楊東旭 ，劉 靜 *，張 欣 ，李有芳

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

礦區(qū)生態(tài)修復(fù)是實(shí)現(xiàn)土地綜合治理的有效技術(shù)途徑，生態(tài)自然修復(fù)指依靠植物的各種自然特性以及生物、化學(xué)、物理等作用進(jìn)行自我修復(fù)的過程[1]。干旱區(qū)、半干旱區(qū)的植物根系自我修復(fù)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)自我修復(fù)的基礎(chǔ)，根系在遭受沉陷裂縫區(qū)域的拉拔、剪切等損傷力后，會通過細(xì)胞、組織的自我修復(fù)，恢復(fù)活力，減少外營力對植物體的損害，從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)生態(tài)穩(wěn)定的功能[2]。因此，研究受損后植物根系的自我修復(fù)對根系持續(xù)固土機(jī)制的揭示以及今后植被生態(tài)恢復(fù)重建具有重要意義。目前，對礦區(qū)根系研究主要集中于植被根系采動損傷機(jī)理、地表裂縫對根系微環(huán)境影響、菌根及有機(jī)酸對根系修復(fù)的調(diào)控機(jī)理等方面[3-6]，而對根系自我修復(fù)特性方面報(bào)道較少。植物根系的活力值及存活率反映著植物對營養(yǎng)物質(zhì)、水分的吸收能力及生長發(fā)育狀況，兩者是衡量根系自我修復(fù)的重要指標(biāo)。該研究以干旱區(qū)檸條（Caragana korshinskii）為研究對象，對其直根進(jìn)行自然破壞受力的模擬試驗(yàn)，使其進(jìn)行不同時(shí)長的自我修復(fù)，對修復(fù)后的存活率和活力狀況等影響因素進(jìn)行研究，為植物自我修復(fù)的機(jī)制研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木市大柳塔鎮(zhèn)，是神府東勝煤田腹地中心。該區(qū)地處毛烏蘇沙地和黃土丘陵區(qū)的過渡地帶，屬于大陸性干旱半干旱氣候，生態(tài)環(huán)境脆弱，降雨集中在夏秋季，蒸發(fā)量大。土壤結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)質(zhì)匱乏，透氣性強(qiáng)，保水保肥性能差。主要植物種有檸條、沙柳（Salix psammopila）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）等。

2 材料與方法

試驗(yàn)時(shí)間為2015年5—10月，試驗(yàn)儀器為自制便攜式根系徑向和軸向力學(xué)特性試驗(yàn)機(jī)和HG100數(shù)顯式推拉力機(jī)（精度0.05 N）。在試驗(yàn)樣地針對檸條標(biāo)準(zhǔn)株進(jìn)行根系挖掘，對挖出的一部分根系測定極限抗拉力，該抗拉力為下一步損傷力的確定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另選定15株與標(biāo)準(zhǔn)株形態(tài)相近的檸條，對其根系進(jìn)行損傷拉力的施加；施力后回埋，做好標(biāo)記，于當(dāng)年測定存活率和活力。試驗(yàn)設(shè)定2個(gè)梯度損傷力[7-8]：直根抗拉力的30%（接近彈性極限，以下稱輕度損傷力）和直根抗拉力的70%（遠(yuǎn)大于彈性極限，以下稱重度損傷力）。對照組進(jìn)行相同的挖掘、裸露、夾持處理，不施加任何損傷力，具體施力操作方法參考李有芳的研究[9]。篩除死根，測定每個(gè)處理下及平行對照活根的活力，測定方法采用TTC法，活力值用TTC還原強(qiáng)度（μg/g·h）表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 2項(xiàng)因素對直根存活率的影響

圖 1 檸條直根修復(fù)后的存活率

3.1.1 損傷力。由圖1可知，損傷力對修復(fù)后直根的存活率有顯著影響，根系在修復(fù)過程中存在不同程度的死亡現(xiàn)象，修復(fù)后的直根存活率均低于對照。不同損傷力下存活率不同，損傷力越大，存活率越小，且輕度損傷力和重度損傷力下的根系存活率差異顯著（P＜0.05）。對照的存活率在80% 以上；輕度損傷時(shí)，修復(fù)3個(gè)月的直根各徑級存活率均大于68%，其1～4 mm受損根系存活率比對照降低12.08%；重度損傷時(shí)，修復(fù)3個(gè)月的直根存活率為50%～69%，其1～4 mm受損根系存活率比對照降低28%。由此可見，損傷力抑制根系生長，重度損傷力的抑制作用更大，重度損傷力大于根系的彈性極限力，容易對根系造成不可逆的撕裂破壞，在修復(fù)過程中無法恢復(fù)原狀，有根系大量死亡現(xiàn)象。直根修復(fù)受修復(fù)時(shí)長影響，自修復(fù)5個(gè)月存活率大于3個(gè)月。以重度損傷力為例，根系自修復(fù)3個(gè)月平均存活率62%，1～4 mm受損根系存活率比自身對照降低23%～37%；根系自修復(fù)5個(gè)月平均存活率70%，1～4 mm受損根系比自身對照降低12%～31%。

3.1.2 根徑。檸條直根表現(xiàn)為隨根徑的增長其存活率逐漸增大，且不同根徑的直根存活率差異性顯著（P＜0.05）。1.0～1.5 mm根徑范圍內(nèi)的直根存活率最小，存活率最大出現(xiàn)在2.0～2.5 mm或2.5～3.0 mm范圍內(nèi)。輕度損傷力時(shí)，2.5～3.0 mm直根的存活率較1.0～1.5mm直根存活率高25%（修復(fù)3個(gè)月）及12%（修復(fù)5個(gè)月）；重度損傷力時(shí)，2.5～3.0 mm直根的存活率較1.0～1.5 mm直根存活率高52%（修復(fù)3個(gè)月）及15%（修復(fù)5個(gè)月）。徑級小于2 mm的直根，以初生結(jié)構(gòu)為主，次生結(jié)構(gòu)組織不夠發(fā)達(dá)，脆弱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對外界損傷力更敏感，修復(fù)過程中的死亡率明顯大于徑級較粗的根系。

3.2 2項(xiàng)因素對直根活力的影響

3.2.1 損傷力。由圖2可知，損傷力影響修復(fù)直根的活力，根系自修復(fù)后活力低于對照。各徑級重度損傷與對照根系活力差異顯著（P＜0.05），輕度損傷與對照活力差異顯著（2.5～4.0 mm不顯著）。對照根系活力為3.08 μg/g·h輕度損傷力下，直根自修復(fù)3個(gè)月的活力為2.77 μg/g·h，比對照下降9.97%；重度損傷力下，直根自修復(fù)3個(gè)月的活力為2.11 μg/g·h，比對照下降31.42%。重度損傷力下，根系自修復(fù)后活力顯著低于輕度損傷力下的活力。根徑越小，差距越大，以1.0～1.5 mm為例，前者是后者的30.60%。修復(fù)時(shí)長對直根活力產(chǎn)生影響。直根自修復(fù)5個(gè)月后，活力較自身對照有下降趨勢，輕度損傷力下，下降幅度為3.69%；重度損傷力下，下降幅度為16.22%?？梢姡^自修復(fù)3個(gè)月的直根下降幅度明顯減小，說明修復(fù)時(shí)間的延長促進(jìn)了根系的自修復(fù)。

圖 2 檸條直根修復(fù)后的活力

3.2.2 根徑。檸條直根表現(xiàn)為隨根徑的增長其活力逐漸減小。1.0～2.5 mm的直根活力平緩下降，2.5～3.5 mm的直根活力呈陡坡式下降趨勢。當(dāng)根徑小于2.5 mm，自修復(fù)直根與對照的活力存在顯著差異（P＜0.05），而當(dāng)根徑大于2.5 mm時(shí)，兩者無顯著差異。以自修復(fù)3個(gè)月直根為例，輕度損傷時(shí)，1～1.5mm直根自修復(fù)后活力為對照的87.33%，而3.0～3.5 mm直根自修復(fù)后活力為對照的97.13%；重度損傷時(shí)，1.0～1.5 mm直根自修復(fù)后活力僅為對照的60.61%，而3.0～3.5 mm直根活力為對照的76.52%。由此可見，大于2.5 mm的直根其活力自修復(fù)能力相對較強(qiáng)，這可能是因?yàn)槠鋬?nèi)部次生結(jié)構(gòu)相對較發(fā)達(dá)，吸收功能減弱，主要承擔(dān)運(yùn)輸功能，對外部損傷具有更強(qiáng)的抵抗能力。

4 討論

經(jīng)過一定時(shí)間修復(fù)后，1～2 mm的直根活力下降程度遠(yuǎn)大于3.0～4.5 mm根徑范圍內(nèi)的直根，1～2 mm的直根存活率低于3.0～4.5 mm根徑范圍內(nèi)的直根，這是由于不同根徑的直根組成成分、結(jié)構(gòu)、功能不同，因此在受外力損傷后的自修復(fù)能力不同。3～4 mm的大細(xì)根一般位于高級根序（3、4、5級），而 1～2 mm的小細(xì)根一般位于低級根序（1、2級）。低級根序是初生根和吸收根，主要承擔(dān)根系吸收水分與養(yǎng)分的功能，且初生結(jié)構(gòu)無木栓層，發(fā)達(dá)的薄壁細(xì)胞很脆弱，對外界損傷更敏感。當(dāng)其受到損傷力后，通道薄壁細(xì)胞容易被破壞，抑制水分和養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)低級根系大量死亡[9]；高級根序的大細(xì)根具有機(jī)械強(qiáng)度較大的次生組織，且周皮彈性強(qiáng)度大，受損后的細(xì)胞能夠盡快恢復(fù)，自修復(fù)能力更強(qiáng)。同時(shí)，修復(fù)時(shí)長影響根系活力和存活率，經(jīng)過5個(gè)月修復(fù)后的根系活力和存活率較修復(fù)3個(gè)月的根系更高。于瑞雪[10]等對黑沙蒿根系修復(fù)的研究中，以植物根體積、根系長度、表面積、平均直徑等為指標(biāo)建立了綜合評價(jià)模型，并評價(jià)了煤炭開采后沙蒿根系自我修復(fù)能力。研究表明，隨著時(shí)間的延長，根系自修復(fù)能力增強(qiáng)。經(jīng)過1年的修復(fù)后，沙蒿完全消除了外營力帶來的損害，基本恢復(fù)到正常生長發(fā)育狀態(tài)，這說明植物根系在受到損傷力破壞后，能夠通過自我修復(fù)機(jī)制恢復(fù)正常生長狀態(tài)。此外，不同的植物對外界損傷敏感度不同，自我修復(fù)能力存在差異性。自我修復(fù)能力強(qiáng)的植物，在受損后能夠很快恢復(fù)正常生長，起到快速高效修復(fù)生態(tài)的作用。因此，深入開展塌陷區(qū)不同植物自我修復(fù)能力的研究，篩選出優(yōu)良的固土保水植物是今后生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的重要研究方向。