生態學

河西走廊中部兩種荒漠植物根系構型特征

單立山，李毅，任偉，等

摘要：目的：進行根系構型特征研究對了解根系結構和根系功能在生態系統中的作用具有十分重要的意義。然而，由于根系的結構極其復雜，根系粗細和長短不一，形狀各異，且由成千上萬的根尖以及不同級別的根組成，又深埋地下，通過輪廓和外形描述根系構型特征很難獲得直觀的認識和了解。本研究利用拓撲學和分形理論，分析河西走廊中部紅砂和白刺根系構型特征及其與土壤環境因子的關系，揭示其地下根系形態對荒漠環境的適應策略，旨在為荒漠植被的恢復提供基礎資料。方法：采用壕溝法和根系跟蹤相結合的方法挖掘整株根系，調查其根系形態特征及分布狀況，在挖掘過程中盡量保持根系在自然空間中的位置。然后采用 50 cm×50 cm的網格確定根系的分布位置，直到沒有根系出現為止。按照1∶50的比例在35 cm×25 cm的坐標紙上準確繪制根系俯視圖。待根系完全暴露后測定各級根系分支前后的直徑、根系內部連接數量、外部連接數量及連接長度。根據所測定的根系內外連接數量計算根系拓撲指數，利用盒維數法計算分形維數和分形豐度，并采用主成分分析對17個根系構型參數進行了篩選。結果：河西走廊中部兩種荒漠植物根系拓撲指數均較小，修正拓撲指數qa和qb均接近于0，拓撲指數TI接近0.5，表明兩種荒漠植物根系分支結構復雜，次級分支較多，根系分支均接近叉狀分支模式。兩種荒漠植物根系具有很好的分形特征，分形維數分別為（1.18±0.04）和（1.36±0.06），其荒漠植物分形維數和分形豐度與根系平均連接長度呈顯著正相關，表明隨著根系長度的增加，分形維數和分形豐度呈增加趨勢。2種植物根系的平均連接長度都較大，說明為適應干旱的沙漠環境，植物可通過增加根系的連接長度來擴展其在土壤中的分布范圍，從而擴大根系的營養空間。這也是兩種荒漠植物適應干旱脅迫的一種策略。兩種荒漠植物根系分支前后的橫截面積比α分別為（1.07±0.02）和（1.10±0.04），分支前后橫截面積相等，基本符合Leonardo da Vinci法則。對17個根系構型參數進行主成分分析，第1和第2成分的累計貢獻率達92.9%，前2個成分可以反映根系構型的基本特征，第1主成分與修正拓撲指數qa、qb和拓撲指數TI呈高度負相關，與逐步分支率呈高度正相關。第2主成分與基部到終端所有連接總數、外部連接總數、根直徑高度呈正相關。結論：在河西走廊中部2種荒漠植物根系的拓撲指數均較小，根系分支模式均近似為叉狀分支結構。紅砂和白刺根系具有較好的分形特征。2種荒漠植物根系的平均連接長度均較大，以擴大植物的有效營養空間，從而適應干旱貧瘠的土壤環境。2種荒漠植物根系分支前的橫截面積等于根系分支后的橫截面積之和，驗證了Leonardo da Vinci法則。根系拓撲指數、根系連接數量、逐步分支率和根系直徑4個根系構型參數能很好地表示2種荒漠植物根系構型特征。

來源出版物：應用生態學報, 2013, 24(1): 25-31

入選年份：2016