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细根通常指直径≤2 mm的根,有巨大的吸收表面积,具有吸收水分和养分的功能。细根生物量仅占根系总生物量的3%~30%,但细根迅速的生长和周转却要消耗掉50%~80%的初级净光合产物(NPP),显著影响了光合产物的分配[1-3]。林木的根系分布影响林木地下营养空间的大小和土壤水分及养分的吸收利用,决定着林木从土壤中吸收并用于蒸发的水量,直接影响到地上部分产量的高低,因此,细根的空间分布格局显著影响植物的生长发育和植物生产力[4]。细根在林木资源利用和物质、养分循环中也起着重要作用,林木细根空间结构是反应植物间地下竞争、评价林木对地下资源利用程度的重要内容[5-7]。目前,常采用距树干特定距离或随机取样的方法来研究垂直方向上细根的分布和季节动态以及细根周转等[8-9]。
杨树生长快、适应性广、用途广泛,是我国长江流域及黄淮海地区最重要的速生丰产林造林树种,但在广大的分布区内,受立地条件不同的影响,林分生产力和生态经济效益存在巨大差异。滴灌技术作为一种水分高效利用的灌溉技术已经广泛应用于农业领域[10-12],在林业方面,国内外一些学者已将滴灌技术应用到杨树人工林的栽培并进行了相关研究[13-16],有关林木栽培的根系研究也是一个重要内容。以往关于杨树人工林根系的研究多集中于细根的垂直分布及与土壤养分、水分的关系等方面[17-20],而在滴灌条件下有关林木的根系研究,闫小莉等[21-22]对滴灌施肥条件下欧美108杨细根形态及垂直分布特征以及表土层细根形态和分布的变化进行了研究;刘晓丽等[23]对滴灌密植枣林细根特征的研究表明,滴灌对枣林根系分布有显著影响,可缩短枣林细根最大分布深度;傅建平等[24]研究了地面滴灌条件下107杨人工林根系的分布,发现滴灌栽培对杨树人工林根系分布影响显著,且根系主要分布在0~40 cm土层。本试验以地面滴灌栽培的5年生欧美107杨为研究对象,通过对不同方向、不同树干距离和不同土壤深度细根分布情况的研究,探究细根的空间分布特征,对制定滴灌栽培杨树人工林的科学灌溉制度有重要的指导意义。
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于2015年11月上旬在林分内设置3个面积为30 m×20 m标准地,每个标准地内有样木40株,在标准地内进行每木检尺,然后各选取1株树高、胸径、冠幅接近平均值的标准木作为研究对象。采用根钻(根钻内径10 cm,高10 cm)法取样,根据1/4样圆法[25](图 1),即在每株样木的不同方位划分出1/4营养区作为取样区,结合滴灌条件下根系分布[24],以样木树干为中心,分别选取株间、行间和对角3个方向作为取样区,然后在距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处钻取土芯,取样深度为60 cm,每10 cm为1个土层。把取出的每个土样分别装入标号的塑封袋内,共计216个土样带回实验室分析。
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土样在清水中浸泡后用流水冲洗,过孔径为0.8 mm筛,使根系与土样中绝大部分的土壤及其他杂质分离,然后在清水中用镊子小心捡取所有活根系。本研究按照传统的根系分类标准[20],以直径≤2 mm作为划分细根和粗根的阈值。应用Epson Twain Pro根系扫描系统和WinRhizo根系图像分析系统对根系进行细根根长测定。待全部根样扫描完成后,将细根在80℃烘箱中烘干至恒质量(24 h), 用电子天平称质量(精确到0.001 g),测定各根样的生物量。
表 1 标准木基本特征
Table 1. Basic characteristics of standard wood
样木编号
Sample number胸径
DBH/cm树高
Tree height/m冠幅
Crown/(m×m)1 15.6 17.26 3.63×3.42 2 15.8 16.87 3.13×3.50 3 15.8 17.63 3.35×3.17 -
利用Excel软件对试验数据进行整理和统计,以Origin Pro 8.0软件作图,采用SPSS19.0软件进行树干距离和土层深度的双因素方差分析,研究各因素及其交互作用对细根分布的影响,然后对数据进行单因素方差分析以探究细根的水平和垂直分布特征。
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为探究滴灌条件下细根的总体分布规律,分别以同一方向所有取样点及同一土层或树干距离所有取样点的单位土体内细根生物量和根长的和来表征细根的总体分布特征。图 2、3直观反映了细根生物量和根长的空间分布格局,不同方向的细根生物量和根长都表现出相似的分布趋势。株间方向不同土层细根的水平分布表现为先增加后减小的分布特征,细根生物量和根长均在距树干0.5 m处最大;垂直方向不同树干距离处的细根在0~10 cm土层分布最多,然后随土层加深细根不断减少。对角方向不同土层细根的水平分布均在距树干0.2 m处最大,然后随距离变远不断减小;不同树干距离处细根的垂直分布也均表现为先增加后减小的分布规律,细根在10~20 cm土层分布最多。行间方向细根的分布与对角方向类似,水平方向距树干0.2 m处细根分布最多,垂直方向细根在10~20 cm土层最多,然后随树干距离变远和土壤深度加深,细根分布不断减少。
通过树干距离、土层2个因素对滴灌条件下杨树人工林细根指标参数进行方差分析,结果(表 2)表明:树干距离、土层深度及其交互作用均对细根生物量和根长分布影响显著(P<0.05),说明滴灌条件下细根有明显的空间分布格局。由表 2可知:对角和行间方向细根生物量受树干距离的影响大于株间方向,而株间方向受土层的影响较大;行间方向细根长受树干距离、土层及其交互作用的影响较株间和对角方向更大,说明行间方向的细根分布有更明显的空间异质性,这可能是受滴灌后形成的湿润带造成不同树干距离及土层土壤水分条件不同的影响。
表 2 树干距离、土层及其交互作用对细根生物量和根长的影响
Table 2. Effects of trunk distance, soil layer and their interactions on fine root biomass and root length
变异来源
Source of variation自由度
df细根生物量Fine root biomass 株间方向
Strains direction对角方向
Diagonal direction行间方向
Row directionF P F P F P 树干距离Trunk distance 3 82.213 <0.001* 262.537 <0.001* 353.017 <0.001* 土层Soil layer 5 86.081 <0.001* 20.89 <0.001* 42.207 <0.001* 树干距离×土层Trunk distance×soil layer 15 4.933 <0.001* 2.002 0.035* 10.583 <0.001* 变异来源
Source of variation自由度
df细根长Fine root length 株间方向
Strains direction对角方向
Diagonal direction行间方向
Row directionF P F P F P 树干距离Trunk distance 3 40.085 <0.001* 171.453 <0.001* 476.685 <0.001* 土层Soil layer 5 146.1 <0.001* 69.579 <0.001* 243.467 <0.001* 树干距离×土层Trunk distance×soil layer 15 4.557 <0.001* 4.116 <0.001* 18.321 <0.001* 注: “*”表示影响显著(P<0.05)。Note: “*”indicate significant differences (P<0.05). 由表 3可知:不同方向细根生物量差异显著(P<0.05),不同取样点细根生物量总和为14.86 mg,其中,株间方向占细根总生物量的54.2%,分别是对角和行间方向生物量的2.06倍和2.79倍。不同方向的细根长差异显著(P<0.05),株间方向占细根总长的50.5%,分别是对角和行间方向的1.82倍和2.32倍。滴灌条件下,细根主要分布在株间方向,不同方向细根的分布表现为株间>对角>行间,这是由于细根生长具有向水性,而滴灌管沿树行铺设,滴灌后能在株间方向形成连续的湿润带,利于细根生长;对角和行间方向受湿润带影响有限,细根分布减少,但对角方向受湿润带影响范围大于行间方向(图 1),湿润带内土壤水分的增加有利于根系的生长,所以对角方向比行间方向有更多的细根。
表 3 不同方向细根生物量和根长的分布特征
Table 3. Distribution characteristics of fine root biomass and root length in different directions
方向
Direction细根生物量
Fine root biomass/mg细根长
Fine root length/cm株间Strains direction 8.06±0.23 a 12.72±0.86 a 对角Diagonal direction 3.91±0.14 b 6.97±0.19 b 行间Row direction 2.89±0.06 c 5.48±0.18 c 注: 表中不同小写字母表示影响显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).由细根生物量和根长的垂直分布特征(表 4)可知:不同土层细根生物量差异显著(P<0.05),其中,10~20 cm土层细根生物量最大,为3.75mg,是0~10 cm土层细根生物量的1.19倍;随土层的加深,细根生物量不断减少,其中, 0~40 cm土层细根生物量占细根总生物量的81.2%。由表 4可知:细根长的垂直分布与生物量相似,不同土层的细根长差异显著(P<0.05),10~20 cm土层的细根最长,为6.75 cm,是0~10 cm土层细根长的1.13倍,然后随土层的加深细根长不断减小。0~40 cm土层的细根长占细根总长的84.5%,说明滴灌条件下细根主要分布在0~40 cm土层,40~60 cm土层的细根分布减少显著。
表 4 不同土层细根生物量和根长的分布特征
Table 4. Distribution characteristics of fine root biomass and root length in different soil layers
土层
Soil layer/cm细根生物量
Fine root biomass/mg细根长
Fine root length/cm0~10 3.16±0.25 b 5.97±0.50 b 10~20 3.75±0.08 a 6.75±0.25 a 20~30 2.66±0.18 c 4.76±0.23 c 30~40 2.50±0.06 c 3.79±0.22 d 40~50 1.57±0.12 d 2.28±0.03 e 50~60 1.23±0.03 e 1.61±0.06 f 注:表中不同小写字母表示影响显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).滴灌后水分能在0~40 cm土层形成连续的湿润带,提高0~40 cm土层的土壤水分含量,显著改善土壤条件,利于细根生长和积累,而下渗到40~60 cm土层的水分相对较少并迅速向周围扩散,其水分条件明显比0~40 cm土层的差,细根分布明显减少。
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由不同方向细根长的水平分布情况(图 4)可知:滴灌条件下,杨树人工林细根的水平分布在不同方向差异显著。株间方向细根长的水平分布表现为先增加后减小的分布规律,根长在距树干0.5 m处最大,为4.2 cm,占该方向细根总长的33.1%,与距树干0.2、1.0、1.5 m处的根长均差异显著(P<0.05)。由于滴灌后在株间方向形成连续湿润带,水分条件充足,细根生长不受水分条件制约,细根先增加后减小的水平分布特征应该是树木细根自身生长调控的结果。
对角方向的细根长表现出随树干距离变远不断减小的分布特征,根长在距树干0.2 m处最大,为2.7 cm,占该方向细根总长的38.1%,与距树干0.5 m处的根长差异不显著(P>0.05);距树干0.2、0.5 m处的细根长与距树干1.0、1.5 m处均差异显著(P<0.05)。
行间方向细根长的水平分布与对角方向类似,其水平分布表现为随距树干距离的增加而减小,距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处的细根长差异显著(P<0.05),其中,距树干0.2 m处的根长为2.3 cm,占该方向细根总长的41.8%。由于对角方向距树干0.5 m处仍在滴灌形成的湿润带范围内,土壤水分条件较好,其细根长与距树干0.2 m处相近;行间方向距树干0.5 m处已处于湿润带边缘,水分条件较差,影响了细根的生长和积累,显著小于距树干0.2 m处的细根长(图 1)。通过以上分析可知,株间方向距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处以及对角和行间方向距树干0.2、0.5 m处均在湿润带内,其细根长的和占所有位点细根总长的86.4%。
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不同方向细根长有明显的垂直分布特征(图 5)。株间方向根长在0~10 cm土层最大,为3.7 cm,占株间细根总长的29.1%,与其他土层的根长均差异显著(P<0.05),然后随土层加深根长不断减小。这是由于滴灌改变了表层土壤的水分、温度等条件,利于根系生长,同时适宜的土温和水分条件也有助于林地内枯枝落叶的分解,从而改善表土层的土壤条件,进一步促进细根的生长和积累。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的87.4%,细根主要分布在0~40 cm土层。
对角方向细根长的垂直分布特征与株间方向不同,细根长在10~20 cm土层最大,为2.0 cm,占该方向细根总长的27.9%,是0~10 cm土层根长的1.48倍,差异显著(P<0.05),这是由于沙土的蓄水能力较差,而0~10 cm土层温度高,蒸发量大,表土层的土壤水分减少,细根分布较少。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的80.7%,细根仍主要分布在0~40 cm土层。
行间方向细根长的垂直分布特征与对角方向类似,细根长的垂直分布表现为先增加后减小的分布特征,细根长在10~20 cm土层最大,为1.7 cm,占该方向细根总长的31.0%,与其他土层差异显著(P<0.05)。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的82.7%,该方向细根仍主要分布在0~40 cm土层。
滴灌栽培杨树人工林细根空间分布特征
Spatial Distribution of Fine Root in the Poplar Plantation under Drip Irrigation
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摘要:
目的 为探究滴灌条件下杨树人工林细根的空间分布特征,对大兴区林场滴灌栽培的5年生欧美107杨的细根分布进行研究。 方法 采用根钻法分别在株间、对角和行间方向距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处取样,取样深度为60 cm,每10 cm为1个土层。 结果 滴灌条件下,在不同方向的不同树干距离和土层深度,杨树人工林的细根生物量和根长表现出相似的分布特征,其分布受树干距离、土层及其交互作用的影响显著(P<0.05)。滴灌条件下,株间方向的细根总长为12.7 cm,分别是对角和行间方向细根长的1.82倍和2.32倍,上述3个方向取样位点细根总长为25.2 cm,其中的86.4%在滴灌形成的湿润带范围内;0~40 cm土层的细根长占0~60 cm土层细根总长的84.5%。各方向的细根水平分布特征不同,株间方向细根长在距树干0.5 m处最大,为4.2 cm,占该方向细根总长的33.1%,且与其他树干距离处差异显著(P<0.05);对角和行间方向细根长在距树干0.2 m处最大,分别为2.7、2.3 cm,占各自方向细根总长的38.1%和41.8%。各方向的细根垂直分布特征不同,株间方向细根长在0~10 cm土层最大,为3.7 cm,占该方向细根总长的29.1%,且与其他土层差异显著(P<0.05);对角和行间方向细根长均在10~20 cm土层最大,分别为2.0、1.7 cm,占各自方向细根总长的27.9%和31.0%,与其他土层细根长差异显著(P<0.05)。 结论 滴灌条件下,杨树人工林细根的空间分布特征可以采用细根生物量或细根长任一指标来表述。滴灌后形成的连续湿润带导致土壤水分条件的差异使细根在不同方向的水平分布和垂直分布特征不同,细根分布表现为株间>对角>行间,细根主要分布在湿润带范围内且在0~40 cm土层相对集中分布。依据滴灌栽培杨树人工林细根的水平和垂直分布规律,每次滴灌后应保证水分侧渗到距离树干至少50 cm的范围,下渗的深度至少达到40 cm深,以满足杨树人工林正常生长对水分的需求。本研究结果和结论为确定精准的单次有效灌溉量提供理论依据,从而实现既节水又确保林木正常生长的双重目标。 Abstract:Objective Aiming at studying the spatial distribution of fine root under surface drip irrigation, 5-year-old 107 poplar clone (Populus×euramericana cv.'74/76) plantation cultivated with surface drip irrigation in the forest farm of Daxing district was taken as the research object. Method By drilling sampling, the samples from different directions at different horizontal distances (0.2, 0.5, 1.0 and 1.5 m) from the trunk were collected. The depths of soil cores were 60 cm, 10 cm each as a soil layer. Result The distribution characteristics of fine root were analyzed under the condition of drip irrigation. Under different trunk distance and soil layer, the fine root biomass and root length showed similar distribution characteristics and its distribution was significantly affected by the trunk distance, soil layer and their interaction (P < 0.05). The total length of fine roots in the strains direction was 12.7 cm, which was 1.82 times and 2.32 times that of the diagonal direction and row direction. The total root length of the three sampling points was 25.2 cm, of which 86.4% were in the range of wetted belt formed by drip irrigation. In the soil depth of 0-60 cm, 84.5% of the total root length was in the 0-40 cm soil layer. The horizontal distribution of fine root in different directions was different. In the strains direction, the maximum root length was at the trunk distance of 0.5 m, which was 4.2 cm and showed significant difference with other trunk distances (P < 0.05). In the diagonal and row direction, the maximum root length, 0.2 m from the trunk, were 2.7 cm and 2.3 cm respectively and accounting for 38.1% and 41.8% of the total length in their respective directions. The vertical distribution of fine root in different directions was different. At different soil layers, the fine root length in the strains direction showed that the fine root length of 0-10 cm soil layer was larger than others, and accounting for 29.1% of the total length, the difference with other soil layers was significant (P < 0.05). In the diagonal and row direction, the maximum root length were at 10-20 cm soil layer, 2.0 cm and 1.7 cm respectively, and accounting for 27.9% and 31.0% of the total length in their respective directions, the differences with other soil layers were also significant (P < 0.05). Conclusion The spatial distribution characteristics of fine root in poplar plantations under drip irrigation can be expressed by either fine root biomass or fine root length. The difference of soil moisture condition caused by continuous wet belt range after drip irrigation makes the difference of horizontal and vertical distributions of fine root in different directions, the fine root length is expressed as strains direction > diagonal direction > row direction. Fine roots are mainly distributed in the range of wet belt and relatively concentrated in the 0-40 cm soil layer. According to the horizontal and vertical distribution of fine root of poplar plantation, the water should penetrate to at least 50 cm away from the trunk after each drip irrigation, and the depth of infiltration should reach at least 40 cm to meet the water demand of normal growth of poplar plantation. The results and conclusions of this study provide a theoretical basis for determining the precise single effective irrigation amount, so as to achieve the dual goal of saving water and ensuring the normal growth of trees. -
Key words:
- surface drip irrigation
- / poplar plantation
- / fine root
- / spatial distribution
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表 1 标准木基本特征
Table 1. Basic characteristics of standard wood
样木编号
Sample number胸径
DBH/cm树高
Tree height/m冠幅
Crown/(m×m)1 15.6 17.26 3.63×3.42 2 15.8 16.87 3.13×3.50 3 15.8 17.63 3.35×3.17 表 2 树干距离、土层及其交互作用对细根生物量和根长的影响
Table 2. Effects of trunk distance, soil layer and their interactions on fine root biomass and root length
变异来源
Source of variation自由度
df细根生物量Fine root biomass 株间方向
Strains direction对角方向
Diagonal direction行间方向
Row directionF P F P F P 树干距离Trunk distance 3 82.213 <0.001* 262.537 <0.001* 353.017 <0.001* 土层Soil layer 5 86.081 <0.001* 20.89 <0.001* 42.207 <0.001* 树干距离×土层Trunk distance×soil layer 15 4.933 <0.001* 2.002 0.035* 10.583 <0.001* 变异来源
Source of variation自由度
df细根长Fine root length 株间方向
Strains direction对角方向
Diagonal direction行间方向
Row directionF P F P F P 树干距离Trunk distance 3 40.085 <0.001* 171.453 <0.001* 476.685 <0.001* 土层Soil layer 5 146.1 <0.001* 69.579 <0.001* 243.467 <0.001* 树干距离×土层Trunk distance×soil layer 15 4.557 <0.001* 4.116 <0.001* 18.321 <0.001* 注: “*”表示影响显著(P<0.05)。Note: “*”indicate significant differences (P<0.05). 表 3 不同方向细根生物量和根长的分布特征
Table 3. Distribution characteristics of fine root biomass and root length in different directions
方向
Direction细根生物量
Fine root biomass/mg细根长
Fine root length/cm株间Strains direction 8.06±0.23 a 12.72±0.86 a 对角Diagonal direction 3.91±0.14 b 6.97±0.19 b 行间Row direction 2.89±0.06 c 5.48±0.18 c 注: 表中不同小写字母表示影响显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).表 4 不同土层细根生物量和根长的分布特征
Table 4. Distribution characteristics of fine root biomass and root length in different soil layers
土层
Soil layer/cm细根生物量
Fine root biomass/mg细根长
Fine root length/cm0~10 3.16±0.25 b 5.97±0.50 b 10~20 3.75±0.08 a 6.75±0.25 a 20~30 2.66±0.18 c 4.76±0.23 c 30~40 2.50±0.06 c 3.79±0.22 d 40~50 1.57±0.12 d 2.28±0.03 e 50~60 1.23±0.03 e 1.61±0.06 f 注:表中不同小写字母表示影响显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05). -
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