上海市区主要行道树粗根的空间分布特征及其与立地环境的关系*

2023-05-18崔嘉豪有祥亮张冬梅张敬丽傅仁杰

云南农业大学学报(自然科学) 2023年2期

崔嘉豪，有祥亮，张冬梅，张浪，张敬丽，傅仁杰

(1.上海市园林科学规划研究院植物研究所，上海 200232；2.云南农业大学园林园艺学院，云南昆明 650201)

行道树对提高城市生态效益和改善城市生态环境发挥着重要作用。有关城市行道树的研究多见适生树种选择[1-4]、植物群落构建[5]、景观表现[6-8]及生态效益评估等方面[9-12]。树木根系不仅承担了输送养分和水分的作用，也起着支撑和固定树木的作用，其生长状态直接关系着行道树生态效益的发挥[13-15]。针对城市绿地园林树木根系的研究，蔡施泽[16]对上海交通大学内10 种乔木的根系进行扫描探测，结果显示：10 种乔木的根系密度在水平方向上随着与根基距离的增加而减小，在垂直方向上随着土壤深度的增加而减小；王宝宁等[17]采用挖根法对重庆市主干道的行道树香樟进行研究发现：香樟的根系在垂直方向上分布于深度0～60 cm 的土层中，在水平方向上主要分布在距根基1 m 处；罗玉兰等[18]对上海3 个公园内的8 个植物群落中白玉兰的根系进行探测，发现白玉兰为水平型根系，主要分布在距主干3 m、土层深度41～70 cm 处；吴松成等[19]对北京市城市主干道与城市绿地中3 种铺装类型下的悬铃木进行根系扫描，发现地被覆盖下的根数和根系分布范围均小于铺装条件下，根系分布的最浅深度与硬质铺装的厚度相关；侯晓丽[20]对长春市主干道51 棵杨树和林地内杨树进行土壤钻孔试验，发现钻孔前根量少、生长不良、分布较浅，钻孔后有利于萌发新根、促进根尖生长、根系数量增多。

上海属新成陆滩涂盐碱地，一些行道树因对地下高水位、高pH 值和高可溶性盐浓度立地条件极度敏感，导致园林树木尤其是行道树长势不佳、易倒伏。本研究对上海城区典型立地类型行道树的根系和根型进行分析，了解树木根系生长与立地环境之间的关系，以期为城市道路绿地适生树种选择和合理植物群落配置提供依据。

1 材料与方法

1.1 树种选择

根系探测选用7 种主要乔木行道树种：香樟(Cinnamomum camphora)、悬铃木(Platanus acerifolia)、榉树(Zelkova serrata)、银杏(Ginkgo biloba)、广玉兰(Magnolia grandiflora)、女贞(Ligustrum lucidum)和栾树(Koelreuteria bipinnata)。

1.2 样地设置

在上海中心城区选择包括7 种主要行道树种的典型道路样地，每个树种3 个样地，共计21 个样地(表1)。采用类型抽样法，每个道路样地设置长200 m×宽6 m 的样方，在样方内随机选择3 棵胸径和高度差异小的树木作为调查对象。调查内容包括树种坐标、名称、树高、胸径、树体状况、树穴覆盖(硬质砖、地被或裸露)和周边环境等。

表1 树木样地的立地环境与道路类型Tab.1 Site environment and road types of tree plots

表1 (续)

1.3 方法

1.3.1 根系检测

使用美国 Tree Radar 公司的树木无损检测系统[21]对树木直径不小于2 cm 的粗根系进行扫描，设定扫描频率为400 MHz，探测最大深度为4 m[22]。以树干为圆心，由内到外间隔1 m 分别设置3 个同心圆作为3 条扫描路径，每条扫描路径都从正北出发沿顺时针方向进行扫描，测定时仪器需紧贴地面，且树根周围没有建筑物及其他遮挡，得到雷达波谱图[23]。

1.3.2 根系分析方法

将获得的根系雷达波谱图导入到美国Tree Radar 公司的Tree Win POR 软件中进行雷达图像滤波处理，通过对B-Scan 图像与雷达波形图人工交互判读选取符合“动态回波模式”的点[21]，依据0～60 cm、＞60～120 cm、＞120 cm 分层计算根系密度。然后通过坐标系的建立确定树干位置与对应半径的3 条探测路径，整合得出三维树木根系图和根系分布密度图。每次探测的周长为l，该深度层次探测得出的根系数量为Rn，则该深度层次的根系密度Rρ为Rn/l。

1.3.3 树木根型分析

树木根型分类参考颜正平[24]的分类模式。从树木粗根不同深度分布类型、粗根根数类别、根系最大深度分布类型、根系扩展分布类型和根系分布基本形态等因子进行树木根型的判别。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 完成数据统计和计算；采用SPSS 23 完成方差分析；采用OriginPro 2021 和Adobe Photoshop CC 2019 绘图。

2 结果与分析

2.1 不同树种行道树的根系分布

由表2 可知：在垂直方向上，香樟、悬铃木、银杏、女贞和栾树的根系密度占比随着土壤深度的增加而减小，而榉树和广玉兰的根系密度占比随着土壤深度的增加而先增加后减小，其中在土壤深度0～60 cm 中根系密度占比最高的为女贞(69.70%)，＞60～120 cm 中根系密度占比最高的为广玉兰(61.51%)，＞120 cm 中根系密度占比最高的为栾树(8.19%)；在水平方向上，7 种行道树的根系密度占比随着与主干距离的增加而减小，根系集中分布在距离主干1 m 处，其中在距离主干1 m 处根系密度占比最高的为栾树(58.45%)，在2 m 处占比最高的为榉树(34.40%)，在3 m 处占比最高的为广玉兰(18.09%)。

表2 不同土壤深度和扫描半径的行道树根系密度占比Tab.2 The proportion of root density of street tree under different soil depth and scanning radius %

由图1 可知：7 种行道树的根系密度不同，根系密度最大的为榉树[(8.29±0.96)条/m]，香樟[(7.31±1.44)条/m]、广玉兰[(7.46±1.34)条/m]、女贞[(7.85±0.98)条/m]和栾树[(7.97±2.00)条/m]的根系密度较为接近，银杏[(6.49±1.60)条/m]的根系密度相对较小，悬铃木的根系密度最小[(5.86±2.21)条/m]。

图1 行道树根系密度比较Fig.1 Comparison of root density of street trees

2.2 不同群落组成的行道树根系分布

2.2.1 乔—乔配置群落的行道树根系分布规律

在乔—乔配置群落中，7 个树种的根系密度为香樟(8.02±1.21)条/m、悬铃木(5.89±2.21)条/m、榉树(8.47±1.12)条/m、银杏(6.49±1.60)条/m、广玉兰(6.65±0.47)条/m、女贞(7.85±0.98)条/m、栾树(7.97±2.00)条/m，方差分析表明：7 个树种根系密度差异显著(P=0.013)(图2a)。水平方向上，7 个树种的根系密度随着与主干距离的增加而递减，方差分析表明：7 个树种在扫描半径1 m 处的根系密度差异显著(P=0.001)，在扫描半径2 m 处的根系密度差异不显著(P=0.081)，在扫描半径3 m 处的根系密度差异显著(P=0.031)(图2b)。在垂直方向上，7 个树种的根系密度随着土壤深度的增加而递减，方差分析表明：扫描土壤深度为0～60 cm 和＞60～120 cm 时，7 个树种的根系密度差异不显著(P=0.213，P=0.222)；扫描土壤深度＞120 cm 时，7 个树种的根系密度差异显著(P=0.000)(图2c)。

图2 乔—乔配置群落组成各树种的根系分布Fig.2 Root distribution of each tree species in arbor-arbor community composition

2.2.2 乔—灌—草配置群落的行道树根系分布规律

在乔—灌—草配置群落中，3 个树种的根系密度为香樟(5.98±0.26)条/m、榉树(7.94±0.53)条/m、广玉兰(9.07±0.89)条/m，方差分析表明：3 个树种的根系密度差异显著(P=0.002)(图3a)。在水平方向上，3 个树种的根系密度随着与主干距离的增加而递减，方差分析表明：3 个树种在扫描半径1 m 处的根系密度差异显著(P=0.001)，在扫描半径2 m 处的根系密度差异不显著(P=0.06)，在扫描半径3 m 处的根系密度差异显著(P=0.000)(图3b)。在垂直方向上，3 个树种的根系密度随着土壤深度的增加而先增加后减小，方差分析表明：扫描深度为0～60 cm 时，3 个树种的根系密度差异显著(P=0.001)；扫描深度为＞60～120 cm时，3 个树种的根系密度差异显著(P=0.000)；扫描深度为＞120 cm 时，3 个树种的根系密度差异不显著(P=0.520)(图3c)。

图3 乔—灌—草配置群落组成各树种的根系分布Fig.3 Root distribution of each tree species in arbor-shrubgrass community composition

2.3 不同立地环境的行道树根系分布

由图4 可知：水平方向上，距离主干1、2 和3 m 处，香樟和榉树在硬质覆盖下的根系密度均大于草本下的根系密度，广玉兰在草本覆盖下的根系密度大于在硬质覆盖下的根系密度；垂直方向上，香樟在草本覆盖下土壤深度0～60 cm和＞60～120 cm 的根系密度大于硬质覆盖下的根系密度；榉树和广玉兰则是硬质覆盖下土壤深度0～60 cm 的根系密度大于草本覆盖下的根系密度，而草本覆盖下土壤深度＞60～120 cm 的根系密度远大于硬质覆盖下的根系密度。

图4 不同立地环境的不同树种根系密度对比Fig.4 Comparison of root density of different tree species in different site environments

2.4 行道树根型分析

2.4.1 根型分类

由图5 可知：栾树的根系分布为垂直与水平型；香樟和悬铃木的根系分布为横走型；广玉兰、女贞和榉树的根系分布为直角型；银杏的根系分布为垂直型。

图5 行道树根系分布示意图Fig.5 Distribution diagram of street tree’s root

2.4.2 不同立地环境对行道树根型的影响

不同立地环境下行道树的根型有差异(图6)。立地环境周围硬质覆盖占比大的行道树(图6a～c、f～g)，人行道侧距树干2 和3 m 内的根系分布于土壤深度30 cm 处，而在车行道侧距树干2 和3 m内的根系分布于土壤深度50 cm 处。人行道和树穴处不同的硬质覆盖对根系的分布影响不大，人行道一侧的硬质厚度为30～40 cm，树穴处的硬质覆盖厚度为6～10 cm，车行道一侧硬质厚度则一般＞50 cm，树木根系分布于硬质之下的土壤中。立地环境周围没有硬质覆盖或硬质覆盖占比小的行道树(图6d～e)，行道树距树干2 和3 m 内的根系均分布于土壤深度50 cm 处；在没有硬质覆盖的一侧，土壤深度20 cm 下就有行道树根系分布，而在有硬质覆盖的一侧根系则分布于土壤深度60 cm 处。

图6 不同立地环境的根系分布Fig.6 Root distribution in different site environment

3 讨论

3.1 不同树种行道树粗根分布与根型分析

在行道树根系研究中，挖掘法、钉板法、容器法和玻璃壁与玻璃管法等为传统常用方法，但会对植物根系造成伤害，而探地雷达能够非侵入式地对植物根系进行探测，避免了对树木的损伤，且仪器方便携带、操作较为简单，故本研究使用树木雷达对行道树的根系进行探测，得到行道树根系的空间分布与根系密度。

传统的树木根系研究对象集中在城市绿地及野外，而本研究的对象主要为城市行道树。根系探测结果发现：根系密度最大的为榉树，最小的为悬铃木，不同种类行道树在水平方向上的根系密度随着与主干距离的增加呈现递减趋势，且根系主要分布于距主干1 m 处；在垂直方向上的行道树根系密度随着土壤深度的增加呈现递减趋势，其根系主要分布于土壤深度0～60 cm 处。王宝宁等[17]以不同立地环境的香樟等树种为对象研究其根系分布状况，发现根系主要分布于距树干1 m 处和土壤深度0～60 cm 内，与本研究结果基本一致，但造成上海市行道树根系分布较浅的主要原因是上海市地下水位高、土壤盐碱化和土壤板结等[25]。同时，树木根系的分布也受水源、光、空气和养分等自然因素的影响，不向下延伸而是向上或向四周生长[26-28]。

本研究的21 个样地中，有18 个样地的行道树立地环境为硬质占比较大，1 个样地的硬质占比较小，2 个样地没有硬质。在硬质占比较大的立地环境下，行道树根系会出现分布不均匀的现象，车行道的沥青混凝土铺装分为面层、基层和垫层，这3 层结构较厚(60 cm)，且垫层下的土壤通常经过压实处理，硬质铺装阻碍了行道树根系的生长，所以其根系只能顺着硬质铺装向下延伸；但有部分样地的树木根系在沥青混凝土铺装下没有分布，推测这与行道树的栽植时间有关[25]。人行道铺装厚度(30～40 cm)通常小于车行道铺装厚度，故人行道一侧的行道树根系分布深度小于车行道一侧，这与贾益兴等[29]和舒健骅等[30]的研究结果一致。

尽管根系雷达扫描可获得乔木根系的数量和分布特征，计算其特定距离的根系密度[16]，但尚不能检测直径小于2 cm 的细根，且在检测过程中尚无法完全排除城市道路下管线的影响，城市道路的硬质铺装面也会对雷达信号产生不同程度的影响，因此，利用树木雷达对根系进行探测时有一定的局限性。

3.2 不同群落组成和立地环境对行道树根系分布的影响

本研究中，7 种行道树的群落组成分为乔—乔配置群落和乔—灌—草配置群落。在乔—乔配置群落中，行道树的根系密度在水平方向上会随着与树干距离的增加而减少，而在垂直方向上会随着扫描深度的增加而减少；在乔—灌—草配置群落中，根系密度在水平方向上也会随着与树干距离的增加而减少，但在垂直方向上则是随着扫描深度的增加而先增加后减少。造成2 种群落组成模式下垂直方向根系密度差异的主要原因是其所在的立地环境不同，草本覆盖下树木栽植点的周围均为植被覆盖，同时较为开阔，土壤表层的含水量较少，为了满足树木生长所需的水分，其根系向下生长[28]；而在硬质铺装下，树穴处和周围都有硬质覆盖，防止土壤水分的蒸发，故土壤深度0～60 cm 处的根系密度较大。

栽植行道树时，应在其栽植点与车行道之间预留一段缓冲地带，为根系生长留出足够的空间，让行道树的根系可以正常延展[31]；或者可以给行道树施加根栅，将根系引导至向下生长[15]。在条件允许的情况下，应尽量采用种植带的方式栽植行道树，在树木下方配置灌木及草本植物，尽量避免靠近距离基干1 m 内的根系处于硬质铺装下，在保证其根系生长空间的前提下也可以提升景观的丰富度[32]。