植物根系的形态特征显著地调控了土壤水分的入渗运移行为

  土壤水分入渗是陆地生态系统水分循环、水分利用、水土保持功能得以顺利实现的重要前提,其特性极大地制约着地表径流、土壤流失、降雨-径流响应、地下水补给等诸多生态水文过程。除了入渗量,水分运移行为也对土壤水分的分布格局、储存能力起着至关重要的作用。影响土壤水分运移行为(优先流和基质流)的因素有土壤质地、孔隙结构、大裂缝、植物根系、耕作方式、地膜残留物、动物穴道等。目前关于腐根系、老根系、新生根系对水分运移行为的影响已有大量报道,但有关不同形态根系对土壤水分入渗运移行为的影响,仍缺乏相关研究。 

  为定量评价不同形态特征的植物根系对土壤水分入渗运移行为的影响,版纳植物园生态水文研究组的助理研究员蒋小金博士、刘文杰研究员等选取橡胶树的细根系(云南省热带区)、互米花草的光滑根系(江苏省滩涂地)、玉米的须根系(甘肃省农耕地)为研究对象,采用染色示踪等方法对土壤导水率、水分运移行为和分布格局等进行了相关实验,并对入渗参数、土壤物理性质之间的关系做了冗余分析。结果表明,不同形态的根系对土壤物理性能和水分运移行为的影响不同。在农耕土壤中,玉米须根系使得土壤饱和导水率Ks、非毛管孔隙度Øn分别增加了252%26%,水分在须根系诱导下优先渗入土壤,其后的足量水分储存在孔隙良好的耕作层中,为玉米生长用水提供了保障;在滩涂土壤中,容重高、导水率低的淤泥层阻挡了水分下渗、导致了大量地表径流,而在互米花草光滑根系生长处的KsØn则分别增加了93%92%,光滑根系轻易地穿透了淤泥层、诱导了水分的快速下渗、诱发了优先流和淤泥层间的侧流(层间高导水率的沙壤土所致),为水分(降雨)及时从海岸排放到海洋提供了保障。在热带土壤中,单作橡胶林的管理方式导致了土壤容重增加、雨水入渗缓慢,但在细根系处的KsØn则分别增加了96%234%,细根系诱导了雨水快速入渗到深层土壤、大量储存于土壤孔隙中,即:细根系诱发的水分分布格局保障了橡胶树对土壤水分的及时需求。 

  这表明,植物根系通过生长活动增加了它们与土壤基质之间的非毛管孔隙,为土壤水分的有效传输(导水率提高所致)、高效储备(非毛管孔隙增多所致)打下了基础。因此,从这个角度而言,森林生态系统遍布土壤层中丰富多样的根系形态是其发挥强大生态水文功能、水土保持效应的重要保障。此结果也为营造固土保水的环境友好型复合人工林提供了重要参考。 

  相关结果以Effects of three morphometric features of roots on soil water flow behavior in three sites in China为题,在线发表在国际土壤学重要期刊Geoderma上。 

  该研究得到中科院青年创新促进会、国家基金(4170102931570622)、云南省中青年学术带头人后备人才(2014HB042)、版纳园“135”方向一(2017XTBG-F01)资助。

  

不同形态根系调控土壤水分入渗运移行为的示意图 

 

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中国科学院西双版纳热带植物园

中国科学院西双版纳热带植物园,国家AAAAA级旅游景区,位于中国云南省西双版纳傣族自治州景洪市勐腊县勐仑镇葫芦岛,中国面积最大、收集物种最丰富、植物专类园区最多的植物园[1] ,也是集科学研究、物种保存和科普教育为一体的综合性研究机构和风景名胜区。

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