海南省枫木实验林场橡胶林根系分布特征

杨文凤，田乐宇，韦建杏*

（1.海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院），海南 海口 571100；2.海南省枫木实验林场，海南 屯昌 571600）

林木根系是构成林木个体及森林生态系统的重要部分，既对林木起机械支撑的作用，也是林木从土壤中吸收水和养分的营养器官[1-2]。根系分布是指根在空间梯度上的分布情况，包括垂直分布和水平分布，分布特征决定了植被与土壤环境之间作用面的大小，直接反映了植物对土壤水分和养分的利用情况，对植被地上部分的生长有着重要的影响[2-5]。森林根系生物量是指森林中某个时间段和特定面积内森林土壤中根系的干物质量。因气候、地形和土壤等因素影响，不同森林根系生物量会产生不同的时空格局，量化研究森林根系生物量的时空格局，对于深入了解森林群落与环境之间的关系有重要作用[6-7]。

橡胶树是我国热带地区的主要经济树种之一，主要分布于海南、云南和广东，且海南岛是全国最大的橡胶生产基地。研究显示，除经济价值外，橡胶人工林(以下称橡胶林)还具有固碳释氧、净化大气、涵养水源等生态功能[8]。以往对橡胶林的研究多集中在生物多样性、土壤养分和水文生态等方面，对橡胶林根系分布的研究较少[9-11]。该文以海南省枫木实验林场的橡胶林为研究对象，重点研究橡胶林根系在土壤中的分布特征，为橡胶林的高效培育提供基础数据与理论支持。

1 研究区域概况

1.1 研究区概况

研究区位于海南省枫木实验林场(以下简称林场)(109°56′17″～109°58′15″E；19°11′38″～19°15′52″N)，地处热带海洋季风气候地区，属低山、丘陵地貌，海拔250～400 m，土壤类型主要为砖红壤和赤红壤。年平均气温24℃，降雨量1 500～2 500 mm[12]。

1.2 样地概况

对研究区进行踏查，选择立地条件、林相、林龄等因子基本一致的橡胶林作为实验地(表1)。样地内橡胶林结构简单，植被群落发育良好，橡胶平均胸径17.23 cm，树高15.42 m，整个植被类型总覆盖度为70%～85%。橡胶林下共有植物26 种，隶属于21 科26 属，主要由苹果榕(Ficus oligodon)、黑面神(Breynia fruticosa)、银柴(Aporosadioica)、海南暗罗(Polyalthia laui)、破布叶（Microcos paniculata)、海芋(Alocasia macrorrhiza)、莎草(Cyperus rotundus)、百花草(Hedyotis diffusa)等组成。在选定的橡胶林内设置3 个20 m×20 m 样地，进行根系采样。

表1 样地概况

2 研究方法

2.1 样品采集及处理方法

2019 年8 月，在选定的橡胶林样地内，采用样方挖掘法，在每个样地内随机选择3 个样点(样点位于周围几棵树的几何中心)，各样点分5 层(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～100 cm)，分别记为S1、S2、S3、S4、S5 土层，每层长宽为30 cm 和40 cm。用剖面法取土样，分层挖掘土壤，并挑出全部根系。根系挑出后取部分土样带回冲洗干净，挑出剩余根系，根据土壤重量计算所遗漏的根系总量，降低试验误差。

根样取回后先在水中浸泡冲洗，并过0.2 mm 筛使根与大部分土壤、杂质分离，然后放入清水中，利用网勺和镊子根据根的外形、颜色和弹性区分死根和活根，并将死根挑除。根系冲洗后，利用游标卡尺将根系按直径分为细根(0～2 mm)、中根(2～5 mm)和粗根(5～10 mm)。将分类后的根系放入烘箱烘干并称重，计算根系生物量。

2.2 数据分析与计算

因S1～S5 土层较厚，故根系总体生物量密度并不等于各土层根系生物量密度数字之和，需要先计算总体生物量，再根据土壤总体积，计算总体根系生物量密度。

各土层根系生物量=各土层根系生物量密度×取样土壤体积

总体根系生物量密度=各土层根系生物量之和÷取样土壤体积之和

根系生物量密度(g/m3)=m/V

垂直根系分布模型[13]：Y=1-βd

m为根系生物量；V为土壤体积；Y为根系累积百分数(介于0%～100%)，表示由土壤表层到深度d(cm)的根系生物量占根系总生物量的比例；β 为拟合根系削弱系数；d为土壤深度(cm)。垂直根系分布模型中Y和d为已知量，只需要计算β 的值。

使用SPSS 20.0 软件进行数据统计分析，使用Excel 2022 制作图表。

3 结果与分析

3.1 根系生物量密度分布特征

从表2 可以看出，橡胶林土壤中，随土层的加深，各径级根系的生物量密度均显著降低；总的根系生物量密度为578.28 g/m3，其中细根、中根和粗根的生物量密度分别为283.69 g/m3、150.65 g/m3、143.94 g/m3。

表2 根系生物量密度分布特征

S1～S5 土层，各径级根系的生物量密度之比，细根为6.76 ∶6.60 ∶4.95 ∶2.02 ∶1.00；中根为9.02 ∶8.64 ∶4.73∶2.41∶1.00；粗根为73.27∶72.04∶21.63∶1.00∶0.00；各土层根系总的生物量密度之比为11.62∶11.32∶6.11∶2.20∶1.00。即：随着根系径级的增大，土壤表层与深层的根系生物量密度之比随之增大，说明越粗的根系，其分布越浅。

S1 和S2 土层的根系生物量密度均表现为细根＞粗根＞中根，而S3、S4 和S5 土层的根系生物量密度则表现为细根＞中根＞粗根。S1 和S2 土层中，细根和粗根的生物量密度无显著差异，但与中根差异显著；S3 土层中根和粗根差异不显著，但与细根差异显著；S4、S5 土层则是细根、中根和粗根两两之间差异显著。由S1 至S5 土层，细根占各土层生物量的比例分别为40.13%、40.22%、55.89%、63.32%、68.92%；中根为24.15%、23.73%、24.06%、34.11%、31.08%；粗根为35.72%、36.06%、20.05%、2.57%、0.00%。说明细根在各土层中都占主要部分(均在40.13%以上)；且随土层加深，细根在各土层中所占比例逐渐增大，粗根逐渐减小。说明细根是橡胶根系的主要组成部分，细根在较深土层中比粗根更具有竞争优势。

3.2 根系累积百分数

从图1 可以看出，0～20 cm 土层内各径级根系生物量占总根系生物量的比重均在48.85%及以上；0～30cm 土层内各径级根系生物量占总根系生物量的比重均在66.96%及以上，说明0～20 cm 深的土壤表层是橡胶根系的主要分布区，且绝大部分根系分布于0～30 cm 深的土壤中。

图1 根系累积百分数

3.3 根系削弱系数和拟合方程

从表3 可以看出，橡胶的根系越粗，其根系削弱系数越小；各径级根系削弱系数分别为细根0.9673±0.0034、中根0.9633±0.0031、粗根0.6784±0.4535，总的削弱系数为0.9586±0.0047。根系削弱系数越大，表明根系分布越深，反之则越浅，说明橡胶的根系越粗，其分布越趋近于土壤表层[13]。

表3 根系削弱系数和拟合方程

用二次曲线、指数曲线、对数曲线和复合曲线等曲线函数模型对橡胶各径级根系生物量密度(y)与土层深度(d)进行拟合，以F值和R2评定模型的拟合程度，选出最适合估计各径级根系生物量密度垂直分布的回归模型。结果表明，指数曲线模型ln(y)=a+b×d对细根、中根和全根拟合效果最好，对数曲线模型y=a-b×ln(d)对粗根拟合效果最好。橡胶林总的根系生物量密度的回归方程为ln(y)=7.73-0.04×d。

4 结论与讨论

研究表明，森林植物根系密度往往随着土层深度的增加而递减[14-15]。该研究中，橡胶林的根系生物量密度随着土层加深而显著下降，这与前人的研究结果一致。0～20 cm和0～30 cm 土层深度的根系分别占总根系的59.66%和75.55%，说明橡胶林的根系主要分布在0～30 cm 深度的土壤表层。此外，细根生物量在各土层中所占比重均在40.13%以上，说明细根是橡胶林根系的主要组成部分。

全球森林生态系统根系的β平均值为0.966，该研究中橡胶林根系的β值为0.958 6，小于全球森林生态系统根系的β平均值，说明海南省枫木实验林场的橡胶林根系分布较全球森林生态系统更浅[14]。研究表明，森林土壤根系的分布与土壤水分、养分等理化性质显著相关，大部分根系分布于土壤表层是因为土壤养分在表层聚集，树木根系为获得更多养分，分布趋于土壤表层[16-18]。所以海南省枫木实验林场的橡胶林根系分布更浅，可能是因为地处热带海洋季风气候区，气候温暖湿润，地表的腐殖质等养分较土层深处充足，林木根系在较浅土壤中能获得充足的水分与养分，故而分布较浅。因此，在对该林场的橡胶林进行水肥管理时，根据其根系分布特征，0～30 cm 深的土壤表层是进行水肥管理的重点区域。