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*

叶少萍 张俊涛 曹芳怡 郑富海 王永跃

（广州市林业和园林科学研究院/广东广州国家城市林业科技示范园区，广东 广州 510405）

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极大的挑战。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）。

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）。

图1 不同改造天数朴树古树根系（Φ=1 cm）数量水平分布特征Fig. 1 The horizontal distribution characteristics of root (Φ=1 cm) number of C. sinensis under different reconstruction days

图2 不同改造天数朴树古树根系（Φ=1 cm）数量垂直分布特征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）。

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）。

图3 不同改造天数朴树古树根系（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

图4 不同改造天数朴树古树根系（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 天不同垂直深度朴树古树根系（Φ=2 cm）数量和密度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 天不同水平距离朴树古树根系（Φ=2 cm）数量和密度Tab. 3 The root (Φ=2 cm) number and density of C. sinensis on the 600th day under different horizontal distance

3 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。