立地環(huán)境改造對(duì)古樹根系分布特征的影響
——以44011111322000296號(hào)樸樹為例*

葉少萍 張俊濤 曹芳怡 鄭富海 王永躍

（廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院/廣東廣州國(guó)家城市林業(yè)科技示范園區(qū)，廣東 廣州 510405）

古樹是一種獨(dú)特的、不可替代、不可再生的風(fēng)景資源，對(duì)研究本地區(qū)的歷史文化、環(huán)境變遷、植物分布等非常重要，具有不可估量的人文價(jià)值和科學(xué)價(jià)值[1]。然而，人類活動(dòng)及立地環(huán)境變化給古樹的生存帶來了極大的挑戰(zhàn)。隨著樹齡的增長(zhǎng)，古樹樹體吸收代謝能力下降，抵御不良環(huán)境能力減弱，長(zhǎng)勢(shì)日漸衰弱甚至衰老、枯萎，而生長(zhǎng)空間被侵占、人為損害以及有害生物危害等因素則加劇了古樹衰老的進(jìn)程[1-2]。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)古樹大多分布在街道、公園、名勝古跡、村落等場(chǎng)所，其立地條件和保護(hù)水平存在明顯差異。城市建筑和管網(wǎng)密集，古樹生長(zhǎng)空間有限，而立地土壤質(zhì)地差、通氣不良、酸堿度失衡、養(yǎng)分下降等問題導(dǎo)致古樹根系生長(zhǎng)不良，根系分布窄、淺，甚至容易引發(fā)古樹倒伏。此外，地面鋪裝例如水泥、花崗巖、瀝青等密封硬質(zhì)鋪裝，對(duì)古樹根系生長(zhǎng)與分布的影響更是不容忽視。陳養(yǎng)飛和劉汝明[3]認(rèn)為地面硬質(zhì)鋪裝不利于古樹根系呼吸以及營(yíng)養(yǎng)吸收等過程，尤其是古樹周圍硬質(zhì)鋪裝面積過大時(shí)，古樹生長(zhǎng)衰弱現(xiàn)象更為突出。從廣州市情況來看，城區(qū)大多數(shù)樟樹古樹樹池面積小，且樹池周圍大多為水泥硬質(zhì)鋪裝，影響了古樹的正常生長(zhǎng)[4-5]。而在鄉(xiāng)村建設(shè)過程中，水泥鋪裝導(dǎo)致樹池太小同樣也成為了古樹衰弱的重要因素之一[6]。立地環(huán)境變差不利于古樹根系的正常生長(zhǎng)，而根系衰退則容易引起古樹長(zhǎng)勢(shì)變差，因此根系生長(zhǎng)狀況研究是古樹保護(hù)的關(guān)鍵問題。立地環(huán)境改造包括擴(kuò)大樹池面積、改良土壤、更換透氣鋪裝等系列措施，能夠改善古樹根系生長(zhǎng)環(huán)境，例如已有研究表明將硬質(zhì)鋪裝更換為透氣鋪裝材料，能夠在一定程度上改善古樹生長(zhǎng)狀況[7-10]。

植物根系具有吸收養(yǎng)分、水分以及固定植物等功能。韓烈保等[11]認(rèn)為根系分布特征反映出植物適應(yīng)和改造環(huán)境的功能，因此研究根系分布特征具有非常重要的生態(tài)學(xué)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系分布和結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法開展了大量的研究，傳統(tǒng)的根系研究方法包括挖掘法、土柱法、容器法等，原位無損檢測(cè)方法則包括探地雷達(dá)、微根窗法、3D激光掃描法等[12]。探地雷達(dá)是一種廣泛用于定位地下目標(biāo)物的地球物理技術(shù)，已被應(yīng)用于考古學(xué)探測(cè)、管道探測(cè)、土壤質(zhì)地調(diào)查以及植物根系研究等領(lǐng)域[12]。探地雷達(dá)通過利用高頻脈沖信號(hào)傳導(dǎo)、反射的強(qiáng)弱和位置計(jì)算根系分布與結(jié)構(gòu)，具有探測(cè)速度快、無破壞性等優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行根系形態(tài)繪圖、根系直徑測(cè)量和根系生物量估算等[13]。在古樹研究方面，利用探地雷達(dá)研究古樹根系分布變化，有利于提升古樹健康評(píng)估水平，具有良好的應(yīng)用前景。因此，本研究以廣州市白云區(qū)44011111322000296號(hào)樸樹Celtis sinensis古樹為研究對(duì)象，研究立地環(huán)境改造對(duì)古樹生長(zhǎng)及根系分布特征的影響，以期為提升古樹養(yǎng)護(hù)復(fù)壯技術(shù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試古樹為44011111322000296 號(hào)樸樹，2018年估測(cè)樹齡為122 年，生長(zhǎng)在廣州市白云區(qū)江高鎮(zhèn)沙龍小學(xué)內(nèi)（東經(jīng)113°11′25′′，北緯23°19′27′′）；樹池周長(zhǎng)約6.0 m，樹池周圍地面均為密封硬質(zhì)鋪裝，其中南側(cè)為水泥硬質(zhì)鋪裝、北側(cè)為塑膠球場(chǎng)鋪裝。水泥硬質(zhì)鋪裝下面深度0～50 cm，土壤質(zhì)地差且含較多石塊，其理化性質(zhì)為：pH 8.2，EC 值0.12 mS·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量20.50 g·kg-1，水解性氮（N）、有效磷（P）、速效鉀（K）含量分別為51.44、53.77、97.03 mg·kg-1。

供試古樹營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)土由園林廢棄物堆肥產(chǎn)品、有機(jī)肥、微生物菌肥、黃泥按照特定的體積比混配而成，由廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院自主研制，其基本理化性狀為pH 6.8，EC 1.35 mS·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量147.76 g·kg-1，水解性N、有效P、速效K 含量分別為255.20、141.67、494.06 mg·kg-1。供試促根劑pH 5.5～6.5，含有多種促根活性物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素。供試花崗巖透氣磚的長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為50.0、50.0、5.0 cm，中間有4 個(gè)透氣孔，透氣孔孔徑為5.0 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

自2018 年8 月17 日起對(duì)供試樸樹古樹實(shí)施立地環(huán)境改造措施。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面鋪裝情況和古樹樹冠投影區(qū)域，選定樹池南側(cè)水泥地面作為改造區(qū)域，界定改造面積約65 m2；利用機(jī)械設(shè)備挖開古樹改造范圍內(nèi)的水泥硬質(zhì)鋪裝，厚度約為20 cm；清理水泥硬質(zhì)鋪裝下層立地土壤，清理深度約為50 cm，清理過程中小心避開地下根系，避免根系受到破壞；使用灰砂磚、水泥、沙等材料修砌透氣磚支撐基礎(chǔ)，然后均勻回填古樹營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)土，并充分淋水濕潤(rùn)，最后在支撐基礎(chǔ)上平穩(wěn)鋪設(shè)供試花崗巖透氣磚，透氣磚水平高度與周圍地面保持一致。立地環(huán)境改造完成后，每隔15天淋施供試促根劑600 倍稀釋液一次，每次使用量約200 L，共淋施4 次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

立地環(huán)境改造后第1、300、600 天時(shí)，采集供試樸樹古樹成熟葉片，采用便攜式葉綠素儀（SPAD-502Plus，日本產(chǎn)）測(cè)定葉片SPAD 值，隨機(jī)測(cè)定20 張葉片SPAD 值并取平均值，共測(cè)定3次重復(fù)；葉片全N 含量測(cè)定采用凱氏定氮法，全P 含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法，全K 含量測(cè)定采用火焰分光光度計(jì)法[16]。第130 天時(shí)樸樹古樹葉片已全部凋落，無法測(cè)定葉片指標(biāo)。

根系分布情況采用TRU 樹木雷達(dá)掃描儀（美國(guó)Tree radar 公司生產(chǎn)）測(cè)定。TRU 樹木雷達(dá)掃描儀分為400 MHz 和900 MHz 2 種規(guī)格，分別對(duì)應(yīng)4 m 探測(cè)深度、2 cm 直徑（Φ）根系精度和1 m 探測(cè)深度、1 cm 直徑根系精度。根據(jù)立地生境改造深度，第1、130、300、600 天時(shí)采用900 MHz，探測(cè)1 cm 直徑根系在深度0～1.0 m 區(qū)域分布情況；第600 天時(shí)采用400 MHz，探測(cè)2 cm 直徑根系在0～4 m 深度范圍內(nèi)分布情況。參考蔡施澤等[17]方法，將TRU 樹木雷達(dá)掃描儀以樹干為中心，分別對(duì)地面半徑2.0、3.0、4.0、5.0、5.5 m 的圓周軌道進(jìn)行掃描，最大掃描半徑范圍覆蓋立地環(huán)境改造范圍，掃描過程中記錄掃描線路的編號(hào)并將古樹周邊環(huán)境情況繪制平面圖；獲得根系掃描的波譜圖后將其導(dǎo)入到TreeWin 根系分析軟件中，通過人工處理和分析圖像后點(diǎn)選符合根系動(dòng)態(tài)回波模型的點(diǎn)；最終通過地理坐標(biāo)將數(shù)條線路分析結(jié)果整合獲得完整的古樹根系分布特征圖，并統(tǒng)計(jì)出分布深度、范圍、根系密度和數(shù)量等數(shù)據(jù)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同改造天數(shù)的樸樹古樹葉片指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，并用LSD 法進(jìn)行兩兩比較；圖形繪制采用WPS。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地環(huán)境改造對(duì)樸樹古樹葉片生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

立地環(huán)境改造第1 天時(shí)樸樹古樹長(zhǎng)勢(shì)衰弱，枝葉稀疏，由表1 可知葉片SPAD 值為36.4，全N、 全P、 全K 含量分別為18.72、1.06、5.04 g·kg-1；第300、600 天時(shí)，葉片數(shù)量明顯增多，全N、全P、全K 含量均顯著高于第1 天（P＜0.05）。此外，第300 天時(shí)葉片全N 含量顯著高于第600 天（P＜0.05），葉片SPAD 值、全K 含量反而顯著低于第600 天（P＜0.05）。

2.2 立地環(huán)境改造對(duì)樸樹古樹根系數(shù)量的影響

隨著立地環(huán)境改造時(shí)間的延長(zhǎng)，樸樹古樹直徑1 cm 的根系數(shù)量呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，第1、130、300、600 天時(shí)探測(cè)根系數(shù)量分別為107、209、704、1 914 條，可以推測(cè)古樹根系恢復(fù)生長(zhǎng)良好。從水平分布特征來看，距離樸樹古樹樹干2.0、3.0、4.0、5.0、5.5 m 處均有根系分布，第1 天時(shí)2.0 m處根系數(shù)量最多，第130、300、300 天時(shí)5.0 m 處根系數(shù)量均高于其他水平距離（圖1）。從垂直分布特征來看，第1 天時(shí)50.47%的根系數(shù)量集中在土壤深度20～41 cm 之間，第130 天時(shí)則上升至95.69%；第300 天時(shí)根系生長(zhǎng)深度增加，93.32%的根系數(shù)量集中在深度41 cm 以下，而第600 天時(shí)則有76.44%根系分布在41 cm 以下（圖2）。

圖1 不同改造天數(shù)樸樹古樹根系（Φ=1 cm）數(shù)量水平分布特征Fig. 1 The horizontal distribution characteristics of root (Φ=1 cm) number of C. sinensis under different reconstruction days

圖2 不同改造天數(shù)樸樹古樹根系（Φ=1 cm）數(shù)量垂直分布特征Fig. 2 The vertical distribution characteristics of root (Φ=1 cm) number of C. sinensis under different reconstruction days

此外，第600 天時(shí)探測(cè)出直徑2 cm 的根系210 條，其中55.71%根系生長(zhǎng)在土壤深度0～20 cm 之間，43.81%生長(zhǎng)在深度41 cm 以下，深度20～41 cm 之間僅有0.48%根系生長(zhǎng)；不同水平距離根系數(shù)量在37～47 條之間，分布較為均勻（表2-3）。

2.3 立地環(huán)境改造對(duì)樸樹古樹根系密度的影響

隨著改造時(shí)間的延長(zhǎng)，樸樹古樹直徑1 cm 的根系密度同樣呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，第1、130、300、600 天時(shí)根系密度分別為2.48、18.42、73.23、72.27條·m-1。從水平分布特征來看，第1、130、300、600 天時(shí)水平距離2.0 m 處根系密度最大，分別為1.84、4.09、25.72、17.24 條·m-1（圖3）；第1、130 天時(shí)土壤深度20～41 cm 范圍內(nèi)根系密度最大，第300、600 天時(shí)則是深度41 cm 以下根系密度最大，其中第300 天時(shí)深度41 cm 以下根系密度達(dá)到69.02 條·m-1（圖4）。此外，第600 天時(shí)直徑2 cm的根系密度為8.30 條·m-1，其中土壤深度0～20 cm根系密度為4.48 條·m-1，深度41 cm 以下為3.79條·m-1，深度20～41 cm 為0.03 條·m-1；不同水平距離根系密度在1.15～2.50 條·m-1之間（表2-3）。

圖3 不同改造天數(shù)樸樹古樹根系（Φ=1 cm）密度水平分布特征Fig. 3 The horizontal distribution characteristics of root (Φ=1 cm) density of C. sinensis under different reconstruction days

圖4 不同改造天數(shù)樸樹古樹根系（Φ=1 cm）密度垂直分布特征Fig. 4 The vertical distribution characteristics of root (Φ=1 cm) density of C. sinensis under different reconstruction days

表2 第600 天不同垂直深度樸樹古樹根系（Φ=2 cm）數(shù)量和密度Tab. 2 The root (Φ=2 cm) number and density of C. sinensis on the 600th day under different vertical depths

表3 第600 天不同水平距離樸樹古樹根系（Φ=2 cm）數(shù)量和密度Tab. 3 The root (Φ=2 cm) number and density of C. sinensis on the 600th day under different horizontal distance

3 結(jié)論與討論

一般認(rèn)為，古樹對(duì)于所處的立地環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，然而生長(zhǎng)衰弱的古樹受不良立地環(huán)境的影響較大，因此實(shí)施古樹養(yǎng)護(hù)與復(fù)壯需要重視立地環(huán)境改造[18]。古樹立地環(huán)境改造技術(shù)措施因樹而異、因地而異，趙亞洲等[19]提出了從外部城市生態(tài)環(huán)境、古樹根部微環(huán)境、古樹根系周圍硬質(zhì)鋪裝3 個(gè)方面重點(diǎn)改善頤和園古樹立地環(huán)境。從硬質(zhì)鋪裝的影響來看，密封性較大的硬質(zhì)鋪裝往往削弱了植物根系吸收利用水分和養(yǎng)分的效率，同時(shí)會(huì)引起立地土壤物理性質(zhì)變差，從而不利于植物的生長(zhǎng)。實(shí)施硬質(zhì)鋪裝改造一般選擇透氣透水鋪裝材料，例如北京市古樹硬質(zhì)鋪裝常用的材料包括燒制的青磚、生態(tài)磚、倒梯形磚、帶孔水泥磚等[9]。王瑛[10]對(duì)比了青磚、透氣磚、植草磚作為古樹鋪裝材料的效果，結(jié)果顯示透氣磚鋪裝具有改善土壤容重、增加通氣孔隙度的作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)敲除水泥混凝土越厚、面積越大，對(duì)古樹復(fù)壯效果越明顯。同樣地，上海市銀杏Ginkgo biloba、廣玉蘭Magnolia grandiflora、香樟Cinnamomum camphor等古樹周圍鋪設(shè)透氣磚，其葉面積、新發(fā)枝條長(zhǎng)度、葉綠素含量、葉片干重和鮮重等生長(zhǎng)量較前期均有不同程度的增加，地下透水透氣性能得到改善[7]。本研究將44011111322000296號(hào)樸樹古樹周圍水泥硬質(zhì)鋪裝更換為帶透氣孔的花崗巖，具有透氣透水、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，有助于改善古樹根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)古樹整體長(zhǎng)勢(shì)恢復(fù)。

根系的萌發(fā)和衰老對(duì)古樹的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的意義，研究根系生長(zhǎng)狀況有利于評(píng)估古樹生長(zhǎng)健康。除了硬質(zhì)鋪裝的影響，植物根系分布與土壤環(huán)境因子也存在密切聯(lián)系，例如土壤水分、養(yǎng)分、容重等對(duì)根系生長(zhǎng)影響較大[20-21]。土壤養(yǎng)分資源相對(duì)匱乏的土層，植物根系生物量、根長(zhǎng)密度較低[22]。調(diào)查顯示，大多數(shù)古樹普遍存在立地土壤酸堿度失衡、容重偏大、有機(jī)質(zhì)含量低、養(yǎng)分不足等問題[23-24]，而古樹周圍被密封硬質(zhì)鋪裝覆蓋后，土壤通氣性變差、容重增加，在一定程度上加劇了古樹根系退化[3]。因此，土壤改良也是古樹立地環(huán)境改造的重要內(nèi)容之一，配比合理的改良基質(zhì)能夠促進(jìn)根系的萌發(fā)[25]。本研究自主研制的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)土理化性質(zhì)適宜，為44011111322000296 號(hào)樸樹根系恢復(fù)生長(zhǎng)提供了良好的介質(zhì)，古樹養(yǎng)分吸收狀況也得到改善，改造后第300、600 天葉片SPAD、全N、全P、全K含量顯著增加（P＜0.05）。此外，研究表明土壤環(huán)境具有高度的異質(zhì)性，直接影響著根系分布空間異質(zhì)性的產(chǎn)生，而根系適應(yīng)土壤空間異質(zhì)性的策略是調(diào)整根系密度和根系生物量等根系特征[25]。然而，營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)土如何影響古樹新生根系生長(zhǎng)及分布仍有待進(jìn)一步研究。

古樹根系觀測(cè)往往存在較大的難度，傳統(tǒng)的挖土取樣方法往往容易對(duì)根系造成一定的破壞，利用探地雷達(dá)探測(cè)根系情況，不僅可以降低根系損傷，而且數(shù)據(jù)采集非常有效。古樹根系的直徑越大，其被探測(cè)的可能性也越大[15]。陳志華[27]利用探地雷達(dá)研究了上海地區(qū)銀杏、香樟、廣玉蘭等古樹粗根系分布特征及影響因素，結(jié)果顯示根系根部主要受到古樹年齡、立地條件的影響。不同古樹樹種的根系在縱向、水平分布中存在差異，而表層硬質(zhì)地面使得古樹根系深層延伸受阻、淺層根系密度變大，嚴(yán)重可致根系退化[17]。本研究結(jié)果顯示供試44011111322000296 號(hào)樸樹長(zhǎng)勢(shì)衰弱，尤其是根系生長(zhǎng)和分布受到限制，改造第1 天時(shí)探測(cè)直徑1 cm根系總數(shù)量?jī)H為107 條、根系密度為2.48 條·m-1，且主要集中在土壤深度20～41 cm 范圍內(nèi)，根系生長(zhǎng)表現(xiàn)出衰退的趨勢(shì)。因此，實(shí)施古樹復(fù)壯需要重點(diǎn)改善退化根系生長(zhǎng)，古樹經(jīng)過復(fù)壯后根系密度更大、分布范圍也可以得到延伸[14]。本研究樸樹古樹經(jīng)過立地環(huán)境改造后，根系數(shù)量和密度均呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，第130 天后水平距離5.0 m 處根系數(shù)量最多，根系水平延伸范圍增加；同時(shí)，第130 天時(shí)95.69%根系數(shù)量集中在深度20～41 cm 之間，至第300 天時(shí)93.32%的根系數(shù)量集中在深度41 cm 以下，根系深層延伸趨勢(shì)明顯?？偟膩砜?，44011111322000296 號(hào)樸樹古樹經(jīng)過立地環(huán)境改造后，根系恢復(fù)生長(zhǎng)良好。此外，研究發(fā)現(xiàn)植物細(xì)根和根毛對(duì)于水分和養(yǎng)分的吸收量占根系總吸收量的75%以上，是根系功能的主要執(zhí)行部位，目前已成為根系研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[21]。然而，探地雷達(dá)受分辨率的限制，只能探測(cè)直徑超過0.5 cm 的粗根，無法對(duì)細(xì)根和根毛進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)黏土、高含水量土壤以及陡坡立地等也會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，從而降低探測(cè)準(zhǔn)確性[12]。為更好地研究古樹復(fù)壯前后根系分布特征的變化，后續(xù)應(yīng)結(jié)合探地雷達(dá)以及適用于細(xì)根觀測(cè)的方法例如微視窗法等，全面評(píng)估不同直徑根系的分布特征以及生物量等指標(biāo)。