(tuán)聚體的含量較高，根系與土壤接觸，容易在平面內(nèi)擴(kuò)散伸長(zhǎng)和垂直穿插生長(zhǎng)，增加了土壤孔隙的密度，增強(qiáng)了根隙孔道的連通性[22]。且主根系的伸長(zhǎng)穿透力強(qiáng)，易于向下生長(zhǎng)，形成較大孔道，改善土壤性質(zhì)，使土壤松弛度提高，造成了許多大孔隙，利于細(xì)根在大孔隙內(nèi)部的擴(kuò)散和伸長(zhǎng)，在相互作用和共同影響下，為水分和溶質(zhì)的運(yùn)移創(chuàng)造了良好的條件[23]。在土壤下層中土壤緊實(shí)，密度高，微生物與動(dòng)物少，并且?jiàn)A雜許多大的未風(fēng)化的石礫，阻礙了根系生長(zhǎng)，致使水分無(wú)法繼續(xù)下滲，對(duì)優(yōu)先流的形成起反作用。
2.3 根生物量對(duì)優(yōu)先流的影響
根生物量是評(píng)價(jià)根系吸收養(yǎng)分和水分的能力[24-26]，即為土壤單位體積內(nèi)的根系的質(zhì)量[28]，對(duì)研究點(diǎn)不同根系徑級(jí)的根系生物量進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。
表2 優(yōu)先流和基質(zhì)流根生物量的變異特征
圖4 不同土層根系生物量在優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的變化Fig.4 Change of root biomass in preferential flow and soil matrix for different soil depth
僅僅得出優(yōu)先流區(qū)的根生物量比基質(zhì)流區(qū)的根生物量整體高出1%左右，并不能清楚的表明根生物量對(duì)優(yōu)先流的作用是正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)。因此用優(yōu)先流區(qū)與基質(zhì)流區(qū)根生物量的差值與優(yōu)先流區(qū)根生物量之比(根生物量差值百分比)[27]來(lái)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖5。
注：黑點(diǎn)表示優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的比值為正值，白點(diǎn)表示兩區(qū)的比值為負(fù)值。Note: the black spot indicates that the ratio of the preferential flow zone and the matrix flow area is positive, and the white spot indicates that the ratio of the two zones is negative.圖5 優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)的根生物量差值百分比Fig.5 Different between percentages of root biomass in preferential flow and soil matrix
圖5表明：當(dāng)兩區(qū)域差值百分比為正時(shí)，染色區(qū)的根生物量應(yīng)該較大，處于主導(dǎo)地位，促進(jìn)優(yōu)先流路徑的產(chǎn)生，當(dāng)兩區(qū)域的差值比為負(fù)時(shí)，未染色區(qū)的根生物量較大，處于主導(dǎo)地位，阻礙了優(yōu)先流現(xiàn)象的發(fā)生，但圖示中的數(shù)據(jù)信息卻與現(xiàn)實(shí)的優(yōu)先流圖像提取信息不相符(圖2)，無(wú)論優(yōu)先流區(qū)根生物量大，還是基質(zhì)流區(qū)根生物量大，都有優(yōu)先流路徑的產(chǎn)生，所以根生物量對(duì)于優(yōu)先流現(xiàn)象的產(chǎn)生不起決定性的作用。
3 討論
根系是形成土壤團(tuán)聚體和結(jié)構(gòu)孔隙度的一個(gè)關(guān)鍵因素[28]。研究發(fā)現(xiàn)，林木根系主要集中在土壤的表層，能夠改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤密度[29]。根在自然生長(zhǎng)情況下，與根系接觸的土壤會(huì)受到膨脹和擠壓，使土壤孔隙變大，密度減小，而當(dāng)根腐爛時(shí)，產(chǎn)生孔隙的幾率較高，甚至?xí)忻黠@的土壤管留在土壤中[30]。利于新的根在孔道中繼續(xù)生長(zhǎng)，給優(yōu)先流路徑提供了發(fā)生條件。生長(zhǎng)的根與腐爛的根形成一個(gè)具有不同孔隙率的非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，森林土壤中的根系與石礫相互連接處有土粒相連，能形成連續(xù)的流徑，根長(zhǎng)密度隨土層深度增加而降低，根長(zhǎng)密度能反映出根系生長(zhǎng)情況，是優(yōu)先流發(fā)生的貢獻(xiàn)者[31]。本研究表明優(yōu)先流區(qū)和基質(zhì)流區(qū)根長(zhǎng)密度和根生物量都是隨土壤深度的增加而減小，且優(yōu)先流區(qū)要高于基質(zhì)流區(qū)，這與上述的研究結(jié)果一致。
在眾多研究?jī)?yōu)先流的實(shí)驗(yàn)方法中，野外染色劑示蹤法最為直觀[32]，可以直接觀察到優(yōu)先流的現(xiàn)象和優(yōu)先流路徑的走向和數(shù)量。本研究區(qū)域是黑龍江省東部重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣化，有明顯的優(yōu)先流現(xiàn)象發(fā)生，優(yōu)先流路徑表現(xiàn)得也極為明顯。Hagedoen和Bundt[33]認(rèn)為，理論上優(yōu)先流路徑應(yīng)保持穩(wěn)定至下層土壤，事實(shí)上在土壤表層的土壤水分流動(dòng)系統(tǒng)中，沿根隙孔道的優(yōu)先流占主導(dǎo)地位，流至土壤中，根密度變小，土壤水分均勻滲透到土壤層中，產(chǎn)生了多條優(yōu)先流路徑。M Ghestem[34]研究表明在土壤水分的運(yùn)移活動(dòng)中，94.7%的水流是通過(guò)根系孔道運(yùn)移的，僅有5.3%是通過(guò)其他方式流失的。本研究結(jié)果表明，在25 cm以下土壤中出現(xiàn)明顯的優(yōu)先流路徑，這與上述結(jié)論一致。且優(yōu)先流區(qū)的根長(zhǎng)密度總是大于基質(zhì)流區(qū)，同時(shí)細(xì)根系(d<1 mm)的優(yōu)先流貢獻(xiàn)率最大，且不同根系徑級(jí)的優(yōu)先流貢獻(xiàn)率均值都在58.5%以上，類(lèi)似的結(jié)果也在其它研究中有報(bào)道[35]。
染色面積比是作為一個(gè)衡量?jī)?yōu)先流的一個(gè)特性指標(biāo)，可以推測(cè)出土壤孔隙度額度數(shù)量和孔徑的大小[36]。Bogner[37]認(rèn)為染色面積比的可變化性是現(xiàn)實(shí)優(yōu)先流現(xiàn)象的一個(gè)重要指標(biāo)。本文研究中，隨著土層深度的增加，染色面積百分比逐漸降低，直至變?yōu)?，根長(zhǎng)密度也隨染色面積的增加而增加。與粗根系(d>5 mm)相比，細(xì)根系(d<1 mm)與優(yōu)先流的相關(guān)性更好。因?yàn)榧?xì)根系密度多，與土壤接觸的表面積大，吸水能力強(qiáng)，滲透性大[38]，促進(jìn)優(yōu)先流現(xiàn)象的產(chǎn)生。
4 結(jié)論
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EffectofPlantRootSystemonPreferentialFlowofHazelnutShrubinChangbaishanMountains
WANGZhao-nan1,XINYing1,ZHAOYU-sen1
(College of Forestry, Northeast Forestry University，Harbin 150040, Heilongjiang, China)
ObjectiveTo reveal the effect of root diameter classes on the occurrence of soil preferential flow in different depth of soil layer.MethodThe study area located in the hillslope with hazelnut shrub forest in Zhangguangcailing of Changbaishan Mountains .The blue dye tracing method was applied to confirm and evaluate the changes in root biomass and root length density along preferential pathways in the soil matrix.ResultThe macropore flow, funnel flow and surround flow were the main soil water flow movement patterns which occurred rapidly with surround features. The root length density decreased with the increase of soil depth. In addition, the contributions of root length densities with root diameter (d) <1 mm, 1 root length density; root biomass; preferential flow; soil matrix. 10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.001 2016-12-28 國(guó)家自然科學(xué)基金(No.31300593)。 王趙男(1989—)，男，在讀碩士，主要從事水土保持研究。Email:zhaonan_wang@163.com * 通訊作者：辛 穎(1979—)，女，博士，副教授主要從事水土保持與林業(yè)生態(tài)研究。Email:xinying2004@126.com。 S794 A 1001-1498(2017)06-0887-08 彭南軒)
