干旱矿区柠条直根自修复后对存活率和活力的影响

杨东旭 ，刘 静 *，张 欣 ，李有芳

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特 010019）

矿区生态修复是实现土地综合治理的有效技术途径，生态自然修复指依靠植物的各种自然特性以及生物、化学、物理等作用进行自我修复的过程[1]。干旱区、半干旱区的植物根系自我修复是实现生态自我修复的基础，根系在遭受沉陷裂缝区域的拉拔、剪切等损伤力后，会通过细胞、组织的自我修复，恢复活力，减少外营力对植物体的损害，从而实现恢复生态稳定的功能[2]。因此，研究受损后植物根系的自我修复对根系持续固土机制的揭示以及今后植被生态恢复重建具有重要意义。目前，对矿区根系研究主要集中于植被根系采动损伤机理、地表裂缝对根系微环境影响、菌根及有机酸对根系修复的调控机理等方面[3-6]，而对根系自我修复特性方面报道较少。植物根系的活力值及存活率反映着植物对营养物质、水分的吸收能力及生长发育状况，两者是衡量根系自我修复的重要指标。该研究以干旱区柠条（Caragana korshinskii）为研究对象，对其直根进行自然破坏受力的模拟试验，使其进行不同时长的自我修复，对修复后的存活率和活力状况等影响因素进行研究，为植物自我修复的机制研究提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市神木市大柳塔镇，是神府东胜煤田腹地中心。该区地处毛乌苏沙地和黄土丘陵区的过渡地带，属于大陆性干旱半干旱气候，生态环境脆弱，降雨集中在夏秋季，蒸发量大。土壤结构性差，有机质匮乏，透气性强，保水保肥性能差。主要植物种有柠条、沙柳（Salix psammopila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）等。

2 材料与方法

试验时间为2015年5—10月，试验仪器为自制便携式根系径向和轴向力学特性试验机和HG100数显式推拉力机（精度0.05 N）。在试验样地针对柠条标准株进行根系挖掘，对挖出的一部分根系测定极限抗拉力，该抗拉力为下一步损伤力的确定提供基础数据。另选定15株与标准株形态相近的柠条，对其根系进行损伤拉力的施加；施力后回埋，做好标记，于当年测定存活率和活力。试验设定2个梯度损伤力[7-8]：直根抗拉力的30%（接近弹性极限，以下称轻度损伤力）和直根抗拉力的70%（远大于弹性极限，以下称重度损伤力）。对照组进行相同的挖掘、裸露、夹持处理，不施加任何损伤力，具体施力操作方法参考李有芳的研究[9]。筛除死根，测定每个处理下及平行对照活根的活力，测定方法采用TTC法，活力值用TTC还原强度（μg/g·h）表示。

3 结果与分析

3.1 2项因素对直根存活率的影响

图 1 柠条直根修复后的存活率

3.1.1 损伤力。由图1可知，损伤力对修复后直根的存活率有显著影响，根系在修复过程中存在不同程度的死亡现象，修复后的直根存活率均低于对照。不同损伤力下存活率不同，损伤力越大，存活率越小，且轻度损伤力和重度损伤力下的根系存活率差异显著（P＜0.05）。对照的存活率在80% 以上；轻度损伤时，修复3个月的直根各径级存活率均大于68%，其1～4 mm受损根系存活率比对照降低12.08%；重度损伤时，修复3个月的直根存活率为50%～69%，其1～4 mm受损根系存活率比对照降低28%。由此可见，损伤力抑制根系生长，重度损伤力的抑制作用更大，重度损伤力大于根系的弹性极限力，容易对根系造成不可逆的撕裂破坏，在修复过程中无法恢复原状，有根系大量死亡现象。直根修复受修复时长影响，自修复5个月存活率大于3个月。以重度损伤力为例，根系自修复3个月平均存活率62%，1～4 mm受损根系存活率比自身对照降低23%～37%；根系自修复5个月平均存活率70%，1～4 mm受损根系比自身对照降低12%～31%。

3.1.2 根径。柠条直根表现为随根径的增长其存活率逐渐增大，且不同根径的直根存活率差异性显著（P＜0.05）。1.0～1.5 mm根径范围内的直根存活率最小，存活率最大出现在2.0～2.5 mm或2.5～3.0 mm范围内。轻度损伤力时，2.5～3.0 mm直根的存活率较1.0～1.5mm直根存活率高25%（修复3个月）及12%（修复5个月）；重度损伤力时，2.5～3.0 mm直根的存活率较1.0～1.5 mm直根存活率高52%（修复3个月）及15%（修复5个月）。径级小于2 mm的直根，以初生结构为主，次生结构组织不够发达，脆弱的内部结构对外界损伤力更敏感，修复过程中的死亡率明显大于径级较粗的根系。

3.2 2项因素对直根活力的影响

3.2.1 损伤力。由图2可知，损伤力影响修复直根的活力，根系自修复后活力低于对照。各径级重度损伤与对照根系活力差异显著（P＜0.05），轻度损伤与对照活力差异显著（2.5～4.0 mm不显著）。对照根系活力为3.08 μg/g·h轻度损伤力下，直根自修复3个月的活力为2.77 μg/g·h，比对照下降9.97%；重度损伤力下，直根自修复3个月的活力为2.11 μg/g·h，比对照下降31.42%。重度损伤力下，根系自修复后活力显著低于轻度损伤力下的活力。根径越小，差距越大，以1.0～1.5 mm为例，前者是后者的30.60%。修复时长对直根活力产生影响。直根自修复5个月后，活力较自身对照有下降趋势，轻度损伤力下，下降幅度为3.69%；重度损伤力下，下降幅度为16.22%。可见，较自修复3个月的直根下降幅度明显减小，说明修复时间的延长促进了根系的自修复。

图 2 柠条直根修复后的活力

3.2.2 根径。柠条直根表现为随根径的增长其活力逐渐减小。1.0～2.5 mm的直根活力平缓下降，2.5～3.5 mm的直根活力呈陡坡式下降趋势。当根径小于2.5 mm，自修复直根与对照的活力存在显著差异（P＜0.05），而当根径大于2.5 mm时，两者无显著差异。以自修复3个月直根为例，轻度损伤时，1～1.5mm直根自修复后活力为对照的87.33%，而3.0～3.5 mm直根自修复后活力为对照的97.13%；重度损伤时，1.0～1.5 mm直根自修复后活力仅为对照的60.61%，而3.0～3.5 mm直根活力为对照的76.52%。由此可见，大于2.5 mm的直根其活力自修复能力相对较强，这可能是因为其内部次生结构相对较发达，吸收功能减弱，主要承担运输功能，对外部损伤具有更强的抵抗能力。

4 讨论

经过一定时间修复后，1～2 mm的直根活力下降程度远大于3.0～4.5 mm根径范围内的直根，1～2 mm的直根存活率低于3.0～4.5 mm根径范围内的直根，这是由于不同根径的直根组成成分、结构、功能不同，因此在受外力损伤后的自修复能力不同。3～4 mm的大细根一般位于高级根序（3、4、5级），而 1～2 mm的小细根一般位于低级根序（1、2级）。低级根序是初生根和吸收根，主要承担根系吸收水分与养分的功能，且初生结构无木栓层，发达的薄壁细胞很脆弱，对外界损伤更敏感。当其受到损伤力后，通道薄壁细胞容易被破坏，抑制水分和养分的吸收，导致短时间内低级根系大量死亡[9]；高级根序的大细根具有机械强度较大的次生组织，且周皮弹性强度大，受损后的细胞能够尽快恢复，自修复能力更强。同时，修复时长影响根系活力和存活率，经过5个月修复后的根系活力和存活率较修复3个月的根系更高。于瑞雪[10]等对黑沙蒿根系修复的研究中，以植物根体积、根系长度、表面积、平均直径等为指标建立了综合评价模型，并评价了煤炭开采后沙蒿根系自我修复能力。研究表明，随着时间的延长，根系自修复能力增强。经过1年的修复后，沙蒿完全消除了外营力带来的损害，基本恢复到正常生长发育状态，这说明植物根系在受到损伤力破坏后，能够通过自我修复机制恢复正常生长状态。此外，不同的植物对外界损伤敏感度不同，自我修复能力存在差异性。自我修复能力强的植物，在受损后能够很快恢复正常生长，起到快速高效修复生态的作用。因此，深入开展塌陷区不同植物自我修复能力的研究，筛选出优良的固土保水植物是今后生态修复领域的重要研究方向。