水分脅迫及土壤質地對新銀合歡幼苗根系生長的影響

陳 東，王道杰，郭靈輝，陳曉艷

(1．中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，四川成都610041;2．中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川成都610041;3．中國科學院研究生院，北京100049)

研究區位于中國科學院東川泥石流觀測站所在的蔣家溝流域(103°06'—103°13'E，26°13'—26°17'N)，屬于中山地貌。區內多年平均氣溫20．2 ℃，極端最高氣溫40．9 ℃，極端最低氣溫－6．2 ℃，年活動積溫7 177 ℃，年日照時數2 292．4 h，年太陽輻射總量138．8 kJ/cm2，干濕季分明，88%的降雨集中在雨季(8—10月)，年均降水量691．3 mm，年均蒸發量3 752．17 mm，相對濕度54%，屬于半干旱氣候區［1］。區內老構造錯綜復雜，新構造運動劇烈，加之人類不合理的經濟活動，使得該區域成為我國泥石流最為發育的代表區［2］。

新銀合歡是生物措施治理泥石流的重要樹種之一，通過其根系固土效應和對土壤結構的改良效應，能有效地抑制災害的發生。目前生物抑災林多種植在坡腳與海拔較低的坡中部位，在泥石流物源區，尤其是坡頂及海拔比較高的山地，由于水土組合條件較差，往往導致生態修復時物種成活率低［3－4］。一般情況下，植物生長受到多重因素脅迫的影響［5－7］，而其中抑制生態修復植物成活的主要因素是來自外界的非生物脅迫作用，如溫度、水分、光照、土壤質地等。多重脅迫效應機理比較復雜，不能簡單地從其所面臨的各個單一脅迫效應的角度來度量［8－9］，通常比單一脅迫危害性更大［10－11］。

云南蔣家溝位于金沙江流域干熱河谷區，降雨量少、蒸發量大，水分脅迫是新銀合歡生態功能發揮的重要影響因子;同時，泥石流源區土壤質地中大于2 mm 的顆粒質量占50%以上，土壤質地較差，保肥保水功能較弱，嚴重抑制了生物措施生態功能的正常發揮。干旱少雨和高礫石含量是影響研究區內新銀合歡正常生長的重要因子，嚴重地影響了新銀合歡防治泥石流災害的生態功能。結合植物學原理，在植物個體發育過程中幼苗對水分脅迫的敏感性最高，隨著年齡的增長，植株逐漸變大，對水分脅迫的敏感性逐漸降低［12－13］。因此，為探討泥石流源區新銀合歡在生境中的抗逆特性，本文重點分析了土壤質地和水分條件對其幼苗根系生長的影響，以期為泥石流源區生態修復和減災技術提供理論參考。

1 試驗材料與方法

1．1 試驗概況

2010年5月在云南蔣家溝采集泥石流堆積物原狀土，帶回實驗室風干過篩，分析其機械組成。將泥石流堆積物過篩后，按礫石含量配成高礫石土壤和低礫石土壤，每種土壤分裝12個試驗盆，共24 盆，每盆約4．7 kg 土。土壤級配及水分狀況見表1。用TDR 水分儀進行水分校正，并以飽和含水量為參考標準來確定水分脅迫程度。低水分脅迫組、中水分脅迫組、高水分脅迫組含水量分別為飽和含水量的75%～85%、45%～55%、15%～25%。由此構成兩個試驗因素的2 ×3 析因設計，每組3 個重復。試驗土樣配置完成后，將試驗盆置于室外搭建好的試驗棚內。為確保試驗中除土壤水分和土壤質地以外其他所有因子與室外生境條件相同，試驗棚頂設計為活動型的，可自由蓋上和打開，即在天晴時揭開試驗棚的頂部，下雨時將棚頂蓋上。在盆中央分別種3～5 粒新銀合歡種子，待幼苗出土后，只留一株健壯的新銀合歡苗進行試驗測試，其他的苗全部拔除。每隔1 天用TDR 水分測試儀測定土壤含水量，然后根據不同土壤質地下土壤水分設計標準，及時補充所缺水分，以保證土壤含水量在試驗設計標準范圍內。

表1 土壤級配及水分狀況

1．2 試驗樣品采集

2010年9月中旬，分別采集新銀合歡地上部分和地下部分試驗樣品。地下根系樣品采集過程為:將試驗盆中加滿水，浸泡2 h 后倒扣花盆，然后用水小心地沖洗新銀合歡根系，以保證根系的完整性。

1．3 試驗方法

將采集的全部根樣帶回實驗室，用根系掃描分析系統(WinRHIZO)進行測試，獲得根系長度(累積長度)、根系表面積(累積表面積)、根尖數量等參數(表2)。采用析因設計定量資料方差分析法，分析土壤質地和水分及其交互作用對新銀合歡幼苗根系生長的影響。

表2 不同試驗組根系根尖總量、表面積和長度

2 試驗結果分析

2．1 土壤質地及水分脅迫對新銀合歡根系長度的影響

以各試驗組指標值的均值為參考，土壤根系長度分布狀況見圖1。從根系平均長度來看，在低水分脅迫條件下，低礫石組根系長度比高礫石組大4．32%;在中水分脅迫條件下，低礫石組根系長度比高礫石組大25．05%;而在高水分脅迫條件下，低礫石組根系長度反而比高礫石組小12．44%。

圖1 不同因素作用下根系累積長度分布狀況

從統計分析結果(表3)可知，土壤質地總體上對新銀合歡根系長度影響不顯著(P=0．190 3)。但在相同水分條件下，比較低礫石組根系長度與高礫石組根系長度，得出在中等水分脅迫條件下土壤質地對新銀合歡幼苗根系長度存在顯著影響(P=0．007 4 ＜0．05)，而低水分脅迫和高水分脅迫條件下這種影響不顯著(P=0．524 3，P=0．167 5)。在中水分脅迫條件下，低礫石組根系長度的生長狀況顯著優于高礫石組25．05%，即在中等水分脅迫條件下，低礫石組新銀合歡根系長度大于高礫石組，而在極端水分條件下土壤質地對根系生長的抑制作用差異不顯著。

土壤水分含量顯著影響根系長度(P =0．000 1)。在低礫石組中，高水分脅迫組根系長度只有低、中水分脅迫組的65%左右，它與低、中水分脅迫組之間的差異顯著(P 均小于0.001)，而低水分脅迫組和中水分脅迫組根系長度差異不顯著(P=0．832 2 ＞0．05)。說明泥石流堆積物在顆粒較細的情況下，土壤含水量在8．25%(飽和含水量的45%)以下時才對新銀合歡根系長度的生長構成限制因子。在高礫石組中，高水分脅迫和中水分脅迫對新銀合歡根系長度的生長影響不顯著(P=0．322 7 ＞0．05)，低水分脅迫組根系長度顯著高于高、中脅迫組。說明在泥石流堆積物顆粒較粗的情況下，土壤的保水性差或者持水時間短，土壤含水量在11．46%(飽和含水量的75%)以下時就開始顯著地影響新銀合歡根系長度的生長;而含水量在2．29%～8．40%(為飽和含水量的15%～55%)之間變化時對新銀合歡根系生長的抑制作用差異不明顯。由此可見，在相同的土壤質地條件下，新銀合歡根系的累積長度隨水分脅迫程度的加劇而變短。

表3 不同因素對根系長度、表面積及根尖數量影響的分析結果

土壤質地不同，土壤的孔隙度、通氣狀況等均會明顯不同，相應地對土壤水分的調節狀況也不同。對本試驗數據進行的分析表明，土壤質地和水分脅迫之間的交互作用也顯著影響新銀合歡根系長度的生長(P =0．020 1 ＜0．05)。這可能主要是因為土壤的物理結構影響了土壤的保水性和持水時間，從而影響了植物水分利用效率，或者土壤的物理結構對水分的蒸散作用產生了重要影響，間接影響了植物根系有效水的可獲得性。

2．2 土壤質地及水分脅迫對新銀合歡根系表面積的影響

從表3 和圖2(試驗組均值)可知，在低水分脅迫和高水分脅迫條件下，高礫石組根系表面積分別約為低礫石組的95%、108%，而統計分析表明差異不顯著(P=0．270 5，P=0．085 2);在中水分脅迫條件下，低礫石組根系表面積大于高礫石組15.43%，差異顯著(P =0．002 7 ＜0．05)。即在極端水分條件下，土壤質地對新銀合歡根系表面積的抑制作用差異不明顯，而在中水分脅迫條件下低礫石組根系表面積的生長顯著優于高礫石組。

在相同的土壤質地條件下，根系表面積與水分脅迫程度呈負相關。在低礫石條件下，中水分脅迫組和低水分脅迫組新銀合歡根系面積差異不顯著(P=0．859 1 ＞0．05)，而高水分脅迫組與低、中水分脅迫組之間的面積差異顯著(均為P＜0．000 1)，只有中、低水分脅迫組的根系表面積值的76%左右。在高礫石條件下，高水分脅迫組與中水分脅迫組的根系表面積差異不明顯(P=0．243 4 ＞0．05)，低水分脅迫組根系表面積顯著大于高、中水分脅迫組(P =0．003 3，P =0．032 3)。此外，土壤質地和水分脅迫的交互作用對根系面積也有重要影響(P=0．006 3 ＜0．05)。

圖2 不同因素作用下根系累積面積分布狀況

2．3 土壤質地和水分脅迫對根系根尖數目的影響

從表3 和圖3(實驗組均值)可以看出，在中水分脅迫條件下，低礫石組根系根尖總量與高礫石組存在顯著差異(P =0.006 7)，高礫石組根尖數只有低礫石組的42%左右。而在低水分脅迫條件下，高礫石組根尖數約為低礫石組的95%;在高水分脅迫條件下，高礫石組根尖數約為低礫石組的128%;但二者的差異均不顯著(P=0．801 4，P =0．605 5)。即中等水分脅迫條件下，新銀合歡幼苗根系根尖的生長受土壤質地的影響顯著，而在極端水分脅迫條件下這種影響作用不顯著。

圖3 不同因素作用下根系根尖數量分布狀況

水分脅迫(P=0.004 4 ＜0．05)顯著影響新銀合歡根系的根尖數量。在高礫石條件下，高水分脅迫組和中水分脅迫組根尖數量差異不顯著(P=0.982 9)，二者的根尖數量只有低水分脅迫組的50%左右;而在低礫石條件下，中水分脅迫組和低水分脅迫組新銀合歡根系根尖數量差異不顯著(P=0．658 9)，高水分脅迫組根尖數量只有中、低水分脅迫組的35%左右。由此表明新銀合歡根系根尖數量與水分脅迫程度呈負相關，脅迫程度越深根系根尖數目就越少。此外，土壤質地與水分的交互作用也會影響新銀合歡根系的根尖數量(P=0．046 0)。

3 結論與討論

3．1 土壤質地對新銀合歡根系生長的影響

土壤質地對新銀合歡根系長度、根系表面積及根尖總量的影響在極端水分狀況下差異不明顯，而在中等水分脅迫條件下低礫石組指標值均大于高礫石組。但整體分析結果均表明，土壤質地對根系長度、根系表面積和根尖數量的影響不顯著(P=0．190 3，P=0．105 1，P=0．109 2)。這可能是因為土壤質地對植物根系的影響是間接的或者是次要的，當其他條件尚不足以產生限制作用時，它的影響才能體現出來。長期試驗研究表明，甜菜、大豆、番茄、玉米、向日葵、馬鈴薯等作物生長在沙土中的水分利用效率比其在壤土中低22%～25%［14］。在本試驗中除試驗因素外其他外界條件均相同，土壤質地也可能通過影響植物水分利用效率來影響植物生長。

3．2 土壤水分對新銀合歡根系生長的影響

水分脅迫程度與新銀合歡根系長度、累積表面積及根尖數量均呈負相關。在高礫石條件下，高水分脅迫與中水分脅迫組中三項指標值差異不顯著，但與低水分脅迫組差異顯著;在低礫石條件下，低水分脅迫組與中水分脅迫組中指標值差異不明顯，但與高水分脅迫組存在顯著差異，表明土壤中水分狀況嚴重影響植物根系的生長。Whalley 等［15］的研究也表明土壤水分降低時，根際土壤強度增加會嚴重制約根尖的生長。

3．3 土壤水分和土壤質地交互作用對新銀合歡根系生長的影響

土壤水分和土壤質地的交互作用對新銀合歡根系長度、累積表面積、根尖數量均有影響。在相同的外來水源補給下，可能是不同質地的土壤的保水性和持水時間不同、蒸散強度不同，導致了植物根系對水分吸收的難易程度不同，并且由于水分引起的土壤強度的變化可能也影響了植物生長。在低礫石條件下，水分脅迫程度的影響小于高礫石組，主要是因為土壤顆粒較細有利于對水分的保蓄，同時可提供給植物更多的土壤有效水。而在高礫石組，高水分脅迫條件下新銀合歡根系生長狀況優于低礫石組，可能是因為土壤質地較粗時土壤孔隙較大，削弱了水分毛管蒸發作用，反而在極端水分脅迫條件下更有利于保存植物生長所需的水分。故在蔣家溝流域，影響新銀合歡在海拔較高的坡頂和坡中部位分布的因素，除土壤水分限制以外，人為因素的干擾和破壞可能是最主要的不利因素。因此，加大生態保護力度、減輕人為因素干擾對蔣家溝流域的生態恢復和水土流失治理意義重大。

(本研究得到了中國科學院東川泥石流觀測研究站全體工作人員的大力支持，在此表示衷心的感謝!)

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