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        海南省楓木實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)馬占相思人工林根系分布特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

        2020-03-05 07:29:56李蓮珠鄭偉田樂(lè)宇韋建杏卓飛王?;?/span>
        熱帶林業(yè) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:細(xì)根徑級(jí)全氮

        李蓮珠,鄭偉,田樂(lè)宇,韋建杏,卓飛,王?;?/p>

        海南省楓木實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),海南屯昌571600

        根系是植物直接與土壤接觸的器官,根系與土壤顆粒形成根網(wǎng),將植物體牢牢地固定于土壤中[1],林木根系在水分和養(yǎng)分吸收、同化物分配、森林生態(tài)等方面發(fā)揮著重要作用,是植物吸收水分和養(yǎng)分維持生長(zhǎng)的主要器官[2,3]。根系分布是指根在空間梯度上的分布情況,決定了植被與土壤環(huán)境之間作用面的大小[4],直接影響著根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收效率。而根系生長(zhǎng)發(fā)育與土壤養(yǎng)分等各種外界因子密切相關(guān)[5]。近年來(lái),根系分布特征及其與土壤養(yǎng)分之間的聯(lián)系引起了植物學(xué)界的關(guān)注。

        馬占相思(Acacia mangium)是含羞草科金合歡屬的一種常綠高大喬木,原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭北部沿海、巴布亞新幾內(nèi)亞等地,適應(yīng)性廣,耐干旱瘠薄,病蟲(chóng)害少,且具固氮改良土壤、速生豐產(chǎn)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)[6],是海南、福建和廣東等地的主要造林樹(shù)種之一。而目前對(duì)海南島馬占相思的研究主要集中在苗木繁育[7]、更新造林、生長(zhǎng)發(fā)育和生態(tài)功能等方面[8-10],鮮有對(duì)其根系分布特征和土壤養(yǎng)分的報(bào)道,因此研究馬占相思的根系分布特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系,對(duì)于深入了解馬占相思的生態(tài)功能和研究高效培育技術(shù)具有重要意義。

        文章以海南省楓木實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的馬占相思人工林為研究對(duì)象,重點(diǎn)了解馬占相思根系在土壤中分布特征和土壤養(yǎng)分特征,分析根系分布與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系,為馬占相思人工林的高效培育提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支持。

        1 研究區(qū)域概況

        1.1 自然概況

        研究區(qū)位于海南中部偏北海南省屯昌縣楓木實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(簡(jiǎn)稱林場(chǎng)),19°11'N~19°15'N,109°56'E~109°58'E,屬熱帶海洋季風(fēng)氣候,年平均氣溫24℃,低山丘陵地貌,平均海拔240m,土壤類型主要為磚紅壤和赤紅壤。林場(chǎng)總面積1200hm2,其中有公益林660hm2,公益林區(qū)有大面積近自然生長(zhǎng)的馬占相思人工純林,林內(nèi)植物資源豐富。

        1.2 樣地概況

        對(duì)研究區(qū)全面踏查,選擇立地條件、林相、林齡等因子基本一致的典型地段林分作為實(shí)驗(yàn)地。馬占相思人工純林群落發(fā)育一般,灌木和草本覆蓋度約為15%,分布稀疏;灌木主要有野牡丹(Melastoma candidum D.Don)、銀柴 (Aporosa dioica (Roxb.)Müll.Arg.)、桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)等9種;草本主要有飛機(jī)草(Eupatorium odoratum L.)、豐花草(Borreria stricta)、含羞草(Mimosa pudica Linn.)、竹葉草等 (Oplismenus compositus (L.)Beauv.);地表有較厚的凋落物,主要為馬占相思落葉。在選定的林分內(nèi)設(shè)置3 個(gè)20m×20m 樣地,進(jìn)行土壤和根系采樣。

        表1 樣地概況Tab.1 Plot general situation

        2 研究方法

        2.1 土壤樣品及根系采集

        采用小樣方挖掘法進(jìn)行根系與土壤采集。在每個(gè)樣地內(nèi)分別隨機(jī)挖掘3 個(gè)土壤剖面(土壤剖面距樹(shù)干至少0.5m),并將剖面的一側(cè)垂直削平。按照挖掘深度將土壤分為0cm <~≤20cm、20cm <~≤40cm、40cm<~≤60cm 和60cm<~≤100cm4 個(gè)土層,分別記為S1、S2、S3、S4,按照“長(zhǎng)×寬×高=40cm×30cm×土層厚度”從削平的一側(cè)由上至下依次取土稱重。挑出土壤中所有根系,并采集1kg 左右的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室沖洗出剩余根系,換算遺漏的根系總量,降低實(shí)驗(yàn)誤差。采集根系后,再次按照不同土層采集土壤樣品用于檢測(cè)土壤養(yǎng)分。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        將所研究根系按直徑分為3 個(gè)等級(jí),分別為:細(xì)根(Fine roots,F(xiàn)R)、中根(Medium roots,MR)和粗根(Coarse roots,CR),根系直徑分別為0mm<~≤2mm、2mm<~≤5mm 和5mm<~≤10mm。將采集的根系沖洗干凈,按照根系直徑用游標(biāo)卡尺將之分類,分類后將根系放入烘箱(85℃)48h,烘干稱重,計(jì)算根系生物量。

        土壤養(yǎng)分的測(cè)定,用電位法測(cè)量pH,鉻酸氧還原滴定法測(cè)定有機(jī)質(zhì),半微量開(kāi)氏法測(cè)定全氮,酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定全磷,堿溶—火焰光度法測(cè)定全鉀,BrayⅠ提取—鉬銻抗吸光光度法測(cè)定有效磷,乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀,KCl 浸提——流動(dòng)分析儀測(cè)定堿解氮。

        2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

        根系生物量密度(g/m3)=m/V

        垂直根系分布模型[11]:Y=1-βd

        m 為根系生物量;V 為土壤體積;Y 為根系累積百分?jǐn)?shù)(介于0%~100%),表示由土壤表層到深度d(cm)的根系生物量占根系總生物量的比例;β 為擬合根系削弱系數(shù);d 為土壤深度(cm)。垂直根系分布模型中Y 和d 為已知量,只需要計(jì)算β 的值。

        使用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,使用Excel 2019 制作圖表。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 根系生物量密度分布特征

        由表2 可知,隨土層加深,馬占相思各徑級(jí)根系的生物量密度顯著下降。由上至下,各徑級(jí)根系的生物量密度之比,細(xì)根為10.0:4.6:2.0:1.0;中根為19.5:11.7:4.2:1.0;粗 根 為76.9:16.6:6.1:1.0;各土層根系總的生物量密度之比為18.0:7.0:2.8:1.0。即:隨著根系徑級(jí)的增大,土壤表層與深層的根系生物量密度之比隨之增大。說(shuō)明越粗的根系,其分布越淺;且各徑級(jí)的根系主要分布于S1 土層。

        S1 土 層 中,細(xì) 根(651.59g/m3) 與 粗 根(656.81g/m3)相近,但顯著大于中根(293.89g/m3);而S2、S3 和S4 土層中,均呈現(xiàn)細(xì)根>中根>粗根的分布特征。由上至下,細(xì)根占各土層生物量的比例分別為40.58%、48.41%、54.27%、73.70%;中根為18.45%、28.48%、25.35%、16.74%;粗根為40.98%、23.12%、20.39%、9.56%。即細(xì)根在各土層中均占主要部分;隨土層加深,細(xì)根在各土層中所占比例逐漸增大,粗根逐漸減小。說(shuō)明細(xì)根是馬占相思根系的主要組成部分,細(xì)根在較深土層中比粗根更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        表2 根系生物量密度分布特征Tab.2 Root biomass density distribution characteristics

        由圖1 可知,S1 土層(0cm<~≤20cm)的根系生物量占總根系生物量的60.57%,0cm<~≤40cm土層的的根系生物量則占83.90%。說(shuō)明0cm<~≤20cm 的土壤表層是馬占相思根系的主要分布區(qū),且絕大部分根系分布于0cm<~≤40cm 深的土壤中。

        圖1 根累積百分?jǐn)?shù)Fig.1 Cumulative percentage of roots

        由表3 可知,馬占相思林的根系削弱系數(shù)隨根系徑級(jí)的增大而減小,細(xì)根、中根和粗根分別為0.9627、0.9575 和0.9357, 總 的 削 弱 系 數(shù) 為0.9553。

        通過(guò)用二次曲線、指數(shù)曲線、對(duì)數(shù)曲線和復(fù)合曲線等曲線函數(shù)模型對(duì)各徑級(jí)根系生物量密度(y)與土層深度(x)進(jìn)行擬合,以F 值和R2 評(píng)定模型的擬合程度,選出最適合估計(jì)各徑級(jí)根系生物量密度垂直分布的回歸模型。結(jié)果表明,對(duì)數(shù)曲線模型y=a+blnx 擬合效果最好,各徑級(jí)根系的回歸方程見(jiàn)表3。馬占相思林總的根系生物量密度的回歸方程為y=-192.02-751.71×lnx。

        表3 削弱系數(shù)和擬合方程Tab.3 Root reduction coefficient and regression equation

        3.2 土壤養(yǎng)分特征

        由表4 可見(jiàn),隨著土層加深,馬占相思林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均明顯降低;而土壤pH、全磷和全鉀則無(wú)明顯變化。S1 土層有機(jī)質(zhì)含量分別是S2、S3、S4 土層的1.85 倍、2.59倍、5.26 倍;全氮含量分別是S2、S3、S4 土層的1.19倍、1.45 倍、1.81 倍;堿解氮含量分別是S2、S3、S4土層的1.60 倍、2.74 倍、3.27 倍;有效磷含量分別是S2、S3、S4 土層的2.72 倍、1.64 倍、1.09 倍;速效鉀含量分別是S2、S3、S4 土層的1.06 倍、1.23 倍、1.38 倍。即土壤表層的有機(jī)質(zhì)、有效磷和堿解氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S2、S3 和S4 土層,說(shuō)明馬占相思林土壤表層的養(yǎng)分含量大于較深土層。

        根據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分含量六級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)樣地土壤為酸性土壤,有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量中等(四級(jí)),全磷含量低等(五級(jí)),全鉀含量極高(一級(jí)),堿解氮和有效磷含量很低(六級(jí))。

        表4 土壤養(yǎng)分特征Tab.4 Soil nutrient characteristics

        3.3 根系生物量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

        對(duì)各徑級(jí)根系生物量密度與土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析,各相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5。

        各徑級(jí)根系生物量密度與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有效磷和速效鉀顯著相關(guān),與pH、全磷和全鉀不相關(guān)。其中,細(xì)根與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有效磷和速效鉀顯著相關(guān);中根與全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有機(jī)質(zhì)顯著相關(guān);粗根與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有效磷顯著相關(guān);全根與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有效磷和速效鉀顯著相關(guān)。

        說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量對(duì)馬占相思根系的分布影響極為顯著,有效磷和速效鉀影響顯著。

        表5 根系生物量密度與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between root biomass density and soil nutrients

        4 結(jié)論與討論

        根系的空間分布反映了植物地下部分的生長(zhǎng)是否協(xié)調(diào),也是植物營(yíng)養(yǎng)能力的基本體現(xiàn)[12]。根系生物量等根系參數(shù)一般都隨著土壤的深度而下降,且呈現(xiàn)出不同的形態(tài)[13-14]。劉興良、陳三雄、武春華[15-17]等的研究均表明,各種人工林的根系生物量均主要分布在0cm<~≤40cm 深的土層,根系生物量的垂直分布均隨土層深度的增加而減少。研究中,馬占相思林0cm<~≤40cm 深的土層中根系占比為83.90%,這與前人的研究相同。研究還發(fā)現(xiàn),細(xì)根在各土層中均占主要部分;且隨土層加深,細(xì)根在各土層中所占比例逐漸增大,粗根所占比例逐漸減小,這說(shuō)明細(xì)根是馬占相思根系的主要組成部分,且細(xì)根在較深土層中比粗根更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        垂直根系分布模型中,β 值越大,表示越多比例的根系分布于較深的土壤中;反之β 值越小,表示越多比例的根系分布于較淺的土壤中[11]。研究中,馬占相思林的根系削弱系數(shù)隨根系徑級(jí)的增大而減小,總的根系削弱系數(shù)為0.9553;而Jackson 等的研究當(dāng)中,全球森林生態(tài)系統(tǒng)的平均β 值為0.966[18]。說(shuō)明相比于全球森林生態(tài)系統(tǒng),楓木實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)馬占相思林的根系分布更淺,且直徑越大的根系,分布越趨近于土壤表層。此外,研究中,根系生物量密度與土層深度擬合度最高的為對(duì)數(shù)曲線模型y=a+blnx,擬合度達(dá)到了顯著水平(P<0.05),擬合方程為y=-192.02-751.71×lnx。

        根系在土壤中生長(zhǎng)穿插的機(jī)械作用可以提高土壤的通透性,根系分泌物能夠使土壤生物活性物質(zhì)增加,有利于活化土壤中的難溶養(yǎng)分[19-21]。研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀均隨著土層的加深逐漸減少,這可能與土壤養(yǎng)分在表層受到活化和積累有關(guān)。土壤表層養(yǎng)分明顯高于深層,可能是由于上層是植被根系的主要集中區(qū),死亡根系分解轉(zhuǎn)化從而使表層土壤養(yǎng)分得到積累,且大量根系的存在改變了土壤的理化性質(zhì)。

        許多研究表明,根系的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)隨土壤生態(tài)因子如土壤養(yǎng)分狀況的變化而變化[22],土壤資源的異質(zhì)性和植物自身內(nèi)在特性共同決定了根系分布狀況,表現(xiàn)為隨著土層深度的增加,根系在土壤中的分布呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)[23-24]。研究發(fā)現(xiàn),馬占相思各徑級(jí)根系的生物量密度與土壤養(yǎng)分具有不同程度的相關(guān)性,與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮極顯著相關(guān),與有效磷和速效鉀顯著相關(guān),說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀對(duì)馬占相思根系的分布有顯著影響。因此,0cm<~≤20cm 的土壤表層是進(jìn)行水肥管理的重點(diǎn)區(qū)域,且應(yīng)適當(dāng)向較深土層施肥,適量加大氮肥和磷肥施用量。

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