上海地区常见古树根系分布情况研究

陈志华 （上海市绿化管理指导站，上海市黄浦区 200020）

上海地区常见古树根系分布情况研究

陈志华 （上海市绿化管理指导站，上海市黄浦区 200020）

古树名木是城市重要的绿色景观，拥有极高的历史、生态、科研价值，对其根系的分布情况进行研究，是保护古树名木的一项重要措施。现利用美国T r e e R a d a r公司开发的树木雷达系统（T R U）对上海地区常见的4种古树名木的粗根系采用非入侵式探测，检测了古树的粗根系水平、垂直分布特点，并依此提出了相关古树保护的建议。并重点研究了对根系分布的主要影响因子，发现了银杏、香樟、广玉兰和桂花古树在水平和垂直方向上粗根系的分布情况和规律，其中影响粗根系分布的主要因素是树木年龄，次要因素是立地条件。

古树名木；粗根系；分布；地质雷达；上海地区

古树名木既是重要的自然资源和遗产，也是宝贵的历史文化财富，对优化城市自然环境、丰富城市人文环境具有重要作用。保护古树名木及其后续资源不仅是对城市“绿色文物”的尊重，更是城市文化的延续。古树的生长特征结构可以反映百年来甚至千年来的自然环境与气候变化情况[1]，对于植物学、气象学等学科具有极高的研究价值。古树，尤其是城市中的古树，其生长势的衰退往往是由于根系遭到了破坏[2-4]，特别是在城市大发展的年代，不恰当的施工行为极易损伤古树根系并造成古树生长势衰退。因此，研究和了解古树根系的地下分布情况，对开展古树复壮保护、划定古树保护区范围具有十分重要的意义。

在传统的树木根系分布情况研究中，部分研究者采用的调研方法需要通过挖土取样[5]，不仅会对植物根系造成一定破坏，而且也无法得出全面的植物根系分布空间特征，但能较为精确地研究植物细根分布情况；另有部分研究者采用微根管来监测树木根系生长情况，但耗费周期较长。而采用探地雷达来探测植物根系情况，不仅可最大程度地减少对根系的破坏，而且数据收集更有效[6-9]。因此，本研究采用了Tree Radar公司开发的树木雷达系统（TRU）对古树名木根系采用非入侵式的探测，监测了上海地区常见古树（如银杏、香樟、广玉兰和桂花)在水平和垂直两个方向的粗根系分布密度及分布特征。

1 材料与方法

1.1 调查材料

由于古树的样本采集具有一定的局限性，如重复性低、数量少，且古树生长环境复杂多样，影响古树长势的因素较多，可控性极低。因此，在选取调查对象时应充分考虑典型性和代表性。本次研究选用的银杏树、香樟树、广玉兰树和桂花树是上海地区数量最多的古树品种，数量合计占上海地区所有古树名木及其后续资源的50%以上。同时，考虑到树木雷达所需的操作业面，最终每个树种筛选了5株古树，并将筛选出的古树的生长环境特征分为两级，I级环境为树冠投影范围内均为软质地面，II级环境则是树冠投影范围内有硬质地面或围墙等阻碍物。每个古树树种的样本中均有4棵古树为I级环境，用于根系分布的分析；II级环境每个树种只选择典型代表的1棵古树作为对照分析。本次研究只针对古树的粗根系。所有选取的古树生长情况均为一般以上，且近5年内生长环境无重大变化（见表1）。

表1 调查古树的基本情况

1.2 调查方法

树木雷达系统能实现对植物根系的非侵入式扫描，其基本原理是通过发射电磁波，利用其在不同物体间产生的反射和散射的差异性来实现浅层成像定位，进而定性或定量地辨识地表中的电磁特性变化，实现对地表层下目标的探测，而树根和周围的土基电磁偏差则具有检测所需的差异性能。该仪器探地雷达分为400 HZ和900 HZ两种规格，分别对应地表层下4 m探测深度、2 cm直径根系精度和1 m探测深度、1 cm直径根系精度。由于古树根系分布深度往往超过1 m，故采用400 HZ规格、2 cm直径根系精度[10]的仪器，测定结果较为准确。测定时雷达需紧贴地面，其最佳测定要求是树干周围没有建筑物及其他遮挡，且地表平整。

针对选取的古树样本，在地面条件允许的情况下，以树干为中心，将探地雷达做圆周扫描，半径间隔为1 m，最大扫描半径范围覆盖古树的树冠垂直投影范围。而无法做到完整的同心圆扫描的区域，则根据其可扫描范围做线性扫描，扫描线路间距1 m，直至树冠垂直投影范围被扫描线路完全覆盖（由于生长环境为II级的古树周边阻碍物较多，其最大扫描半径未完全覆盖树冠垂直投影）。

获得根系扫描的波谱图后，将其导入Tree Win根系分析软件中，通过人工处理和分析图像后，选择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，从而获得完整的古树根系分布特征图，并统计出根系分布深度、范围、根系密度等数据指标。

2 结果与分析

2.1 4种古树粗根系的水平分布特征

从图1可知，4种古树的粗根系在水平分布上的特征是基本一致的，以树干为中心，粗根系数量均会随离树干的距离增加而显著减少。粗根系在水平方向上的分布范围基本与树冠投影范围一致。

由图1-a可知，古银杏树的粗根系在水平分布上呈指数级下降，各年龄段的古银杏树的粗根系数量在距树干4 m的范围内急速下降，而后趋于平稳。在2 m范围内树龄较小的古银杏树的粗根系数量较多，这可能与树龄较大的银杏树的粗根系退化或是更倾于向更广阔的空间发展有关。由此说明，古银杏树的树龄越大，其粗根系分布范围越广。

由图1-b可知，古香樟树的粗根系的水平分布上的情况与古银杏树类似，但古香樟树的粗根系数量下降的拐点出现得更早，基本在距树干2～3 m处；而与古银杏树情况不同的是，古香樟树的树龄与其粗根系数量和分布范围均成正比，即古香樟树的树龄越大，粗根系数量越多，分布范围也越广。

由图1-c可知，古广玉兰树的粗根系在水平分布上的波动不甚明显，呈较微弱的单峰分布。与古香樟树类似，古广玉兰树的粗根系数量与树龄也成正相关，树龄130年的古广玉兰树在粗根系数量上明显多于树龄100年的古广玉兰树。此外，古广玉兰树的粗根系延展性也较好，多个样本显示，其粗根系分布范围远超于树冠投影范围，树龄120年的古广玉兰树在距树干7 m处仍有较多的粗根系，甚至有直径大于2 cm的粗根系分布。

由图1-d可知，古桂花树与古银杏树、古香樟树、古广玉兰树等大乔木树种不同，属于小乔木或灌木，其粗根系分布范围要小于其他3种大乔木树种，且古桂花树的粗根系在水平分布上基本止步于4 m范围内，其粗根系数量随着距树干距离增大而逐渐减小。同时，相较于树龄，周边环境因子对粗根系数量的影响更为明显，如树龄100年的古桂花树的粗根系数量远远高于树龄200年的古桂花树，且在2～3 m范围内的粗根系数量还出现了小幅上升。造成这种现象的原因可能是周围其他树的根系对检测结果的干扰，雷达没有办法辨认不同树种的根系。

图1 古银杏树（a）、古香樟树（b）、古广玉兰树（c）和古桂花树（d）根系数量水平分布特征

2.2 4种古树粗根系的垂直深度分布特征

通过调查上海地区4种古树的粗根系在不同垂直深度下的数量发现，4种古树的粗根系深度一般不超过地下3 m，且随着深度的增加，粗根系数量逐渐减少。

由图2-a可知，古银杏树的粗根系分布密度在地下0～1 m内最高，且树龄越大，在地下0～1 m深度内古银杏树的粗根系分布越多。此外，古银杏树粗根系在垂直分布上的延展性较好，在地下2～3 m深度内，仍然有较多粗根系存在。而树龄500年和600年的古银杏树的粗根系在垂直分布上深度超过2 m，这也说明了上海地区较多古银杏树的地下生长空间不足。

由图2-b可知，古香樟树在地下0～1 m深度内的粗根系数量与古银杏树相当，但在深度超过1 m外的粗根系数量下降十分明显，在地下2～3 m深度内粗根系数量明显少于古银杏树，表明古香樟树的粗根系在深度上的延展性不如古银杏树。

由图2-c可知，古广玉兰树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深处的粗根系数量显著减少，整体情况与古香樟树类似。

由图2-d可知，古桂花树的粗根系在垂直分布上也遵循树龄越大粗根系越深的原则。古桂花树的粗根系分布较浅，在地下1～2 m深处就少有粗根系分布了。

2.3 根系三维模拟分析

选取编号为0434古银杏树、0858古香樟树、0761古广玉兰树和1152古桂花树4棵具有类似生长环境和树龄的古树，绘制水平半径4 m范围内的根系分布三维模拟图来研究更为直观的不同古树的根系分布特点。在半径4 m范围内，古银杏树的粗根系整体密度略高于其余3种古树。从三维模拟结果可知，古银杏的粗根系在地下深度120 cm以下的分布密度仍较高，而古香樟树和古广玉兰树的粗根系较多分布在地下深度0～120 cm范围内，属于中层次分布，古桂花树的粗根系密度则在地下深度0～60 cm范围内最高。从三维模拟的根系形态来看，古银杏树和古桂花树的根系图像比古香樟树和古广玉兰树的深度更深，显然古香樟树和古广玉兰树更倾向于在浅层土的水平分布上扩展根系，而古银杏树和古桂花树则倾向于在垂直分布上进行根系延伸。

图2 古银杏树(a)、古香樟树(b)、古广玉兰树(c)、古桂花树（d）根系数量垂直分布特征

3 结论与展望

研究结果表明，不同古树的粗根系在水平分布上具有大致相似的特征，即随粗根系的扩展，距树干中心越远粗根系数量越少，但古广玉兰树的粗根系水平分布范围一般超过其树冠投影的范围，而其他3种古树的根系水平分布则基本与树冠投影范围相当，所以古广玉兰树相比其他古树来说，需要更大的保护区范围，才能最大程度地保护其根系免受影响。古香樟树和古广玉兰树的粗根系数量与其树龄存正比关系，即树龄越大，水平分布上的粗根系数量越多；古银杏树则与之相反，树龄越小，其粗根系越聚集于树干附近，而树龄越大，其根系则向更深更广的方向延伸。从粗根系垂直分布上来看，上海地区的这4种常见古树的粗根系分布深度一般不超过地下2 m，古银杏树的粗根系相对更深一些，树龄较大的古银杏树的粗根系深度可能达地下3 m乃至更深；古香樟树和广玉兰树的粗根系深度相对较浅。总体来说，树龄越大，古树的粗根系范围也就越大，分布深度越深，因此所需要的生长空间也更大。

影响古树根系分布的主要因素除树龄外，也受环境因素的影响，相对于自然森林中的古树，上海城区中的古树根系分布相对较浅，究其原因可能是上海地区地下水水位高，古树不需要向下延伸即可吸收水分；土壤孔隙度较低[11]，不利于深层根系的呼吸；建设用地土壤厚度不够和地下设施的开挖等，尤其是地下设施的存在，导致古树根系在深度上无法继续延展，古树根系只能在有限的空间内生长，造成浅层根系密度变大、根系分布过浅等问题。如编号0057古银杏树、1186古桂花树等都存在这一问题，在台风季节，极易造成安全隐患。针对上海地区古树根系分布较浅的现实，笔者建议有条件的情况下应适当开展引根工作，可从地下2 m深的地方进行肥力诱导；若缺乏引根条件，也应通过架设外部固定设施来防止古树倒伏情况的发生。

由于古银杏树和古广玉兰树代表了两种不同古树的根系生长方式，具有较强的典型性和代表性，因此，下一步的研究方向是针对这两种古树的不同树龄、不同立地条件开展更深入的研究，以期通过数据的积累，提出上海地区古树生长势的根系评价指标。

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2017-03-01