党晓宏，高永，汪季†，罗凤敏，高君亮，刘阳

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，010019，呼和浩特;2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，015200，内蒙古磴口)

砒砂岩沟坡沙棘根系分布特征及其对林下土壤的改良作用

党晓宏1，高永1，汪季1†，罗凤敏1，高君亮2，刘阳1

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，010019，呼和浩特;2.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，015200，内蒙古磴口)

沙棘是砒砂岩地区植被恢复的先锋树种，沙棘根系形态不但影响植物本身的生长，还影响其保土效果及改土效果。采用根系追踪法，研究砒砂岩地区同一坡面不同坡位、不同林龄沙棘根系的分布形态，测定沙棘林下土壤的理化性质，以裸坡地作为对照，分析沙棘林对土壤的改良作用。结果表明:1)砒砂岩沟坡沙棘根系在垂直方向上集中分布在0～40 cm深的土壤中，在水平方向分布可达137 cm。2)沙棘一级侧根的数量与小环境有密切关系，土壤水分条件越好，侧根数量越多，根长越短;沙棘根系的径粗与埋深呈反比，并且与距植株中心距离也呈反比。3)人工沙棘林在砒砂岩沟坡上，其根系分布表现为坡顶根系由于土层薄受到砒砂岩的限制，水平分布较发达，在坡底由于土壤厚度及肥力的充足，沙棘在垂直分布上明显深于坡顶。4)种植沙棘可增加土壤含水量和土壤孔隙度，同时还可以提高土壤中的速效N、P、K及有机质质量含量。

砒砂岩;沙棘;根系;分布形态;土壤改良

地处晋陕蒙三省区交界处的鄂尔多斯地区属黄土丘陵沟壑区第一副区，土地总面积7 692 km2，其中水土流失面积 7 114 km2，占总土地面积的92.5%。该区境内沟壑纵横，植被稀疏，土体抗蚀性极差，被称为“世界水土流失之最”的砒砂岩裸露区，水土流失更加强烈，大面积的丘陵沟壑分布着裸露的砒砂岩［1］。多年来，这一地区通过在沟谷中大力种植沙棘(Hippophae rhamnoidesL.)，有效控制了沟谷的溯源、下切和拓宽侵蚀，沙棘种植区的生态环境得到了初步改善［2－3］。沙棘根系的空间垂直分布规律，直接影响其对土壤中营养和水分的吸收，进而影响到沙棘地上部分的生长，特别是其改良土壤、固持土体等生态功能的发挥，是构建稳定沙棘群落的基础;同时，沙棘根系的空间分布特征除受沙棘本身遗传特性的影响外，还在很大程度上受立地条件的影响:因此，研究沙棘根系结构及其影响因素，对砒砂岩地区植被恢复、生态稳定具有重要意义［4］。基于此，笔者对鄂尔多斯准格尔旗暖水乡典型砒砂岩沟道坡面上生长的沙棘根系形态以及其对林下土壤的改良作用作初步研究，以期为沙棘林改善当地砒砂岩生态环境提供理论基础。

1 研究区概况

研究地点位于内蒙古自治区西南部，鄂尔多斯高原东端，蒙晋陕3省交界处的准格尔旗暖水乡。该区为典型的砒砂岩地貌，属大陆性干旱半干旱气候，年平均气温7.3℃，≥10℃积温3 400℃，太阳总辐射量599 kJ/(cm2·a)，年蒸发量2 100～3 700 mm，年降水量251.1～522.2 mm，且多以暴雨形式出现，主要集中在7—8月份，平均风速12.3 m/s，春季干旱，冬季寒冷，无霜期仅140 d。研究区地貌多为切割很深的砒砂岩沟谷，间有盖沙黄土和黄土出现。砒砂岩层由灰白、灰绿、紫红、砖红、黄褐色等不同颜色的砂粒构成，层状结构，组织松散，厚度在100～300 m之间，粗沙(粒径≥0.05 mm)质量分数约80%;有黄土覆盖层的砒砂岩区黄土厚度多不足50 cm，平均厚度10 cm左右。

2 材料及方法

选择典型的砒砂岩沟道坡面上人工栽种密度为3行1带、行距为2 m、株距1 m、带宽为6 m的1～4年生沙棘为研究对象，按照不同坡位设置了36个样地(表1)，在每个样地内采用“根系追踪法”调查每株标准木的根系。

1)在砒砂岩沟坡的坡顶、坡中、坡底分别选取1～4年生的标准木，将选取的标准木从基部伐倒，然后采用根系追踪法，量取沙棘根系的水平根长以及垂直分布深度，并从地表开始每10 cm为一层，将根系掘出土壤，按层次分别装入密封袋并标记［5］。

2)为了准确地研究沙棘对土壤(坡顶土壤仅为30 cm厚)的改良作用，因此在砒砂岩沟坡的坡顶、坡中、坡底所选取的标准木林下挖30 cm的土壤剖面，每10 cm为1层，采用环刀法取土，分层次装入铝盒，每组3个重复，同时以裸露坡面相应的坡位取的土样作为对照。

3)根系径级的测定。在试验场把采集回来的沙棘根上所附着的泥土冲洗干净后用精度为10 μm电子游标卡尺测量根系的直径。

4)根系生物量的测定。将根系置入75℃的烘箱中烘至恒质量后用精度为1 mg电子天平称量。

5)土壤理化性质的测定。在土壤实验室测定了所取土样的含水率、孔隙度、电导率、pH值等物理性质，有机质、速效N、速效P、速效K等化学性质。

土壤含水率采用烘干法测定，孔隙度采用比重法测定，pH值采用2.5∶1水土比－酸度计法，含盐量采用5∶1水土比－质量法，有机质质量含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定，碱解氮质量含量采用碱解扩散法，速效钾质量含量用乙酸铵浸提火焰光度法测定。

3 结果与分析

3.1 沙棘根系水平分布和垂直分布分析

实验选取了1典型坡度为15°，坡长为275 m的砒砂岩沟坡。据测定，坡顶土壤的厚度只有20 cm，在坡中土壤层厚度为40 cm，而在坡底聚集着多年坡面侵蚀下来的营养土使得土层厚度达到60 cm。调查不同坡位1～4年生沙棘根系分布情况，在每个立地条件下选择3株标准木，共调查36株，在调查根系时，遇到有萌蘖根交叉时，根据最长根径粗来划分萌蘖根是否归属于该根系，其中径粗＞3 mm的根系为一级侧根。实验数据采用加权平均法处理，结果见表1。

表1 沙棘根系分布分析结果Tab．1 Analysis results of root distribution of Hippophae rhamnoides L.

分析表1可知:1)3个不同坡位同一树龄沙棘主根长比较发现，坡顶沙棘根系较其他2个坡位发达，最长主根250 cm;同一坡位不同林龄沙棘主根长随着树龄增加而呈现增长的趋势。2)3个坡位沙棘一级侧根数量比较发现，坡底沙棘一级侧根数量最多达16条，而同一坡位不同树龄沙棘根系一级侧根数量虽是随着树龄的增加而增长，但是这种增加的差异性不显著。3)3个不同坡位条件下，沙棘根系水平分布比较发现，在坡顶由于土壤层厚度的限制，沙棘根系为了满足自身养分需求只能水平延伸，其分布最长为137 cm。坡中由于土壤厚度为40 cm，加之土壤发育较差，沙棘根系水平分布较差。而在坡底土壤厚度达到60 cm，加之经过长期坡面侵蚀，坡底土壤养分、水分条件好，所以沙棘根系水平分布最差;在同一坡位沙棘根系水平分布随着树龄增加呈现增长的趋势。4)从沙棘根系垂直分布来看，根系主要分布在0～40 cm土层中，在土壤层最薄的坡顶，沙棘根系受到砒砂岩的限制，分布较浅呈浅根型分布，相反而土壤层厚的坡底沙棘根系分布的深。

3.2 沙棘根系生物量随树龄变化的分析

由图1可以看出:1、2年生沙棘根系生物量的年增长量较小，沙棘根系从第3年开始增长速度加快。其中沙棘根系最大的年增长量可达到21.26 g，最小的只有7.59 g。相同立地条件下，沙棘根系生物量随着树龄的增长而增加。3个不同立地条件下沙棘根系生物量对比，坡底沙棘的根系生物量最高，其次是坡中，再次是坡顶。产生这种差异的主要原因是:降水冲刷坡面，表层富含大量养分的土壤流失，坡中截留一小部分，大部分则淤积在坡底，导致坡底土壤肥力增高，同时坡底比较容易聚集更多的降水，土壤含水率较高，坡底含水率最高可达到15.18%，林下的草本植物长势较好，也能固持一定数量的降水;所以坡底沙棘长势较好，生物量也较高，由于土壤层厚度、养分、水分及林下植被的差异，导致坡中沙棘的根系生物量次之，坡顶沙棘的根系生物量最低。

图1 不同坡位沙棘根系生物量随树龄的变化Fig．1 Changes of root biomass of Hippophae rhamnoides L.with tree age at different slop positions

3.3 沙棘根系生物量随土层深度变化分析

从图2中可以看出，随着土层深度的增加，沙棘根系的生物量都呈现递减的趋势。根系主要分布在0～30 cm深的土层中，在此深度内根系生物量占全部剖面的70% ～85%。40 cm以下根系较少，仅占沙棘根系总生物量的10%左右。在同一土层深度内的根系生物量相比较发现，随着树龄的增加，根系生物量随之增加，而且沙棘的根系在2～4年生中增长速度最快，年增长量可达到16.64 g。坡顶的土壤厚度不到30 cm，在30 cm之下就是坚硬的砒砂岩，也正是因为砒砂岩构造在垂直深度上的限制，沙棘根系的83%主要分布0～20 cm土层;坡中，根据现地挖掘土壤剖面发现，土壤厚度在40 cm左右，所以沙棘根系分布的垂直深度比坡顶分布的浅，但是水平分布比较广，所以沙棘根系生物量的74%分布在0～30 cm的土壤中;由于坡底的土壤水分、养分都较好，沙棘长势最好。

图2 不同坡位不同树龄沙棘根系生物量随土层深度的变化Fig．2 Changes of root biomass of different tree－age Hippophae rhamnoides L.with soil depth at different slop positions

3.4 沙棘根系径级分布的分析

由表2可以看出，在3种不同立地条件下，沙棘根系径粗随着土层深度的增加而呈现减小的趋势，且其减小量随着树龄的增长而逐渐增加。从以沙棘根茎为中心向四周辐射，沙棘的根径粗呈现出递减的趋势，对于径级＞4 mm的根系，它的根密度值在表层最大，随着土层深度的增加而减小。0～10 cm土层深度内的径级＞4 mm的根系占径级＞4 mm根系总量的73.33%。随着土层深度的增加，沙棘根系的平均径粗逐渐减少，减小幅度最高可达到58.63%。与表1综合分析可知，根系长度随着根系径级的增加呈现减小的趋势。

3.5 沙棘林对林下土壤的改良作用

随着沙棘生长发育过程的延续，土壤剖面物理性质不断得到改善、协调。从图3可以看出，同一坡位随着沙棘树龄的增加，土壤含水率逐渐增加。不同立地条件下，坡底的林下土壤含水率高于坡顶和坡中，其中坡顶、坡中、坡底沙棘林下土壤的平均含水率分别为6.17%、7.64%、8.65%。从土壤垂直深度上看，随着土层深度的加深，含水率随之降低;从栽种沙棘的坡面和裸露的砒砂岩坡面相比较发现，沙棘林下土壤含水率明显高于裸露坡面。这主要是因为随着林龄的增加，沙棘林的枯落物量增加，枯落物覆盖地表具有拦截降雨，减少蒸发的作用。还有，在同一坡面上，坡底本身是聚集降水的地方，加之沙棘林生长茂盛，林下枯落物量最大，所以土壤含水率比坡顶、坡中的高。综上所述，沙棘林在造林后对砒砂岩坡面具有增加土壤含水量和涵养水源的作用。

表2 不同坡位沙棘根系径级分布Tab．2 Root diameter distribution of Hippophae rhamnoides L.at different slop positions

图3 不同坡位土壤含水率变化Fig．3 Changes of soil moisture content at different slope positions

分析图4得出:从土壤垂直深度上看，随着土层的加深土壤孔隙度减小，减小量的最大值可达到1.69%;从沙棘树龄的变化角度看，随着沙棘树龄的增加，土壤孔隙度基本呈增大的趋势，最大增加量可达到5.81%。表层土壤孔隙度是随着根系的增长而增大，结合图1和表1还可以看出，随着沙棘树龄的增加沙棘根系随之增长，根系的生长使得土壤孔隙度随着树龄的增加孔隙度增加的趋势，有利于渗、持水及相互间的协调。综上所述，沙棘林对砒砂岩坡面具有增大林下土壤孔隙度的作用，使得团粒体土壤比例增加，说明沙棘林对土壤的物理性质和砒砂岩成土过程有一定的促进作用。

图4 不同坡位土壤孔隙度变化Fig．4 Changes of soil porosity at different slope positions

营造沙棘后，土壤肥力有所提高，特别是有机质、速效养分质量含量增加幅度更大。通过比较栽种沙棘的砒砂岩沟坡与裸坡的土壤化学性质(表3)可以看出:沙棘林对土壤具有一定的酸化作用，砒砂岩土壤本身碱性较高，一般沙棘适宜生长的土壤pH值在5.5～7.0之间;但是通过沙棘生长状况调查，沙棘在碱性土壤的条件下生长还是比较好的，所以只要不超过适宜沙棘酸碱性的极值，酸碱度不是沙棘生长的限制性因子。从含盐量分析可以看出:沙棘林还有改良盐碱土的作用。从林下土壤中的有机质质量含量可以得出，沙棘林可以增加林下植被种类以及枯落物进而提高土壤有机质质量含量。土壤有机质的聚集是成土过程的基本特征之一，也是衡量其肥力水平的主要标志。尽管目前有机质绝对数值仍较低，但它的出现及以后的不断增加和积累，对于砒砂岩土的改良是非常重要的。从碱解N和速效K方面来看，沙棘林具有增加土壤中的碱解N和速效K质量含量。这主要是沙棘林一方面通过林下植被和枯枝落叶返还土壤来增加土壤肥力，另一方面沙棘根系固着的根瘤菌，具有吸收大气中的氮素进而转化成能被沙棘吸收的氮肥，以此来增加土壤中的含氮量。沙棘根系生长、穿插、死亡及其生物量的变化，使得根系土壤的速效营养元素质量含量差异显著，沙棘林下土壤比裸坡高出9.81%。从表3中还可以看出，沙棘林地土壤中速效养分质量含量与砒砂岩土相比，不仅没有因为沙棘生长吸收而减少，反而逐渐增大，这显然是与沙棘根瘤菌的固氮作用及种类繁多的土壤微生物、酶等对土壤生化反应的促进作用是分不开的［6］。尽管，速效养分目前的质量含量仍不高，但对于造林后仅3年的沙棘(4年生)林及砒砂岩土这种不良立地条件的组合来说，目前所取得的改良土壤效益仍然是十分显著的，而且由于沙棘的再生及自身更新能力很强;因此，它能够不断通过根系和枯落物的作用，使土壤养分逐渐得到积累而提高肥力。

表3 沙棘林对土壤化学性质改良作用Tab．3 Improving effects of Hippophae rhamnoides L.forests on soil chemical properties

4 结论

1)砒砂岩坡面沙棘根系集中分布在0～40 cm之内，不论从沙棘生物量随着土层深度的变化规律，还是从沙棘根系径级在土壤中的分布规律来看，沙棘都是属于浅根性植物，具有一定的固土作用。

2)沙棘根系的水平长幅因小环境的不同而不同。在土壤条件、水分条件差的环境下，它的长度增长而分根数减少。当小环境境内光、水、肥资源充足时，水平根的长度会减少而分根数增加。

3)人工沙棘林在砒砂岩沟坡上，其根系分布表现为坡顶根系由于土层薄受到砒砂岩的限制［3］，水平分布较发达，在坡底由于土壤厚度及肥力的充足，沙棘在垂直分布上明显深于坡顶。

4)在砒砂岩地区，栽种沙棘林有增加土壤含水率和孔隙度的作用，同时可以增加土壤中的速效N、P、K以及有机质质量含量的作用;因此，沙棘林对改良砒砂岩土壤具有明显的作用。

5 参考文献

［1］王愿昌，吴永红，寇权，等.砒砂岩分布范围与类型区划分［J］.中国水土保持科学，2007，5(1):14－18

［2］贺斌，李根前，徐德兵，等.沙棘克隆生长及其生态学意义［J］.西北林学院学报，2006，21(3):54－59

［3］毛齐正，杨喜田，苗蕾.植物根系构型的生态功能及其影响因素［J］.河南科学，2008(26):172－176

［4］金争平.砒砂岩区水土保持与农牧业发展研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2003:1－47

［5］党晓宏，汪季 ，王巧利，等.准格尔旗露天煤矿矿区沙棘生长状况调查研究［J］.内蒙古林业科技，2010，36(3):23－26

［6］王岚，张小民，林美珍，等.论沙棘根系与功能［J］.沙棘，2005，18(4):13－19

Characteristics of root distribution ofHippophae rhamnoidesL．and its improving effect on the forest soil on the ditch slope of soft sandstone area

Dang Xiaohong1，Gao Yong1，Wang Ji1，Luo Fengmin1，Gao Junliang2，Liu Yang1

(1.College of Ecology and Environmental Science，Inner Mongolia Agricultural University，010019，Hohhot;2.Desert Forestry Experimental Center of China Forestry Science Research Institute，015200，Dengkou，Inner Mongolia:China)

Hippophae rhamnoidesL.is one of pioneer tree species in soft sandstone area.The distribution patterns of roots affect not only the growth of the plant itself，but also soil conservation and soil improving.The paper studied the root distribution patterns of different plantation age ofHippophae rhamnoidesL.in three site conditions on slopes using roots tracing method.Through measuring the soil physical and chemical properties inHippophae rhamnoidesL.forests，and compared with that on bare slopes，the improving effect of plantingHippophae rhamnoidesL.on forest soil was analyzed.The results of the study show that:roots ofHippophae rhamnoidesL.mainly distributed in the depth from 0 to 40 cm in soil on ditch slope in the soft sandstone area，in horizontal direction the roots could reach 137 cm.There was a close relationship between the numbers of first lateral root ofHippophae rhamnoidesL.and microenvironment.If condition of soil moisture was better，the tiller ability ofHippophae rhamnoidesL.root systems was stronger，and root was shorter.Root diameter ofHippophae rhamnoidesL.decreased with soil depth and distance to standard strains.For the man－plantedHippophae rhamnoidesL.forest on the soft sandstone slope，because of limit of soft sandstone the horizontal distribution of root on slope top is more developed.Since the soil thickness and fertility at slop bottom were good enough，the vertical distribution of root was apparently deeper than that at slope top.PlantingHippophae rhamnoidesL.could increase soil moisture content and the soil porosity，and increase the mass fractions of available N，P，K and organic matter in soil.

soft sandstone area;Hippophae rhamnoidesL.;roots;distribution pattern;soil improving

2011－11－18

2012－04－26

国家科技支撑项目“半干旱区受损生态系统恢复重建及资源持续利用技术研发与示范”(2011BAC07B02－3);内蒙古农业大学创新团队“防沙治沙科研创新团队”(NDTD2010－11);中国/全球环境基金项目“干旱生态系统防治土地退化伙伴关系”

党晓宏(1986—)，男，硕士研究生。主要研究方向:荒漠化防治。E－mail:dangxiaohong222333@126.com

简介:汪季(1957—)，男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。E－mail:wangji1957@163.com

(责任编辑:程 云)