干旱礦區檸條直根自修復后對存活率和活力的影響

楊東旭 ，劉 靜 *，張 欣 ，李有芳

（1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古呼和浩特 010019；2.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古呼和浩特 010019）

礦區生態修復是實現土地綜合治理的有效技術途徑，生態自然修復指依靠植物的各種自然特性以及生物、化學、物理等作用進行自我修復的過程[1]。干旱區、半干旱區的植物根系自我修復是實現生態自我修復的基礎，根系在遭受沉陷裂縫區域的拉拔、剪切等損傷力后，會通過細胞、組織的自我修復，恢復活力，減少外營力對植物體的損害，從而實現恢復生態穩定的功能[2]。因此，研究受損后植物根系的自我修復對根系持續固土機制的揭示以及今后植被生態恢復重建具有重要意義。目前，對礦區根系研究主要集中于植被根系采動損傷機理、地表裂縫對根系微環境影響、菌根及有機酸對根系修復的調控機理等方面[3-6]，而對根系自我修復特性方面報道較少。植物根系的活力值及存活率反映著植物對營養物質、水分的吸收能力及生長發育狀況，兩者是衡量根系自我修復的重要指標。該研究以干旱區檸條（Caragana korshinskii）為研究對象，對其直根進行自然破壞受力的模擬試驗，使其進行不同時長的自我修復，對修復后的存活率和活力狀況等影響因素進行研究，為植物自我修復的機制研究提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于陜西省榆林市神木市大柳塔鎮，是神府東勝煤田腹地中心。該區地處毛烏蘇沙地和黃土丘陵區的過渡地帶，屬于大陸性干旱半干旱氣候，生態環境脆弱，降雨集中在夏秋季，蒸發量大。土壤結構性差，有機質匱乏，透氣性強，保水保肥性能差。主要植物種有檸條、沙柳（Salix psammopila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）等。

2 材料與方法

試驗時間為2015年5—10月，試驗儀器為自制便攜式根系徑向和軸向力學特性試驗機和HG100數顯式推拉力機（精度0.05 N）。在試驗樣地針對檸條標準株進行根系挖掘，對挖出的一部分根系測定極限抗拉力，該抗拉力為下一步損傷力的確定提供基礎數據。另選定15株與標準株形態相近的檸條，對其根系進行損傷拉力的施加；施力后回埋，做好標記，于當年測定存活率和活力。試驗設定2個梯度損傷力[7-8]：直根抗拉力的30%（接近彈性極限，以下稱輕度損傷力）和直根抗拉力的70%（遠大于彈性極限，以下稱重度損傷力）。對照組進行相同的挖掘、裸露、夾持處理，不施加任何損傷力，具體施力操作方法參考李有芳的研究[9]。篩除死根，測定每個處理下及平行對照活根的活力，測定方法采用TTC法，活力值用TTC還原強度（μg/g·h）表示。

3 結果與分析

3.1 2項因素對直根存活率的影響

圖 1 檸條直根修復后的存活率

3.1.1 損傷力。由圖1可知，損傷力對修復后直根的存活率有顯著影響，根系在修復過程中存在不同程度的死亡現象，修復后的直根存活率均低于對照。不同損傷力下存活率不同，損傷力越大，存活率越小，且輕度損傷力和重度損傷力下的根系存活率差異顯著（P＜0.05）。對照的存活率在80% 以上；輕度損傷時，修復3個月的直根各徑級存活率均大于68%，其1～4 mm受損根系存活率比對照降低12.08%；重度損傷時，修復3個月的直根存活率為50%～69%，其1～4 mm受損根系存活率比對照降低28%。由此可見，損傷力抑制根系生長，重度損傷力的抑制作用更大，重度損傷力大于根系的彈性極限力，容易對根系造成不可逆的撕裂破壞，在修復過程中無法恢復原狀，有根系大量死亡現象。直根修復受修復時長影響，自修復5個月存活率大于3個月。以重度損傷力為例，根系自修復3個月平均存活率62%，1～4 mm受損根系存活率比自身對照降低23%～37%；根系自修復5個月平均存活率70%，1～4 mm受損根系比自身對照降低12%～31%。

3.1.2 根徑。檸條直根表現為隨根徑的增長其存活率逐漸增大，且不同根徑的直根存活率差異性顯著（P＜0.05）。1.0～1.5 mm根徑范圍內的直根存活率最小，存活率最大出現在2.0～2.5 mm或2.5～3.0 mm范圍內。輕度損傷力時，2.5～3.0 mm直根的存活率較1.0～1.5mm直根存活率高25%（修復3個月）及12%（修復5個月）；重度損傷力時，2.5～3.0 mm直根的存活率較1.0～1.5 mm直根存活率高52%（修復3個月）及15%（修復5個月）。徑級小于2 mm的直根，以初生結構為主，次生結構組織不夠發達，脆弱的內部結構對外界損傷力更敏感，修復過程中的死亡率明顯大于徑級較粗的根系。

3.2 2項因素對直根活力的影響

3.2.1 損傷力。由圖2可知，損傷力影響修復直根的活力，根系自修復后活力低于對照。各徑級重度損傷與對照根系活力差異顯著（P＜0.05），輕度損傷與對照活力差異顯著（2.5～4.0 mm不顯著）。對照根系活力為3.08 μg/g·h輕度損傷力下，直根自修復3個月的活力為2.77 μg/g·h，比對照下降9.97%；重度損傷力下，直根自修復3個月的活力為2.11 μg/g·h，比對照下降31.42%。重度損傷力下，根系自修復后活力顯著低于輕度損傷力下的活力。根徑越小，差距越大，以1.0～1.5 mm為例，前者是后者的30.60%。修復時長對直根活力產生影響。直根自修復5個月后，活力較自身對照有下降趨勢，輕度損傷力下，下降幅度為3.69%；重度損傷力下，下降幅度為16.22%。可見，較自修復3個月的直根下降幅度明顯減小，說明修復時間的延長促進了根系的自修復。

圖 2 檸條直根修復后的活力

3.2.2 根徑。檸條直根表現為隨根徑的增長其活力逐漸減小。1.0～2.5 mm的直根活力平緩下降，2.5～3.5 mm的直根活力呈陡坡式下降趨勢。當根徑小于2.5 mm，自修復直根與對照的活力存在顯著差異（P＜0.05），而當根徑大于2.5 mm時，兩者無顯著差異。以自修復3個月直根為例，輕度損傷時，1～1.5mm直根自修復后活力為對照的87.33%，而3.0～3.5 mm直根自修復后活力為對照的97.13%；重度損傷時，1.0～1.5 mm直根自修復后活力僅為對照的60.61%，而3.0～3.5 mm直根活力為對照的76.52%。由此可見，大于2.5 mm的直根其活力自修復能力相對較強，這可能是因為其內部次生結構相對較發達，吸收功能減弱，主要承擔運輸功能，對外部損傷具有更強的抵抗能力。

4 討論

經過一定時間修復后，1～2 mm的直根活力下降程度遠大于3.0～4.5 mm根徑范圍內的直根，1～2 mm的直根存活率低于3.0～4.5 mm根徑范圍內的直根，這是由于不同根徑的直根組成成分、結構、功能不同，因此在受外力損傷后的自修復能力不同。3～4 mm的大細根一般位于高級根序（3、4、5級），而 1～2 mm的小細根一般位于低級根序（1、2級）。低級根序是初生根和吸收根，主要承擔根系吸收水分與養分的功能，且初生結構無木栓層，發達的薄壁細胞很脆弱，對外界損傷更敏感。當其受到損傷力后，通道薄壁細胞容易被破壞，抑制水分和養分的吸收，導致短時間內低級根系大量死亡[9]；高級根序的大細根具有機械強度較大的次生組織，且周皮彈性強度大，受損后的細胞能夠盡快恢復，自修復能力更強。同時，修復時長影響根系活力和存活率，經過5個月修復后的根系活力和存活率較修復3個月的根系更高。于瑞雪[10]等對黑沙蒿根系修復的研究中，以植物根體積、根系長度、表面積、平均直徑等為指標建立了綜合評價模型，并評價了煤炭開采后沙蒿根系自我修復能力。研究表明，隨著時間的延長，根系自修復能力增強。經過1年的修復后，沙蒿完全消除了外營力帶來的損害，基本恢復到正常生長發育狀態，這說明植物根系在受到損傷力破壞后，能夠通過自我修復機制恢復正常生長狀態。此外，不同的植物對外界損傷敏感度不同，自我修復能力存在差異性。自我修復能力強的植物，在受損后能夠很快恢復正常生長，起到快速高效修復生態的作用。因此，深入開展塌陷區不同植物自我修復能力的研究，篩選出優良的固土保水植物是今后生態修復領域的重要研究方向。