立地环境改造对古树根系分布特征的影响——以 44011111322000296号朴树为例*

2022-10-26 15:42:06 点将科技 125

摘要 古树健康与根系生长联系密切,改善根系生长环境是衰弱古树复壮的重要技术措施。研究以 广州市白云区 44011111322000296 号朴树 Celtis sinensis 古树为研究对象,研究立地环境改造对朴树古树 生长的影响,并采用探地雷达研究古树根系分布特征的变化。结果显示:与改造第 1 天相比,第 300、 600 天时朴树古树叶片全 N、全 P、全 K 含量显著增加(P<0.05)。随着改造时间的延长,朴树古树根系 数量和密度均呈现明显增加的趋势,第 130 天后距离茎干 5.0 m 处根系数量最多,根系水平延伸范围增 大;第 130 天时 95.69% 根系数量集中在深度 20~41 cm 之间,至第 300 天时 93.32% 的根系数量集中在深 度 41 cm 以下,根系深层延伸趋势明显。研究表明,立地环境改造能够促进 44011111322000296 号朴树古 树长势恢复,尤其是促进根系生长和叶片养分积累。

关键词 古树;立地环境改造;根系分布;叶片养分;探地雷达 

中图分类号:S718.43  文献标志码:A  文章编号:2096-2053(2021)03-0075-0

       古树是一种独特的、不可替代、不可再生的 风景资源,对研究本地区的历史文化、环境变迁、 植物分布等非常重要,具有不可估量的人文价值 和科学价值 [1]。然而,人类活动及立地环境变化 给古树的生存带来了挑战。随着树龄的增 长,古树树体吸收代谢能力下降,抵御不良环境 能力减弱,长势日渐衰弱甚至衰老、枯萎,而生 长空间被侵占、人为损害以及有害生物危害等因 素则加剧了古树衰老的进程 [1-2]。事实上,国内古 树大多分布在街道、公园、名胜古迹、村落等场 所,其立地条件和保护水平存在明显差异。城市 建筑和管网密集,古树生长空间有限,而立地土 壤质地差、通气不良、酸碱度失衡、养分下降等 问题导致古树根系生长不良,根系分布窄、浅, 甚至容易引发古树倒伏。此外,地面铺装例如水 泥、花岗岩、沥青等密封硬质铺装,对古树根系 生长与分布的影响更是不容忽视。陈养飞和刘汝 明 [3] 认为地面硬质铺装不利于古树根系呼吸以及 营养吸收等过程,尤其是古树周围硬质铺装面积 过大时,古树生长衰弱现象更为突出。从广州市 情况来看,城区大多数樟树古树树池面积小,且 树池周围大多为水泥硬质铺装,影响了古树的正 常生长 [4-5]。而在乡村建设过程中,水泥铺装导 致树池太小同样也成为了古树衰弱的重要因素之 一 [6]。立地环境变差不利于古树根系的正常生长, 而根系衰退则容易引起古树长势变差,因此根系 生长状况研究是古树保护的关键问题。立地环境 改造包括扩大树池面积、改良土壤、更换透气铺 装等系列措施,能够改善古树根系生长环境,例 如已有研究表明将硬质铺装更换为透气铺装材料, 能够在一定程度上改善古树生长状况 [7-10]。 植物根系具有吸收养分、水分以及固定植物等 功能。韩烈保等 [11] 认为根系分布特征反映出植物 适应和改造环境的功能,因此研究根系分布特征具 有非常重要的生态学意义。国内外学者对植物根系 分布和结构的测定方法开展了大量的研究,传统的 根系研究方法包括挖掘法、土柱法、容器法等,原位无损检测方法则包括探地雷达、微根窗法、3D激光扫描法等 [12]。探地雷达是一种广泛用于定位地下目标物的地球物理技术,已被应用于考古学探 测、管道探测、土壤质地调查以及植物根系研究等领域 [12]。探地雷达通过利用高频脉冲信号传导、反 射的强弱和位置计算根系分布与结构,具有探测速 度快、无破坏性等优点,能够进行根系形态绘图、 根系直径测量和根系生物量估算等 [13]。在古树研究 方面,利用探地雷达研究古树根系分布变化,有利 于提升古树健康评估水平,具有良好的应用前景。 因此,本研究以广州市白云区 44011111322000296 号朴树 Celtis sinensis 古树为研究对象,研究立地环 境改造对古树生长及根系分布特征的影响,以期为 提升古树养护复壮技术提供理论支持。

1 材料与方法 

1.1 试验材料 供试古树为 44011111322000296 号朴树,2018 年估测树龄为 122 年,生长在广州市白云区江高镇 沙龙小学内(东经 113°11′25′′,北纬 23°19′27′′); 树池周长约 6.0 m,树池周围地面均为密封硬质铺 装,其中南侧为水泥硬质铺装、北侧为塑胶球场 铺装。水泥硬质铺装下面深度 0~50 cm,土壤质地 差且含较多石块,其理化性质为:pH 8.2,EC 值 0.12 mS · cm-1,有机质含量 20.50 g · kg-1,水解性 氮(N)、有效磷(P)、速效钾(K)含量分别为 51.44、53.77、97.03 mg · kg-1 。 供试古树营养基质土由园林废弃物堆肥产品、 有机肥、微生物菌肥、黄泥按照特定的体积比混配 而成,由广州市林业和园林科学研究院自主研制, 其基本理化性状为 pH 6.8,EC 1.35 mS · cm-1,有 机质含量 147.76 g · kg-1,水解性 N、有效 P、速效 K 含量分别为 255.20、141.67、494.06 mg · kg-1 。 供试促根剂 pH 5.5~6.5,含有多种促根活性物质、 营养元素。供试花岗岩透气砖的长度、宽度、厚 度分别为 50.0、50.0、5.0 cm,中间有 4 个透气孔, 透气孔孔径为 5.0 cm

1.2 试验方法 自 2018 年 8 月 17 日起对供试朴树古树实施

立地环境改造措施。首先根据现场地面铺装情况 和古树树冠投影区域,选定树池南侧水泥地面作 为改造区域,界定改造面积约 65 m2 ;利用机械设 备挖开古树改造范围内的水泥硬质铺装,厚度约 为 20 cm;清理水泥硬质铺装下层立地土壤,清理 深度约为 50 cm,清理过程中小心避开地下根系, 避免根系受到破坏;使用灰砂砖、水泥、沙等材 料修砌透气砖支撑基础,然后均匀回填古树营养 基质土,并充分淋水湿润,最后在支撑基础上平 稳铺设供试花岗岩透气砖,透气砖水平高度与周 围地面保持一致。立地环境改造完成后,每隔 15 天淋施供试促根剂 600 倍稀释液一次,每次使用 量约 200 L,共淋施 4 次。

1.3 测定项目立地环境改造后第 1、300、600 天时,采集供试朴树古树成熟叶片,采用便携式叶绿素仪(SPAD-502Plus,日本产)测定叶片 SPAD 值,随机测定 20 张叶片 SPAD 值并取平均值,共测定 3 次重复;叶片全 N 含量测定采用凯氏定氮法,全 P 含量测定采用钼锑抗比色法,全 K 含量测定采 用火焰分光光度计法 [16]。第 130 天时朴树古树叶 片已全部凋落,无法测定叶片指标。

根系分布情况采用 TRU 树木雷达扫描仪(美 国 Tree radar 公司生产)测定。TRU 树木雷达扫 描仪分为 400 MHz 和 900 MHz 2种 规 格, 分别对应 4 m 探测深度、2 cm 直径(Φ)根系精度和 1 m 探测深度、1 cm 直径根系精度。根据立地生境改造深度,第 1、130、300、600 天时采用 900 MHz,探测 1 cm 直径根系在深度 0~1.0 m 区域分 布情况;第 600 天时采用 400 MHz,探测 2 cm 直 径根系在 0~4 m 深度范围内分布情况。参考蔡施 泽等 [17] 方法,将 TRU 树木雷达扫描仪以树干为中心,分别对地面半径 2.0、3.0、4.0、5.0、5.5 m 的 圆周轨道进行扫描,最大扫描半径范围覆盖立地环 境改造范围,扫描过程中记录扫描线路的编号并将古树周边环境情况绘制平面图;获得根系扫描的波 谱图后将其导入到 TreeWin 根系分析软件中,通过 人工处理和分析图像后点选符合根系动态回波模型 的点;最终通过地理坐标将数条线路分析结果整合 获得完整的古树根系分布特征图,并统计出分布深 度、范围、根系密度和数量等数据指标。

1.4 数据处理与分析 采用 IBM SPSS Statistics 21.0 软件对试验数据 进行统计分析,对不同改造天数的朴树古树叶片 指标进行单因素方差分析,并用 LSD 法进行两两 比较;图形绘制采用 WPS。

2 结果与分析 

2.1 立地环境改造对朴树古树叶片生长指标的影响 立地环境改造第 1 天时朴树古树长势衰弱, 枝叶稀疏,由表1可知叶片 SPAD 值为 36.4,全 N、 全 P、 全 K 含量分别为 18.72、1.06、5.04 g · kg-1; 第 300、600 天 时, 叶片数量明显增 多,全 N、全 P、全 K 含量均显著高于第 1 天 (P<0.05)。此外,第 300 天时叶片全 N 含量显著 高于第 600 天(P<0.05),叶片 SPAD 值、全 K 含 量反而显著低于第 600 天(P<0.05)。

image.png 2.2 立地环境改造对朴树古树根系数量的影响 随着立地环境改造时间的延长,朴树古树直径 1 cm 的根系数量呈现明显增加的趋势,第 1、130、 300、600 天时探测根系数量分别为 107、209、 704、1 914 条,可以推测古树根系恢复生长良好。 从水平分布特征来看,距离朴树古树树干 2.0、3.0、 4.0、5.0、5.5 m 处均有根系分布,第 1 天时 2.0 m 处根系数量最多,第 130、300、300 天时 5.0 m 处 根系数量均高于其他水平距离(图 1)。从垂直分 布特征来看,第 1 天时 50.47% 的根系数量集中 在土壤深度 20~41 cm 之间,第 130 天时则上升至 95.69%;第 300 天时根系生长深度增加,93.32% 的 根系数量集中在深度 41 cm 以下,而第 600 天时则有 76.44% 根系分布在 41 cm 以下(图 2)

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此 外, 第 600 天时探测出直径 2 cm 的 根 系 210 条,其中 55.71% 根系生长在土壤深度 0~ 20 cm 之间,43.81% 生长在深度 41 cm 以下,深 度 20~41 cm 之间仅有 0.48% 根系生长;不同水 平距离根系数量在 37~47 条之间,分布较为均匀 (表 2-3)

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2.3 立地环境改造对朴树古树根系密度的影响 随着改造时间的延长,朴树古树直径 1 cm 的 根系密度同样呈现增加的趋势,第 1、130、300、 600 天时根系密度分别为 2.48、18.42、73.23、72.27条 · m-1。从水平分布特征来看,第 1、130、300、 600 天时水平距离 2.0 m 处根系密度最大,分别 为 1.84、4.09、25.72、17.24 条 · m-1(图 3);第 1、 130 天时土壤深度 20~41 cm 范围内根系密度最大, 第 300、600 天时则是深度 41 cm 以下根系密度最 大,其中第 300 天时深度 41 cm 以下根系密度达到 69.02 条 · m-1(图 4)。此外,第 600 天时直径 2 cm 的根系密度为 8.30 条 · m-1,其中土壤深度 0~20 cm 根系密度为 4.48 条 · m-1,深度 41 cm 以下为 3.79 条 · m-1,深度 20~41 cm 为 0.03 条 · m-1;不同水平 距离根系密度在 1.15~2.50 条 · m-1 之间(表 2-3)。

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3 结论与讨论 

一般认为,古树对于所处的立地环境有较强 的适应能力,然而生长衰弱的古树受不良立地环 境的影响较大,因此实施古树养护与复壮需要重 视立地环境改造 [18]。古树立地环境改造技术措施 因树而异、因地而异,赵亚洲等 [19] 提出了从外部 城市生态环境、古树根部微环境、古树根系周围 硬质铺装 3 个方面重点改善颐和园古树立地环境。 从硬质铺装的影响来看,密封性较大的硬质铺装 往往削弱了植物根系吸收利用水分和养分的效率, 同时会引起立地土壤物理性质变差,从而不利于 植物的生长。实施硬质铺装改造一般选择透气透 水铺装材料,例如北京市古树硬质铺装常用的材 料包括烧制的青砖、生态砖、倒梯形砖、带孔水 泥砖等 [9]。王瑛 [10] 对比了青砖、透气砖、植草砖 作为古树铺装材料的效果,结果显示透气砖铺装 具有改善土壤容重、增加通气孔隙度的作用,同 时发现敲除水泥混凝土越厚、面积越大,对古树 复壮效果越明显。同样地,上海市银杏 Ginkgo biloba、广玉兰 Magnolia grandiflora、香樟 Cinnamomum camphor 等古树周围铺设透气砖,其叶面积、新发枝条长度、叶绿素含量、叶片干重和鲜重等 生长量较前期均有不同程度的增加,地下透水透 气性能得到改善 [7]。本研究将 44011111322000296 号朴树古树周围水泥硬质铺装更换为带透气孔的 花岗岩,具有透气透水、坚固耐用等优点,有助 于改善古树根系对水分和养分的吸收利用,促进 古树整体长势恢复。

根系的萌发和衰老对古树的生长发育具有重 要的意义,研究根系生长状况有利于评估古树生 长健康。除了硬质铺装的影响,植物根系分布与 土壤环境因子也存在密切联系,例如土壤水分、 养分、容重等对根系生长影响较大 [20-21]。土壤养 分资源相对匮乏的土层,植物根系生物量、根长 密度较低 [22]。调查显示,大多数古树普遍存在 立地土壤酸碱度失衡、容重偏大、有机质含量 低、养分不足等问题 [23-24],而古树周围被密封硬 质铺装覆盖后,土壤通气性变差、容重增加,在 一定程度上加剧了古树根系退化 [3]。因此,土壤 改良也是古树立地环境改造的重要内容之一,配 比合理的改良基质能够促进根系的萌发 [25]。本 研究自主研制的营养基质土理化性质适宜,为 44011111322000296 号朴树根系恢复生长提供了良 好的介质,古树养分吸收状况也得到改善,改造 后第 300、600 天叶片 SPAD、全 N、全 P、全 K 含量显著增加(P<0.05)。此外,研究表明土壤环 境具有高度的异质性,直接影响着根系分布空间 异质性的产生,而根系适应土壤空间异质性的策 略是调整根系密度和根系生物量等根系特征 [25]。 然而,营养基质土如何影响古树新生根系生长及 分布仍有待进一步研究。

  古树根系观测往往存在较大的难度,传统的挖土取样方法往往容易对根系造成一定的破坏,利用 探地雷达探测根系情况,不仅可以降低根系损伤, 而且数据采集非常有效。古树根系的直径越大,其 被探测的可能性也越大 [15]。陈志华 [27] 利用探地雷 达研究了上海地区银杏、香樟、广玉兰等古树粗根 系分布特征及影响因素,结果显示根系根部主要受 到古树年龄、立地条件的影响。不同古树树种的根 系在纵向、水平分布中存在差异,而表层硬质地 面使得古树根系深层延伸受阻、浅层根系密度变 大,严重可致根系退化 [17]。本研究结果显示供试 44011111322000296 号朴树长势衰弱,尤其是根系 生长和分布受到限制,改造第 1 天时探测直径 1 cm根系总数量仅为 107 条、根系密度为 2.48 条 · m-1 , 且主要集中在土壤深度 20~41 cm 范围内,根系生 长表现出衰退的趋势。因此,实施古树复壮需要重 点改善退化根系生长,古树经过复壮后根系密度更 大、分布范围也可以得到延伸 [14]。本研究朴树古 树经过立地环境改造后,根系数量和密度均呈现 明显增加的趋势,第 130 天后水平距离 5.0 m 处根 系数量最多,根系水平延伸范围增加;同时,第 130 天时 95.69% 根系数量集中在深度 20~41 cm 之 间,至第 300 天时 93.32% 的根系数量集中在深度 41 cm 以下,根系深层延伸趋势明显。总的来看, 44011111322000296 号朴树古树经过立地环境改造 后,根系恢复生长良好。此外,研究发现植物细根 和根毛对于水分和养分的吸收量占根系总吸收量的 75% 以上,是根系功能的主要执行部位,目前已成 为根系研究的重点和热点 [21]。然而,探地雷达受分 辨率的限制,只能探测直径超过 0.5 cm 的粗根,无 法对细根和根毛进行探测,同时黏土、高含水量土 壤以及陡坡立地等也会对探测结果产生干扰,从而 降低探测准确性 [12]。为更好地研究古树复壮前后根 系分布特征的变化,后续应结合探地雷达以及适用 于细根观测的方法例如微视窗法等,全面评估不同 直径根系的分布特征以及生物量等指标。

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来源:叶少萍,张俊涛,曹芳怡,郑富海,王永跃.立地环境改造对古树根系分布特征的影响[J].农林与环境科学.

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