三峡库区5种耐水淹植物根系增强土壤抗侵蚀效能研究

考察了三峡库区嘉陵江岸5种耐水淹植物的根系在土壤表层(0-30 cm)的分布特征,从抗冲性和抗蚀性两个方面明确了它们对土壤抗侵蚀的增强效能,并对其根长密度(RLD,root length density)进行了分析。研究发现:(1)狗牙根、空心莲子草、牛鞭草和野古草的根系生物量主要分布在土壤上表层(0-10 cm),荻根系生物量在土壤表层分布比较均匀;(2)狗牙根、牛鞭草和野古草的RLD及D(直径)≤1 mm RLD在土壤上表层分布较多,荻和空心莲子草的RLD及D≤1 mm RLD在上、中表层(10-20 cm)之间无显著差异;(3)5种耐水淹植物的根系对土壤抗冲性和抗蚀性都有显著的增强效应;(4)土壤抗冲性增强值,抗蚀性增强系数与5种耐水淹植物的RLD及D≤1 mm RLD关系密切,符合线性回归。结果表明,5种耐水淹植物均能在三峡库区消落区植被构建中发挥较强的抗侵蚀效应,其中荻的增强效应最明显;RLD,特别是D≤1 mm RLD能很好地表征植物根系对土壤抗侵蚀能力的增强效能。     

不同护坡草本植物的根系分布特征及其对土壤抗剪强度的影响

为明确用于三峡库区植被构建的边坡植物物种根系特征与土壤抗剪强度之间的关系,该文以裸地为对照,应用WinRHIZO(Pro.2004c)根系分析系统对香根草(Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、狗牙根(Cynodon dactylon(L) Pers.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)4种护坡草本的根系特征进行定量分析.研究发现:香根草的根长密度和根表面积密度显著大于其他草本;各草本类型的根长密度、根表面积密度及根重密度均随着土壤深度的增加递减,但随深度的增加,不同草本类型的差异逐步缩小;不同草本类型土壤内摩擦角φ和粘聚力c大小均为:香根草>百喜草>紫花苜蓿>狗牙根>裸地,且随土层深度的增加而降低;随着根长密度、根表面积密度的增大,土壤内摩擦角φ呈显著的对数增长,土壤粘聚力c呈显著的线性增长,且与直径D≤5 mm不同径级的根系特征之间存在明显的相关性.结果表明:相对于裸地而言,4种草本均能显著增强土壤内摩擦角φ和粘聚力c,且根系对土壤内摩擦角φ的提高程度大于土壤粘聚力c;根长密度和根表面积密度,尤其是直径D≤5 mm径级的根长密度和根表面积密度能很好的表征土壤的抗剪强度,可作为评估土壤抗剪强度的重要参数.     

黄土丘陵区4种典型植物根系分布特征及对土壤分离速率的影响

以黄土丘陵区4种典型植物种群(狼牙刺、白羊草、铁杆蒿、达乌里胡枝子)为研究对象,采用野外采样、室内模拟试验与分析相结合的方法,对0—30cm土层的各径级根系密度参数(根长密度、根体积密度、根表面积密度)与土壤理化性质、土壤分离速率间的关系进行了研究。结果表明:(1)4种植物的根系径级主要集中在0D≤1.0mm之间,86%~93%的根长和46%~61%的根表面积分布在此范围内,且根系径级越大,根系各密度参数越小;(2)4种植物各径级根密度参数对土壤理化性质(容重、有机质、团聚体)的影响各不相同;狼牙刺根系直径为0D≤1.0mm的根密度参数与土壤容重、有机质含量呈极显著相关;铁杆蒿在0D≤1.0mm径级的根密度参数与土壤容重呈极显著负相关,与土壤有机质含量呈极显著正相关,所有径级的根密度参数与土壤团聚体均呈显著正相关;白羊草在0D≤5.0mm径级区间内的根可有效改善土壤的容重,在0D≤2.0mm径级根密度参数与土壤有机质、团聚体呈显著正相关;达乌里胡枝子在3.0D≤5.0mm径级的根对土壤容重影响显著,直径D1.0mm的根对土壤团聚体有显著的影响;(3)土壤分离速率与根系各密度参数呈负相关。除达乌里胡枝子外,其他3种植物在0.0D≤1.0mm径级上根密度参数与土壤分离速率均呈极显著负相关。     

不同草本的根系分布特征及对土壤水分状况的影响

为明确草本植物根系对土壤水分性质的影响,以香根草[Vetiveria zizanioides(Lin.) Nash]、百喜草(Pas palum natatum)、狗牙根[Cynodon dactylon(L.) Pers.]和紫花苜蓿(Medicago sativaL.)为研究对象,用WinRHIZO(Pro.2004C)根系分析系统对根系进行扫描,用SPSS 18.0对根系、土壤物理性质指标、土壤持水量进行相关分析.结果表明,4种草本植物的根长密度随土壤深度的增加而减小,分布规律可用指数函数来描述;香根草和紫花苜蓿的根系主要分布在0-20 cm土层,百喜草和狗牙根的根系则集中在0-10 cm土层;随土壤深度的增加,土壤的总孔隙度、非毛管孔隙、贮水能力和饱和持水量逐渐减小,土壤容重则逐渐增大;根系主要是通过0.5 mm＜L(根系直径)≤1mm和1 mm＜L≤2rm径级来实现对土壤水分性能的改良.     

滇南地区普洱茶树根系对土壤优先路径形成的影响

为明确滇南地区普洱茶种植下土壤优先路径特征以及根系对其形成的影响,以典型普洱茶产地为研究对象,灌草地为对照,基于染色示踪法与图像处理技术,定量分析普洱茶树根系特征与土壤优先路径的关系,解释根系对优先路径形成的影响。结果表明:(1)茶地和灌草地染色路径宽度随土层深度增加呈不同幅度的下降趋势,茶地优先路径的连通性比灌草地差,优先路径的发育程度小于灌草地;(2)根系主要集中分布在土壤表层,随土层深度增加,根重密度、不同径级根长密度均呈减小趋势,径级≤1 mm的根长密度贡献度最大,达到84.08%;(3)染色路径宽度与根重密度、径级≤1,1～3 mm的根长密度呈显著相关(P0.05),其中灌草地染色路径宽度与径级≤1 mm的根长密度呈极显著相关性(P0.01),相关系数为0.986;(4)染色路径宽度与径级≤1 mm的根长密度拟合效果较好,R~2高达0.970 6,径级≤1 mm的细根系对优先路径形成的影响程度更大。根系是影响土壤优先路径的重要因素之一,开展滇南地区普洱茶树根系对土壤优先路径影响的研究,可为当地水土流失治理以及水资源管理提供一定的科学依据。     

黄土丘陵区主要植物根系对土壤有机质和团聚体的影响

植物根系是植物与土壤进行物质交换的通道,在土壤侵蚀严重、生态脆弱的黄土丘陵区,深入认识根系对土壤物理化学性质的影响具有重要意义。选取了白羊草(Bothriochloa ischaemum)、苔草(Carex lanceolata)、茭蒿(Artemisia leucophylla)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、狼牙刺(Sophora viciifolia)、柠条(Caragana intermedia)6种植物作为研究对象,取0—10,10—20,20—30,30—40,40—50,50—60 cm土层根系和土样,分析不同土层各物种根长密度、根表面积密度、平均根直径、土壤有机质(SOM)、土壤容重以及各级水稳性团聚体重量百分含量。结果表明:所研究植物根系以细根为主。在0—20 cm土层中,白羊草、苔草根长密度显著大于其余植物(P0.05),表现为苔草白羊草铁杆蒿茭蒿狼牙刺柠条,平均根直径则相反。根系能不同程度地增加SOM含量,SOM含量与根系平均直径和根系表面积密度呈极显著的正相关关系(P0.01)。在土壤剖面上,水稳性团聚体重量百分含量明显减少的是白羊草、苔草和铁杆蒿样地,水稳性团聚体重量百分含量随土层深度变化不明显的是茭蒿、狼牙刺和柠条样地。根表面积、根长密度能够显著增加0.5～2 mm水稳性团聚体重量百分含量(P0.05),说明根系能够使小粒径团粒凝聚成更大粒径的土壤团粒。根系能够提高土壤有机质含量,增加中等粒径团聚体含量,改善土壤结构,提高土壤稳定性,对增加土壤抗蚀性起到重要作用。     

晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征

采用原状土冲刷水槽法,以油松林、刺槐林、山杏林、荆条地及荒草地土壤为研究对象,研究了晋西黄土残塬沟壑区蔡家川流域不同植被类型土壤抗冲性能及植物根系对土壤抗冲性的影响。结果表明:(1)在原状土冲刷试验过程中,各植被类型径流量随冲刷时间的变化趋势不明显,含沙量随时间延长先减少后趋于平稳,土壤抗冲指数呈逐渐增加的趋势。(2)各植被类型总根长密度、根表面积密度、根体积密度及根生物量密度均表现为刺槐、油松林地较大,山杏、荆条、荒草地较小且相差不大,总根系参数之间均存在正相关关系。各植被类型不同根径范围(0～0.5,0.5～1.0,1.0～2.0,2.0～5.0,5.0 mm)的根系指标中,0～0.5 mm径级的根长密度均最大,根体积密度总体表现为细根比粗根小。(3)不同植被类型植物根系均能增强土壤的抗冲性,增强效应表现为刺槐林地和油松林地较强,山杏、荆条、荒草地较弱。植物根系指标中1 mm径级的根长密度、根表面积密度、根体积密度与土壤抗冲性增强值呈显著或极显著正相关关系。其他径级根系参数与土壤抗冲性增强值相关性不显著。     

不同演替阶段群落根系分布与土壤团聚体特征的协同变化

采用空间代替时间的方法,选取黄土高原丘陵区退耕地演替前期(茵陈蒿)、中期(铁杆蒿)和后期(白羊草)典型群落,研究了不同植物群落在不同演替阶段的根系特征、分布格局及其与土壤团聚体之间的关系。结果表明:群落根系主要为2mm的细根,且多向土壤表层集中,根长密度、表面积,根系生物量以及比根长表现出随着直径的增大而减小规律。同时随着演替的进行,土壤团聚体稳定性有所增强,根长密度和根表面积也表现出增长趋势。对比群落根系分布与土壤团聚体的相关关系可知,表层0.5~2mm的细根根长、表面积与根系生物量和土壤团聚体稳定性极显著相关,说明了植物细根在群落演替以及土壤结构变化中具有重要作用。     

演替梯度下土壤优先流特征及影响因素

为揭示植被恢复过程中土壤优先流特征及变化规律,以胡家山小流域内植被恢复过程中5个典型阶段(荒地、草地、灌木、针叶林、乔-灌混合林)为研究对象,采用空间代替时间的方法,通过室内分析和染色示踪试验,分析了演替梯度下土壤优先流特征参数的变化规律,探讨了土壤基本理化性质和根长密度对土壤优先流和土壤水分运移的影响。结果表明:(1)随演替的进行,土壤中优先流数量和运移路径均呈增大趋势;5种演替梯度下针叶林土壤染色面积比最大,其次是乔-灌混合林、灌木、草地,荒地的土壤染色面积比最小;(2)土壤容重、毛管孔隙度、土壤有机质含量与土壤染色面积比之间的相关性较强,砂粒含量、黏粒含量对土壤中优先流染色面积影响不显著;(3)不同径级根系对土壤优先流路径影响不同,5种演替梯度下,D≤0.5 mm的根长密度与土壤染色面积比之间相关性最显著,其次是0.55 mm的根长密度与土壤染色面积比之间相关性最不显著。说明土壤容重、毛管孔隙度、土壤有机质含量、D≤2 mm的根系主要影响土壤优先流的产生与发展。     

宁夏南部黄土丘陵区典型草本根系分布特征

为揭示宁夏南部黄土丘陵区几种典型草本根系分布特征,采用根钻法和Win RHIZO根系分析系统对草本(百里香、星毛委陵菜、猪毛蒿、长芒草)整根特点、0—30 cm土层分布特征以及表层根—土结合体状况进行了定量分析。结果表明:(1)各草本根系除长芒草外,大部分具有发达的侧根,细根绝大部分位于土壤浅层。(2) 4种草本0—30 cm土层根长密度为2.38～23.56 mm/cm~3,各径级根以≤0.5 mm根最大,占总根长密度的73.4%～86.4%。根表面积密度为2.65～28.83 mm~2/cm~3,百里香以≤0.5 mm根,猪毛蒿以2～3.5 mm根最大,其余草本各级根分布相对均匀。根体积密度为0.61～49.36 mm~3/cm~3,各径级根百里香以2～3.5 mm根,猪毛蒿以0.5～1 mm根最大,其他草本数值很小。随根径增加各草本的根长密度降低,根体积密度先增后降。(3)草本根长密度主要集中在0—20 cm土层(88.3%～100%),根表面积密度百里香、星毛委陵菜集中在0—10 cm(81.3%～99.3%),长芒草、猪毛蒿集中在0—20 cm(90.9%～100%),两个参数值均随土层深度的增加而减小。(4)根土结合体定量分析认为,百里香、星毛委陵菜、长芒草3种草本固结表层土壤效果较好。     

玉米根系在土壤剖面中的分布研究

玉米根系在土壤剖面中的分布是准确量化植被与气候相互作用不可缺少的参数,也是玉米生产科学管理和节水农业发展的重要科学依据.在中国气象科学研究院固城生态环境与农业气象实验站内的大型根系观测系统中,采用地下室玻璃窗观测法和方形整段标本法,观测了"屯玉46号"玉米的根深、根宽、根长和根重,分析了玉米根长、根长密度、根重密度和根系粗度等在土壤剖面中的分布状况.结果表明,玉米根长、根干重均随土壤深度的增加基本呈递减类型.吐丝期0～40 cm土层根长占整层根长51.5%,0～80 cm土层占76.2%,0～120 cm土层占90.5%.乳熟后期其分布趋势与吐丝期相似.玉米根系粗度随着土壤深度增加,在上层呈减少分布型,在下层呈增加分布型.乳熟后期,玉米最大根深可达230 cm,根长总量达8.288 km·m-2,显示出该玉米品种有较发达的根系.通过玻璃窗观测的根深大于远离玻璃窗处的根深.     

不同生长期大豆坡耕地土壤抗侵蚀能力特征

土壤抗侵蚀能力特征是土壤侵蚀预测预报的重要依据之一,为了分析黄土区不同生长期大豆坡耕地土壤抗侵蚀能力特征,采用原状土冲刷槽和静水崩解法,分别在大豆不同生长期测定坡耕地不同土层土壤抗冲性和抗蚀性,并对大豆根系特征与土壤抗侵蚀能力的关系进行分析。结果表明:随着大豆生育期的推进呈现出先增强后减弱的趋势,始粒期土壤抗侵蚀能力最强,苗期最弱;在大豆苗期与分枝期,土壤抗侵蚀能力随土层深度的增加而减弱;大豆开花期以后10~20 cm土层土壤抗侵蚀能力最强,其次为0~5 cm土层;土壤根重密度、根系表面积、根系体积及根系长度对土壤抗侵蚀能力影响均达到极显著水平(p0.01),且根径在0~0.5 mm之间根系的增多会更加有效地提高土壤的抗侵蚀能力。这表明在大豆生长初期加强对坡面的有效防护,避免地表长期裸露,培育根系发达的大豆品种将有助于对坡耕地土壤侵蚀的防控。     

Preliminary observations on effects of tillage systems on soil physical properties, cotton root growth and yield in Gezira Scheme, Sudan

The decline in cotton yields in the Gezira Scheme, Sudan, has been partially attributed to deterioration in soil physical properties and the formation of a plough pan 20 cm deep as a result of the repeated use of the disc plough for land preparation. This field study was conducted during the 1990/91 season at the Gezira Research Station Farm to evaluate the effect of tillage on some soil physical properties of Vertisols, root growth and yield of cotton (Gossypium barbadense L.). Three tillage systems were used: disc harrowing (DH), three bottom disc plough (DP) and subsoiling (SS). Infiltration rates, bulk densities, soil penetration resistance, moisture depletion and root and shoot growth were measured. The results indicated that infiltration rate was not increased significantly by SS. Plant height and shoot dry matter were significantly higher with SS at later growth stages. Bulk density of the plough pan at 135 days after sowing accounted for 90% of the observed variation in subsoil root dry weight while soil penetration resistance accounted for 59% of the variation. Subsoiling increased water use efficiency 25 and 13% over DH and DP respectively. Subsoiling increased cotton yields over DH but the increase over DP was not significant.     

种植密度和施氮水平对花生根系生长及产量的影响

通过大田试验研究不同种植密度和施氮水平对花生根和产量的影响。结果表明:氮肥施用量对根形态有明显影响,根长、根体积和根表面积都与氮水平正相关,同时施氮也促进了根干物质的积累;种植密度增加有利于根在水平方向的生长,但抑制了根干物质的积累。种植密度和施氮水平对花生产量有显著影响,二者交互作用下,种植密度为13.5万穴hm-2、施氮量为105 kg hm-2处理的花生群体产量最高。     

基于遗传算法的人工神经网络模型在冬小麦根系吸水模型中的应用

基于土壤水分与冠部数据,应用遗传算法优化人工神经网络模型的权值,将获得的冬小麦根长密度分布应用于根系吸水模型中,并进行了水分数值模拟,水分模拟效果整体较好,表明应用该方法可以为根系吸水模型提供准确的根系参数,并且较为方便,这对于根系吸水模型的建立及应用有着重要的意义。     

Yearly variation of root distribution with depth in relation to nutrient uptake and corn yield

Abstract

Root length and root distribution in the soil profile is important in determining the amount of nutrients and water taken up by the plant. Data about year to year variation of corn (Zea mays L.) root growth and its relation to nutrient uptake are limited. An evaluation of the importance of root system size and distribution on P and K uptake and corn yield was made from samples taken annually from a long‐term fertility experiment on Raub silt loam, fine silty, mixed, mesic Aquic Argiudolls. Root density varied with soil depth among years, whereas P and K fertilizer treatment had no measureable influence on total root length. Ear leaf P concentration was highly correlated with the amount of roots in the 0 to 15 cm layer which contained most of the available P. Since P was not appreciably limiting corn yield, no significant relation was found between yield and P content of the ear leaf. Yields on K deficient plots were positively correlated with root density in the topsoil. Correlations of root densities in the deeper soil layers with both yield and ear leaf nutrient concentration became increasingly smaller with depth in the soil profile. The results indicate that root length plus root distribution in the soil may influence year to year variation in yield particularily on soils having low available nutrient levels. This variation in root growth may be responsible for differences among years in the response of crops to applied P and/or K.     

Soil structure and the saturated hydraulic conductivity of subsoils

The saturated hydraulic conductivity, K_sat, was measured on soil samples collected from the plough layer and the subsoil. A range of naturally occurring soil bulk densities was obtained by sampling in different years, with different crops and within and without wheel-tracks, etc. It was found that, for the plough layer, quite good linear relationships exist between the logarithm of K_sat and the bulk density. However, for the subsoils, the value of K_sat usually lies above the regression line for found for the corresponding plough layer. This “excess” hydraulic conductivity of subsoils is attributed to the presence of biopores, especially root channels. The lower hydraulic conductivity of the plough layer, relative to the subsoil, is attributed to the destruction of these biopores by tillage. A simple model for the separate contributions of soil texture and root channels to the overall value of K_sat is presented. It is concluded that subsoil tillage could cause significant reductions in K_sat with potentially serious environmental consequences unless it is repeated periodically.     

不同灌溉策略下冬小麦根系的分布与水分养分的空间有效性

通过田间试验研究了少量多次和少次多量的灌溉方式下冬小麦根系的分布与水分养分的空间有效性。结果表明 :少量多次的灌溉方式降低了冬小麦返青后表层根系的生长 ,减少了拔节后该层根系的衰退。在少次多量的灌溉方式下返青期不灌水促进了表层根系的生长 ,然而拔节后该层根系衰退较多 ,但中层 ( 3 0～ 60cm)根系生长高于少量多次的灌溉方式。不同灌溉策略下根系分布的差异并不影响冬小麦对土壤水分和养分的吸收 ,由于播前土体内蓄水不足 ,三种灌溉方式下 0～ 90cm土壤可用水在收获后均消耗殆尽。灌溉促进了表层硝态氮的吸收和向下迁移 ,但两种灌溉方式下硝态氮在土体内的迁移均未超出 60cm土体 ,仍在根层之内。而不同的灌溉方式对冬小麦全生育期内土体速效磷钾的分布没有影响。扬花前两种灌溉方式下冬小麦的生长发育和养分的吸收并无差异 ,扬花后少次多量的灌溉方式由于水分供应不足 ,影响了灌浆 ,降低了千粒重 ,进而影响了产量 ,同时土壤水分缺乏也减少了该时期养分的吸收。而在少量多次的灌溉方式下 ,扬花后灌水不仅可以促进冬小麦灌浆 ,提高千粒重 ,而且增加了对养分的吸收。     

基于微根管技术的盐胁迫下小麦根系生长原位监测方法

常用的作物根系生长监测一般采用破坏性采样方法,如土钻法和挖掘法等,虽然精度较高,但很难实现对作物根系生长的原位重复观测。采用桶栽法,利用微根管技术对分蘖期、返青期、拔节期和孕穗期的小麦根系进行了连续观测和采样,获取不同盐胁迫下小麦根长密度和根长等参数,研究不同生长时期小麦根系生长参数随土壤深度分布的规律。结果显示,微根管法获得的小麦根长密度与土钻法所得到的结果呈极显著正相关(r=0.91),且在拔节期和孕穗期二者的相关性最好。通过不同时期根系图像对比及根系参数分析发现,小麦根系在0～10 cm土层分布最多,并随深度增加而减少。此外,随着土壤盐含量的增加,各生长期根长变短;在分蘖期,土壤盐分含量最高(S5,盐分含量6.61 g·kg–1)的小麦根系长度不足对照处理的1/2,至孕穗期,其根系长度甚至低至对照处理的1/3,说明小麦根系受盐分胁迫影响较大,且以孕穗期受胁迫程度最严重,尤其当土壤盐含量超过3 g·kg–1时影响最明显。由此可见,与传统破坏性取样方法相比,微根管技术结合图像处理技术可更好地快速、无损获取小麦根系生长的相关参数,为盐渍化区域作物根系的原位观测研究提供了新的方法。     

玉米生长后期的根系分布研究

为了研究玉米生长后期根系的生长发育规律,利用中国气象局固城农业气象试验站大型根剖面系统,采用微根管观测系统及方形整段标本法和地下根系室玻璃窗,对‘屯玉46号’玉米根系的生长状况进行了试验研究。结果表明:垂直方向上,方形整段标本法和微根管法测得的根长密度占整层总根长密度比例的变化趋势一致,相关系数分别为0.987和0.717,且两种方法在0~20 cm土层的根长密度比例均为最大。0~60 cm土层为玉米根系生长活跃区,方形整段标本法测得根长密度生长量为其余层的4倍。两种方法测得的根长密度无显著差异,相关系数为0.830,均匀性水平较好。玉米成熟期根系的水平幅度较乳熟期窄,下层根系仍处于生长中,垂直深度增加。玻璃窗与方形整段标本法观测的根深测定结果存在差异,这可能与观测环境条件不一致有关。