运用ET-100根系生态监测系统进行紫花苜蓿根系特征研究

刘 敏，周 波，金 毅，张晓虹，吴玉锋，侯 超，于 惠，汪 鹏

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

运用ET-100根系生态监测系统进行紫花苜蓿根系特征研究

刘 敏，周 波，金 毅，张晓虹，吴玉锋，侯 超，于 惠，汪 鹏

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

ET-100根系生态监测系统；紫花苜蓿；根系长度；根系直径；根系生物量

运用引进设备ET-100根系生态监测系统，对两种紫花苜蓿(15°缓坡1年生、35°陡坡5年生)根系进行定时观测，分析不同条件下紫花苜蓿的根系生长状况。结果表明：缓坡当年生紫花苜蓿侧根发生的主要部位在距地面12—36 cm之间，0—12 cm之间仅有少量侧根发生，43 cm以下几乎没有侧根发生，根系生物量、主根直径整体上表现为从土壤表层到深层逐渐递减；当年生紫花苜蓿根系监测前期(9月15日—10月15日)在距地面18—33 cm 之间生长最快，后期(10月16日—11月15日)在距地面43—53 cm之间生长最快，根系总长度增加量前期较后期大，但根系表面积、体积增加量则是后期比前期大；陡坡5年生紫花苜蓿根系发达、形状分散、分布均匀，在距地面30—70 cm之间生长相对较快，根系平均直径前期为4.3 cm，后期为5.4 cm。

甘肃省属干旱半干旱区，生态环境脆弱，水土流失严重。要加快水土流失治理步伐，必须加强水土保持植物措施建设及研究。目前，植物措施传统的研究方法多集中在植被覆盖度、成活率、地上部分的生物量及植物种搭配等方面，而对植物根系的研究较少，研究方法也不多[1]，广泛采用的是根钻法、内生长法、微根管法。在这些方法中，微根管法是唯一对根扰动较小，并能通过持续的观察来同时获得细根的生长和死亡动态的方法[2]。因此，从植物根系的微观角度研究根系形态、空间分布及生长特征，对于更有效地控制水土流失、保护和改善生态环境意义重大。

1 试验区概况

试验区位于兰州市城关区窦家山科技示范园区内，距兰州市区约4 km。园区内已建成20 m×5 m缓坡(坡度为15°)苜蓿根系试验观测小区1个，10 m×8 m陡坡(坡度为35°)苜蓿根系试验观测小区1个。缓坡苜蓿在2013年春季种植，陡坡苜蓿为边坡挂网种植，已种植5年。两个观测小区均可灌溉，主要用于观测不同坡度条件下苜蓿根系的空间分布特征和生长动态。

2 试验仪器及试验方法

2.1 试验仪器

ET-100根系生态监测系统是由美国Bartz公司开发，将微根管(Minirhizotron，又称微根窗)技术用于非破坏性监测分析根系动态的仪器。工作原理是运用透明管材埋设在需要研究的根系周围，使用特殊图像捕捉系统对根系照相，然后借助专业根系分析软件系统对混合图像进行分析，从而跟踪了解其生长过程。该系统由打孔工具、根系照相系统、图像抓取及分析系统构成，通过该系统可研究植物种根系形态空间分布和动态生长情况。

该系统标准根管直径50 mm，长度分900、1 800 mm两种；根系拍照长度13.5 mm，可分析根系的长度、表面积、体积、直径分布格局。

2.2 试验方法

(1)缓坡(径流场)试验，坡长20 m，坡度15°，打孔管以与水平呈70°打入土壤，打孔深度为1.0 m。

(2)陡坡(公路挂网边坡)试验，坡度35°，坡长8 m，打孔位置在坡中，打孔管以与水平呈50°打入土壤，打孔深度为2.0 m。

本次试验共埋设根管6根，其中径流场内900 mm长根管3根，公路挂网边坡1 800 mm长根管3根。通过查阅相关文献，紫花苜蓿根系生长主要发生在秋季，因此试验选择2013年9月15日、10月15日、11月15日3个时间点分别对其根系生长进行动态观测，并研究其特征。以往的研究表明，在大部分的森林生态系统中，细根的垂直分布随土层深度的增加而减少。但对于干旱半干旱地区来说，由于降雨量较少且水土流失严重，土壤表层的含水量一般低于深层，这种土壤水分状况可能限制了细根在土壤表层的分布，使得细根向土壤深层分布[3]。

3 试验结果

3.1 缓坡地根系观测

从测量数据和图1中可明显看出，当年生紫花苜蓿侧根发生的主要部位在地下距地表12—36 cm之间，0—12 cm之间仅有少量侧根发生，43 cm以下几乎没有侧根发生，根系生物量、主根直径整体上表现为从土壤表层到深层逐渐递减。这跟吴新卫等[4]的研究结论大体一致，即当年生紫花苜蓿侧根发生的主要部位在地下距地表0—30 cm的主根段，40 cm以下没有侧根发生。

从表1中看出，在垂直(纵深)方向上，当年生紫花苜蓿根系长度前期(9月15日—10月15日)大致在距地面18—33 cm之间增加最快，后期(10月16日—11月15日)大致在距地面43—53 cm之间增加最快。原因可能是前期根系除向下生长外，主要表现为侧根的生长，而后期则主要是向下生长。

图1 缓坡地当年生紫花苜蓿根系不同深度生长形态

距地表深度(cm)9月15日—10月15日根系长度(mm)根系表面积(mm2)根系平均直径(mm)根系体积(mm3)10月16日—11月15日根系长度(mm)根系表面积(mm2)根系平均直径(mm)根系体积(mm3)0—7.624.130.90.93.916.422.21.14.07.7—12.785.661.40.63.712.636.70.75.212.8—17.841.454.41.15.664.1122.51.211.317.9—22.8161.055.30.34.562.651.30.55.122.9—27.9205.8110.90.810.931.154.60.95.028.0—33.0114.435.90.43.762.585.40.59.433.1—38.039.267.40.27.239.7110.50.719.238.1—43.168.0106.50.811.749.4108.20.817.443.2—48.237.680.20.715.0191.8309.41.140.248.3—53.364.097.30.36.1142.6247.30.937.7合计/平均841.1700.20.672.3672.81148.10.8154.5

从时间角度来看，在时间间隔相同的情况下，前期根系长度增加量较后期大，而后期表面积、体积增加量比前期大。原因可能是前期水分充足、气温高，根系生长主要表现为长度的增加[5]，而后期主要是直径快速增大，表现为生物量快速增加。

3.2 陡坡地根系观测

从表2中可看出，9月15日被测根系的长度分布相对来说比较均匀，不同深度的根系长度没有太大的变化，根系平均直径4.3 mm，说明生长5年的紫花苜蓿根系比较发达，形状比较分散。这与以往的研究成果有差异，以往的成果是接近地表层的根系长度、生物量均最大，并且越深根系长度越小，生物量也越小[6]。造成这种差异的原因可能是该样地土壤条件好，灌水充足，加之生长周期长，根系下部有很好的发展空间和时间，因此从整体上看根系长势均匀、粗壮。

表2 陡坡地5年生紫花苜蓿根系监测值

10月15日被测根系的垂直深度中间部分(38.3—66.8 cm)根系长度有明显增加，而平均直径却有所减小，说明这部分区域有大量新根生长，新根相对细小，所以平均直径较之前有所减小。但总平均直径是增大的，并且生物量也是增加的。

表3 陡坡地5年生紫花苜蓿根系生长量

从表3中看出，陡坡地紫花苜蓿根系垂直深度的中间部位生长最快，包括根系长度、表面积、体积的增加，说明5年生紫花苜蓿此时段根系生长最旺盛的部位在30—70 cm之间；根系直径的变化趋势不是很明显，38.3—66.8 cm处直径变小，原因是此处的直径表示根的平均直径，此区间生长了大量的毛细根，直径比较小，因而平均直径有所减小，导致表中出现负值。从总体上看，样本根系的平均直径变化量为正值，说明根系还在生长。

4 结论与建议

当年生紫花苜蓿侧根发生的主要部位大致在地下距地表12—36 cm之间，0—12 cm之间仅有少量侧根发生，43 cm以下几乎没有侧根发生，根系生物量、主根直径整体上表现为从土壤表层到深层逐渐递减；测量前期(9月15日—10月15日)根系在距地面18—33 cm之间生长最快，测量后期(10月16日—11月15日)在距地面43—53 cm之间生长最快，根系总长度增加量前期较后期大，但根系表面积、体积增加量则是后期比前期大。5年生紫花苜蓿根系发达、形状分散、分布比较均匀，测量期内在距地面30—70 cm之间生长相对较快，根系平均直径前期为4.3 cm，后期为5.4 cm。

ET-100根系生态监测系统作为引进设备具备诸多优点，比如操作便捷、不破坏原根系等，但也存在一些局限，如测量范围有限，不能全面反映整个根系的特征[7]。因此，有必要将传统方法与其相结合，在校正根系观测系统的基础上，更加科学系统地对根系进行全面观测分析。

[1] 未晓巍,吕杰,武慧,等.植物根系研究进展[J].北方园艺,2012(18):206-209.

[2] 陈建文,王孟本,史建伟.柠条人工林幼林与成林细根动态比较研究[J].生态学报,2011,31(22):6978-6988.

[3] 史建伟,王孟本,陈建文,等.柠条细根的空间分布特征及其季节动态[J].生态学报,2011,31(3):726-733.

[4] 吴新卫,韩清芳,贾志宽.不同苜蓿品种根颈和根系形态学特征比较及根系发育能力[J].西北农业学报,2007,16(2):80-86.

[5] 王富贵,于林清,田自华,等.播种当年苜蓿根系形态特征的研究[J].中国农学通报,2011,27(26):30-34.

[6] 李扬,孙洪仁,丁宁,等.紫花苜蓿根系生物量[J].草地学报,2011,19(5):872-879.

[7] 张帆,陈建文,王孟本.幼龄柠条细根的空间分布和季节动态[J].生态学报,2012,32(17):5484-5493.

(责任编辑 徐素霞)

水利部“948”项目(201226)

S551.7

A

1000-0941(2015)02-0047-03

刘敏(1982—)，男，内蒙古巴彦淖尔市人，工程师，硕士，从事水土保持研究工作。

2014-03-28