長白山系榛子灌木林根系對優先流的影響
2018-01-02 09:31:39王趙男趙雨森
林業科學研究 2017年6期
王趙男，辛 穎*，趙雨森
(東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)
長白山系榛子灌木林根系對優先流的影響
王趙男1，辛 穎1*，趙雨森1
(東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)
根長密度；根生物量；優先流；基質流；
土壤優先流是一種常見的土壤水分和溶質快速運移的現象，其研究理論被越來越多的土壤學家、水分地質學家和森林水文學家關注[1]，開展優先流的研究，有利于了解降雨對地下水位的影響、地表徑流和壤中流的形成機制。土壤地下水分和溶質的運移一直是土壤學和水文學研究的重點和難點。
林木根系是土壤層中的重要組成結構，對土壤理化性質有明顯的改善作用[2]，根系通過穿插、網絡和固結將土壤單粒級有機物質粘結起來改善土壤團聚體結構和孔隙性[3]，形成了微型的攔土過濾篩，阻止了土粒的搬運和滾動，加強了水分和溶質的運移[4]。根長密度、根質量密度和根生物量是林木根系結構的重要指標，影響優先流路徑發生和發展的過程。目前國內外對森林生態系統根系對優先流的路徑分布的研究較多，但沒有明確其優先流類型，而不同徑級根系對優先流的貢獻率需要進一步明確。
1 研究地區與研究方法
1.1 研究區概況
1.2 研究方法
1.2.1 樣地的選擇和實驗設備的設置 在帽兒山實驗林場老山試驗站，選取地勢較為平坦，遭受重大破壞后恢復較好的榛子灌木林。設置面積為400 m2(20 m×20 m)的試驗觀測樣地。機械布設3個樣點放置實驗專用不銹鋼鐵框和模擬降雨器，確保每個樣點與周圍灌木距離相距1 m且數量大體相同。不銹鋼鐵框長×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根內直徑2.5 cm長1 m不銹鋼管，每隔0.2 m處安裝一個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，距離鐵框內部土壤平面0.5 m。
1.2.2 染色示蹤實驗及圖片的獲得 于2015年9月27日—10月5日進行試驗。選用濃度為4.0 kg·m-3[7-9]體積25 L(50 mm為當地大雨降雨量)。亮藍染色劑(Brilliant Blue FCF)，利用模擬降雨器噴灑在選好的樣點內，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，開挖剖面，用佳能相機拍攝染色剖面，圖像以JPG格式儲存。以10 cm為一層，用標準環刀(100 cm3)在剖面10 cm處取原狀土柱，分染色與未染色，3個重復，(每層6個)，最終剖面修成80 cm×80 cm×60 cm的矩形剖面?？v向每隔2 cm為準，用相機拍攝剖面，每個剖面拍攝3次，直至染色消失?？v剖面規格：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，將橫向每10 cm的土層內的所有根系全部取出帶回，在實驗室內將根系樣品分成染色與未染色兩類，用80目篩子在流水中沖洗，洗好后用濾紙吸干[13]，用電子游標卡尺測量并分成d<1 mm，1
1.2.5 根貢獻率的測定 先分別算出剖面內5種不同根系徑級的優先流區和基質流區的總根長密度，之后用每個根系徑級的優先流區的根長密度與該根系徑級的總根長密度之比得到該根系徑級的優先流區所占的比率即為該根系對優先流的貢獻率。
2 結果與分析
2.1 優先流的空間分布
對研究點內的拍攝后的照片經過Image-ProPlus6.0等圖像處理軟件的處理，提取出研究點內的優先流路徑數量和優先流的空間分布情況，見圖1。
實際的絕熱加速量熱儀實驗中,受限于樣品熱電偶動態特性及爐體加熱系統響應時間,在樣品絕熱反應階段,樣品和爐體之間存在一定溫度差,使式(2)不能完全滿足,導致動力學求解誤差。為了量化這一溫度差對動力學求解的影響,本文通過絕熱反應過程的建模仿真對其進行分析。
圖1 優先流區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，黑色為染色區[14]，三維圖中柱狀長短代表該處染色強度(長為弱，短為強)。
土壤表層染色較為均勻，染色劑呈網狀擴散式蔓延并繞過基質區快速下滲，形成極其明顯的“優先路徑”，整體呈現扭曲環繞特征。染色區域內的“空點”多而密，形成連貫的曲線與直線相互連通的網狀通路。染色剖面的“優先路徑”大多伴隨著土壤內的植物根系、石礫、裂隙出現，圖中可以看到明顯的沿根系染色和繞過石礫的痕跡。土壤優先流類型主要為大孔隙流，漏斗流和環繞流，并出現側向入滲現象。
2.2 根長密度對優先流的影響
根系結構特征是一項很重要的指標[18]，而單位面積上的根長(根長密度)是衡量根系結構特征的指標之一，決定根系吸收養分和水分的能力。不同土層深度的不同根系徑級密度見圖2。
圖2 不同土壤深度下根長密度在優先流區和基質流區的分布Fig.2 Distribution of root length density in preferential pathways and soil matrix for different soil depth
根系生長是一個動態的隨機性的過程[20]，研究點中不同土層內的水分和養分的分布，以及土壤內異質性使得根系在水平與垂直的空間分布存在明顯的差異，同時活根系與死根系的相互作用，在圖1中均勻染色區有顯示。都導致了整個剖面內根長密度出現了較大的差異。
表1 優先流根長密度的均值、標準差隨根系徑級和土壤深度的變化
榛子灌木林優先流區根長密度基本都大于基質流區，細根系(d<1 mm)對優先流貢獻率最大(67.9%)，且5個不同根系徑級貢獻率均值都在58.5%以上，對優先流的形成為促進作用。這是因為灌木內土層土壤有一層致密的枯枝落葉層。這層枯枝落葉層內部與根系營造了許多缺氧狀態下的小室，給許多厭氧動物與微生物提供了生存環境，同時也加速了死根系的腐敗，使得原來緊實的土壤變的更加松動，土壤結構發生變化，轉變為有機物質，加速了土壤團聚體的形成。進而改善了土壤自身理化性質[21]，與根系結構(活根與死根)構成了相互連通的土壤空間網絡，促進了土壤水分與溶質的快速運移。
無論根系徑級的不同還是土壤層次的不同，其根長密度有顯著的差異，優先流區的根系含量也相對較高，進而得出染色面積百分比與根長密度的關系，圖3。
圖3 染色面積百分比與根長密度的關系Fig.3 Relationship between dye coverage and root length density
圖3為實驗剖面內不同根系徑級根長密度之和與平均染色面積百分比。隨著根長密度的增加，到達根長密度最大值時(10 962.11 mm·100 cm-3),染色面積百分比也隨之增加，而后根長密度降低，染色面積百分比依然增加。這是因為榛子灌木林的根系生長主要集中在土壤表層，致密的枯枝落葉層內土壤團聚體的含量較高，根系與土壤接觸，容易在平面內擴散伸長和垂直穿插生長，增加了土壤孔隙的密度，增強了根隙孔道的連通性[22]。且主根系的伸長穿透力強，易于向下生長，形成較大孔道，改善土壤性質，使土壤松弛度提高，造成了許多大孔隙，利于細根在大孔隙內部的擴散和伸長，在相互作用和共同影響下，為水分和溶質的運移創造了良好的條件[23]。在土壤下層中土壤緊實，密度高，微生物與動物少，并且夾雜許多大的未風化的石礫，阻礙了根系生長，致使水分無法繼續下滲，對優先流的形成起反作用。
2.3 根生物量對優先流的影響
根生物量是評價根系吸收養分和水分的能力[24-26]，即為土壤單位體積內的根系的質量[28]，對研究點不同根系徑級的根系生物量進行分析，見圖4。
表2 優先流和基質流根生物量的變異特征
圖4 不同土層根系生物量在優先流區和基質流區的變化Fig.4 Change of root biomass in preferential flow and soil matrix for different soil depth
僅僅得出優先流區的根生物量比基質流區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優先流的作用是正相關還是負相關。因此用優先流區與基質流區根生物量的差值與優先流區根生物量之比(根生物量差值百分比)[27]來進行分析，見圖5。
注：黑點表示優先流區和基質流區的比值為正值，白點表示兩區的比值為負值。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 優先流區和基質流區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：當兩區域差值百分比為正時，染色區的根生物量應該較大，處于主導地位，促進優先流路徑的產生，當兩區域的差值比為負時，未染色區的根生物量較大，處于主導地位，阻礙了優先流現象的發生，但圖示中的數據信息卻與現實的優先流圖像提取信息不相符(圖2)，無論優先流區根生物量大，還是基質流區根生物量大，都有優先流路徑的產生，所以根生物量對于優先流現象的產生不起決定性的作用。
3 討論
根系是形成土壤團聚體和結構孔隙度的一個關鍵因素[28]。研究發現，林木根系主要集中在土壤的表層，能夠改善土壤理化性質，降低土壤密度[29]。根在自然生長情況下，與根系接觸的土壤會受到膨脹和擠壓，使土壤孔隙變大，密度減小，而當根腐爛時，產生孔隙的幾率較高，甚至會有明顯的土壤管留在土壤中[30]。利于新的根在孔道中繼續生長，給優先流路徑提供了發生條件。生長的根與腐爛的根形成一個具有不同孔隙率的非常復雜的網絡，森林土壤中的根系與石礫相互連接處有土粒相連，能形成連續的流徑，根長密度隨土層深度增加而降低，根長密度能反映出根系生長情況，是優先流發生的貢獻者[31]。本研究表明優先流區和基質流區根長密度和根生物量都是隨土壤深度的增加而減小，且優先流區要高于基質流區，這與上述的研究結果一致。
在眾多研究優先流的實驗方法中，野外染色劑示蹤法最為直觀[32]，可以直接觀察到優先流的現象和優先流路徑的走向和數量。本研究區域是黑龍江省東部重要的水源涵養區，生態系統復雜多樣化，有明顯的優先流現象發生，優先流路徑表現得也極為明顯。Hagedoen和Bundt[33]認為，理論上優先流路徑應保持穩定至下層土壤，事實上在土壤表層的土壤水分流動系統中，沿根隙孔道的優先流占主導地位，流至土壤中，根密度變小，土壤水分均勻滲透到土壤層中，產生了多條優先流路徑。M Ghestem[34]研究表明在土壤水分的運移活動中，94.7%的水流是通過根系孔道運移的，僅有5.3%是通過其他方式流失的。本研究結果表明，在25 cm以下土壤中出現明顯的優先流路徑，這與上述結論一致。且優先流區的根長密度總是大于基質流區，同時細根系(d<1 mm)的優先流貢獻率最大，且不同根系徑級的優先流貢獻率均值都在58.5%以上，類似的結果也在其它研究中有報道[35]。
染色面積比是作為一個衡量優先流的一個特性指標，可以推測出土壤孔隙度額度數量和孔徑的大小[36]。Bogner[37]認為染色面積比的可變化性是現實優先流現象的一個重要指標。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，直至變為0，根長密度也隨染色面積的增加而增加。與粗根系(d>5 mm)相比，細根系(d<1 mm)與優先流的相關性更好。因為細根系密度多，與土壤接觸的表面積大，吸水能力強，滲透性大[38]，促進優先流現象的產生。
4 結論
[1] Mallants D, Mohanty B P, Vervoort A,etal.Spatial analysis of saturated hydraulic conductivity in a soil with macropores[J].Soil Technology,2013,10(2):115-131.
[2] 林代杰,鄭子成,張錫洲,等.不同土地利用方式下土壤入滲特征及其影響因素[J].水土保持學報,2010,24(1):33-36.
[3] Czarnes S, Hallett P D, Bengough A G,etal.Root and microbialderived mucilages affect soil structure and water transport[J]. European Journal of Soil Science,2000,51(3):435-443.
[4] 王芝芳,楊亞川,趙作善,等.土壤-草本植被根系復合體抗水蝕能力的土壤力學模型[J].中國農業大學學報,1996,1(2):39-45
[5] 孔祥飛,趙雨森,辛 穎,等.黑龍江省東部山地天然次生林土壤水分的研究[J].森林工程,2009,25(04):6-9.
[6] 孔 亮,蒙寬宏,陳 宇,等.黑龍江省東部山地灌木林土壤水分動態變化[J].東北林業大學學報,2005,33(05):44-46.
[7] Flury M, Flühler H. Brilliant Blue FCF as a Dye Tracer for Solute Transport Studies—A Toxicological Overview[J].Journal of Environmental Quality,1994,23(5):1108-1112.
[8] Morris C, Mooney S J, Young S D.Sorption and desorption characteristics of the dye tracer, Brilliant Blue FCF, in sandy and clay soils[J]. Geoderma,2008,146(146):434-438.
[9] Flury M, Flühler H.Tracer Characteristics of Brilliant Blue FCF[J].Soil Sci Soc Am J,1995,59(1):22-27.
[10] Mooney S J, Morris C. A morphological approach to understanding preferential flow using image analysis with dye tracers and X-ray Computed Tomography[J].Catena, 2008, 73(2):204-211.
[11] Fransen B, Kroon H D, Berendse F. Root Morphological Plasticity and Nutrient Acquisition of Perennial Grass Species from Habitats of Different Nutrient Availability[J]. Oecologia, 1998, 115(3):351-358.
[12] 田香姣,程金花,杜士才,等.2種土地利用方式下的優先流特征[J].水土保持學報,2014,28(03):37-41.
[13] 黃 林,王 峰,周立江,等.不同森林類型根系分布與土壤性質的關系[J].生態學報,2012,32(19):6110-6119.
[14] Hagedorn F, Bundt M.The age of preferential flow paths[J]. Geoderma,2002,108(1):119-132.
[15] 蔣小金,王恩姮,陳祥偉,等.典型黑土耕地土壤優先流環繞特征[J].應用生態學報,2010,21(12):3127-3132.
[16] 王國梁,劉國彬.黃土丘陵區長芒草群落對土壤水分入滲的影響[J].水土保持學報,2009,23(3):227-231.
[17] 邵明安,楊文治,李玉山.植物根系吸收土壤水分的數學模型[J].土壤學報,1987,24(4):295-305.
[18] Volkmar K M.A comparison of minirhizotron techniques for estimating root length density in soils of different bulk densities[J].Plant & Soil,1993,157(2):239-245.
[19] Steele S J, Gower S T, Vogel J G,etal.Root mass, net primary production and turnover in aspen,jack pine and black spruce forests in Saskatchewan and Manitoba, Canada.[J].Tree Physiology,1997,17(8-9):577-587.
[20] Wells C E, Glenn D M, Eissenstat D M.Changes in the risk of fine-root mortality with age: a case study in peach,Prunuspersica(Rosaceae).[J].American Journal of Botany,2002,89(1):79-87.
[21] Zhang X Q.Fine-root Biomass, Production and Turnover of Trees in Relations to Environmental Conditions[J].Forest Research,Jan 2001,14(5):566-573.
[22] Cannavo P, Michel J C.Peat particle size effects on spatial root distribution,and changes on hydraulic and aeration properties[J].Scientia Horticulturae,2013,151(2):11-21.
[24] Xiamen, Xing X. Fine root biomass and production of Castanopsis eyrei forests in Wuyi Mountains[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1998,9(4):337-340.
[25] Liao L, Chen C, Sinica A,etal. Turnover of fine roots in pure and mixedCunninghamialanceolataandMicheliamacclureiforests[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1995,6(1):7-10.
[26] 毛伶俐.生態護坡中植被根系的力學分析[D].武漢理工大學,2007.
[27] 張英虎,牛健植,朱蔚利,等.森林生態系統林木根系對優先流的影響[J].生態學報,2015,35(6):1788-1797.
[28] Angers D A, Caron J.Plant-induced Changes in Soil Structure: Processes and Feedbacks[J].Biogeochemistry,1998,42(1):55-72.
[29] Bogner C, Wolf B, Schlather M,etal. Analysing flow patterns from dye tracer experiments in a forest soil using extreme value statistics[J]. Eur J Soil Sci, 2008,59(1): 103-113.
[30] Aubertin G M.Nature and extent of macropores in forest soils and their influence on subsurface water movement[A]. USDA. FOREST SERVICE RESEARCH PAPER NE.1971.
[31] Bengough A G. Water Dynamics of the Root Zone: Rhizosphere Biophysics and Its Control on Soil Hydrology[J]. Vadose Zone Journal, 2012, 11(2):460-460.
[32] Everts C J, Kanwar R S, Alexander E C,etal.Comparison of Tracer Mobilities under Laboratory and Field Conditions[J]. Journal of Environmental Quality,1989,18(4):491-498.
[33] Hagedorn F, Bundt M.The age of preferential flow paths[J].Geoderma,2002,108(1):119-132.
[34] Ghestem M,Sidle R C,Stokes A.The Influence of Plant Root Systems on Subsurface Flow: Implications for Slope Stability[J].Bioscience,2001,61(11):869-879.
[35] 董賓芳.黃土丘陵區林地植物根系與土壤優勢流關系研究[D]. 昆明：西南大學,2007.
[36] 陳曉冰,張洪江,程金花,等.基于染色圖像變異性分析的優先流程度定量評價[J].農業機械學報,2015,46(5):93-100.
[37] Bogner C, Borken W, Huwe B.Impact of preferential flow on soil chemistry of a podzol[J].Geoderma,2012,175(3):37-46.
[38] 劉道平,陳三雄,張金池,等.浙江安吉主要林地類型土壤滲透性[J].應用生態學報,2007,18(3):493-498.
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 國家自然科學基金(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生態研究。Email:xinying2004@126.com。 S794 A 1001-1498(2017)06-0887-08 彭南軒)
