基于树木雷达的小兴安岭典型树种 粗根分布及其影响因素研究

2022-03-22 13:54:43 点将科技 61

摘要:【目的】探究小兴安岭典型树种粗根分布规律及其影响因素,为小兴安岭树木良好生长提供科学依据和数据支撑。 

【方法】以红松、落叶松、红皮云杉、樟子松为研究对象,在凉水实验林场选取了 8 个样地进行试验。以样木为圆心,采用 树木雷达扫描以 0.5、1、1.5、2 m 为半径的圆周上的根系,采用环刀法和取土样法测定土壤理化性质,并测量树高、胸径、 冠幅等树木因子,分析小兴安岭树木粗根分布状况,并对粗根密度与树木因子及土壤因子指标进行相关性分析。 

【结果】(1)小兴安岭 4 个典型树种在水平方向粗根密度随着与树干距离的增加而减少;在垂直方向上,随着土壤深度的 增加,红松和落叶松粗根密度逐渐减少,红皮云杉和樟子松粗根密度先增加后减少。红松、落叶松、红皮云杉、樟子松分 别有 82.1%、82.0%、89.6%、67.6% 的粗根分布在 0 ~ 40 cm 土层深度。(2)树木粗根密度与树高、胸径、冠幅呈显著正相关 关系(P < 0.05),与树木平均阻力值无显著相关关系(P > 0.05)。(3)树木粗根密度与土壤含水量、饱和持水量、毛管持水 量呈显著正相关关系(P < 0.05),与土壤密度呈显著负相关关系(P < 0.05),与毛管持水量相关程度最高(r = 0.538,P = 0.012)。树木粗根密度与土壤有机质、全氮、全磷、水解氮含量呈显著正相关关系(P < 0.05),与全氮含量相关程度最高 (r = 0.646,P = 0.002)。

【结论】研究结果表明树木因子和土壤因子均对小兴安岭 4 个典型树种粗根分布产生不同程度影 响,树木粗根分布不仅与自身特性有关,还与其生存环境有关,而与树木材质状况无关。

研究区概况:东北林业大学凉水实验林场实验区,位于黑龙 江省伊春市带岭林区,该试验区面积 2 654 hm2 ,地 理 坐 标 128°47 ′08 ″  ~  128°57 ′19 ″  E、 47°64 ′09 ″  ~ 47°16′10″ N,气候属温带大陆性季风气候,年均气温 − 0.3 ℃,年均降水量 676 mm,冻土深度 2 m 左右, 平均海拔 400 m 左右。全区土壤分为暗棕壤、草甸 土、沼泽土、泥炭土 4 个类型,土层厚度 30 ~ 60 cm, 区内有原始林、次生林、人工林等多种森林类型,主要优势树种包括红松(Pinus koraiensis)、红皮云杉 ( Picea koraiensis) 、落叶松 ( Larix gmelinii) 、白桦 (Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、水曲 柳(Fraxinus mandshurica)、樟子松(Pinus sylvestris)等。

样地选择

2019 年 4 月份于东北林业大学凉水实验林场选 取 8 个 30 m × 30 m 的试验样地,每个试验样地均相 距 100 m 以上。在每个试验样地内分别选取 5 棵树 种相同且相距较远,周围 2 m 内无大树干扰的树木 作为试验样木。

   试验方法

 测量了试验样木的胸径、树高、东西和南北向冠 幅及试验样地所在位置的平均海拔高度。 树木粗根检测采用产自美国的树木雷达检测系统 ( tree  radar  unit,以下简称 TRU)来完成 。 TRU由操控电脑、雷达控制单元和 900 MHz 的雷达天线 (探测深度为 1 m,根系分辨率为 1 cm)组成。由于土壤与根系之间的介电常数存在差异,雷达天线发 射的高频脉冲电磁波会在土壤与根系交界面处发生 反射,根据获得的反射波形便能识别根系的位置。 在进行粗根检测时以被测样木树干为圆心,应用 TRU 对被测样木的根系分别进行半径为 0.5、1、1.5、 2 m 的圆周扫描。考虑到 TRU 对作业环境的要求以 及枯倒木、灌木对根系扫描的影响,在难以实现圆周 扫描的地带进行扇形扫描。对 2 个原始红松林内被 测样木应用阻抗仪在每个截面东西−南北 2 个方向 分别进行阻力检测。

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每个样地内选取 3 株被测样木,在距离树干 50 cm 处采集土壤样品。除去地表的枯落物和腐殖 质后用环刀获取原状土壤,并带回实验室测定土壤 的含水率、土壤密度、饱和持水量、毛管持水量、非毛 管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度等土壤物理性质 指标(LY/T1215—1999)。在取样点另取 100 g 土壤 装于密封袋中,带回实验室经风干、研磨、过筛后用 于土壤化学性质指标的测定

数据处理 

应用 TRU 树木雷达的 TreeWin 分析软件,分析每个根系扫描文件,得到每条扫描线的根系密度值(根/m)。每棵树 4 条扫描半径根系密度的总和作为 样木总粗根密度值。选取树木平均胸径在 38.28 ~ 40.40 cm 的 5 号、7 号和 8 号样地,采用单因素方差 分析比较不同树种粗根密度的差异情况;采用一般 线性模型无重复两因素方差分析,比较树木粗根密 度在树种和土壤深度及树干距离之间的差异情况。

 结果与分析

不同树种粗根分布规律研究 

   平均胸径在 38.28 ~ 40.4 cm 的落叶松、红皮云 杉、樟子松 3 个树种平均粗根密度分别为(36.38 ± 4.12)根/m、(34.49 ± 2.01)根/m、(32.39 ± 4.89)根/m, 方差分析表明 3 个树种粗根密度差异不显著(P = 0.301)(图 1A)。

     3 个树种在 4 条扫描线平均粗根密 度都呈现递减趋势,方差分析表明落叶松、樟子松在 0.5 m 扫描半径平均粗根密度差异显著(P = 0.008), 3 个树种在 1、1.5、2 m 扫描半径平均粗根密度无显著差异(图 1B)。 随着土壤深度增加,落叶松粗根密度呈现递减 趋势,红皮云杉和樟子松则呈现先增加后减少趋 势。落叶松在 0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm 土层 的粗根密度占树木总粗根密度的比重分别为 46.24%、 35.78%、17.98%,红皮云杉在 0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、 40 ~ 60 cm 土层的粗根密度占树木总粗根密度的比 重分别为 40.49%、 49.14%、 10.38%,樟子松在 0  ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm 土层的粗根密度占树 木总粗根密度的比重分别为 27.16%、40.49%、32.35%。 在 0 ~ 20 cm 土层落叶松与樟子松粗根密度差异显 著(P = 0.001),在 20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm 土层 3 个 树种粗根密度差异不显著(图 1C)。 

     如表 3 所示,人工和原始林的红松粗根密度在 水平和垂直方向上也均呈现逐渐递减趋势,人工林 与原始林样地红松平均粗根密度分别为(28.38 ± 5.22)根/m、(41.08 ± 6.66)根/m,原始林和人工林样 地的红松在 0 ~ 40 cm 土层粗根密度占树木总粗根 密度比重分别为 79.84% 和 85.40%

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粗根密度与树木因子的关系研究 

相关性分析表明 ,树木粗根密度与树高 (r = 0.475,P = 0.003)、胸径(r = 0.635,P = 0.000)、冠幅 (r = 0.341,P = 0.042)呈显著的正相关关系,其中与 胸径相关程度最高,与冠幅相关程度最低。为了探 讨粗根密度受树木自身影响的程度,将树木因子综合成一个指标分析,并消除树木因子之间共线性影 响,因此对树木粗根密度与树木因子指标做逐步回 归分析。得到树木粗根密度与树木因子的最优回归 模型为:TRD = 24.088 + 0.235DBH(R 2 = 0.404,P < 0.001),表明,在树木因子中胸径对树木粗根密度解 释程度最高,胸径越大,树木粗根密度值越大。 1 号与 2 号两个原始红松林样地 10 株红松平均 阻力值为(135.52 ± 6.88)resi,两个样地红松平均阻 力值无显著差异(P > 0.05),树木粗根密度与平均阻 力值没有显著相关关系(r = − 0.398,P = 0.254)。

树木粗根密度与土壤物理、化学性质关系

粗根密度与土壤物理性质指标的关系

 树木不同土层粗根密度与土壤物理性质相关性分析结果表明(表 4),树木粗根密度与土壤含水量、 饱和持水量、毛管持水量呈显著正相关关系,与土壤 密度呈显著负相关关系。0 ~ 20 cm 土层粗根密度与 土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量、非毛管孔隙 度呈显著正相关关系,与土壤密度呈显著负相关关 系。40 ~ 60 cm 土层深度粗根密度与土壤含水量、饱 和持水量、毛管持水量呈显著正相关关系。20 ~ 40 cm、0 ~ 40 cm 土层粗根密度与土壤物理性质指标 无显著相关关系。树木粗根密度与毛管持水量相关 程度最高,相关系数为 0.538,0 ~ 20 cm 土层粗根密 度与土壤密度相关程度最高,相关系数为− 0.602, 40 ~ 60 cm 土层粗根密度与土壤含水量相关程度最 高,相关系数为 0.482。

image.png分别对不同土层粗根密度与相关土壤物理性质 指标做逐步回归分析(表 5),结果表明,土壤毛管持 水量对树木总粗根密度分布解释量最高,土壤密度 对 0 ~ 20 cm 土层粗根密度解释量最高,土壤含水量 对 40 ~ 60 cm 土层粗根密度解释量最高。

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 粗根密度与土壤化学性质指标的关系

 树木粗根密度和 40 ~ 60 cm 土层深度粗根密度 都与有机质含量、全氮含量、全磷含量、水解氮含量 呈显著正相关关系。0 ~ 20 cm 土层粗根密度与有机 质含量、全氮含量、有效磷含量呈显著正相关关系, 与 pH 呈显著负相关关系。20 ~ 40 cm 土层粗根密度 与水解氮含量呈显著负相关关系,0 ~ 40 cm 土层粗 根密度与土壤各化学性质指标无显著相关关系 (表 6)。 对不同土层粗根密度分别与相关土壤化学性质 指标做逐步回归分析(表 5),结果表明,影响树木粗 根密度的主要土壤化学指标是全氮含量,全氮含量 越高,树木粗根密度值越大。0 ~ 20 cm 土层粗根密度受全氮含量影响大,20 ~ 40 cm 土层及 40 ~ 60 cm 土层粗根密度受水解氮含量影响较大,水解氮含量 越高,20 ~ 40 cm 土层粗根密度越低,40 ~ 60 cm 土层粗根密度越大。 不同土层粗根密度与土壤物理、化学性质指标 回归方程决定系数都不是很高,推测这是因为粗根 密度受多种因素影响,土壤理化性质并不能成为影 响树木粗根分布的决定性因素。

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结论

      以小兴安岭典型树种红松、落叶松、红皮云杉、 樟子松为研究对象,分析了树木粗根分布及其影响 因素。研究发现,小兴安岭 4 个典型树种的粗根密 度在水平方向上呈现随着与树干距离的增加而减少 的趋势;在垂直方向上,随着土壤深度的增加,红松 和落叶松粗根密度呈递减趋势,红皮云杉和樟子松 呈现先增加后减少的趋势。红松、落叶松、红皮云杉 分别有 82.1%、82.0%、89.6% 的粗根分布在 0 ~ 40 cm 土层深度,樟子松有 72.8% 的粗根主要分布在 20 ~ 60 cm 土层深度。与树木粗根密度相关程度最高的 树木因子是胸径(r = 0.635,P < 0.001),树木粗根分 布不受树木材质状况的影响。 

     小兴安岭 4 个典型树种树木粗根密度与土壤理 化性质指标存在不同程度的相关性,但相关程度都 不是很高。与树木粗根密度相关程度最大的土壤物 理性质指标为毛管持水量(r = 0.538,P = 0.012),与 粗根密度相关程度最大的土壤化学性质指标为全氮 含量(r = 0.646,P = 0.002)。对 0 ~ 20 cm 土层粗根 密度影响最大的土壤理化性质指标为土壤密度和全 氮含量,20 ~ 40 cm 土层粗根密度与水解氮含量相关 程度最高,对 40 ~ 60 cm 土层粗根密度影响最大的 土壤理化性质指标为土壤含水量和水解氮含量。综 上所述,树木粗根分布既受到自身特性影响,也受到土壤环境的调控。

来源:Ji Wenwen, Wang Lihai ,Shi Xiaolong ,Xu Mingxian, Hao Quanling, Zhang Guanghui ,Meng Qingkai ,Hou Shengming,Coarse root distribution and its influencing factors of typical species in Lesser Xing’an Range based on tree radar unit

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