長白山次生蒙古櫟林細根生物量及動態(tài)研究

長白山次生蒙古櫟林細根生物量及動態(tài)研究

細根一般是指根的細（直徑2mm），具有低等級木材化，與根尖直接相連。這些根具有吸收水分和養(yǎng)分的功能。它們是森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和養(yǎng)分數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。它們在森林生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)中起著非常重要的作用。細根生物量僅為總生物量的3%30%，但細根生長和旋轉(zhuǎn)速度需要50%70%的初始凈初生產(chǎn)力來維持其動態(tài)過程。因此，它對樹木的碳分配和養(yǎng)分循環(huán)起到了不可忽視的作用。蒙古櫟(Quercusmongolica)屬耐貧瘠、耐干旱、萌生能力強的樹種.主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古和河北省北部,是我國北方次生落葉闊葉林的主要組成樹種和主要用材樹種.近年來,對蒙古櫟林的地理分布、群落學特征、演替、水文效應以及養(yǎng)分循環(huán)等研究較多,而對其細根現(xiàn)存量的研究較少.本文通過研究次生蒙古櫟林細根生物量及其季節(jié)動態(tài)變化,深入分析次生蒙古櫟林潛在的地下生態(tài)學過程以及地下生產(chǎn)力特征,從而為研究長白山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和平衡、合理開發(fā)利用森林資源提供理論和實踐依據(jù).1蒙古櫟林樣地的選擇研究地位于白河林業(yè)局松江林場,地理坐標為N41°42′45″～42°45′18″,E127°33′30″～128°16′48″.氣候特征為夏季短暫溫和,冬季漫長寒冷,平均年降水量為600～900mm,其中80%降雨量集中在夏季.通過踏查,選擇具有代表性的次生蒙古櫟林建立試驗樣地.樣地內(nèi)樹種以蒙古櫟為主,平均樹高7m,平均胸徑9.3cm,散生少量的稠李(PrunuspadusL.)、色木槭(AcermonoMaxim)、鼠李(RhamnusdavuricaPall),林分郁閉度0.6,海拔516m,土壤類型為暗棕色森林土.2內(nèi)容和方法的研究2.1土芯細根的測定在次生蒙古櫟林內(nèi),于2010年4～9月的每月月底用內(nèi)徑7.5cm的土鉆沿等高線鉆取土芯,每條線鉆取10個,共選擇相距10m的3條線等距離鉆取土芯30個.取出的土芯按0～10cm,10cm以上分割,放置在孔徑為2,1,0.5,0.25mm土壤篩上,用流動水沖洗,直至洗干凈為止,然后撿出細根.同時區(qū)分死活細根,并剔除草根.將分撿后的細根放置在75℃的干燥箱中烘干后稱重,并利用式(1)對細根生物量進行計算:生物量(t/hm2)=平均每根土芯細根重(g)×100/[π(7.5/2)2](cm2).(1)2.2細根年死亡量、年生長量和周轉(zhuǎn)率為獲得細根年分解速率,同年5月末在調(diào)查樣地內(nèi)收集蒙古櫟細根(直徑≤2mm),采用埋藏分解袋法計算.同時根據(jù)廖利平等提供的McClaugherty提出的方法和單建平等提出的最大、最小值方法,利用下列模型計算細根年死亡量、年生長量和周轉(zhuǎn)率:M=Xmax-Xmin+D,(2)P=Ymax-Ymin+M,(3)T=P/Y,(4)式中:M為細根年死亡量;P為細根年生長量;D為細根年分解量;Xmax為死細根生物量最大值;Xmin為死細根生物量最小值;Ymax為活細根生物量最大值;Ymin為活細根生物量最小值;T為細根年周轉(zhuǎn)率;Y為活細根年平均生物量.活細根、死細根的最大值和最小值分別為兩種細根生物量動態(tài)的最大值和最小值.3結(jié)果與分析3.1活細根的生長經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),次生蒙古櫟林不同月份細根現(xiàn)存生物量不同,其結(jié)果如圖1所示.從圖1可以看出:總細根生物量隨著時間的推移有逐漸上升的趨勢,4月末最低(4.0233t/hm2),9月末最高(5.0863t/hm2),最高和最低相差26%.細根的月平均量為4.5855t/hm2,其中活細根為4.1146t/hm2,占89.6%;死細根0.4709t/hm2,占10.4%.活細根生物量在1a內(nèi)出現(xiàn)兩個峰值,即7月末(4.6239t/hm2)和9月末(4.5297t/hm2).研究顯示:細根生物量在1a中一般出現(xiàn)1或2個峰值,但有的變化不明顯;一般峰值出現(xiàn)的時間是在春季展葉期前后、晚夏或秋季等,但細根生物量變化也會有一定程度的波動,這是受樹種特性及外界環(huán)境條件(如降水量、土溫、養(yǎng)分有效性等)綜合影響所導致.長白山闊葉紅松林活細根大量發(fā)生的時間為6,8月,與之相比,蒙古櫟細根的兩個峰值向后推遲1個月.4月末活細根現(xiàn)存量是全年最低值,僅為3.1777t/hm2,5月份根系開始大量生長,活細根生物量曲線開始上升,6,7月份上升趨勢較為平緩,直至達到7月末的全年最大值.一般而言,細根生長隨土壤溫度的升高而增加,達最大值后則隨溫度的升高表現(xiàn)出下降的趨勢.8月末活細根生物量偏低,盛夏根系停止生長通常與環(huán)境脅迫有關,如較高的溫度和干旱等.死細根生物量曲線隨著時間的改變呈現(xiàn)波浪狀,與活細根相比,死細根生物量則在活細根生物量較高的月份(例如5,7月末)退后1個月(即6,8月末)出現(xiàn)高值;活細根生物量的最低峰在8月末,則在9月末死細根生物量呈現(xiàn)出下降的趨勢.4月末死細根生物量達到最高值(0.8456t/hm2),5月末最低只有0.1829t/hm2,最高值是最低值的3.6倍左右.有資料表明:微生物的活動直接受溫度影響,土壤水分和養(yǎng)分條件也受到溫度間接影響而改變,進而對細根分解產(chǎn)生影響.Silver等從全世界細根分解數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),年平均溫度與分解速率呈線性正相關.可能是因為經(jīng)過一個冬季,土壤凍結(jié)等原因?qū)е录毟罅克劳?但土壤溫度偏低影響了土壤中微生物的活動,死根分解速度較慢,經(jīng)過不斷積累,4月末死細根生物量出現(xiàn)了最高峰,5月份以后,曲線呈現(xiàn)波浪狀,但波動幅度不大.3.2活細根生物量年度生物量對次生蒙古櫟林不同月份不同土層深度的細根生物量分別求其平均值,結(jié)果發(fā)現(xiàn)60%(除7月末)以上的細根都集中在土壤0～10cm內(nèi),見表1(*為總體比例,**為死、活細根在這一層所占的比例).從表1可以看出:0～10cm范圍內(nèi),月平均生物量占地下總生物量的67.2%,在春季(4,5月末)該土層細根生物量比例較高,6月末開始減少,7月末低于60%.相關研究表明:土壤溫度的升高不但可以增加總的細根量,而且使細根趨向于深土層分布.另外,土壤水分對細根的垂直分布也有一定的影響,該月份根系主要表現(xiàn)為向深土層生長,在>10cm土層中活細根生物量比例達到40.7%,8,9月份細根又表現(xiàn)為在0～10cm土層內(nèi)生長.在0～10cm內(nèi)活細根生物量月平均值為2.7480t/hm2,死細根生物量為0.2920t/hm2,10cm以下的活細根生物量為1.3050t/hm2,死細根為0.1789t/hm2,活細根的比例分別為90.4%,87.9%.不同土層活細根生物量的年變化趨勢相似,在4月末活細根生物量是全年中的最低值,各占81.6%,73.8%,隨著時間的推移逐漸增加,7月末出現(xiàn)峰值,隨即8月末又開始減少,這與活細根總生物量的季節(jié)變化規(guī)律相同.3.3細根年死亡量、年生長量及周轉(zhuǎn)率根據(jù)細根分解試驗,對樣品失重分析得到蒙古櫟細根的年分解率為25.35%,將它乘以死細根生物量即得細根年分解量,再運用模型(2)～(4)計算得出細根年死亡量、年生長量及其周轉(zhuǎn)率,見表2.從表2可以看出:細根年生長量為2.228t/hm2,死亡量為0.782t/hm2,分解量為0.119t/hm2,由此說明每年在大量細根生長的同時,也有很多細根死亡.據(jù)報道,細根的周轉(zhuǎn)率在0.29～1.20次/a,多數(shù)在0.50～1.20次/a,本次研究細根周轉(zhuǎn)率為0.54次/a,與此相符.4深度細根總生物量研究結(jié)果表明:蒙古櫟活細根生物量在1a內(nèi)有兩個峰值,與長白山闊葉紅松林相比峰值向后推遲1個月,并且蒙古櫟林死細根生物量變化趨勢也與闊葉紅松林死細根生物量變化趨勢相同,也同樣存在明顯的時滯現(xiàn)象,這應與長白山區(qū)的氣候環(huán)境條件密切相關.蒙古櫟細根生物量月平均值為4.5855t/hm2,不同土層深度細根分布狀況以0～10cm土層細根總生物量最高,占調(diào)查深度細根總生物量的67.2%,應與森林土壤上層一般養(yǎng)分條件和水分條件比較優(yōu)越有關,但0～10cm土層細根總生物量與長白山闊葉紅松林(78.2%)、白樺林(78.4%)、山楊林(72.9%)相比略少,這應與蒙古櫟本身的生物學特性和群落環(huán)境條件的差異密切相關.蒙古櫟林細根的年周轉(zhuǎn)率為0.54次/a,與杉木(1.29次/a)、火力楠(1.