不同植被类型根系对土壤水分分布的影响_陈钰馨_.pdf

第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 不同植被类型根系对土壤水分分布的影响陈钰馨，郑博福，傅 赫，罗诚康，江旖慧，朱锦奇（南昌大学资源与环境学院，鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，南昌；江西省生态文明研究院，南昌）摘要：为探究不同植被类型下的根系对土壤水分分布的影响，以江西省北部武宁县的典型针阔混交林、毛竹林和休耕地为对象，采用染色示踪实验，并观测和采集土壤和根系样品，分别测定 ，和 土层的土壤理化性质、植物根系特征、土壤蓄水性能和土壤团聚体稳定性等指标，分析不同植被类型其对土壤水分分布的多重影响和影响机制。结果表明：）针阔混交林和毛竹林均在 土层出现大面积的染色情况，而休耕地则仅在 土层出现，且根系越多的土层，染色面积往往越突出；）随着土层深度的增加，土壤含水量、最大持水量、饱和含水量，有机质含量，平均质量直径和几何平均直径均显著降低（.）；）针阔混交林和毛竹林的根系数量分别为休耕地的.和.倍，其深层（）的蓄水能力（最大持水量）分别高出休耕地 和，土壤团聚体稳定性（平均质量直径）分别高出 和；）根系特征指标、土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标均与染色面积比显著正相关（.）。综上，种类型样地中，土壤中丰富的根系对土壤蓄水能力和土壤团聚体稳定性均显示出明显的促进作用，进一步促进土壤中的水分分布。因此针阔混交林和毛竹林的水分分布程度均强于休耕地。为有效提升区域水土保持功能和生态风险抗性，需加强森林资源的管理和保护，提高林地植被的多样性以提高地下根系的分布密度和深度。关键词：植被类型；土壤水分分布；根系；土壤蓄水能力；土壤团聚体稳定性中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：国家重点研发计划课题“南方丘陵山地屏障生态系统服务格局及演变机制”（）第一作者简介：陈钰馨（），女，硕士研究生。主要研究方向：土壤水文。：通信作者简介：朱锦奇（），男，讲师。主要研究方向：恢复生态学。：，（，；，）：，）中国水土保持科学 年 ，），）.，（.）（）（），（），），（.），：；浅层滑坡是世界各地、尤其在丘陵山地等地区出现的主要生态灾害之一。浅层滑坡不但会造成经济损失，也会造成人员伤亡，是危害农业、森林、河流和居住地等巨大的区域生态安全隐患。水文过程在浅层滑坡的发生和发展过程中有重要的作用。降雨过后，形成地表径流，除部分蒸发后，大部分会继续留在浅层土壤中，因此极易造成滑坡、泥石流。在山坡地带，种植根系发达的植被，可以像“锚”一样固定土壤，同时改变浅层的水分向土壤深层下渗。但是目前研究土壤中水分分布情况的难度较大，特别是对植物的影响程度和机理等方面。土壤中水分分布主要受 种因素影响：物理因素（土壤孔隙度、土壤密度等）、化学因素（土壤中的有机质、养分等）和生物因素（土壤中生长的植物和生活的生物等）。目前对土壤水分分布的研究多集中在单一因子对其的影响。实际上，根系生物量及其根长密度、土壤初始含水量、最大持水量及饱和含水量、土壤团聚体稳定性指标和有机质含量等因子之间，存在着一定的相互关系，而目前考虑这些因子对土壤水分分布多重影响的研究还很少。为探究不同植被类型下根系对土壤水分分布的影响，检验根系特征指标、有机质含量、土壤蓄水能力指标、土壤团聚体稳定性指标这些多重因素对土壤水分分布的影响机理，笔者选取针阔混交林（，），毛竹林（，）和休耕地（，）种不同植被类型的土地，通过染色示踪实验使地下径流可视化，同时进行 方面的分析：）整个土壤剖面的土壤水分分布情况、根系特征指标、有机质含量、土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标随土层的变化趋势；）上述指标对土壤水分分布的多重影响。研究区概况研究地点位于江西省九江市武宁县（、），处于江西省的西北部（图）。气候属于亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛，年平均降水量 ，年平均气温.，月气温最低，、月气温最高，年日照时间为 ，海拔约为 。该区域的土壤类型为山地黄壤，坡面多为棕壤。研究区的植被覆盖类型主要有针阔混交林、常绿阔叶林、针叶纯林和毛竹林，树种主要以樟树（）、马尾松（）、毛竹为主。第 期陈钰馨等：不同植被类型根系对土壤水分分布的影响：，图 研究区地理位置及样点分布图 研究方法图 染色示踪实验装置图 .样地设置试验于 年 月在江西省武宁县境内展开。在实地调查的基础上，参照样地选取的标准，选取 种具有代表性的样地：针阔混交林，毛竹林，休耕地，每种植被类型各选取 个 的样方，共 个样方。每块样方的母质、海拔、坡度、坡向等立地因子基本保持一致。针阔混交林和毛竹林为天然次生林，休耕地为荒废 以上的耕地。在降雨停止 后开始试验，提前配置好浓度为 的亮蓝染色溶液，在选定的样地分别清理出.的染色试验区，用剪刀修剪地表草本植物，并清除土壤表面的枯落物和岩石块，且不会影响土壤结构。每个样方均为用长.，宽.的 透明板交错围起。之后将 板埋入地下，同时将距 板内壁 以内的土壤用木锤夯实。然后将配置好的亮蓝溶液倒入长 ，宽.，带有 个孔（直径 ）的排水管（位于样方上边界）（图）。.样品采集入渗 后，开挖至土壤深度.，小心清除土壤以形成光滑的土壤剖面。共获取 个土壤剖面，分别位于样地的上边界和下边界。在样地上边中国水土保持科学 年界的土壤剖面前设置 个.的网格，然后拍摄剖面图以显示蓝色染料的强度和分布，以便绘制和记录结果。照片使用手机拍摄，尽可能直面土壤剖面，避免拍摄角度带来的误差。每个土壤剖面分 层（，和 ），在每层各采集 个扰动土样和原状土壤样品（环刀），个样地共采集 个原状土壤样品。选取其中 个土 壤 剖 面，分 层 各 收 集 小 袋 扰 动 土 样（），个样地各收集 袋扰动土样。同时，将位于上边界的土壤剖面（染色面积最大最深的剖面）分 层，每层收集体积为.土层内的根系样品于塑封袋内，个样地各收集 大袋根系样品。野外获得原状环刀土样后立刻称量得到土壤初始含水量（，）；实验室内通过浸水法得到土壤最大持水量（，）和饱和含水量（，），最后在 的烘箱内烘干得到土壤密度（，）；扰动土样通过湿筛法，得到 种粒径分布的土壤水稳性团聚体质量占比，计算得到平均质量直径（，）和几何平均直径（，）；通过重铬酸钾法测定土壤有机质含量（，）；用简易比重法测定土壤机械组成（）；用游标卡尺和卷尺分别测定根系的根径和根长，计算得到根长密度（，）；最后在 的烘 箱 内 烘 干 得 到 根 系 生 物 量（，）。由于休耕地仅有部分死根、呈毛细状，且根径 .，导致无法准确测定，因此休耕地的根长密度以 来表示。最终得到如表 所示的土壤和根系性质，其中土壤的机械组成划分依据美国农业部土壤质地分类标准（：），通过土壤质地分类三角坐标图可以得到具体的土壤类型。针阔混交林的土壤中砂粒质量分数高，而毛竹林和休耕地的粉粒质量分数高。随着土层深度的增加，针阔混交林和毛竹林的土壤类型从壤土向黏壤土演变，休耕地的土壤类型始终是壤土。表 土壤和根系性质 样地土层深度机械组成 砂粒 粉粒 黏粒 土壤密度（）土壤有机质质量分数（）土壤初始含水量 根系生物量根长密度（）针阔混交林 毛竹林 休耕地 .注：为无数据。：.数据处理土壤剖面图像由 （美国 系统公司）校正、裁剪，并用颜色替换工具将染色区域替换为黑色（），未染色区域替换为白色（）。选择最佳阈值和饱和度，使染色区域呈现蓝色，并将二值图像输出为 格式图像。然后将二值化后的图像导入专业图像软件 .（美国 图像技术公司）中进行染色面积比（，）的统计分析。所有数据在 （美国微软公司）中进行统计、整理，运用 （美国 公司）分析不同植被类型染色面积比与根系生物量之间的关系随土层变化的趋势，以及土壤蓄水能力、有机质 第 期陈钰馨等：不同植被类型根系对土壤水分分布的影响含量和土壤团聚体稳定性各指标的变化趋势。通过（美国 公司）中的 语言包（：）对染色面积比、土壤密度，土壤有机质质量分数，土壤蓄水能力指标，土壤团聚体稳定性指标和根系特征指标进行 相关性分析。对以下几方面进行讨论：）根系特征指标对土壤水分分布的影响；）土壤特征指标对土壤水分分布的影响；）根系特征及土壤特征对土壤水分分布的多重影响。结果与分析.根系特征对土壤水分分布的影响不同植被类型的 和 随土层加深而降低，每层的 和 以毛竹林最高，其次是针阔混交林和休耕地（表）。根系特征指标与、和 的 在.左右，均表示为显著正相关（图），下面以 与 之间的讨论为例。右上三角形内的数值显示的是相关性系数，表示的是 值，星号越多表示 值越小，相关性越显著。下同。，图 相关性分析 针阔混交林和毛竹林均在土层 均出现大面积的染色情况（图，：.；：.；：.），但在休耕地则仅出现在 土层（图，：.；：.；：.）。随着土层深度增加，根系生物量下降；出现染色面积大的地方，根系生物量往往也较大。最后对不同植被类型下样地的 进行总体分析，针阔混交林的中国水土保持科学 年 最大，其次是毛竹林，最后是休耕地（图：.；图：.；图：.；图：.；图：.；图：.）。但是对比图，在图 中 土层没有发现大面积染色情况。根系分布少，和 低可能是造成这一现象的主要原因。圆圈的大小为染色面积比例，。圆圈越大，染色面积比例越大。，图 各土壤剖面的染色面积比与根系生物量 所有样地的 都随深度的增加而显著减少。如图 所示，整个土壤剖面 的最大值均位于 土层上，其中毛竹林的 最高（.），其次是针阔混交林（.），休耕地的最低（.）。数据处理发现，和 这 个指标的变化趋势与 的一致，均表现为随深度的增加而显著减少。为进一步分析这一现象，将根径划分为 和 ，分析 种植被类型的不同根系径级下的根系数量情况。在所有植被类型中，根系数量均随土层深度的增加而减少。针阔混交林和毛竹林中，根径 的根系数量（图，：（），（），（）；：（），（），（）明显多于根径 的根系数量（图，：（），（），（）；：（），（），（），休耕地则反之，根径 的根系数量居多（图，：（），（），（）。该结果同时与图 的结果相对应：根系在根径 范围分布多的植被类型，土壤的蓄水能力也优异。.土壤特征对土壤水分分布的影响土壤特征指标中的、与 显著相关（图，（与）.，.；（与）.，.；（与）.，.）。其中 与、第 期陈钰馨等：不同植被类型根系对土壤水分分布的影响图 不同植被类型下土壤最大持水量和根径分布情况 表现出显著关系（图，（与）.，.；（与）.，.），围绕这一情况，下面将讨论 与土壤团聚体指标之间的关系。图 不同植被类型下平均质量直径和土壤有机质质量分数 和 是描述土壤团聚体稳定性的 个指标，数值越大，稳定性越好。如图 所示，以 为例，整个土壤剖面的 最大值出现在 土层上，表现为毛竹林（：.）高于针阔混交林（：.）高于休耕地（：.），且都随深度的增加而显著减少。数据处理发现，的变化趋势与 的一致，均表现为随深度的增加而显著减少。在不同植被类型下，均表现为随土层深度的增加而显著降低。在不同土层中，针阔混交林的 均表现最优（.），毛竹林次之（.），但与图 的结果显示有偏差。针对这一现象分析，毛竹林的 虽然低于针阔混交林，但是毛竹林的 和（表，：.，：.）明显优于针阔混交林（：.，：.），根系对团聚体形成有促进作用，进一步提高土壤团聚体稳定性。正与图 显示的结果一致，与 的（.）小于根系特征指标与 的（.）。.根系特征和土壤特征对土壤水分分布的多重影响除了 与其他指标呈现为显著负相关，其他指标之间均显示为正相关（图）。与 的相关性不显著（.），其中相关性从大到小为土壤团聚体稳定性指标、根系特征指标、有机质含量和土壤蓄水能力指标，前三者的 相差较小。土壤团聚体稳定性指标与根系特征指标的相关性强且显著（均 .，.），与土壤蓄水能力指标的相关性较强且显著（均 .，.），而有机质含量与土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标均显著相关，但相关性较根系特征指标弱。中国水土保持科学 年 讨论.根系特征对土壤水分分布的影响染色示踪实验可以使流动路径可视化，能清楚地看到不同植被类型下的土壤中水分分布的情况。从处理后的图像可以发现，相比休耕地，针阔混交林与毛竹林对地表径流的