黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系研究

 为了系统揭示植被根系对径流侵蚀产沙的影响,采用土钻法对草地植被根系分布特征 进行系统调查,采用分层冲刷的方法对黄土高原草地土壤不同坡度、不同流量条件下的侵蚀产沙特征进行了研究。结果表明不同立地上的植被根系都表现出了随着土层深度增加而减少的趋势。分层冲刷的试验结果表明在土壤表层,植被根系对侵蚀产沙的影响是占主导地位的;而当土层超过一定深度后,根系的分布数量减少,不同流量和坡度下的深层土壤侵蚀产沙量明显增加,根系提高土壤抵抗径流侵蚀产沙的能力受到了限制。同时随着土层深度的不断加大,坡面上径流侵蚀的形态也在发生变化,逐渐从面蚀向细沟侵蚀发展。结合对草地植被根系生物量垂直分布特征的研究,证明土壤侵蚀产沙的这种变化是与草本植被根系的分布特征密切相关的。通过进一步分析植被根系分布特征和土壤垂直侵蚀产沙之间的联系,建立了草地植被根系生物量与土壤垂直侵蚀产沙特征之间的定量关系。     

不同恢复类型植被细根分布及与土壤理化性质的耦合关系

针对陕北典型黄土丘陵区吴起县主要人工造林和自然封育植被恢复类型,确定5、15年和40年不同退耕年限下的沙棘、山杏及自然恢复草地样地,进行剖面采样,分析不同植被恢复类型下细根生物量、土壤理化性质,研究了不同恢复类型和不同年限植被细根生物量与土壤理化性质随时间的变异规律及耦合关系。结果表明,(1)总体上,主要造林树种和退耕自然封育草地细根生物量都随林龄和退耕年限的增长呈增加趋势,同年限人工造林树种细根生物量大于自然恢复的草地,不同植被群落细根生物量均表现出随着深度的增加呈指数递减规律。(2)自然封育的草地生态系统土壤含水量大于人工山杏林和沙棘林。人工造林和自然封育植被恢复下,土壤团聚体稳定性都随退耕年限的增加而增强,有机质、全氮、全磷含量也都呈增加趋势,土壤平均含水量则呈减小趋势。(3)细根生物量与土壤容重和团聚体稳定性显著相关,植物细根在土壤结构改善中起到了重要作用。     

黄土高原子午岭退耕地土壤物理性质与群落特征

通过对子午岭北部黄土丘陵沟壑区4、9、15和20a退耕地的生境和植被群落特征的分析,研究了不同年限退耕地的植被群落、土壤水分、容重和生物量的变化。结果表明：随退耕年限的增加,杂草群落中物种分布较均匀,物种丰富度明显增加,植物种数和个体数增加,其优势种和亚优势种分属于6科9属;根系在土层中分布增多,在一定深度范围内土壤结构逐渐疏松,致使土壤容重随退耕年限的增加而减小;在0～80cm土层内土壤含水量从高至低依次为4a、20a、15a和9a退耕地;80～300cm土层的土壤含水量得到明显改善,土壤含水量从高至低依次为20a、4a、15a和9a退耕地;地面生物量随退耕年限的延长而增加,但增加幅度逐渐趋于缓慢。     

高寒退化草地星毛委陵菜根系分叉数和连接长度的关系

根系分叉数和连接长度影响着植物根系的空间分布和资源获取,二者的权衡关系有助于深层次的理解植物根系构型的生态适应性。在祁连山北坡高寒退化草地,设置未退化(T_1)、轻度退化(T_2)、中度退化(T_3)和重度退化(T_4)4个退化梯度样地,采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了星毛委陵菜(Potentilla acaulis)根系分叉数和连接长度之间的关系。结果表明:随着天然草地退化程度的加剧,草地群落的密度、高度、盖度、地上生物量和土壤含水量逐渐减小,土壤紧实度不断增大,星毛委陵菜种群的密度、高度、盖度、地上和地下生物量、根冠比和根系连接长度逐渐增大,分叉数呈相反的变化趋势;不同退化草地星毛委陵菜根系分叉数与连接长度之间的相关性存在差异(P0.05),在未退化(T_1)和重度退化(T_4)草地星毛委陵菜根系分叉数和连接长度之间存在极显著的负相关关系(P0.01),在轻度退化(T_2)和中度退化(T_3)草地二者之间存在显著的负相关关系(P0.05)。随着天然草地的退化,星毛委陵菜选择减小根系分叉数和增大根系连接长度的构型构建模式,反映了植物不同功能性状间生物量分配的权衡机制。     

黄土高原不同演替阶段草地植被细根垂直分布特征与土壤环境的关系

研究了黄土区不同演替阶段草地植被细根垂直分布特征与土壤环境的关系,结果表明不同演替阶段草地植被细根生物量、根长密度、表面积、直径和比根长均具有明显的垂直分布特征。细根生物量、根长密度和细根表面积一般随土层加深而逐渐减少,且集中分布于0-40cm土层;随着演替的进行,除20a弃耕地外,0—80cm土层细根生物量、根长密度和细根表面积逐渐增加;除25a弃耕地外,细根直径随演替进行逐渐减小。0～100cm土层土壤含水量随演替进行而增加,不同演替阶段深层土壤水分较表层稳定。土壤容重的变化趋势为9〈4〈15〈20〈25a弃耕地,根系对表层土壤水分和容重的影响较大,而对深层土壤水分与容重影响较少。不同演替阶段细根各参数和土壤水分、容重差异均达到显著水平。各弃耕地细根参数之间,细根参数和土壤环境因子之间存在不同程度的相关关系,土壤含水量在草本植被的不同演替阶段均是影响其细根垂直分布的关键因素。土壤容重在演替早期对草本植被根系的影响较小,随着演替进行其影响作用进一步增强。     

黄土高原草地根系生物量沿环境梯度变化规律

草地是陆地生态系统的重要组成部分，根系生物量是研究草地生态系统的重要参数之一，研究草地根系生物量沿环境梯度的变化规律对当地的植被建设和恢复具有重要意义。以黄土高原3种不同草地类型（森林草原、典型草原和荒漠草原）为研究对象，沿环境梯度从东到西选择10个样地，每个样地内设置8个1 m×1 m样方进行根系生物量的调查，旨在分析不同草地类型根系生物量的垂直分布规律，并探讨了根系生物量沿环境梯度的变化规律及其影响因素。结果表明：（1）黄土高原3种草地类型根系生物量有显著差别（P<0.05），其中森林草原的根系生物量最大，典型草原最小；（2）3种不同草地类型根系生物量垂直分布均呈"T"型，土壤表层（0-10 cm）占55%以上的根系生物量，且荒漠草原根系有更多比例的生物量分布在土壤表层；（3）黄土高原草地根系生物量沿经度从东到西呈现先减少后缓慢增加的趋势，但浅层生物量与深层生物量比例（浅深比）没有表现出明显的经度格局；（4）总根系生物量的变化主要受年均温（MAT）影响（P<0.01），随MAT增大而增大；深层生物量同时受气候和土壤养分含量的影响（P<0.01）；浅深比则与样点平均土壤全磷含量、深层土壤全磷含量有显著负相关性（P<0.05）；（5）气候和土壤因素能解释根系生物量5.12%-39.36%的变异，独立作用中，气候因子对根生物量的解释度最大，可达到2.77%-9.12%的解释度。     

内蒙古太仆寺旗退耕草地植物种类变化与水分收支

2008年和2009年(均为枯水年),在半干旱区内蒙古太仆寺旗农田-草地生态系统国家野外站开展观测实验,通过观测蒸散发(波文比系统)、土壤水分(烘干称重法)、降水量,以及植被土壤特征调查,基于水量平衡理论,对比研究了3块天然草地、3块不同退耕时间草地共6个样地的水分收支,旨在定量地评估退耕草地的水分收支,为采取科学措施促进退耕草地尽快向天然草地过渡提供依据。结果表明:1)随着退耕时间增加,植被盖度逐渐增加,但是群落中科、属、种的数量趋于减少,且优势种从一年生的中旱生草本植物逐渐转变成多年生的旱生草本植物;2)植被蒸腾是草原植被主要的耗水途径,随着退耕时间增加,退耕草地的蒸散发量呈增加趋势,其最大值在4.5–5.8 mm·d–1之间;3)退耕草地土壤含水量平均值为0.09 m3·m–3,其水分剧烈变化主要发生在距地表60 cm内,且随退耕时间增加土壤含水量减少,而天然草地土壤含水量平均值为0.06 m3·m–3,其水分剧烈变化发生在距地表20 cm内;4)随退耕时间增加,退耕草地与天然草地的土壤水分与蒸散发在数值上差距逐渐缩小;5)退耕草地水分收支基本平衡,但在极枯年份(降水量174 mm)的生长季,降水不能满足蒸散发需求,呈现水分亏损。退耕草地逐步向天然草地过渡,但是退耕草地的土壤水分在逐渐减少,呈现"生境干旱化现象"。今后应加强对草地的封育与监测,促进植物群落向水分利用效率更高、更适应半干旱环境的方向演替。     

青藏高原高寒草地退化与人工恢复过程中植物群落的繁殖适应对策

以三江源区不同退化程度高寒草甸和不同恢复年限人工草地作为研究对象,通过野外调查与采样、实验室分析,探究了高寒地区退化天然草地与人工恢复草地的植被群落繁殖构件数量变化.结果表明:在群落水平上,天然草地退化和人工草地建植会对植物繁殖构件的数量和生物量产生影响.随着天然草地退化程度的增加,营养枝数量和生物量则明显下降,而繁殖枝的数量和生物量明显升高(P＜0.05);随着人工草地恢复年限的增加,营养枝的数量和生物量逐渐增加,而繁殖枝的数量和生物量则逐渐降低(P＜0.05);随着恢复年限的增加,人工草地繁殖构件的变化逐渐接近未退化天然草地.在功能群水平上,植物繁殖构件数量亦随草地退化程度和人工恢复年限而变化.随着恢复年限的增加,禾本科、莎草科、杂类草的营养枝数量和生物量均呈现显著增加(P＜0.05),而繁殖枝数量和生物量则显著下降,禾本科的繁殖构件数量远远大于莎草科和杂类草;随着退化程度的增加,三大功能群的营养枝枝数和生物量显著增加(P＜0.05),而繁殖枝则呈现相反的趋势.实证了草地退化和人工恢复改变植物群落繁殖分配对策的科学假设,为高寒草地植被恢复重建技术的发展和更新提供理论支撑.     

塔克拉玛干沙漠腹地梭梭幼苗根系分布特征对不同灌溉量的响应

 在塔克拉玛干沙漠腹地,采用分层分段挖掘法对不同灌溉量条件下(每株每次灌水3 5、24.5和14 kg)梭梭(Haloxylon ammodendron)幼苗根系的分布特征进行了研究。结 果表明： 1）随着灌溉量的减少,梭梭幼苗根系生物量的分布格局有向深层发展的趋势,在不同灌溉量条件下地下垂直各层生物量与土壤垂直深度呈显著的负对数关系;2）各灌溉量梭梭幼苗的最大水平根长为垂直根长的2倍,但不同灌溉量根系生物量的水平分布趋势一致 ;3）吸收根生物量的垂直分布与土壤含水量的垂直变化基本一致,均呈“单峰型”曲线, 但灌溉量不同,吸收根生物量峰值在土壤中出现的位置也不同,随着灌溉量的减少,吸收根集中分布区有向深层发展的趋势;4）根长、根表面积和根体积随着土壤深度的增加均呈“单峰型”曲线,灌溉量愈小,根长、根表面积和根体积的峰值愈位于土壤的深层;5）根冠比和垂直根深与株高之比随着灌溉量的减少而呈增加的趋势。     

我国西南山地喀斯特植被的根系生物量初探

在贵州茂兰喀斯特森林国家自然保护区内,选取2种立地条件上(岩石和土壤分别占优势)的5个植被恢复阶段(草本群落、灌草群落、灌木群落、次顶极常绿落叶阔叶林和顶极常绿落叶阔叶林)共10个样地,利用平均标准木机械布点法对根系进行采集,分析了其生物量总量、不同根系径级的分配格局和地下空间的分布规律。结果表明:1)喀斯特植物群落的正向植被恢复进程极显著地增加了地下生物量(p0.001),从草本群落的2.63Mg·hm–2增加到顶极森林群落的58.15Mg·hm-2;同一恢复阶段的石生和土壤立地上根系生物量的差异不显著(p0.05),在顶极和次顶极常绿落叶阔叶林阶段,石生立地的根系生物量高于土壤立地,而灌木、灌草和草本群落阶段则相反。2)同一恢复阶段的石生立地的粗根生物量均高于土壤立地,但差异不显著(p0.05),而细根和小根生物量则从石生到土壤立地显著增加(p0.05);随着喀斯特植被的恢复,石生和土壤立地上粗根占总根系生物量的比例均逐渐增加。3)石生立地根系的分布以水平扩散和穿梭为主,无垂直层次分布;而土壤立地各恢复阶段的根系生物量主要集中在地面到地下10cm的垂直空间内;在不同的土层深度,粗根占所有根径级生物量的80%,且随土层加深,其比例降低。该研究不仅填补了喀斯特植被根系生物量观测的空白,为估算我国西南喀斯特地区植被的总生物量和生产力提供了本底数据,也为进一步研究喀斯特森林稳定性维持机制和喀斯特石漠化防治与植被适应性修复奠定了基础。     

黄土高原4种植被类型的细根生物量和年生产量

细根(≤2 mm)在陆地生态系统净初级生产力的分配中占有重要地位,在碳循环和水土保持方面具有重要意义. 本文采用土钻法和内生长法,以黄土高原刺槐人工林、落叶灌木、退耕草地和沙蒿群落4种主要植被类型为对象,研究0～40 cm土层细根生物量、垂直分布和细根年生产量. 结果表明： 细根生物量与纬度呈线性负相关. 4种植被类型0～40 cm土层细根生物量的大小顺序为落叶灌木(220 g·m^-2)>刺槐人工林(163 g·m^-2)≈退耕草地(162 g·m^-2)>沙蒿群落(79 g·m^-2). 退耕草地直径≤1 mm细根生物量占直径≤2 mm总细根生物量的74.1%,在4种植被类型中最高;4种植被类型细根生物量随着土层深度的增加而减少,最大值均出现在0～10 cm土层. 退耕草地0～10 cm土层细根生物量占0～40 cm土层总细根生物量的44.1%,显著高于其他3种植被类型;细根年生产量与纬度呈线性负相关. 4种植被类型0～40 cm土层细根年生产量大小顺序为退耕草地(315 g·m^-2·a^-1)>落叶灌木(249 g·m^-2·a^-1)>刺槐人工林(219 g·m^-2·a^-1)>沙蒿群落(115 g·m^-2·a^-1),其中退耕草地显著高于其他3种植被类型. 退耕草地0～10 cm土层细根生产量占0～40 cm土层总细根生产量的40.4%,在4种植被类型中最高. 退耕草地细根周转时间为0.51 a,低于其他3种植被类型.     

云雾山不同恢复方式下草地植物与土壤的化学计量学特征

研究云雾山天然草地、灌草地、禁牧地、撂荒地4种恢复方式下草地各植物组分(植物地上部分、枯落物、根系)与土壤C、N、P化学计量特征及其相互关系.结果表明: 土壤与植物地上部分和根系的化学计量学特征显著相关,并且植物地上部分与根系之间P的联系比N紧密,土壤与植物地上部分和根系之间N的联系比P紧密,而土壤与枯落物、根系与枯落物的化学计量学特征相关性不显著.不同恢复方式间植物地上部分和根系总体的C、N储量无显著差异,P储量差异显著且以撂荒地最大(0.49 g·m^-2),禁牧地最小(0.29 g·m^-2).禁牧年限对植物和土壤的化学计量学特征影响较小;耕地撂荒恢复12年后土壤C、N(分别为9.98和1.07 g·kg^-1)仍显著低于天然草地(分别为14.27和1.55 g·kg^-1),两者植物化学计量特征的差异由撂荒地各植物组分P浓度高引起;由于根系生物量的稀释作用,天然草地根系N、P浓度最低(分别为6.25和0.57 g·kg^-1);灌草地地上部分N、P浓度偏低(分别为12.77和 0.98 g·kg^-1),但根系N、P浓度偏高(分别为9.30和0.77 g·kg^-1).物种组成是影响植物生态化学计量学特征变化的主要因素,不同恢复方式间群落相似度高则整体化学计量特征差异小.     

Fine root response to soil resource heterogeneity differs between grassland and forest

Soil resource heterogeneity has clear effects on plant root development and overall plant performance. Here we test whether contrasting vegetation types have similar or different responses to soil patches of differing resource availability. We examined the fine root responses of grassland and forest vegetation at the northern edge of the Great Plains to transplanted patches of resource-poor and resource-rich soils, using rhizotron imaging. Every aspect of measured root behavior, including root length, production, mortality, turnover, variability and size distribution, varied significantly between patch types, and most aspects also varied between vegetation types. Most importantly, differential responses to patches between grassland and forest were shown by significant interactions between patch type and vegetation for two response variables. First, root length variability was significantly lower in resource-rich compared to resource-poor patches in forest but not grassland. Second, the proportion of very fine roots was significantly greater in resource-rich than resource-poor patches in forests but not grassland. Thus, compared to grassland, forest more fully occupied resource-rich patches relative to resource-poor patches by allocating more growth to very fine roots. We report the first example of significant differences between vegetation types (grassland and forest) in root responses to soil resource heterogeneity measured in a field experiment. The relatively high ability of forest roots to more fully occupy resource-rich patches is consistent with the global expansion of woody vegetation and associated increases in soil heterogeneity.     

刺槐根系对深层土壤水分的影响

对黄土高原主要造林树种刺槐根系及其林地土壤水分进行调查和监测,结果表明,在阴坡立地上,刺槐细根在距树干2.0 m范围内的水平分布无明显差异,最大分布深度均为2.0 m;而阳坡立地上刺槐细根在距树干0.5 m处的垂直分布深度可达2.0 m,且阴坡立地上细根密度特征值明显大于阳坡.根系对土壤深层水分的影响范围因不同立地条件下根系分布空间差异而不同,在阳坡立地上,刺槐根系对深层土壤水分的影响深度可达2.7 m处的土层,而在阴坡立地上,这种影响范围可达3.3 m处的土层.     

金沙江干热河谷典型林草地植物根系对土壤优先流的影响

为了明确土壤优先流形态特征以及植物根系对其形成的影响,以金沙江干热河谷元谋县苴那小流域典型植被类型银合欢人工林地和扭黄茅荒草地为研究对象,基于染色示踪法并结合Photoshop CS5和Image-Pro Plus 6.0图像处理技术,分析了2种植被下的土壤优先流形态特征和分布特征,并探究了植物根系对其的影响。结果表明: 林地和荒草地的土壤优先流染色面积具有明显差异,林地染色面积比总体随土壤深度的增加而减小,但部分地方表现出增大现象;荒草地染色面积比随土壤深度增加呈单调递减,林地优先流发生程度高于荒草地。根系对优先流的形成具有重要影响,根径0≤d≤5 mm和d>10 mm范围内,林地根长密度随着土层深度的增加呈单调递减趋势,5 mm<d≤10 mm根系根长密度在30～40 cm土层出现较大波动;荒草地各级根系根长密度均与土壤深度呈负相关关系。林地染色面积比与3 mm<d≤5 mm根径范围内的根长密度呈极显著相关,荒草地染色面积比与d≤3 mm范围的根长密度呈极显著相关;2种地类染色面积比均与1 mm<d≤3 mm范围的根重密度及d≤1 mm的根表面积呈极显著相关,与d>5 mm根径的根长密度、根重密度、根表面积的相关性不显著。研究区2种地类的土壤优先流染色面积总体变化趋势为随土壤深度的增加而减小,植物根系与土壤优先流的形成关系密切,其中,细根能显著促进土壤优先流的形成,粗根对优先流的形成具有局限性。     

Observation and Simulation of Root Reinforcement on Abandoned Mediterranean Slopes

The mechanics of root reinforcement have been described satisfactorily for a single root or several roots passing a potential slip plane and verified by field experiments. Yet, precious little attempts have been made to apply these models to the hillslope scale pertinent to landsliding at which variations in soil and vegetation become important. On natural slopes positive pore pressures occur often at the weathering depth of the soil profile. At this critical depth root reinforcement is crucial to avert slope instability. This is particularly relevant for the abandoned slopes in the European part of the Mediterranean basin where root development has to balance the increasing infiltration capacity during re-vegetation. Detailed investigations related to root reinforcement were made at two abandoned slopes susceptible to landsliding located in the Alcoy basin (SE Spain). On these slopes semi-natural vegetation, consisting of a patchy herbaceous cover and dispersed Aleppo pine trees, has established itself. Soil and vegetation conditions were mapped in detail and large-scale, in-situ direct shear tests on the topsoil and pull-out tests performed in order to quantify root reinforcement under different vegetation conditions. These tests showed that root reinforcement was present but limited. Under herbaceous cover, the typical reinforcement was in the order of 0.6 kPa while values up to 18 kPa were observed under dense pine cover. The tests indicate that fine root content and vegetation conditions are important factors that explain the root reinforcement of the topsoil. These findings were confirmed by the simulation of the direct shear tests by means of an advanced root reinforcement model developed in FLAC 2D. Inclusion of the root distribution for the observed vegetation cover mimics root failure realistically but returns over-optimistic estimates of the root reinforcement. When the root reinforcement is applied with this information at the hillslope scale under fully saturated and critical hydrological conditions, root pull-out becomes the dominant root failure mechanism and the slip plane is located at the weathering depth of the soil profile where root reinforcement is negligible. The safety factors increase only slightly when roots are present but the changes in the surface velocity at failure are more substantial. Root reinforcement on these natural slopes therefore appears to be limited to a small range of critical hydrological conditions and its mitigating effect occurs mainly after failure.     

水稻根系生长及其对土壤紧密度的反应

采用筒栽方法研究了杂交稻汕优63和65002在分蘖期,穗分化期,开花期和成熟期根系生长量和垂直分布以及开花期土壤容重对根系生长和分布的影响,结果表明,根系生长量以开花期最高,开花后下降,随生育进展,深层根系（20-45cm)比例提高,分蘖期到穗 分化期是根系重量增长最快,且根系向下生长的主要时期,随耕层以下土壤容重提高,根系生长量下降,同时深层根系比例下降。