上海市14 種常見園林樹種根系形態結構聚類研究?

張德順 陳一家 張 振 姚鰻卿 郭 麗 李屹楠 陳瑩瑩

1 同濟大學建筑與城市規劃學院高密度城市人居環境生態與節能教育部重點實驗室 上海 200092

2 四川農業大學風景園林學院 成都 611130

3 安徽新華學院 合肥 230088

根系作為植物六大器官之一, 不僅承擔植物吸收水分和養分、 固定植株等多種生長發育功能[1], 還是植物發揮防風固沙、 涵養水源、 水土保持等生態功能的主要組織[2]。 根系形態結構(Root system architecture, RSA)[3－4]是植物根系正常進行生理活動和實現綜合效益的關鍵生物學特性和生態習性, 是植物基因表達和環境影響共同作用的結果。 不同樹種具有不同的根系類型, 植物學上一般將根系分為直根型和須根型兩大基礎類別。 在此基礎上, 歷經多年研究, 部分學者提出了更為細致的根系形態分類[5－7], 如臺灣學者顏正平[5]基于根系的分支形式, 將根系形態結構分為PH 型、 V 型、 VH 型、 R 型和M 型5 種基本型。 其中, PH 型根系指大部分根系水平橫向生長, 即大部分根為水平根； V 型根系指垂下根較為發達, 側根不伸展, 水平根與斜出根少； VH型根系水平根、 斜出根與垂下根均生長良好； R型根系多斜出根, 根幅較寬； M 型根深較淺, 多須根, 分布于土壤上層。 苅住曻[1]對日本457 種木本植物進行了根系結構研究, 將根系結構分為4 種類型, 即淺根集中型、 中心型、 深根主根型和深根魚尾型。 這種分類方法較為簡潔, 且每一類根系的特征都較為明顯。

近年來, 根系研究更為關注其形態指標與錨固特性的關聯性[8－9]。 常見根系形態的定量化指標包括根系長度、 體積、 面積、 根系分支結構、根尖數、 平均根徑、 比根長、 比根面積和根密度等[10－13]。 然而, 由于試驗條件和試驗目的的差異, 各項研究對根系形態的描述重點各不相同。 根系形態參數選擇側重點的差異限制了不同研究之間的可參考性。 傳統的根系分類要適應定量化指標體系的發展和現代研究需求而更新, 從而提高不同根系研究間的參考性, 增強城市綠地系統中植物應用與選擇的科學性及其對氣候變化的適應性。 因此, 參考前人研究成果, 試圖整理總結出一套較為全面綜合、 易于獲取的根系形態指標量化體系, 便于對根系形態結構系統性的描述和概括, 進而為樹木根系形態聚類分析提供依據。

1 研究區概況

試驗場地位于上海市寶山區的森林植被種質資源基地(31°23′33″N, 121°19′55″E)。 試驗場地中的土壤質地為黃棕壤, 黏度適中, 30 cm 深度下土壤緊實度為2 005~2 011 kPa, 土壤容重為1.30~1.37 g?cm－3, 土壤性質較為穩定。

2 研究方法

2.1 樹種選擇

本研究共篩選了14 種上海園林樹種, 包括三角槭(Acer buergerianum)、 天竺桂(Cinnamomum japonicum)、 野漆 (Toxicodendron succedaneum)、細葉青岡(Quercus shennongii)、 女貞(Ligustrum lucidum)、 楓香樹(Liquidambar formosana)、 北美楓香(L.styraciflua)、 水紫樹(Nyssa aquatica)、豆梨 (Pyrus calleryana)、 德州櫟 (Quercus nuttallii)、 南京椴 (Tilia miqueliana)、 烏桕(Triadica sebifera)、 櫸樹(Zelkova serrata) 和培忠杉(Taxodiomera peizhongii)。 每樹種選擇3 株共42 株苗木作為試驗對象, 用于重復試驗以提高數據代表性, 所有試驗對象生長環境一致、 生長情況良好, 且胸徑控制在5.5 cm ± 0.7 cm, 高度控制在3.5 m ± 0.5 m, 以減少土壤環境差異、 樹種規格等因素對試驗結果的影響。

2.2 根系結構獲取

試驗在2021 年5 月下旬進行, 試驗開始前一周均為晴天。 “完全挖掘法” 具有操作簡單、 結果準確和試驗限制因素少等優勢[14], 本研究選用此法以獲取較為精確的根系結構數據。 通過預挖掘確定直徑1.5 m, 深0.8 m 的圓形樹坑以盡量減少對根系的機械損傷, 并收集被試樹種的完整根系結構。 挖掘出樹根后, 去除根系間的土壤,拍攝以獲取完整準確的樹根結構圖像, 圖像經Photoshop、 CAD 等軟件處理后用于量化分析根系結構的相關參數(圖1)。 根系結構獲取中, 櫸樹的一個試驗個體的根系有明顯人為鋸斷的痕跡,故將其排除。

圖1 根系圖像獲取

2.3 數據分析

基于CAD 和Photoshop 處理根系圖像, 統計得到各指標數據后, 運用SPSS 26.0 結合其根系形態結構指標體系數據進行聚類分析。

3 結果與分析

3.1 根系形態結構指標體系的建立

根系結構的量化分析是了解其在物種間差異的重要手段。 根系的各種形態變量越豐富, 描述的根系形態結構特征也就越全面。 廣義上講, 根系形態相關變量主要包括根系分區(水平根、 斜出根和垂下根)、 垂直分布(淺根型、 中間型和深根型)、 水平分布 (分散性、 中間型和集中型)、 細根數量(密生型、 中間型和疏生型)、 細根大小(纖細型、 中間型和肥厚型)、 根系發育(優秀、 良好、 中、 不良和極差) 等。

為了方便測量數學建模, 目前已有的研究中也采用了根橫截面尺寸、 根的分布、 隆起的根/土壤體積(Uplifted root/soil volume)、 樹木斷裂模數(Greenwood modulus of rupture) 和土壤/樹木密度等更為直觀的參數[15]。 細化到根系某一部分的結構時, 部分學者則使用了一些更為具體的變量,包括主根基底直徑、 主根深或淺根數量等[16]。 根角度也是常用的形態指標, 依據根與地面產生的夾角不同, 可分為水平根、 斜出根與垂下根[17－18]。

本研究結合文獻綜述,整理出由經典指標構成描述根系形態的指標體系,包括根系總生物量、根系結構分布、根系直徑、根系密度4 類共16 項指標(表1)。

表1 根系形態結構指標體系

3.2 14 種樹種根系形態結構特征

對比分析不同樹種的根系圖像, 可以得到不同樹種的根系形態特征(表2)。 從樹根挖掘的整體情況上看, 不同樹種的根系差異比較明顯, 同一種樹的樹根雖然也會顯示部分差異, 但其生長基本都遵循了類似規律。 部分同科的植物, 如北美楓香與楓香樹、 德州櫟與細葉青岡, 其根系也呈現出了一定的相似性。

3.3 基于新的根系形態結構指標體系的聚類分析

根據表1 根系形態指標體系統計整理14 種樹種根系形態結構參數(表3), 參考前人的根系分類方法與實際根系形態結構, 最終將樹根分為4大類(圖2)。

圖2 樹種根系聚類分析

第一類(圖3A): 德州櫟、 三角槭、 野漆、烏桕。 主根明顯, 水平根、 斜出根和垂下根均分布密集, 根幅大, 根深較深, 根整體的體積比較大, 對應于苅住曻[1]描述的深根主根型根系特征。因為從立面來看根系的整體輪廓與英文字母M 較為相似, 故將此類根系稱為M 型根系。

第二類(圖3B): 女貞、 櫸樹、 天竺桂、 細葉青岡。 沒有明顯主根, 樹根分叉較多, 絕大部分的根系結構都集中在距離地表40 cm 以內的深度, 但根幅較大, 水平根較多, 符合苅住曻[1]描述的淺根集中型特征。 因為從立面來看根系輪廓與英文字母W 較為相似, 故將此類根系稱為W型根系。

第三類(圖3C): 培忠杉、 豆梨、 南京椴。沒有明顯主根, 但一級根較為粗壯, 須根較少,多斜出根, 水平根與垂下根分布較為均勻, 根幅偏大, 符合苅住曻[1]描述的中心型根系特征。 因為從立面來看根系的分叉形式與英文字母A 較為相似, 故將此類根系稱為A 型根系。

第四類(圖3D): 北美楓香、 楓香樹、 水紫樹。 主根粗壯, 多垂下根, 少水平根與斜出根,有須根, 根幅較小但根深較深, 符合苅住曻[1]描述的深根魚尾型特征。 因為從立面來看根系的分叉形式與英文字母T 較為相似, 故將此類根系稱為T 型根系。

4 討論

4.1 根系形態結構聚類結果的匹配性

本研究通過對根系樣本的聚類分析, 同時參考前人的研究成果, 最終將樹種根系形態結構分為M 型根、 W 型根、 A 型根和T 型根4 種。 關于根系形態結構類型的分類體系, 最被國內學界認可與接受的是顏正平的分類方法, 他將根系結構分為PH 型、 V 型、 VH 型、 R 型和M 型5 種[19]。試驗中獲得的根系樣本基本能被歸納為前4 種類型, 而只分布于土壤表層、 多須根的M 型根在本次試驗中并沒有遇到。 從另一個角度來看, 顏正平[5]的M 型根系與PH 型根系在描述與示意上仍較模糊, 考慮到兩者均多水平根, 且分布于淺層土壤中, 其差別更多的是根系的生物量, 這就給鑒別與分類帶來了一定的困難。 比如顏正平[5]將楓香樹歸為PH 型根系, 但在本研究聚類中楓香樹與T 型根系更為接近。 相比較而言, 苅住曻[1]的分類方法更為簡潔明了, 即將根系結構分為淺根集中型、 中心型、 深根主根型和深根魚尾型4種, 且每種根系間均有較為明顯的區別。 本研究涉及的三角槭、 女貞、 楓香樹、 烏桕、 櫸樹5 種樹種均與苅住曻[1]的研究分類結果一致。 整體看來, 本研究的聚類結果與苅住曻[1]的分類匹配度更高。

從分類體系的角度來看, 顏正平[5]的指標包括細根不同深度分布類型、 細根數量、 主根深度及其分布、 主根數量、 根深、 根系分支方式等8項指標。 而苅住曻[1]進行了更大量的樣本調查和統計分析, 分類指標也更為全面, 包括垂直分布、水平分布、 根系分支方式、 細根生物量及根徑、根毛類型。 比較之下, 苅住曻對根系形態的考量更為全面, 水平投影上根系分布特征、 根系分支方式等都是顏正平的評價體系沒有涵蓋到的。 對比本研究的指標體系, 也與苅住曻[1]更加一致,比如根系結構采納了苅住曻的水平根、 斜出根、垂下根體系, 根系分級描述直徑, 以及綜合水平面與垂直面考慮根系密度。 盡管苅住曻[1]對木本植物根系展開了廣泛研究, 但其分類依據復雜且缺乏定量化統計的論證, 本研究恰好從數理統計的角度為苅住曻的分類提供了論證。 當然, 要獲得更為準確可靠的結論還需要對更多樹種樣本進一步研究與分析。

4.2 植株聚類與樹種聚類的差異

考慮到部分樹種存在明顯的個體差異, 本研究也補充了以試驗個體為單位的聚類分析, 以探究個體差異對根系聚類結果的影響。 對比個體和樹種聚類結果發現, 根系結構性狀較為穩定的樹種為楓香樹、 北美楓香、 水紫樹、 培忠杉和櫸樹,而其他9 個樹種存在個體差異而導致兩種聚類結果不同的情況。

4.2.1 水紫樹的聚類差異

對樹種聚類時, 水紫樹與楓香樹、 北美楓香同時被歸結為T 型根, 而對試驗個體聚類時, 水紫樹和后二者差距甚遠。 仔細對比三者的根系結構發現, 這種差異主要是由于聚類標準是否細致決定的。 水紫樹擁有數量少、 粗且長的平行根,且根深更深, 根幅更廣, 確實與北美楓香、 楓香樹存在一定的差別, 但這3 種園林樹種與其他樹種對比, 則均擁有十分發達的垂下根結構。 因此,參考前人的研究成果, 傾向于將水紫樹、 北美楓香和楓香樹的根系結構統一歸納為T 型根, 以避免出現分類過繁的情況。

4.2.2 植株差異的類型

9 種差異顯著的樹種包括: 細葉青岡、 女貞、天竺桂、 南京椴、 烏桕、 豆梨、 德州櫟、 三角槭和野漆。 進一步觀察這9 種樹種的根系結構樣本,發現生長差異是造成植株個體差異的最主要原因。雖然試驗前盡可能排除試驗個體的規格、 生長環境等因素導致的誤差, 但依然會出現因為隱性的生長環境差異而出現生長發育上的差異性[20－22],如個體差異最大的細葉青岡, 造成聚類差異的指標是根系生物量, 但從根深、 根幅、 根系直徑等其他指標和根系結構投影圖均可判斷三個樣本均符合W 型根系的結構特征, 其他樹種亦然。 這說明雖然生長差異導致的個體聚類差異客觀存在,但通過進一步比較分析可以確定樹種根系結構間不存在本質差異, 可以歸結為同一結構類型。 第二個可能的原因是實生苗的遺傳特性差異。 相關研究已證明實生苗根系結構受到基因型的影響而表現出明顯的差異[18], 而同一無性系的植株則具有更為穩定相似的根系形態, 如野漆3 號根系的須根比1 號和2 號植株個體更多、 2 號根垂下根未發育的情況。 由于本研究中同一樹種的樣本量較為有限, 且未涉及基因層面的探究, 因此尚難以判斷這種個體性狀差異的幅度和頻率。 未來研究應對這兩種樹種根系結構進一步廣泛取樣, 以獲得更加全面的數據和結論。

從科屬的角度看, 同科植物的親緣關系更近,植物根系結構應更為相似。 比如, 楓香樹和北美楓香同屬于金縷梅科楓香樹屬的植物, 其根系結構都為T 型根, 垂下根多且粗壯, 而且根系的結構形狀也都十分穩定。 同時也存在這種現象, 即德州櫟和細葉青岡雖然同科, 但根系結構卻歸屬不同類別。 因此, 樹種的科屬關系只能作為一種補充手段, 在試驗前期的樹種選擇與后期的結構分類中起到輔助作用。

5 結論

園林樹木根系形態對其個體的生長發育、 群體的生態功能都有重要影響。 本研究梳理出一套較為全面的根系形態結構指標體系, 包括根系總生物量、 根系結構分布、 根系密度、 根系直徑等4 類共16 項指標。 基于該體系分析14 種園林樹種的根系形態量化數據并進行聚類分析, 得到M型、 W 型、 T 型和A 型四種根系結構類型, 該聚類結果與苅住曻的分類結論較為匹配, 從數理統計角度為根系分類提供了佐證。 園林樹種根系形態指標體系的歸納有助于推進根系研究體系的構建, 同時也需要更多研究補充和加深根系分類領域的認識。 本研究結果亦可對進一步園林樹種根系的功能性狀研究和應對氣候變化的人居生態建設提供理論參考。