黄土退耕坡地植物根系分布特征及土壤养分测定仪测养分的应用_图

1、黄土退耕坡地植物根系分布特征及土壤养分测定仪测养分的应用摘要：为明确黄土退耕坡地植物根系分布特征及其对土壤养分的影响，在陕西神木六道沟流域选取退耕30 a的长芒草坡地和裸地坡面，利用图像处理和常规分析方法研究了长芒草根系和土壤养分在士壤剖面分布及其相互关系。采用浙江托普仪器的TPY-7PC土壤养分测定仪检测土壤的养分等参数，结果表明：长芒草根系主要分布在050 cm士层，分布规律可用指数函数来模拟。有根系存在的土壤表层有机质、全氮、全磷、硝态氮和铵态氮含量均高于无根系存在的坡面。在有根系存在时土壤有机质、全氮和硝态氮的具有明显的表聚现象。O50锄有机质、全氮、硝态氮和铵态氮随深度的变化可用幂甬

2、数来表示，而全磷随深度呈线性相关。050 cm的土壤养分与根长密度的关系可以用线性函数来表示。其研究结果为坡面退耕地土壤管理提供科学依据。关键词：土壤侵蚀，退耕坡地，根系分布，土壤养分测定仪黄土高原属于生态脆弱地带，由于人们过渡放牧以及不合理的开发利用，生态与环境遭到严重破坏，养分贫乏，水土流失严重。近年来提出退耕还林草政策，大量减少了黄十高原的水土流失作用，主要集中在两个方面：一是植物根系提高了土壤的抗冲性ll捌；二是树冠的截留和落叶蓄水阻流3,41。根系在提高土壤抗侵蚀能力、防止土壤侵蚀方面具有重要作用：一是通过根系在土体中交错、穿插，网络固持土壤；二是通过改善土壤的物理性质，提高土壤自身

3、的水力学性质，从而增强土体的抗侵蚀能力。植物根系能明显增强土壤的抗冲性、土壤的渗透性及土体的剪切强度等水力学性质【5J。关于根系对黄土高原坡面水分的影响已经有了较多的研究睁引，关于黄土原草地地下和地上生物量在一年内的变化也已经清楚【9】。但是，根系在土壤中的分布特征与养分在剖面分布关系的研究尚未见报道。本试验就坡面长芒草根系的空间分布以及对土壤养分的影响进行研究，旨在明确长芒草在黄土高原的适应性，以及对黄土土壤养分的改良作用。1、材料与方法11研究区域概况在中国科学院水土保持研究所神木生态观测站进行试验，该站位于神木县以西14km处的六道沟流域，北依长城，地处毛乌素沙漠的边缘，属于黄土高原水蚀

4、风蚀交错带的强烈侵蚀中心，流域面积67 km2。该区属中温带半干旱气候，年平均温度84，年平均降水量4374 mnl，其中69月的降水量占全年降水的774，植被类型为长芒草、苜蓿、沙蒿等。地貌类型为片沙覆盖的梁峁状黄土丘陵。地面组成物质以第四纪黄土沉积物为主。12样点布置及采样2006年8月25日，选取了退耕30 a的长芒草($tipabungeana坡面，覆盖度85以上，面积为60 mx50 m，采用10mxlom布设网格共设12个样点(图la；另外，选择了邻近裸地坡面用同样的方法设置了6个采样点(图lb，样点位置用GPS定位。每个样点取剖面O2 m的土样，l m以上每10 cm取一个样，l

5、 m以下每20cm取一个样。共集288个土样。在取土样附近，用根钻(妒=9 cm进行根系调查，土壤剖面50 cm以内，以每10cm为一层进行采样，用筛子将各层土壤进行过筛，并拣出所有根系，对所获得的根系样品用蒸馏水清洗干净后数根的条数，并利用扫描仪对洗净的根系进行悬浮扫描备用。13测定方法土壤容重用环刀法测定，土样中铵态氮和硝态氮用Bremner浸取法，连续流动分析仪(FIAstar 5000 AnalyzerFOSS TECATOR测定：有机质含量采用重铬酸钾一外加热容奄法测定：全氮采用凯氏定氮仪(ELTECSYSTEM 1026 Distilling Unit测定；全磷用酸熔钼锑抗比色法测

6、定。根系扫描图片用DT-SCAN图像分析软件进行定量分析。用Excel、surfer80和Spssl30软件进行数据处理。1.4、土壤养分测定仪的应用土壤养分测定仪又名土壤速测仪，土壤养分测定仪由浙江托普仪器研发制造，土壤养分测定仪采用旋转比色暗盒设计（专利），同时测试四个样品，大屏幕液晶汉字背光显示引导操作流程；主机配备微型打印机。可快速测试土壤、化肥、植株中的氮、磷、钾、有机质、腐殖酸、酸碱度（定性）。仪器内存60种农作物生长发育所需养分量，可根据用户需要输出指导施肥量并打印出来。土壤测试仪功能及特点 ： 1.可检测土壤、植株、化学肥料、生物肥料等样品中的速效氮、速效磷、有效钾、植株中的全

7、氮、全磷、全钾、有机质含量，土壤酸碱度及土壤含盐量。 2.具有北京时间显示功能，可实现自动将检测样品时间记录与保存。 3.可储存1000组测试数据（将检测样品时间、地点、各类养分结果）等相关信息存储下来，数据可随时调出查看。4.可按当地情况设定作物品种、作物产量、肥料品种，并自动计算出施肥量（TPY-4、TPY-6A、TPY-6PCTPY-7PC）。 5.检测的样品结果自动转移到计算机上，实现分析、汇总、保存，内存70种农作物生长发育所需养分量；可由计算机储存进行数据储存、远程发送、打印（，也可以脱离计算机在主机上进行测土配方并通过微机打印打出来TPY-6PC、TPY-7PC）。6.可打印出检

8、测日期、样品编号，检测项目、样品含量、作物品种、肥料品种、施肥数量等相关信息，内容详细丰富。 7.采用液晶中文大屏幕背光显示，中文菜单提示操作，指导操作流程。 8.测试过程中具有回看功能，因此使产品更加具有方便性和合理性。 2、结果与分析21 长芒草覆盖下土壤理化性质的变化长芒草覆盖下土壤容重变化比裸地明显，裸地坡上到坡底容重在143147 gem3之间，变化不明显(环刀法测容重平行间允许误差为O03 gcm3。图2给出了长芒草覆盖下表层(010 cm和1020 tin的土壤容重等直线图，可知植被对表层的土壤容重影响较大。表层土壤容重要小于1020 cnl土壤的容重，这主要是由于枯枝落叶增加了

9、表层的有机质含量。在同一土层，坡上容重要人于坡底。变异范围在132142 gcm3；1020cm的容重变异范围在139146 gcm3，趋于稳定。长芒草覆盖下的土壤养分在横向上变化不明显，因此主要考虑沿坡面变化。图3给出了长芒草覆盖下050 cm(长芒草根系主要影响到50 era有机质、全氮、全磷、硝态氮和铵态氮沿坡面变化曲线。在O50 cna养分沿坡面变化可以用二次曲线来描述，铵态氮和全磷沿坡面先增加再减少；其他养分沿坡面是先减少后有所增加。22根系在坡面土壤中的分布特征根系影响土壤养分分布程度取决于根系在土体中缠绕和分布状况，包括根密度、垂商、水平方向分布及根的分枝特性等。根系使土层团聚体

10、的整体性增强是提高土壤抗冲性的原因【111。植物根系(直径l mm在士体中延伸、穿插、交织，使根群呈网状，将士体肢解包裹，从而使土体抵抗风蚀和流水冲刷的能力大增，使抗冲性明显提高12,13。本研究主要选用了根长进行进一步的分析。与乔木或者灌木等物种的根系相比，草本植被的根系比较细小，并且根系的径级一般小于l mm，在本研究中，没有对长芒草根系的径级进行进一步的划分。为了分析根系的分布特征，提出了根长密度的概念即：每一立方厘米土壤中含有的根系的总长度，单位是cmcm3。根系长度指标用根长密度(Y来表示：长芒草的根系主要分布在050 cm范围内。从图4可看出根系主要分布在030 cm范围内，占全量

11、85以上，在此范围内根系含量迅速降低，30 cm以后根系含量降低缓慢。通过对根长密度在剖面中的分布进行拟合分析，发现其遵从指数函数分布，函数表达式为：a，沪一方程系数。这与李勇141的研究结果相一致。由图上拟合方程的系数可看出在距坡顶10 m和60 m处的a，b值相近，而距坡项20 m和40 m处的a，b值相近。其中坡面中间的口值要大于距顶部10 m和60 m；而b值刚好相反。这说明坡中的根系在随土壤深度的增加下降的幅度要大于坡顶和坡底。23根系对土壤养分表聚的影响231根系对剖面养分的影响根系作为连接植物和土壤的纽带，影响着土壤中养分向植物体的输送以及在土壤中的运移。图5显示，有根系和无根系

12、存在的土壤营养元素在不同土层深度的含量具有明显的差异。对于0"-20 cm土壤有机质、全氮、全磷、硝态氮和铵态氮有根系存在的土壤中要显著的高于无根系存在的土壤，表明在有根系存在的情况下，土壤养分具有明显的表聚现象。20 cm以下有无根系存在的土壤养分差异在逐渐减小。在100 cm以下的土壤中有根系的土壤有机质含量反而低于无根系土壤，这也充分说明根系在影响土壤养分分布上起着重要的作用。根系对土壤全磷和氨态氮的影响没有其他养分那么明显，除在表层(O30 cm存在明显的表聚现象外，其他层次出现交叉现象。对于营养元素的表聚现象可用表聚系数来表示，以0100 cm深度土壤营养元素总含量为参照，

13、如果010 cm以及O20 cm土层的某种营养元素的含量与总含量的比值(表聚系数分别大于01及O2，则表明这种元素具有表聚性。其计算公式如下：从图6可以看出本试验中有根系存在的坡面上，有机质、全氮、硝态氮在O10 cm的表聚系数就已经达到了02以上，说明有根系存在时，有机质、全氮、硝念氮有很强的表聚性；铵态氮、全磷0h10 cm表聚系数为011左右，O20 cm为023左右，也满足表聚条件，但不是很明显。没有根系存在的土壤中，只有硝态氮、有机质和全氮满足表聚条件但都不是很明显，在010 cm范围内表聚系数不到015。铵态氮和全磷O10 cm表聚系数小于01，无表聚现象。由两个坡面的表聚系数可看

14、出，根系对有机质、全氮和硝态氮的影响较大：而对铵态氮和全磷的影响相对较小。232根系与剖面养分的相关性分析因长芒草主要分布在0-一50 cm，为了分析根系与剖面养分之间的相关关系，将0-50 cm土层的养分随深度的变化进行拟合同时，与根系作相关性分析得到表1：通过对0"-50 cm土壤养分随深度的变化分析，可以得出除全磷外，有机质、全氮、硝态氮和铵态氮都可以用幂函数的形式来表示，相关系数见表1都达到了09以上。而全磷随深度呈线性相关。O50 cm的土壤养分与根长密度的关系可以用线性关系Y=pY+g(】，养分含量：y根长密度；P，口拟合系数来表示，由表l中的相关系数以及显著水平可以看出

15、根系与土壤中的有机质、全氮、硝态氮含量关系密切，达到了显著水平；全磷和铵态氮与根系的相关性不是很强。3结论和讨论根系在防止黄|十高原水十流失中起着重要的作用，本试验通过对长芒草根系的研究发现长芒草根系主要分布在050 cm十层，并且随深度的增加而减少，在O30 cm范围降低最快，超过30 cn深度降低比较缓慢。这个过程可以用指数函数来模拟。随十壤深度的增加，坡中根系下降的幅度要大于坡顶和坡底。此范围养分沿坡面变化可用二次曲线描述。通过对有根系和无根系存在的两个邻近坡面的比较发现根系不仅对土壤物理性质有影响而且对土壤有机质、全氮、硝态氮影响也非常明显，特别是对20 cm土壤的有机质、全氮、硝态氮影响显著。而对全磷和铵念氮的影响主要表现在表层。通过表聚系数也可以看出有机质