土壤改良對櫻花根系的影響研究*

顧湯華 嚴 巍 夏蘊強 虞莉霞

1 上海市綠化管理指導站 上海 200020 2 上海交通大學 上海 200240 3 上海辰山植物園 上海 201602

土壤改良對櫻花根系的影響研究*

顧湯華1嚴 巍1夏蘊強2虞莉霞3

1 上海市綠化管理指導站 上海 200020 2 上海交通大學 上海 200240 3 上海辰山植物園 上海 201602

櫻花是上海地區常見的園林樹種，有著較高的觀賞價值，但上海地區由于土壤板結、土壤積水及鹽害等問題，常常導致櫻花生長不良。該研究提出了一種適宜于上海地區的土壤改良方案，即7份土+1～3份黃沙(粒徑0.4～1.0 mm)或石塊或砂壤土+2～3份有機基質+0.5～0.6份有機肥+土壤結構改良劑。該文利用美國TreeRadar公司開發的樹木雷達系統(TRU)對大樹樹木根系采用非入侵式的探測，檢測了改良前后櫻花根系的水平、縱向分布特點，并探討了土壤緊實度及水分對根系分布特征的影響。研究發現土壤改良后的櫻花根系數量要多于改良前，且分布廣于改良前，這可能是由于土壤容重的下降以及土壤含水量的降低所致。關鍵詞：土壤改良，根系分布，樹木雷達，影響因素

上海地區由于土壤酸堿度一般為中性或偏堿性，質地易板結，局部土壤鹽害較重；加上地勢低平，陰雨天氣多，常使土壤含水處于過飽和狀態，對櫻花根系的呼吸造成困難，往往出現櫻花死亡或長勢不佳。

目前有較多針對櫻花的土壤改良研究，主要指出土壤物理性質是影響櫻花生長的重要因素。土壤板結、土壤容重較大和土壤含水量較低是北京地區櫻花生長的主要限制因素[1]。對無錫地區櫻花類植物應用研究發現，行道樹種植的櫻花生長明顯差于其他綠地櫻花，原因是土壤的物理性狀，特別是表層40 cm之內的土壤孔隙度較低[2]。在上海，櫻花宜選擇土壤疏松、通氣性良好的沙壤土，忌低洼積水，否則應設置暗溝或明溝等排水系統，且后續的養護中盡量減少踐踏[3]。綜上所述，土壤物理性質是影響櫻花生長的主要因素，但對于土壤改良究竟如何影響櫻花的生長，現有的研究較少。本研究將分析不同土壤條件(改良前后)下櫻花根系的數量及分布情況，探討影響櫻花根系生長的因素。

目前在對于喬木根系分布特征的研究中，主要方法均需通過挖土取樣。這種方法會對植物根系造成破壞，無法得出全面的植物根系分布空間特征。國外常用微根管來監測根系生長情況[4]，這種方法耗時較長。本研究采用樹木雷達探測根系的方式可以減少對根系的破壞，且數據收集更有效。利用樹木雷達系統對樹木根系采用非入侵式的探測，檢測土壤改良前后櫻花的根系分布特征，包括水平分布和垂直分布特點，探討土壤各物理性質對櫻花根系分布的影響，為櫻花的栽植提供理論依據。

1 研究區概況

研究區域為上海辰山植物園“綠環”內，地處上海松江區松江新城北側、佘山西南。辰山植物園內地形平坦，大部分海拔2.8～3.2 m，最高點海拔為71.4 m。綠環位于辰山植物園的外側邊緣地帶，整體地勢較高，地形主要依靠大型機械堆高壓實。

研究區處于北亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，年平均氣溫15.6 ℃，無霜期230 d，年均日照1 817 h，降水量1 213 mm，極端最高溫度37.6 ℃，極端最低溫度-8.9 ℃，大氣質量為一類標準，比較適宜于各種溫帶、亞熱帶植物生長，且有一定的代表性。

研究區內的土壤物理性質為：土壤質地以粉砂粒為主、粘粒為輔，砂粒的含量很少，所以土壤的粘性較高。一般含有機質多而結構好的土壤的土壤容重為(1.1～1.4) g/cm3，而研究區的土壤容重為1.42 g/cm3，土壤板結比較嚴重。

土壤主要養分含量為有機質含量25.2 g/kg，全氮2.19 g/kg，有效磷27.24 mg/kg，速效鉀228 mg/kg。土壤pH值基本為中性偏堿性。

2 研究對象和方法

2.1 研究對象

本研究針對櫻花的土壤改良從2011年10月至2016年10月，歷時5年整。于2011年10月完成對土壤本底的調查、土壤物理性質和水分特征研究，了解研究區域的土壤主要障礙因子，并根據研究區域的土壤基本現狀，有針對性地進行局部土壤改良和施肥，同時對土壤改良后植物長勢和土壤質量變化情況進行定期監測。最終確定的土壤改良方案為：7份土+1～3份黃沙(粒徑0.4～1.0 mm)或石塊或砂壤土+2～3份有機基質+0.5～0.6份有機肥+土壤結構改良劑。

研究對象為土壤改良前后對照的6株櫻花，其中3株櫻花的種植土壤未經過改良，3株為經過改良后的櫻花。從地上部分生長勢來看，經過土壤改良的櫻花胸徑、株高、冠幅和年生長量都要好于未進行土壤改良的櫻花樣本。本研究將重點研究地下部分根系情況，探討土壤改良對櫻花根系的影響。

2.2 研究方法

通過TRU樹木雷達系統能夠實現對植物根系的非侵入式掃描。由于櫻花的根系分布主要在1 m以內，故采用1 m探測深度、1 cm探測直徑根系精度。測定時雷達需要緊貼地面，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。本研究中6株櫻花周圍均為平整綠地，有較好的測定條件，這也保證了根系測定結果的準確性[5-6]。

針對選取的櫻花樣本，將探地雷達以樹干為中心，做圓周掃描，半徑間隔為50 cm，最大掃描半徑范圍覆蓋樹木的樹冠垂直投影范圍。本研究中，未進行土壤改良的櫻花樹冠投影范圍在2 m以內，故最大掃描半徑為2 m。進行土壤改良的櫻花樹冠投影范圍在2.5 m左右，采用2.5 m的最大掃描半徑。掃描過程中記錄掃描線路的編號并將樹木周邊環境情況繪制平面圖。

獲得根系掃描的波譜圖后將其導入到TreeWin根系分析軟件中，通過人工處理和分析圖像后點選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獲得完整的樹木根系分布特征圖，并統計出分布深度、范圍、根系密度等數據指標。

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3 結果與分析

3.1 根系水平特征分布

土壤改良前后，櫻花根系的水平分布差異較大。從圖1中還可以看到，在各個水平距離上，根系的數量都是改良后的櫻花較多，差異十分明顯。改良前的櫻花隨著距樹干水平距離的增大，根系數量逐漸減少，根系數量最大值出現在距樹干0.5 m距離處。而進行土壤改良后的櫻花，在1 m處出現了一個波谷，根系數量呈現出先減少后增加的趨勢，且在距樹干2 m以后的變化趨勢趨向平穩。說明土壤未改良櫻花的根系主要分布在主根附近，距離越遠，根系越稀疏。而土壤改良后的櫻花則越往外，根系數量越多，表現了櫻花根系的活力較高，分生能力較強。另外從圖1中還可以看出，未進行土壤改良的櫻花的最大水平分布不超過2 m，與其樹冠的投影距離相當。而土壤改良后的櫻花根系水平分布達到2.5 m并繼續向外延伸，超過其樹冠的投影距離。

分析發現，在不同深度上的根系水平分布體現了更大的信息量。在0～50 cm深度、距離莖干1 m范圍內，土壤未改良櫻花的根系數量要多于土壤改良后的根系數量，而當距離超過1 m后，土壤改良的櫻花根系數量更多(圖2)。而在0～100 cm深度上，在各個水平距離上，土壤改良后的櫻花根系數量要明顯高于土壤未改良的根系數量。研究發現，50～100 cm深度的根系數量的變化對總根系數量變化的貢獻更為明顯，即土壤改良前的櫻花根系主要分布于淺層而改良后的櫻花根系在深層也有較多分布(圖3)。

圖1 土壤改良前后櫻花根系水平分布

圖2 深度0～50 cm土壤改良前后櫻花根系水平分布

圖3 深度50～100 cm土壤改良前后櫻花根系水平分布

3.2 根系豎直特征分布

為了研究近莖段和遠莖段根系豎直分布特點，選擇距離莖干0.5 m和2 m處的根系分布進行深度上的特點分析。從根系的豎直分布上來看，在距離莖干0.5 m處(即近莖段)(圖4)，土壤改良前后的櫻花根系分布趨勢不同。土壤未改良的櫻花根系數量隨著深度的增加而呈現單峰分布，數量的最大值出現在20 cm深度附近，且在20 cm以下的根系數量急劇減少，最大分布深度為80 cm左右。而土壤改良后的櫻花根系數量呈現雙峰分布趨勢，峰值出現在20 cm和60 cm深度附近，最大分布深度為1 m左右。

圖4 距莖干0.5 m處根系豎直分布

對比改良前后的櫻花根系數量可以發現，在 40 cm 深度以內，土壤改良前的櫻花根系數量要多于土壤改良后的數量，而在40 cm深度以下則相反。在距離莖干2 m處(即遠莖段)(圖5)，土壤改良前的櫻花根系數量十分稀少，在垂直分布上基本呈現均勻分布。而改良后的根系數量明顯要多于改良前，同時在20 cm和40 cm深度出現峰值，隨后減少較快。

圖5 距莖干2 m處根系豎直分布

選擇未改良組的3株櫻花繪制水平半徑2 m范圍內的根系分布三維圖，選擇改良組的2株櫻花繪制水平半徑2.5 m范圍內的根系分布三維圖。從三維模擬圖中可以看出，改良組的櫻花根系數量明顯要多于未改良組，且分布更廣。從根系顏色來判別，改良組的根系多呈現藍色和綠色，而未改良組多呈現紅色，表明改良組有著較多的深根系分布，而未改良組根系分布主要在淺層。

3.4 影響根系分布的因素

土壤孔隙度和土壤緊實度是土壤結構的重要指標，其大小、數量、連續性及其不同分配顯著影響土壤中水、熱、氣活動和植物根系生長。結構好的土壤的容重一般為(1.1～1.4) g/cm3，而研究區域的土壤容重為1.42 g/cm3，高于正常值，孔隙度低。宋家祥[7]等研究發現土壤容重為1.4 g/cm3和1.5 g/cm3的土壤對棉花主根機械阻力大而生長困難。本研究中，土壤改良后土壤容重降低，因此根系在水平和豎直2個方向上的分布都更廣。吳亞維[8]研究發現土壤緊實度的增加會導致楸子根系生長的速度減慢，根系長度下降，而且生長根、吸收根以及根系總量減少，根系的顏色加深。本研究同樣發現土壤緊實度較高的櫻花根系顏色比緊實度較低的櫻花根系顏色更深，這也反映了根系活力較低。

土壤水分也是影響根系分布的重要原因，土壤漬水使根層嚴重缺氧，根系生長發育受阻，根系活力下降，吸水減少，葉片萎焉和根系腐爛[9]。本研究中土壤改良后，土壤孔隙度增加，含水量減少，且淹水情況減少。這可能是導致櫻花根系數量增多的原因。劉華山等[10]研究發現相較于不淹水情況，淹水情況下芝麻根系的主根長度、鮮重和干重都有所下降，表明淹水對根系生長有抑制作用。且淹水情況下的側根數量也顯著減少。

4 現場取樣信息與掃描信息對比分析

為了更直觀也更詳細地對比土壤改良前后的櫻花根系分布特征，于2016年10月選擇2棵周邊環境相近的改良前后櫻花進行挖掘。根據根系掃描情況制定挖掘計劃，對于土壤未改良櫻花選擇2.5 m半徑和1 m深度的挖掘范圍，對于土壤改良櫻花選擇3 m半徑和1.5 m深度的挖掘范圍。

通過對比現場信息與掃描信息，發現現場挖掘情況與掃描情況吻合程度較高。從水平分布上來看，土壤未改良櫻花的根系主要在2 m以內，且2 m處的根系已十分稀少，基本無根系到達2.5 m處；而土壤改良后的櫻花根系分布主要在2.5 m以內，且在3 m處依然有少量根系分布。從豎直分布上來看，土壤未改良的櫻花根系分布主要在60 cm深度以內，且主要分布在表層，只有主根附近根系達到60 cm深度；而土壤改良后的櫻花根系成傘狀向下輻射，達到1 m深度以下，且深層根系的數量要明顯多于淺層根系的數量。

在挖掘過程中發現，土壤未改良櫻花在60 cm到100 cm深度時出現了一些枯死的老根，并在60 cm以下深度時出現了許多小的水坑。此處研究樣地處于辰山植物園“綠環”的坡上，地勢較高，此處的水坑并非由地下水造成，而是由于土壤孔隙度較低，入滲性能較差所導致。出現枯死的老根很有可能是因為剛栽植時，尚未有積水情況出現，櫻花根系曾經到達 60 cm 深度或者更深。但是由于研究區域夏季多雨且高溫，導致了積水且土壤積溫升高，從而抑制了櫻花根系的呼吸，使原本在60 cm以下深度的根系枯死。

同時，在挖掘完成后的第2天，研究區域下起大雨，土壤未改良的櫻花發生倒伏，且挖掘區域出現了較為嚴重的積水。而作為對比，土壤改良區域的櫻花并未發生倒伏，且挖掘區域沒有積水。這也反映出改良區域土壤良好的滲透性能，而且根系數量較多，根系分布較深增加了櫻花的抗倒伏能力。

5 結論與討論

本研究采用的土壤改良方案為7份土+1～3份黃沙(粒徑0.4～1.0 mm)或石塊或砂壤土+2～3份有機基質+0.5～0.6份有機肥+土壤結構改良劑。改良后土壤容重降低、孔隙度增加、土壤含水量減少，且出現漬水的情況顯著減少。

對比土壤改良前后的櫻花根系分布，在三維圖和現場實地照片上可以直觀地觀察到土壤改良后的櫻花根系數量明顯多于土壤未改良的根系，且在水平方向和豎直方向的分布都要更廣。從顏色上來看，土壤改良后的櫻花根系顏色要淺于未改良，根系活力更好。

在水平方向上，土壤改良后同一距莖干距離處的根系數量都要多于改良前，且在50～100 cm深度處這一規律更為明顯。在豎直方向上，近莖干處(0.5 m)對比改良前后的櫻花根系數量可以發現，在40 cm深度以內，土壤改良前的櫻花根系數量要多于土壤改良后的數量，而在40 cm深度以下則相反，這反映出改良后的根系向深層扎根的趨勢。在遠莖段(2 m)，土壤改良前的櫻花根系數量十分稀少，而改良后的根系數量明顯要多于改良前。

導致這一分布的原因主要為土壤容重和土壤含水量的變化。宋家祥和吳亞維等[7-8]在研究中均發現，土壤容重的增大將導致根系生長的速度減慢，根系長度下降以及根系的顏色加深。而李金才和劉華山等[9-10]研究發現土壤漬水使根層嚴重缺氧，根系生長發育受阻，根系活力下降以及根系數量減少。本研究中土壤改良后容重下降以及土壤含水量的下降可能是導致櫻花根系數量增多、分布更廣的主要原因。因此這一土壤改良思路與配比方案值得在上海地區推廣應用。

本研究采用了樹木雷達的方式探測根系，并與實際情況進行比對，驗證了樹木雷達的精準性以及可操作性強，為未來研究樹木根系數量與分布提供了一定的經驗。

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Influence of Soil Improvement on Cherry Root System

Gu Tanghua1Yan Wei1Xia Yunqiang2Yu Lixia3

(1. Shanghai Administrative & Directive Station For Afforestation, Shanghai 200020, China; 2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai 201602, China)

Cherry is a common garden tree species in Shanghai, with a high ornamental value. But due to the problems like compaction, soil water and salt injury, cherry often suffers from the retarded growth. This study proposes a scheme for soil improvement in Shanghai, namely, 7 sources of soils+ 1 ～ 3 yellow (0.4 ～ 1.0 mm in diameter) or stones or sandy loam + 2 ～ 3 organic media+ 0.5 ～ 0.6 servings of organic fertilizer + organic matrix of soil structural modifier. This paper measured the horizontal and vertical distribution and their characteristics of cherry root system before and after the soil improvement using the tree radar system (TRU) developed by TreeRadar company in the United States for non invasive detection, and discussed the impacts of soil compactness and moisture content on the characteristics of root system distribution. It was found that after the soil improvement, cherry had higher number of roots which was more widely distributed than those before the improvement. This may be due to the decline of soil bulk density and soil water content.

soil improvement, root distribution, treeradar, influencing factor

2017-03-15

上海市自然科學基金：“上海大樹樹木風險和健康評估體系研究與建立(G150503)”

顧湯華(1986- )，男，工程師，研究方向為城市林業、綠化生態，E-mail：gutanghua110@126.com

嚴巍(1972- )，女，碩士，高級工程師，研究方向為城市綠化管理，E-mail：yanw816@163.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.04.005