干旱区资源环境文章

第23卷　第11期2009年11月干　旱　区　资　源　与　环　境

JournalofAridLandResourcesandEnvironmentVol.23　No.11

Nov.2009

文章编号:1003-7578(2009)11-186-05

极端干旱区胡杨根系分布对土壤水分的响应

李建林

1,2

3

,冯　起,司建华,常宗强,(1.河南理工大学资源环境学院,焦作　2223

2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,-,3.,　)

　　提　要:依据2006和2007,利用分形和统计的方法对胡杨。根系土

,当平均土壤含水率小于0.11cm3/cm3时,根系分布的分形维数随土;0.11cm3/cm3时,根系分布的分形维数随土壤含水率的增加而减小。0.06-0.3cm3/cm3之间,是适宜胡杨根系生长的范围。

关键词:极端干旱区;胡杨;根系分布;土壤含水率;根系分维

中图分类号:S152.7　　　　　文献标识码:A

在干旱条件下,水分是最重要的环境因子,特别在极度干旱区,水分因子是影响植物生存、生长发育和

[1]

环境对植被支持力的关键因素。根系是植物吸收水分的主要器官,其形态和分布直接反映植被对立地的利用状况,对植被生长具有决定作用。定量植物根系分布特征是构建根系吸水及运移模型、计算根系吸水量不可缺少的手段和环节,对于进一步研究根系吸水时空分布规律及以此为基础确立根区水分最优调

[2-4]

控措施具有十分重要的指导意义。

胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)是极端干旱地区天然分布的乔木树种,是荒漠河岸林的建群种,具有很高的生态、经济和社会效益。但是由于人口剧增、毁林、农垦、开荒、流域上游截水等原因,致使胡杨林面积

[5]

极度萎缩。许多学者就相关问题进行了研究,各地也有针对性地采取了诸如封育,补充灌水等恢复措施,但收效不大。额济纳河流域的胡杨林,是我国典型荒漠地区天然胡杨林的主要分布区之一,仅次于新疆,居全国第二位。以其为研究对象,旨在揭示胡杨根系与土壤水分之间的关系,为胡杨林的恢复与保护提供科学依据。

在自然界中,很多现象诸如流域地形地貌演变,地质灾害的形态特征,土壤土质、粒径分布等都具有非

[6,7]

线性的开放的特征,分形理论为研究这些复杂现象提供了新的思路和方法。植物根系是一个典型的分形结构。分形理论及方法为植物形态的定量模拟提供了有力的手段。所以,文中在额济纳试验的基础之上,利用分形理论研究胡杨根系分布对土壤水分的响应,分析胡杨林根系分布与土壤含水量之间的非线性关系,以期对胡杨根系吸水及胡杨SPAC系统进一步的研究提供有力的试验依据和理论支持。

1试验区概况

试验区位于黑河下游内蒙古额济纳地区,该地区深居内陆,气候极度干旱,是中国最干旱的地区之一。据额济纳旗气象站1957-2002年资料,多年平均降水量42mm,多年平均蒸发量为3755mm。试验地位于额济纳旗达镇东南二道桥胡杨林自然保护区内,地理坐标为41°58′N,101°06′E。保护区内胡杨平均高约

2

10m,平均胸径约13cm,基本属中幼林,分布密度为0.35棵/m。林下有柽柳(Tamarixramosissima)、苦豆

3收稿日期:2008-9-24

基金项目:国家自然科学基金杰出青年基金项目(40725001);国家自然基金项目(40671010);河南理工大学博士基金项目(2009-28)共同资助。

主要研究方向：干旱区生态水文与水资源。作者简介:李建林(1973-),博士副教授。　mail:[email protected]

第11期李建林等　极端干旱区胡杨根系分布对土壤水分的响应・187・

子(Sophoraalopecuroides)分布。土壤为胡杨林土,1.5m土壤质地为粘壤土至砂土。地下水位在3.5-1.

5m之间变化。

2材料与方法

2.1试验对象的选取

由于根系的分布与树本身的特征(如:树的分布密度、树龄等)、土壤的物理性质、土壤水含量和地下水等诸多因素有密切的关系。试验旨在探讨根系分布与土壤含水量之间的关系,所以在样本的选择上,尽可能让其他影响因素保持一致。首先,200棵,测其胸径,得到胡杨的平均胸径为13cm,均方差为3.2cm。然后,20棵胡杨作为试验的样本(以下简称样树):样树周围(以样树为圆心,6m),10-16cm之间,土壤基本为沙壤土。同时,,2050m和500m的垂直距离上随机、独立地各选取10棵2.2研究内容和方法

试验于2006棵样树,每棵样树先挖一以树干为圆心,径向半径为2m,.。然后顺着大根方向继续挖一立方:径向距离至6m,垂直深度1.,1.5m。将根按直径分为1-2cm、2-5cm、5-8cm、>8cm四种情形。观测不同直径下根的频数和走向。采用土样烘箱烘干法测定根系土壤含水率。由于胡杨根系垂向主要分布在20-100cm之间,所以测定深度确定为120cm,测点垂向间距为20cm;水平方向沿大根方向各布置五个测点,分别距树干100cm、200cm、300cm、400cm和500cm。

3数据分析

3.1根系分布的基本特征

胡杨具有庞大的根系,但粗大根(直径在5cm以上)很少(表1),仅占总的根数目的6.01%。侧根发达,在垂向20-120cm深的土层内向四周延伸,但粗大根系主要沿河道方向(东-西)延伸。

表1样树不同直径根的分布频数

Tab.1RootdistributionfrequenciesofPopuluseuphraticaOliv.

样树号

1-2cm2-5cm5-8cm>8cm

1741653

263722

320411

439421

533211

6301231

786821

827611

919321

1076721

1152211

1262211

1329211

1421211

1537421

1668522

1750953

1834742

1982931

2086621

3.2根系分形维数的确定

变

[8]

植物根系是一个典型的分形结构。具有分形特征的系统,其外部表现形式复杂,但其分形维数保持不

。利用分形的定义计算每棵样树根系的分形维数D(表2)。

表2样树根系的分形维数D

Tab.2Root’fractaldimensionofPopuluseuphraticaOliv.

样树号

D

11.6004111.7775

21.6519121.8469

31.5164131.5542

41.5974141.437

51.6025151.6821

61.7721161.6376

72.0861171.3864

81.6865181.4058

91.4195192.0462

102.0205202.0506

样树号

D

3.3根部土壤含水量的分析

20棵样树根部土壤水分的情况各不相同,有些差异很大(图1)。求其平均值之后,可得试验地土壤含水率的总的特点:0-20cm的土层基本为干沙层,使表层土壤含水率最低,一般为1%左右;土壤剖面的30-120cm土层内,随着土壤深度的增加,土壤含水率逐渐增大,但变化平缓,含水率只是由1%左右上升到13%左右。

探讨胡杨根系与土壤含水量的关系,需比较每棵样树的土壤含水率。所以计算每棵样树的平均土壤含水率E(表3)。

・188・干　旱　区　资　源　与　环　境第23卷

3.4根系分维与平均土壤含水率的关系

以上计算,得到了每棵样树的根系分维值(D)和对应的平均土壤含水率(E),由此可得根系分维与平均土壤含水率的关系(图2)。

54322

(1

)D=5769.6E-7411.5E+3603.5E-809.22E+78.405E-0.6247,R=0.80

图1样树根部土壤水分分布

Fig.1Soilmoisturecontentofsampletrees

表3样树平均土壤含水率E(cm3/cm3)

33

Tab.3Meansoilmoisturecontentofsampletrees(cm/cm)

样树号

E

10.1697110.153

20.0505120.0541

30.1644130.1514

40.1946140.1964

50.0527150.0427

60.1635160.06

70.0889170.2001

80.1693180.2103

90.2131190.1402

100.1209200.1304

样树号

E

4结果与讨论

(1)讨论胡杨根系分布对土壤水分的响应,

必须是对一个区域内整片胡杨而言。因为胡杨根系土壤水分的情况几乎时时在变,而根系分布的变化则相对缓慢,且具有滞后的特点,所以讨论一棵胡杨根系分布与土壤水分的关系是没有意义的。因此试验样本的选取是否具有代表性直接决定着试验的成功与否。由于胡杨主要靠

[5]图2根系分维与土壤水分的关系

根蘖繁殖更新,在天然胡杨林地,幼龄胡杨的

Fig.2Therelationbetweenrootfractaldimension

根系分布与母树根系的分布有密切的关系;而老

andmoisturecontentinrootzone

龄胡杨的根系分布基本趋于稳定,所以在试验中

选取中龄胡杨为研究对象。首先独立随机的选取200棵中龄胡杨作为大样本以确定整个胡杨林胸径的均值与方差;再在均值与方差所确定的概率最高的范围内独立随机的选定了20棵胡杨作为样本。应该说样本具有代表性。而且,这20棵胡杨除了根系土壤水分情况有明显差异外,其他影响根系分布的因素基本保持不变,这样得到的结果则更具科学性。每年的6、7月份既是胡杨生长的旺期,也是黑河上游分水的间歇期,土壤水分状况相对稳定,将试验选在这个时段是比较合理的。同时,这也限定了研究是针对处在生长旺期的中龄胡杨所得的结果。

(2)胡杨根系分布的表现形式复杂,各不相同,但每棵胡杨根系分维值不变,由此建立了根系分维与土壤平均含水量的关系。结果表明:根系土壤水分的变化对胡杨根系分布有直接影响;根系分布的分维与

33

土壤含水率期望之间并不是简单的线性关系。在土壤平均含水率期望小于0.11cm/cm时,根系分布的

33

分维随土壤含水率均值的增加而增大;土壤含水率期望大于0.11cm/cm时,根系分布的分维随土壤含水率均值的增加而减小。一般认为根系越发达分形维数越高;相对小的分形维数,反映出根系的分生能力相对较弱。这说明在土壤水分含量低的前提下,胡杨根系的分生能力随含水量的增加而提高;当土壤水分含量高的前提下,胡杨根系的分生能力反而随含水量的增加而降低。这一点恰好反映出胡杨作为极端干

第11期李建林等　极端干旱区胡杨根系分布对土壤水分的响应・189・

旱区乔木的特点:土壤水分在一定范围内,适宜胡杨生长,超出这一范围(无论土壤含水率大或小),胡杨

[12]

的生长都将受到威胁。利用概率统计的方法,对含水率期望值E与根系分维值D之间的函数关系式(1)进行分析计算可得:

(2)P(0.06

33

式中:P为概率。可以认为平均土壤含水率在0.06-0.3cm/cm的范围,是胡杨适宜生长的范围。(3)在分形理论中,测度的选择是一个相当重要的问题,须力求反映出无标度区的规律性[8]。在试验中,将胡杨根系按不同直径划分为1-2cm、2-5cm、5-8cm、>8cm四种情形。测度选择的不同,会导致结果的不同。未进行其他划分及相应的分析。另外,基础数据的取样和统计过程的不同,以及选择研究的地域不同,对研究结果差异的影响具体有多大,由于资料的限制,未能继续深入研究的问题。

(4)、。国内外学者已做了相当多的研究,-]

较晚。20世纪90年代以后,。G.Katul,P.Todd等,S.Green和B.Clothier,J.A.V,、苹果树、杏树、李子树根系分布及吸水问题进

[14-18]

。在国内,一些学者研究了苹果树、石榴树根系分布,建;系吸水模型,又有一批学者对干旱荒漠地区乔木-胡杨及其根系等方面进行了探讨和研[19-23]究,但与树木和干旱区其他植物根系的研究相比,还不够深入。利用分形和概率统计的方法对胡杨根系的分布特征进行了深入的分析,建立了根系分维与土壤水分之间的函数关系,并求出了适合胡杨生长的土壤水分的范围,这为全面认识胡杨根系、根系吸水及胡杨SPAC系统进一步的研究提供有力的试验依据、新的思路和理论支持。

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・190・干　旱　区　资　源　与　环　境第23卷

ResponseofrootdistributionofPopulusEuphraticaOliv.tosoilmoisturecon2

tentinextremearidregionLIJianlin

1,2

,FENGQi,SIJianhua,CHANGZongqiang,JUDengsan

2223

(1.InstituiteofResources&Environment,HenanPolytechnicUniversity,No.2001CenturyAvenue,Jiaozuo　454003,P.R.China;

2.ColdandAridRegionEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,AlashanDesertEco-hydrologyExperi2mentalResearchStation.No.320DonggangWestRoad,Lanzhou　730000,P.R.China;

3.AdministrativeOfficeofHydrologyandWaterResourcesoftheUpperReachesoftheYellowRiver,LanzhouChina)

Abstract:BasedonthedataobservedatEjinaBannerfrominfractaltheoryandstatisticalmethod,therelationshipbetweenrOliv.andsoilmoisturecontentofrootsystemwasanalyzed.thecontentandrootfractaldimen2

3

sions,andanintervalof../cm,whichisadaptiveforthegrowthofPopulus

33

euphraticaO..oillessthan0.11cm/cm,thenrootfractaldimensionsincreased

33

withsoilsmoisturecontenwasmorethan0.11cm/cm,rootfractaldimensionsde2creasedwithsoilcontent.ItmeansthatrootsdistributionofPopuluseuphraticaOliv.surelyhasfractalcharacteristicandsoilwateraffectsrootdistributiondirectly.Sowecanestimatethecharacteristicofrootdistri2butionofP.euphraticaolivbymensurationofsoilmoisturecontentinrootzone.Keywords:Extremearidregion;PopuluseuphraticaOliv.;rootdistribution;soilmoisturecontent;rootfractal

dimensions