上海地區常見古樹根系分布情況研究

陳志華 （上海市綠化管理指導站，上海市黃浦區 200020）

上海地區常見古樹根系分布情況研究

陳志華 （上海市綠化管理指導站，上海市黃浦區 200020）

古樹名木是城市重要的綠色景觀，擁有極高的歷史、生態、科研價值，對其根系的分布情況進行研究，是保護古樹名木的一項重要措施。現利用美國T r e e R a d a r公司開發的樹木雷達系統（T R U）對上海地區常見的4種古樹名木的粗根系采用非入侵式探測，檢測了古樹的粗根系水平、垂直分布特點，并依此提出了相關古樹保護的建議。并重點研究了對根系分布的主要影響因子，發現了銀杏、香樟、廣玉蘭和桂花古樹在水平和垂直方向上粗根系的分布情況和規律，其中影響粗根系分布的主要因素是樹木年齡，次要因素是立地條件。

古樹名木；粗根系；分布；地質雷達；上海地區

古樹名木既是重要的自然資源和遺產，也是寶貴的歷史文化財富，對優化城市自然環境、豐富城市人文環境具有重要作用。保護古樹名木及其后續資源不僅是對城市“綠色文物”的尊重，更是城市文化的延續。古樹的生長特征結構可以反映百年來甚至千年來的自然環境與氣候變化情況[1]，對于植物學、氣象學等學科具有極高的研究價值。古樹，尤其是城市中的古樹，其生長勢的衰退往往是由于根系遭到了破壞[2-4]，特別是在城市大發展的年代，不恰當的施工行為極易損傷古樹根系并造成古樹生長勢衰退。因此，研究和了解古樹根系的地下分布情況，對開展古樹復壯保護、劃定古樹保護區范圍具有十分重要的意義。

在傳統的樹木根系分布情況研究中，部分研究者采用的調研方法需要通過挖土取樣[5]，不僅會對植物根系造成一定破壞，而且也無法得出全面的植物根系分布空間特征，但能較為精確地研究植物細根分布情況；另有部分研究者采用微根管來監測樹木根系生長情況，但耗費周期較長。而采用探地雷達來探測植物根系情況，不僅可最大程度地減少對根系的破壞，而且數據收集更有效[6-9]。因此，本研究采用了Tree Radar公司開發的樹木雷達系統（TRU）對古樹名木根系采用非入侵式的探測，監測了上海地區常見古樹（如銀杏、香樟、廣玉蘭和桂花)在水平和垂直兩個方向的粗根系分布密度及分布特征。

1 材料與方法

1.1 調查材料

由于古樹的樣本采集具有一定的局限性，如重復性低、數量少，且古樹生長環境復雜多樣，影響古樹長勢的因素較多，可控性極低。因此，在選取調查對象時應充分考慮典型性和代表性。本次研究選用的銀杏樹、香樟樹、廣玉蘭樹和桂花樹是上海地區數量最多的古樹品種，數量合計占上海地區所有古樹名木及其后續資源的50%以上。同時，考慮到樹木雷達所需的操作業面，最終每個樹種篩選了5株古樹，并將篩選出的古樹的生長環境特征分為兩級，I級環境為樹冠投影范圍內均為軟質地面，II級環境則是樹冠投影范圍內有硬質地面或圍墻等阻礙物。每個古樹樹種的樣本中均有4棵古樹為I級環境，用于根系分布的分析；II級環境每個樹種只選擇典型代表的1棵古樹作為對照分析。本次研究只針對古樹的粗根系。所有選取的古樹生長情況均為一般以上，且近5年內生長環境無重大變化（見表1）。

表1 調查古樹的基本情況

1.2 調查方法

樹木雷達系統能實現對植物根系的非侵入式掃描，其基本原理是通過發射電磁波，利用其在不同物體間產生的反射和散射的差異性來實現淺層成像定位，進而定性或定量地辨識地表中的電磁特性變化，實現對地表層下目標的探測，而樹根和周圍的土基電磁偏差則具有檢測所需的差異性能。該儀器探地雷達分為400 HZ和900 HZ兩種規格，分別對應地表層下4 m探測深度、2 cm直徑根系精度和1 m探測深度、1 cm直徑根系精度。由于古樹根系分布深度往往超過1 m，故采用400 HZ規格、2 cm直徑根系精度[10]的儀器，測定結果較為準確。測定時雷達需緊貼地面，其最佳測定要求是樹干周圍沒有建筑物及其他遮擋，且地表平整。

針對選取的古樹樣本，在地面條件允許的情況下，以樹干為中心，將探地雷達做圓周掃描，半徑間隔為1 m，最大掃描半徑范圍覆蓋古樹的樹冠垂直投影范圍。而無法做到完整的同心圓掃描的區域，則根據其可掃描范圍做線性掃描，掃描線路間距1 m，直至樹冠垂直投影范圍被掃描線路完全覆蓋（由于生長環境為II級的古樹周邊阻礙物較多，其最大掃描半徑未完全覆蓋樹冠垂直投影）。

獲得根系掃描的波譜圖后，將其導入Tree Win根系分析軟件中，通過人工處理和分析圖像后，選擇符合根系動態回波模型的點，最終通過地理坐標將數條線路分析結果整合，從而獲得完整的古樹根系分布特征圖，并統計出根系分布深度、范圍、根系密度等數據指標。

2 結果與分析

2.1 4種古樹粗根系的水平分布特征

從圖1可知，4種古樹的粗根系在水平分布上的特征是基本一致的，以樹干為中心，粗根系數量均會隨離樹干的距離增加而顯著減少。粗根系在水平方向上的分布范圍基本與樹冠投影范圍一致。

由圖1-a可知，古銀杏樹的粗根系在水平分布上呈指數級下降，各年齡段的古銀杏樹的粗根系數量在距樹干4 m的范圍內急速下降，而后趨于平穩。在2 m范圍內樹齡較小的古銀杏樹的粗根系數量較多，這可能與樹齡較大的銀杏樹的粗根系退化或是更傾于向更廣闊的空間發展有關。由此說明，古銀杏樹的樹齡越大，其粗根系分布范圍越廣。

由圖1-b可知，古香樟樹的粗根系的水平分布上的情況與古銀杏樹類似，但古香樟樹的粗根系數量下降的拐點出現得更早，基本在距樹干2～3 m處；而與古銀杏樹情況不同的是，古香樟樹的樹齡與其粗根系數量和分布范圍均成正比，即古香樟樹的樹齡越大，粗根系數量越多，分布范圍也越廣。

由圖1-c可知，古廣玉蘭樹的粗根系在水平分布上的波動不甚明顯，呈較微弱的單峰分布。與古香樟樹類似，古廣玉蘭樹的粗根系數量與樹齡也成正相關，樹齡130年的古廣玉蘭樹在粗根系數量上明顯多于樹齡100年的古廣玉蘭樹。此外，古廣玉蘭樹的粗根系延展性也較好，多個樣本顯示，其粗根系分布范圍遠超于樹冠投影范圍，樹齡120年的古廣玉蘭樹在距樹干7 m處仍有較多的粗根系，甚至有直徑大于2 cm的粗根系分布。

由圖1-d可知，古桂花樹與古銀杏樹、古香樟樹、古廣玉蘭樹等大喬木樹種不同，屬于小喬木或灌木，其粗根系分布范圍要小于其他3種大喬木樹種，且古桂花樹的粗根系在水平分布上基本止步于4 m范圍內，其粗根系數量隨著距樹干距離增大而逐漸減小。同時，相較于樹齡，周邊環境因子對粗根系數量的影響更為明顯，如樹齡100年的古桂花樹的粗根系數量遠遠高于樹齡200年的古桂花樹，且在2～3 m范圍內的粗根系數量還出現了小幅上升。造成這種現象的原因可能是周圍其他樹的根系對檢測結果的干擾，雷達沒有辦法辨認不同樹種的根系。

圖1 古銀杏樹（a）、古香樟樹（b）、古廣玉蘭樹（c）和古桂花樹（d）根系數量水平分布特征

2.2 4種古樹粗根系的垂直深度分布特征

通過調查上海地區4種古樹的粗根系在不同垂直深度下的數量發現，4種古樹的粗根系深度一般不超過地下3 m，且隨著深度的增加，粗根系數量逐漸減少。

由圖2-a可知，古銀杏樹的粗根系分布密度在地下0～1 m內最高，且樹齡越大，在地下0～1 m深度內古銀杏樹的粗根系分布越多。此外，古銀杏樹粗根系在垂直分布上的延展性較好，在地下2～3 m深度內，仍然有較多粗根系存在。而樹齡500年和600年的古銀杏樹的粗根系在垂直分布上深度超過2 m，這也說明了上海地區較多古銀杏樹的地下生長空間不足。

由圖2-b可知，古香樟樹在地下0～1 m深度內的粗根系數量與古銀杏樹相當，但在深度超過1 m外的粗根系數量下降十分明顯，在地下2～3 m深度內粗根系數量明顯少于古銀杏樹，表明古香樟樹的粗根系在深度上的延展性不如古銀杏樹。

由圖2-c可知，古廣玉蘭樹的粗根系在垂直分布上也大多集中于地下0～1 m深度，地下2 m深處的粗根系數量顯著減少，整體情況與古香樟樹類似。

由圖2-d可知，古桂花樹的粗根系在垂直分布上也遵循樹齡越大粗根系越深的原則。古桂花樹的粗根系分布較淺，在地下1～2 m深處就少有粗根系分布了。

2.3 根系三維模擬分析

選取編號為0434古銀杏樹、0858古香樟樹、0761古廣玉蘭樹和1152古桂花樹4棵具有類似生長環境和樹齡的古樹，繪制水平半徑4 m范圍內的根系分布三維模擬圖來研究更為直觀的不同古樹的根系分布特點。在半徑4 m范圍內，古銀杏樹的粗根系整體密度略高于其余3種古樹。從三維模擬結果可知，古銀杏的粗根系在地下深度120 cm以下的分布密度仍較高，而古香樟樹和古廣玉蘭樹的粗根系較多分布在地下深度0～120 cm范圍內，屬于中層次分布，古桂花樹的粗根系密度則在地下深度0～60 cm范圍內最高。從三維模擬的根系形態來看，古銀杏樹和古桂花樹的根系圖像比古香樟樹和古廣玉蘭樹的深度更深，顯然古香樟樹和古廣玉蘭樹更傾向于在淺層土的水平分布上擴展根系，而古銀杏樹和古桂花樹則傾向于在垂直分布上進行根系延伸。

圖2 古銀杏樹(a)、古香樟樹(b)、古廣玉蘭樹(c)、古桂花樹（d）根系數量垂直分布特征

3 結論與展望

研究結果表明，不同古樹的粗根系在水平分布上具有大致相似的特征，即隨粗根系的擴展，距樹干中心越遠粗根系數量越少，但古廣玉蘭樹的粗根系水平分布范圍一般超過其樹冠投影的范圍，而其他3種古樹的根系水平分布則基本與樹冠投影范圍相當，所以古廣玉蘭樹相比其他古樹來說，需要更大的保護區范圍，才能最大程度地保護其根系免受影響。古香樟樹和古廣玉蘭樹的粗根系數量與其樹齡存正比關系，即樹齡越大，水平分布上的粗根系數量越多；古銀杏樹則與之相反，樹齡越小，其粗根系越聚集于樹干附近，而樹齡越大，其根系則向更深更廣的方向延伸。從粗根系垂直分布上來看，上海地區的這4種常見古樹的粗根系分布深度一般不超過地下2 m，古銀杏樹的粗根系相對更深一些，樹齡較大的古銀杏樹的粗根系深度可能達地下3 m乃至更深；古香樟樹和廣玉蘭樹的粗根系深度相對較淺。總體來說，樹齡越大，古樹的粗根系范圍也就越大，分布深度越深，因此所需要的生長空間也更大。

影響古樹根系分布的主要因素除樹齡外，也受環境因素的影響，相對于自然森林中的古樹，上海城區中的古樹根系分布相對較淺，究其原因可能是上海地區地下水水位高，古樹不需要向下延伸即可吸收水分；土壤孔隙度較低[11]，不利于深層根系的呼吸；建設用地土壤厚度不夠和地下設施的開挖等，尤其是地下設施的存在，導致古樹根系在深度上無法繼續延展，古樹根系只能在有限的空間內生長，造成淺層根系密度變大、根系分布過淺等問題。如編號0057古銀杏樹、1186古桂花樹等都存在這一問題，在臺風季節，極易造成安全隱患。針對上海地區古樹根系分布較淺的現實，筆者建議有條件的情況下應適當開展引根工作，可從地下2 m深的地方進行肥力誘導；若缺乏引根條件，也應通過架設外部固定設施來防止古樹倒伏情況的發生。

由于古銀杏樹和古廣玉蘭樹代表了兩種不同古樹的根系生長方式，具有較強的典型性和代表性，因此，下一步的研究方向是針對這兩種古樹的不同樹齡、不同立地條件開展更深入的研究，以期通過數據的積累，提出上海地區古樹生長勢的根系評價指標。

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2017-03-01