劉 敏，周 波，金 毅，張曉虹，吳玉鋒，侯 超，于 惠，汪 鵬

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

運(yùn)用ET-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行紫花苜蓿根系特征研究

劉 敏，周 波，金 毅，張曉虹，吳玉鋒，侯 超，于 惠，汪 鵬

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

ET-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；紫花苜蓿；根系長度；根系直徑；根系生物量

運(yùn)用引進(jìn)設(shè)備ET-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對兩種紫花苜蓿(15°緩坡1年生、35°陡坡5年生)根系進(jìn)行定時觀測，分析不同條件下紫花苜蓿的根系生長狀況。結(jié)果表明：緩坡當(dāng)年生紫花苜蓿側(cè)根發(fā)生的主要部位在距地面12—36 cm之間，0—12 cm之間僅有少量側(cè)根發(fā)生，43 cm以下幾乎沒有側(cè)根發(fā)生，根系生物量、主根直徑整體上表現(xiàn)為從土壤表層到深層逐漸遞減；當(dāng)年生紫花苜蓿根系監(jiān)測前期(9月15日—10月15日)在距地面18—33 cm 之間生長最快，后期(10月16日—11月15日)在距地面43—53 cm之間生長最快，根系總長度增加量前期較后期大，但根系表面積、體積增加量則是后期比前期大；陡坡5年生紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)、形狀分散、分布均勻，在距地面30—70 cm之間生長相對較快，根系平均直徑前期為4.3 cm，后期為5.4 cm。

甘肅省屬干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重。要加快水土流失治理步伐，必須加強(qiáng)水土保持植物措施建設(shè)及研究。目前，植物措施傳統(tǒng)的研究方法多集中在植被覆蓋度、成活率、地上部分的生物量及植物種搭配等方面，而對植物根系的研究較少，研究方法也不多[1]，廣泛采用的是根鉆法、內(nèi)生長法、微根管法。在這些方法中，微根管法是唯一對根擾動較小，并能通過持續(xù)的觀察來同時獲得細(xì)根的生長和死亡動態(tài)的方法[2]。因此，從植物根系的微觀角度研究根系形態(tài)、空間分布及生長特征，對于更有效地控制水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境意義重大。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于蘭州市城關(guān)區(qū)竇家山科技示范園區(qū)內(nèi)，距蘭州市區(qū)約4 km。園區(qū)內(nèi)已建成20 m×5 m緩坡(坡度為15°)苜蓿根系試驗觀測小區(qū)1個，10 m×8 m陡坡(坡度為35°)苜蓿根系試驗觀測小區(qū)1個。緩坡苜蓿在2013年春季種植，陡坡苜蓿為邊坡掛網(wǎng)種植，已種植5年。兩個觀測小區(qū)均可灌溉，主要用于觀測不同坡度條件下苜蓿根系的空間分布特征和生長動態(tài)。

2 試驗儀器及試驗方法

2.1 試驗儀器

ET-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是由美國Bartz公司開發(fā)，將微根管(Minirhizotron，又稱微根窗)技術(shù)用于非破壞性監(jiān)測分析根系動態(tài)的儀器。工作原理是運(yùn)用透明管材埋設(shè)在需要研究的根系周圍，使用特殊圖像捕捉系統(tǒng)對根系照相，然后借助專業(yè)根系分析軟件系統(tǒng)對混合圖像進(jìn)行分析，從而跟蹤了解其生長過程。該系統(tǒng)由打孔工具、根系照相系統(tǒng)、圖像抓取及分析系統(tǒng)構(gòu)成，通過該系統(tǒng)可研究植物種根系形態(tài)空間分布和動態(tài)生長情況。

該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)根管直徑50 mm，長度分900、1 800 mm兩種；根系拍照長度13.5 mm，可分析根系的長度、表面積、體積、直徑分布格局。

2.2 試驗方法

(1)緩坡(徑流場)試驗，坡長20 m，坡度15°，打孔管以與水平呈70°打入土壤，打孔深度為1.0 m。

(2)陡坡(公路掛網(wǎng)邊坡)試驗，坡度35°，坡長8 m，打孔位置在坡中，打孔管以與水平呈50°打入土壤，打孔深度為2.0 m。

本次試驗共埋設(shè)根管6根，其中徑流場內(nèi)900 mm長根管3根，公路掛網(wǎng)邊坡1 800 mm長根管3根。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，紫花苜蓿根系生長主要發(fā)生在秋季，因此試驗選擇2013年9月15日、10月15日、11月15日3個時間點(diǎn)分別對其根系生長進(jìn)行動態(tài)觀測，并研究其特征。以往的研究表明，在大部分的森林生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)根的垂直分布隨土層深度的增加而減少。但對于干旱半干旱地區(qū)來說，由于降雨量較少且水土流失嚴(yán)重，土壤表層的含水量一般低于深層，這種土壤水分狀況可能限制了細(xì)根在土壤表層的分布，使得細(xì)根向土壤深層分布[3]。

3 試驗結(jié)果

3.1 緩坡地根系觀測

從測量數(shù)據(jù)和圖1中可明顯看出，當(dāng)年生紫花苜蓿側(cè)根發(fā)生的主要部位在地下距地表12—36 cm之間，0—12 cm之間僅有少量側(cè)根發(fā)生，43 cm以下幾乎沒有側(cè)根發(fā)生，根系生物量、主根直徑整體上表現(xiàn)為從土壤表層到深層逐漸遞減。這跟吳新衛(wèi)等[4]的研究結(jié)論大體一致，即當(dāng)年生紫花苜蓿側(cè)根發(fā)生的主要部位在地下距地表0—30 cm的主根段，40 cm以下沒有側(cè)根發(fā)生。

從表1中看出，在垂直(縱深)方向上，當(dāng)年生紫花苜蓿根系長度前期(9月15日—10月15日)大致在距地面18—33 cm之間增加最快，后期(10月16日—11月15日)大致在距地面43—53 cm之間增加最快。原因可能是前期根系除向下生長外，主要表現(xiàn)為側(cè)根的生長，而后期則主要是向下生長。

圖1 緩坡地當(dāng)年生紫花苜蓿根系不同深度生長形態(tài)

距地表深度(cm)9月15日—10月15日根系長度(mm)根系表面積(mm2)根系平均直徑(mm)根系體積(mm3)10月16日—11月15日根系長度(mm)根系表面積(mm2)根系平均直徑(mm)根系體積(mm3)0—7.624.130.90.93.916.422.21.14.07.7—12.785.661.40.63.712.636.70.75.212.8—17.841.454.41.15.664.1122.51.211.317.9—22.8161.055.30.34.562.651.30.55.122.9—27.9205.8110.90.810.931.154.60.95.028.0—33.0114.435.90.43.762.585.40.59.433.1—38.039.267.40.27.239.7110.50.719.238.1—43.168.0106.50.811.749.4108.20.817.443.2—48.237.680.20.715.0191.8309.41.140.248.3—53.364.097.30.36.1142.6247.30.937.7合計/平均841.1700.20.672.3672.81148.10.8154.5

從時間角度來看，在時間間隔相同的情況下，前期根系長度增加量較后期大，而后期表面積、體積增加量比前期大。原因可能是前期水分充足、氣溫高，根系生長主要表現(xiàn)為長度的增加[5]，而后期主要是直徑快速增大，表現(xiàn)為生物量快速增加。

3.2 陡坡地根系觀測

從表2中可看出，9月15日被測根系的長度分布相對來說比較均勻，不同深度的根系長度沒有太大的變化，根系平均直徑4.3 mm，說明生長5年的紫花苜蓿根系比較發(fā)達(dá)，形狀比較分散。這與以往的研究成果有差異，以往的成果是接近地表層的根系長度、生物量均最大，并且越深根系長度越小，生物量也越小[6]。造成這種差異的原因可能是該樣地土壤條件好，灌水充足，加之生長周期長，根系下部有很好的發(fā)展空間和時間，因此從整體上看根系長勢均勻、粗壯。

表2 陡坡地5年生紫花苜蓿根系監(jiān)測值

10月15日被測根系的垂直深度中間部分(38.3—66.8 cm)根系長度有明顯增加，而平均直徑卻有所減小，說明這部分區(qū)域有大量新根生長，新根相對細(xì)小，所以平均直徑較之前有所減小。但總平均直徑是增大的，并且生物量也是增加的。

表3 陡坡地5年生紫花苜蓿根系生長量

從表3中看出，陡坡地紫花苜蓿根系垂直深度的中間部位生長最快，包括根系長度、表面積、體積的增加，說明5年生紫花苜蓿此時段根系生長最旺盛的部位在30—70 cm之間；根系直徑的變化趨勢不是很明顯，38.3—66.8 cm處直徑變小，原因是此處的直徑表示根的平均直徑，此區(qū)間生長了大量的毛細(xì)根，直徑比較小，因而平均直徑有所減小，導(dǎo)致表中出現(xiàn)負(fù)值。從總體上看，樣本根系的平均直徑變化量為正值，說明根系還在生長。

4 結(jié)論與建議

當(dāng)年生紫花苜蓿側(cè)根發(fā)生的主要部位大致在地下距地表12—36 cm之間，0—12 cm之間僅有少量側(cè)根發(fā)生，43 cm以下幾乎沒有側(cè)根發(fā)生，根系生物量、主根直徑整體上表現(xiàn)為從土壤表層到深層逐漸遞減；測量前期(9月15日—10月15日)根系在距地面18—33 cm之間生長最快，測量后期(10月16日—11月15日)在距地面43—53 cm之間生長最快，根系總長度增加量前期較后期大，但根系表面積、體積增加量則是后期比前期大。5年生紫花苜蓿根系發(fā)達(dá)、形狀分散、分布比較均勻，測量期內(nèi)在距地面30—70 cm之間生長相對較快，根系平均直徑前期為4.3 cm，后期為5.4 cm。

ET-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為引進(jìn)設(shè)備具備諸多優(yōu)點(diǎn)，比如操作便捷、不破壞原根系等，但也存在一些局限，如測量范圍有限，不能全面反映整個根系的特征[7]。因此，有必要將傳統(tǒng)方法與其相結(jié)合，在校正根系觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更加科學(xué)系統(tǒng)地對根系進(jìn)行全面觀測分析。

[1] 未曉巍,呂杰,武慧,等.植物根系研究進(jìn)展[J].北方園藝,2012(18):206-209.

[2] 陳建文,王孟本,史建偉.檸條人工林幼林與成林細(xì)根動態(tài)比較研究[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(22):6978-6988.

[3] 史建偉,王孟本,陳建文,等.檸條細(xì)根的空間分布特征及其季節(jié)動態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報,2011,31(3):726-733.

[4] 吳新衛(wèi),韓清芳,賈志寬.不同苜蓿品種根頸和根系形態(tài)學(xué)特征比較及根系發(fā)育能力[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2007,16(2):80-86.

[5] 王富貴,于林清,田自華,等.播種當(dāng)年苜蓿根系形態(tài)特征的研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(26):30-34.

[6] 李揚(yáng),孫洪仁,丁寧,等.紫花苜蓿根系生物量[J].草地學(xué)報,2011,19(5):872-879.

[7] 張帆,陳建文,王孟本.幼齡檸條細(xì)根的空間分布和季節(jié)動態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(17):5484-5493.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

水利部“948”項目(201226)

S551.7

A

1000-0941(2015)02-0047-03

劉敏(1982—)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，工程師，碩士，從事水土保持研究工作。

2014-03-28