3.5　红茂草根际土壤水分与根系分布

红茂草在我国西北地区有不同程度的分布，适应性广，具有旱生生植物的生态特性，在干旱地区生态保护和环境治理建设中得到具有所应重要的作用，对山体绿化和生态环境改善起到了一定的作用。

红茂草长期生存于逆境，与干旱生态环境相协调，形成了一系列特殊的适应方式，特别是根系与干旱土壤环境中的进化适应更为突出。采用全部挖掘法研究红茂草根系，工程量比较大、过程较为复杂。因此，对于地下水资源匮乏、降水作为唯一水分补给的西北地区黄土丘陵地带红茂草的根际土壤水分和根系分布进行研究，旨在为干旱地区红茂草的利用提供理论依据及相关参数。

3.5.1　材料与方法

（1）实验地概况

实验地选择为西北药用植物种植天然实验基地。该地区年平均降水量263mm，降水量相对变率为21.9%，70%的降水分布在6～9月，年蒸发量1807mm，极为干旱。月平均气温7.0℃左右，≥0℃的年积温为3314.5℃。年平均日照时数2768.1h。该地区土壤为黄土母质发育而成的灰钙土，在中国土壤分类系统中为简育雏型干旱土，土壤有机质含量1.0%～1.1%，土层内碳酸盐含量丰富，呈碱性反应，pH值为8.3左右。机械组成中粉砂粒占60%左右，物理性黏粒占24%～35%，土壤容重0.12g/cm3。

研究区2011年4～9月的降水量为191.6mm（图3-8），较10年来降水量偏低，2003年最高，为277.9mm；2005年最少，为169.7mm；生长季内30次降水中，<5mm的降水16次，占总降水次数的53.3%，<5mm的降水量37.3mm，占总降水量的19.5%。

（2）方法

①根系特性

2011年7月，在典型样地内随机选择生长均一的红茂草3株（株丛），采用分层分段挖掘法对其根系分布格局进行调查。具体如下：水平方向以主根为圆心，每10cm为一段，取到无根为止，共取5段。垂直方向自地表向下，每10cm为一层，取到无根为止，共取5层。分层分段取土后，用2mm土壤筛将样方土样过筛，筛出各层各段的全部活根。实验室内对取回的根样进行表面冲洗处理，待根系恢复原状后，依据根样直径大小将各段各层根样分为5个级别，再对分类放置的根样随机选取10段，用游标卡尺逐一测定其直径，作为该层该段根系的平均直径（根径）。依平均直径将根系分为Ⅰ级（≥5mm）、Ⅱ级（2～5mm）、Ⅲ级（1～2mm）、Ⅳ级（0.5～1mm）、Ⅴ级（<0.5mm）。然后用溢水法测出各层各段根系的体积。放入干燥箱，在105℃下烘干至恒重后称取干重。

根系长度按式（1）计算：

L=4Vi/π（1）

式中，L为每一层段土体中第i级根系长度（cm）；Vi为该层土体中第i级根体积（cm3）；di为该层段中土体中第i级根系的平均直径（cm）。

根系表面积按式（2）计算：

S=4Vi/di（2）

式中，S为每一层段土体中第i级根系的表面积（cm2）。

有效根长密度和有效根重密度分别按式（3）和式（4）计算：

RDL=Lr/VS（3）

RDW=Wd/VS（4）

式中，RDL为根长密度（cm/cm3）；RDW为根重密度（g/cm3）；Lr为根系长度；Wd为根系恒重；VS为该层段土壤体积。

对于红茂草，直径<0.5mm的根系为吸收根，主要功能是从土壤中吸收水分和溶解在水分中的营养物质，直径>0.5mm的根系主要作用是对水分和养分的输导，故称输导根。本实验根长密度和根重密度计算中使用的根长和根重均为吸收根，所以RDL和RDW为有效根长密度和有效根重密度。

②土壤水分

根际土壤水分含量测定采用土钻法，在样地中选择典型植株作为样株，在生长期内每月进行2次根际土壤水分测定，每次3个重复。取样深度为300cm，分层取样，其中0～40cm深度每10cm为1层，40～300cm深度每20cm为1层。土样在105℃干燥箱内烘至恒重。

土壤质量含水量和土壤贮水量按式（5）和式（6）计算：

θm=（W1-W2）/（W2-W3）（5）

式中，θm为该深度土壤质量含水量（%）；W1为带铝盒新鲜土样质量（g）；W2为带铝盒烘干土样质量（g）；W3为铝盒质量（g）。

Dw=h×p×b×10（6）

式中，Dw为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；p为土壤容重（g/cm3）；b为土壤质量含水量（%）。

（3）数据处理和分析

采用Excel 2007进行数据处理和图表绘制。采用SPSS 17.0进行单因素方差分析和最小显著差异法进行多层比较。

3.5.2　结果与分析

（1）根际土壤水分季节性变化

0～40cm土层水分含量受自然降水影响，变化幅度最大。40～80cm土层土壤水分受外界影响小，变化幅度较小，水分含量最高。80～120cm和120～160cm土层随降水量而有小幅度变化。160～300cm土层水分含量稳定，没有明显变化。0～40cm土层水分含量随季节而呈现动态变化，除雨季外，大部分低于40～80cm和80～120cm土层水分含量（图3-9）。40cm以下土层规律比较明显，40～80cm土层土壤水分含量最高，直到160cm，均随土层深度增加，水分含量呈现递减趋势。160cm以下土壤水分含量无变化，稳定保持在4.4%左右。

在开花期和果熟期0～40cm土层土壤水分含量较高（图3-10），开花期为6.20%，果熟期为8.48%，明显高于其他生育时期，40cm以下土层各生育时期变化不明显，160cm以下土层无变化。

0～100cm土层中，正常月份贮水量多在80mm左右，在6月下旬连续3次较大降水和7月初的连续阴雨天气之后，7月3日的土壤贮水量达到109.34mm，为正常月份的1.3倍左右，属年内最高。8月中下旬2次15mm左右的降水，使9月4日的土壤贮水量又有小幅度的上升，此后到9月30日，仅有2次降水略高于5mm，土壤贮水量又恢复到88.67mm。该层土壤贮水量呈现随降水量而变化的趋势，且明显高于100～200cm土层，显然是由自然降水直接转化而来。100～200cm土层的贮水量受降水的影响相对较小，变化幅度不大。200～300cm土层贮水量基本不受降水量和蒸发的影响，土壤贮水量保持在50～54mm之间，为水分稳定层（图3-11）。

（2）根际土壤中有效根垂直空间分布与贮水量关系

红茂草>3mm的根系全部分布在0～10cm土层中，其中Ⅰ级、Ⅱ级根的根重分别为20.77g和13.16g，根长分别为13.21cm和32.18cm（表3-3），所以在这一地区红茂草主根不明显。实验结果表明，在红茂草的根际土壤中，82.85%有效根长分布在0～20cm的土层中，使0～20cm土层中的水分利用远大于其他土层。

注：同行不同小写字母表示各指标在不同土层之间差异显著（P<0.05）。

红茂草的有效根系集中分布于0～20cm土层中，在0～10cm和10～20cm土层中，分布着58.09%和23.30%的有效根重，59.65%和23.20%的有效根长，占有效根系的绝大部分，可见0～20cm土层是红茂草根系吸收利用水分主要区域。有效根系的分布随土层深度的增加呈现出明显的递减规律，在根际土壤水分含量的垂直分布中，0～20cm土层是水分含量最少而且易受气候因素影响，20～40cm水分含量最高，且相对上层稳定。结果表明在红茂草根际垂直状态中，根系分布密度与土壤水分含量呈负相关，因此，红茂草根系主要利用土壤表层水分。

（3）根系水平分布规律

红茂草根系在水平距离上分布，以主根为中心，在20cm段内，由内向外，输导根的根重、根长和根体积逐渐减少，而有效根重、有效根长逐渐增加。在根重的分布趋势中，0～10cm段大于1mm的输导根重2.06g，占输导根总重的53.08%，略大于有效根重。10～20cm段中，输导根重0.81g，占输导根总重的20.88%，与有效根重近似于1∶1的关系。20～30cm段中，输导根重0.72g，占输导根总重的18.57%，是有效根重的1.64倍。所以，输导根重的92.53%集中分布在0～30cm段中。根体积的变化规律与输导根重的变化相同。

有效根重、有效根长和根系表面积在水平地段上的分布，呈现先低后高再降低的趋势。在10～20cm段中，有效根重和有效根长分别达到总量的41.60%和42.06%，是有效根系分布最密集的区域（表3-4）。在水平间距上，0～30cm段上，分布着90%以上的有效根重、有效根长和根系表面积。

注：同行不同小写字母表示各指标在不同水平分段之间差异显著（P<0.05）。

（4）有效根长密度垂直和水平分布规律

在垂直方向上，红茂草的有效根长密度随土层的增加而逐渐减少（表3-5），0～10cm土层中，有效根长密度最大，为1.928×10-2cm/cm3，为平均有效根长密度的1.77倍在水平方向上，有效根长密度随距离植株水平距离的增加而逐渐减少，最大有效根长密度在0～10cm段中，为2.604×10-2cm/cm3，是平均有效根长密度的2.39倍。

注：不同小写字母表示有效根长密度在垂直分层之间差异显著（P<0.05），括号内不同小写字母表示有效根长密度在水平分段之间差异显著（P<0.05）。

（5）有效根重密度的垂直和水平分布规律

在垂直方向上，红茂草根区平均有效根重密度随土层深度的增加逐渐减少（表3-6），0～10cm土层有效根重密度最大，为1.734×10-5g/cm3，是其平均有效根重密度的1.99倍；在水平方向上，有效根重密度随距离植株水平距离的增加逐渐减少，最大有效根重密度分布在0～10cm的水平段中，为2.066×10-5g/cm3，是平均有效根重密度的2.37倍。

注：不同小写字母表示有效根重密度在垂直分层之间差异显著（P<0.05），括号内不同小写字母表示有效根重密度在水平分段之间差异显著（P<0.05）。

（6）根系与地上株丛分布

植物的根系与地上株丛密切相关，干旱地区所生红茂草主根粗壮，入土较浅，平均根深50cm，为地上株丛高的1.22倍，侧根发达，扩展范围较广，根幅约为冠幅的3.13倍，以此扩大对水分和养分的吸收，保证地上株丛具有较高的产量，地上生物量约为根系生物量的1.19倍。

3.5.3　结论

对于不同草地类型，各土层水分含量与地上生物量的研究认为，各种类型草地中，不同土层含水量对植物生长发育的贡献不同，根系主要分布层土壤水分含量对植物的生长及地上生物量形成具有重要意义。受降水量、蒸发速率等自然因素影响，实验地基本全年处于水分亏损状态，降水是该地区的唯一水分补充来源，植物根系分布区土壤水分含量主要取决于降水量的多少。结果表明，红茂草的根系在0～20cm土层中，无论是根系生物量、根长、根体积或根系表面积，均占总量的80%以上。在水平分段上，10～20cm段上的根长和根重明显大于0～10cm段，直径大于2mm的根系全部分布在0～10cm土层中。根系空间构型表明，该植物为直根系，有效根以水平根和斜生根为主。红茂草根深50cm，根幅大，根系发达，扩展范围广，可吸收更大范围的土壤水分。根系的水平生长和分布，有利于吸收季节性降水渗漏水分和地表洪水补给水分，对维持旱生植物生长起到重要作用。红茂草侧根多而细长，一般都趋于水平走向。80%以上的根系密集分布于0～20cm土层中，是为便于及时吸收降水补充的土壤水分，所以，红茂草根系的浅层分布和水平斜生走向，是0～20cm土层易于接纳降水而迅速提高土壤含水量所决定的，20cm以下土层因自然降水无法下渗，土壤贮水量低而相对稳定。根系的水平走向和大范围分布，是红茂草能够在干旱地区生长的重要生存策略之一。

红茂草不同生育时期0～20cm的土层中土壤水分含量变化较大，开花期为6.20%，果熟期为8.48%，明显高于其他生育时期。植物开花期到果熟期为水分需求的最大时期，在根层土壤水分含量较高阶段完成开花到果熟的重要生理时期，表明红茂草对环境条件具有较高的生态适应特性。

植物根系的可塑性对于植物适应环境具有十分重要的意义。有研究认为：在干旱的生态系统中，植物根系的发展与其依存环境的水分条件密切相关，如在地下水位相对较高的地区，以深层土壤水分为主要水分供给的条件下，植物表现为深根系和大根冠比，反之，如以降水和地表水供给为主要水源，植物则表现为浅根系和小根冠比。