河西走廊中部?jī)煞N荒漠植物根系構(gòu)型特征

單立山，李毅，任偉，等

摘要：目的：進(jìn)行根系構(gòu)型特征研究對(duì)了解根系結(jié)構(gòu)和根系功能在生態(tài)系統(tǒng)中的作用具有十分重要的意義。然而，由于根系的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，根系粗細(xì)和長(zhǎng)短不一，形狀各異，且由成千上萬(wàn)的根尖以及不同級(jí)別的根組成，又深埋地下，通過(guò)輪廓和外形描述根系構(gòu)型特征很難獲得直觀的認(rèn)識(shí)和了解。本研究利用拓?fù)鋵W(xué)和分形理論，分析河西走廊中部紅砂和白刺根系構(gòu)型特征及其與土壤環(huán)境因子的關(guān)系，揭示其地下根系形態(tài)對(duì)荒漠環(huán)境的適應(yīng)策略，旨在為荒漠植被的恢復(fù)提供基礎(chǔ)資料。方法：采用壕溝法和根系跟蹤相結(jié)合的方法挖掘整株根系，調(diào)查其根系形態(tài)特征及分布狀況，在挖掘過(guò)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(wǎng)格確定根系的分布位置，直到?jīng)]有根系出現(xiàn)為止。按照1∶50的比例在35 cm×25 cm的坐標(biāo)紙上準(zhǔn)確繪制根系俯視圖。待根系完全暴露后測(cè)定各級(jí)根系分支前后的直徑、根系內(nèi)部連接數(shù)量、外部連接數(shù)量及連接長(zhǎng)度。根據(jù)所測(cè)定的根系內(nèi)外連接數(shù)量計(jì)算根系拓?fù)渲笖?shù)，利用盒維數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)和分形豐度，并采用主成分分析對(duì)17個(gè)根系構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行了篩選。結(jié)果：河西走廊中部?jī)煞N荒漠植物根系拓?fù)渲笖?shù)均較小，修正拓?fù)渲笖?shù)qa和qb均接近于0，拓?fù)渲笖?shù)TI接近0.5，表明兩種荒漠植物根系分支結(jié)構(gòu)復(fù)雜，次級(jí)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(shù)分別為（1.18±0.04）和（1.36±0.06），其荒漠植物分形維數(shù)和分形豐度與根系平均連接長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)，表明隨著根系長(zhǎng)度的增加，分形維數(shù)和分形豐度呈增加趨勢(shì)。2種植物根系的平均連接長(zhǎng)度都較大，說(shuō)明為適應(yīng)干旱的沙漠環(huán)境，植物可通過(guò)增加根系的連接長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)展其在土壤中的分布范圍，從而擴(kuò)大根系的營(yíng)養(yǎng)空間。這也是兩種荒漠植物適應(yīng)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(duì)17個(gè)根系構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行主成分分析，第1和第2成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.9%，前2個(gè)成分可以反映根系構(gòu)型的基本特征，第1主成分與修正拓?fù)渲笖?shù)qa、qb和拓?fù)渲笖?shù)TI呈高度負(fù)相關(guān)，與逐步分支率呈高度正相關(guān)。第2主成分與基部到終端所有連接總數(shù)、外部連接總數(shù)、根直徑高度呈正相關(guān)。結(jié)論：在河西走廊中部2種荒漠植物根系的拓?fù)渲笖?shù)均較小，根系分支模式均近似為叉狀分支結(jié)構(gòu)。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(zhǎng)度均較大，以擴(kuò)大植物的有效營(yíng)養(yǎng)空間，從而適應(yīng)干旱貧瘠的土壤環(huán)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(yàn)證了Leonardo da Vinci法則。根系拓?fù)渲笖?shù)、根系連接數(shù)量、逐步分支率和根系直徑4個(gè)根系構(gòu)型參數(shù)能很好地表示2種荒漠植物根系構(gòu)型特征。

來(lái)源出版物：應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(1): 25-31

入選年份：2016