黃土退耕坡地植物根系分布特征及土壤養(yǎng)分測定儀測養(yǎng)分的應(yīng)用_圖

1、黃土退耕坡地植物根系分布特征及土壤養(yǎng)分測定儀測養(yǎng)分的應(yīng)用摘要：為明確黃土退耕坡地植物根系分布特征及其對土壤養(yǎng)分的影響，在陜西神木六道溝流域選取退耕30 a的長芒草坡地和裸地坡面，利用圖像處理和常規(guī)分析方法研究了長芒草根系和土壤養(yǎng)分在士壤剖面分布及其相互關(guān)系。采用浙江托普儀器的TPY-7PC土壤養(yǎng)分測定儀檢測土壤的養(yǎng)分等參數(shù)，結(jié)果表明：長芒草根系主要分布在050 cm士層，分布規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)來模擬。有根系存在的土壤表層有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均高于無根系存在的坡面。在有根系存在時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮的具有明顯的表聚現(xiàn)象。O50鋤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮隨深度的變化可用冪甬

2、數(shù)來表示，而全磷隨深度呈線性相關(guān)。050 cm的土壤養(yǎng)分與根長密度的關(guān)系可以用線性函數(shù)來表示。其研究結(jié)果為坡面退耕地土壤管理提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：土壤侵蝕，退耕坡地，根系分布，土壤養(yǎng)分測定儀黃土高原屬于生態(tài)脆弱地帶，由于人們過渡放牧以及不合理的開發(fā)利用，生態(tài)與環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，養(yǎng)分貧乏，水土流失嚴(yán)重。近年來提出退耕還林草政策，大量減少了黃十高原的水土流失作用，主要集中在兩個(gè)方面：一是植物根系提高了土壤的抗沖性ll捌；二是樹冠的截留和落葉蓄水阻流3,41。根系在提高土壤抗侵蝕能力、防止土壤侵蝕方面具有重要作用：一是通過根系在土體中交錯(cuò)、穿插，網(wǎng)絡(luò)固持土壤；二是通過改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤自身

3、的水力學(xué)性質(zhì)，從而增強(qiáng)土體的抗侵蝕能力。植物根系能明顯增強(qiáng)土壤的抗沖性、土壤的滲透性及土體的剪切強(qiáng)度等水力學(xué)性質(zhì)【5J。關(guān)于根系對黃土高原坡面水分的影響已經(jīng)有了較多的研究睜引，關(guān)于黃土原草地地下和地上生物量在一年內(nèi)的變化也已經(jīng)清楚【9】。但是，根系在土壤中的分布特征與養(yǎng)分在剖面分布關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)就坡面長芒草根系的空間分布以及對土壤養(yǎng)分的影響進(jìn)行研究，旨在明確長芒草在黃土高原的適應(yīng)性，以及對黃土土壤養(yǎng)分的改良作用。1、材料與方法11研究區(qū)域概況在中國科學(xué)院水土保持研究所神木生態(tài)觀測站進(jìn)行試驗(yàn)，該站位于神木縣以西14km處的六道溝流域，北依長城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于黃土高原水蝕

4、風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心，流域面積67 km2。該區(qū)屬中溫帶半干旱氣候，年平均溫度84，年平均降水量4374 mnl，其中69月的降水量占全年降水的774，植被類型為長芒草、苜蓿、沙蒿等。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵。地面組成物質(zhì)以第四紀(jì)黃土沉積物為主。12樣點(diǎn)布置及采樣2006年8月25日，選取了退耕30 a的長芒草($tipabungeana坡面，覆蓋度85以上，面積為60 mx50 m，采用10mxlom布設(shè)網(wǎng)格共設(shè)12個(gè)樣點(diǎn)(圖la；另外，選擇了鄰近裸地坡面用同樣的方法設(shè)置了6個(gè)采樣點(diǎn)(圖lb，樣點(diǎn)位置用GPS定位。每個(gè)樣點(diǎn)取剖面O2 m的土樣，l m以上每10 cm取一個(gè)樣，l

5、 m以下每20cm取一個(gè)樣。共集288個(gè)土樣。在取土樣附近，用根鉆(妒=9 cm進(jìn)行根系調(diào)查，土壤剖面50 cm以內(nèi)，以每10cm為一層進(jìn)行采樣，用篩子將各層土壤進(jìn)行過篩，并揀出所有根系，對所獲得的根系樣品用蒸餾水清洗干凈后數(shù)根的條數(shù)，并利用掃描儀對洗凈的根系進(jìn)行懸浮掃描備用。13測定方法土壤容重用環(huán)刀法測定，土樣中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用Bremner浸取法，連續(xù)流動(dòng)分析儀(FIAstar 5000 AnalyzerFOSS TECATOR測定：有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀一外加熱容奄法測定：全氮采用凱氏定氮儀(ELTECSYSTEM 1026 Distilling Unit測定；全磷用酸熔鉬銻抗比色法測

6、定。根系掃描圖片用DT-SCAN圖像分析軟件進(jìn)行定量分析。用Excel、surfer80和Spssl30軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1.4、土壤養(yǎng)分測定儀的應(yīng)用土壤養(yǎng)分測定儀又名土壤速測儀，土壤養(yǎng)分測定儀由浙江托普儀器研發(fā)制造，土壤養(yǎng)分測定儀采用旋轉(zhuǎn)比色暗盒設(shè)計(jì)（專利），同時(shí)測試四個(gè)樣品，大屏幕液晶漢字背光顯示引導(dǎo)操作流程；主機(jī)配備微型打印機(jī)。可快速測試土壤、化肥、植株中的氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、酸堿度（定性）。儀器內(nèi)存60種農(nóng)作物生長發(fā)育所需養(yǎng)分量，可根據(jù)用戶需要輸出指導(dǎo)施肥量并打印出來。土壤測試儀功能及特點(diǎn) ： 1.可檢測土壤、植株、化學(xué)肥料、生物肥料等樣品中的速效氮、速效磷、有效鉀、植株中的全

7、氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量，土壤酸堿度及土壤含鹽量。 2.具有北京時(shí)間顯示功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將檢測樣品時(shí)間記錄與保存。 3.可儲存1000組測試數(shù)據(jù)（將檢測樣品時(shí)間、地點(diǎn)、各類養(yǎng)分結(jié)果）等相關(guān)信息存儲下來，數(shù)據(jù)可隨時(shí)調(diào)出查看。4.可按當(dāng)?shù)厍闆r設(shè)定作物品種、作物產(chǎn)量、肥料品種，并自動(dòng)計(jì)算出施肥量（TPY-4、TPY-6A、TPY-6PCTPY-7PC）。 5.檢測的樣品結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)分析、匯總、保存，內(nèi)存70種農(nóng)作物生長發(fā)育所需養(yǎng)分量；可由計(jì)算機(jī)儲存進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存、遠(yuǎn)程發(fā)送、打?。?，也可以脫離計(jì)算機(jī)在主機(jī)上進(jìn)行測土配方并通過微機(jī)打印打出來TPY-6PC、TPY-7PC）。6.可打印出檢

8、測日期、樣品編號，檢測項(xiàng)目、樣品含量、作物品種、肥料品種、施肥數(shù)量等相關(guān)信息，內(nèi)容詳細(xì)豐富。 7.采用液晶中文大屏幕背光顯示，中文菜單提示操作，指導(dǎo)操作流程。 8.測試過程中具有回看功能，因此使產(chǎn)品更加具有方便性和合理性。 2、結(jié)果與分析21 長芒草覆蓋下土壤理化性質(zhì)的變化長芒草覆蓋下土壤容重變化比裸地明顯，裸地坡上到坡底容重在143147 gem3之間，變化不明顯(環(huán)刀法測容重平行間允許誤差為O03 gcm3。圖2給出了長芒草覆蓋下表層(010 cm和1020 tin的土壤容重等直線圖，可知植被對表層的土壤容重影響較大。表層土壤容重要小于1020 cnl土壤的容重，這主要是由于枯枝落葉增加了

9、表層的有機(jī)質(zhì)含量。在同一土層，坡上容重要人于坡底。變異范圍在132142 gcm3；1020cm的容重變異范圍在139146 gcm3，趨于穩(wěn)定。長芒草覆蓋下的土壤養(yǎng)分在橫向上變化不明顯，因此主要考慮沿坡面變化。圖3給出了長芒草覆蓋下050 cm(長芒草根系主要影響到50 era有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮沿坡面變化曲線。在O50 cna養(yǎng)分沿坡面變化可以用二次曲線來描述，銨態(tài)氮和全磷沿坡面先增加再減少；其他養(yǎng)分沿坡面是先減少后有所增加。22根系在坡面土壤中的分布特征根系影響土壤養(yǎng)分分布程度取決于根系在土體中纏繞和分布狀況，包括根密度、垂商、水平方向分布及根的分枝特性等。根系使土層團(tuán)聚體

10、的整體性增強(qiáng)是提高土壤抗沖性的原因【111。植物根系(直徑l mm在士體中延伸、穿插、交織，使根群呈網(wǎng)狀，將士體肢解包裹，從而使土體抵抗風(fēng)蝕和流水沖刷的能力大增，使抗沖性明顯提高12,13。本研究主要選用了根長進(jìn)行進(jìn)一步的分析。與喬木或者灌木等物種的根系相比，草本植被的根系比較細(xì)小，并且根系的徑級一般小于l mm，在本研究中，沒有對長芒草根系的徑級進(jìn)行進(jìn)一步的劃分。為了分析根系的分布特征，提出了根長密度的概念即：每一立方厘米土壤中含有的根系的總長度，單位是cmcm3。根系長度指標(biāo)用根長密度(Y來表示：長芒草的根系主要分布在050 cm范圍內(nèi)。從圖4可看出根系主要分布在030 cm范圍內(nèi)，占全量

11、85以上，在此范圍內(nèi)根系含量迅速降低，30 cm以后根系含量降低緩慢。通過對根長密度在剖面中的分布進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)其遵從指數(shù)函數(shù)分布，函數(shù)表達(dá)式為：a，滬一方程系數(shù)。這與李勇141的研究結(jié)果相一致。由圖上擬合方程的系數(shù)可看出在距坡頂10 m和60 m處的a，b值相近，而距坡項(xiàng)20 m和40 m處的a，b值相近。其中坡面中間的口值要大于距頂部10 m和60 m；而b值剛好相反。這說明坡中的根系在隨土壤深度的增加下降的幅度要大于坡頂和坡底。23根系對土壤養(yǎng)分表聚的影響231根系對剖面養(yǎng)分的影響根系作為連接植物和土壤的紐帶，影響著土壤中養(yǎng)分向植物體的輸送以及在土壤中的運(yùn)移。圖5顯示，有根系和無根系

12、存在的土壤營養(yǎng)元素在不同土層深度的含量具有明顯的差異。對于0"-20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮有根系存在的土壤中要顯著的高于無根系存在的土壤，表明在有根系存在的情況下，土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚現(xiàn)象。20 cm以下有無根系存在的土壤養(yǎng)分差異在逐漸減小。在100 cm以下的土壤中有根系的土壤有機(jī)質(zhì)含量反而低于無根系土壤，這也充分說明根系在影響土壤養(yǎng)分分布上起著重要的作用。根系對土壤全磷和氨態(tài)氮的影響沒有其他養(yǎng)分那么明顯，除在表層(O30 cm存在明顯的表聚現(xiàn)象外，其他層次出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。對于營養(yǎng)元素的表聚現(xiàn)象可用表聚系數(shù)來表示，以0100 cm深度土壤營養(yǎng)元素總含量為參照，

13、如果010 cm以及O20 cm土層的某種營養(yǎng)元素的含量與總含量的比值(表聚系數(shù)分別大于01及O2，則表明這種元素具有表聚性。其計(jì)算公式如下：從圖6可以看出本試驗(yàn)中有根系存在的坡面上，有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮在O10 cm的表聚系數(shù)就已經(jīng)達(dá)到了02以上，說明有根系存在時(shí)，有機(jī)質(zhì)、全氮、硝念氮有很強(qiáng)的表聚性；銨態(tài)氮、全磷0h10 cm表聚系數(shù)為011左右，O20 cm為023左右，也滿足表聚條件，但不是很明顯。沒有根系存在的土壤中，只有硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)和全氮滿足表聚條件但都不是很明顯，在010 cm范圍內(nèi)表聚系數(shù)不到015。銨態(tài)氮和全磷O10 cm表聚系數(shù)小于01，無表聚現(xiàn)象。由兩個(gè)坡面的表聚系數(shù)可看

14、出，根系對有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮的影響較大：而對銨態(tài)氮和全磷的影響相對較小。232根系與剖面養(yǎng)分的相關(guān)性分析因長芒草主要分布在0-一50 cm，為了分析根系與剖面養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系，將0-50 cm土層的養(yǎng)分隨深度的變化進(jìn)行擬合同時(shí)，與根系作相關(guān)性分析得到表1：通過對0"-50 cm土壤養(yǎng)分隨深度的變化分析，可以得出除全磷外，有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都可以用冪函數(shù)的形式來表示，相關(guān)系數(shù)見表1都達(dá)到了09以上。而全磷隨深度呈線性相關(guān)。O50 cm的土壤養(yǎng)分與根長密度的關(guān)系可以用線性關(guān)系Y=pY+g(】，養(yǎng)分含量：y根長密度；P，口擬合系數(shù)來表示，由表l中的相關(guān)系數(shù)以及顯著水平可以看出

15、根系與土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮含量關(guān)系密切，達(dá)到了顯著水平；全磷和銨態(tài)氮與根系的相關(guān)性不是很強(qiáng)。3結(jié)論和討論根系在防止黃|十高原水十流失中起著重要的作用，本試驗(yàn)通過對長芒草根系的研究發(fā)現(xiàn)長芒草根系主要分布在050 cm十層，并且隨深度的增加而減少，在O30 cm范圍降低最快，超過30 cn深度降低比較緩慢。這個(gè)過程可以用指數(shù)函數(shù)來模擬。隨十壤深度的增加，坡中根系下降的幅度要大于坡頂和坡底。此范圍養(yǎng)分沿坡面變化可用二次曲線描述。通過對有根系和無根系存在的兩個(gè)鄰近坡面的比較發(fā)現(xiàn)根系不僅對土壤物理性質(zhì)有影響而且對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮影響也非常明顯，特別是對20 cm土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮影響顯著。而對全磷和銨念氮的影響主要表現(xiàn)在表層。通過表聚系數(shù)也可以看出有機(jī)質(zhì)