摘要： 城市化往往導(dǎo)致土壤緊實(shí)，降低土壤水分入滲率,，進(jìn)而增加徑流和洪水,。比較不同根系分布的樹根系統(tǒng)的入滲速率，有助于建立預(yù)測(cè)模型和改進(jìn)樹種選擇,，以緩解城市環(huán)境中的徑流和洪水。在上海,，用樹木雷達(dá)對(duì) 10 種不同樹種的 90 棵樹木進(jìn)行了掃描,， 測(cè)定了土壤性質(zhì)和根系特征，分析了它們對(duì)土壤入滲的影響,。與草坪相比,，樹根增加了初始入滲率（ 53-330%）和穩(wěn)定入滲率（ 89-2167%）。根系分布較深的樹種對(duì)土壤入滲的影響大,，其次是中淺根系,。土壤孔隙度和容重是影響 15cm 以下土壤入滲的兩個(gè)重要的因素，隨著土壤深度的增加,，土壤孔隙度和容重對(duì)入滲的不利程度越來越大,，根系可以起到平衡作用。 本文建立了不同土層根系與土壤入滲的關(guān)系模型,，以快速預(yù)測(cè)不同樹種的入滲,。推廣不同根系分布特征的混交造林， 有助于保證不同土壤深度根系發(fā)育,，優(yōu)化城市樹木的入滲效果,。

研究區(qū)域： 上海交通大學(xué)，面積約 309.25ha,，有 314 種樹木,，隸屬于 74 科， 188 種屬,，上海本地常見樹種基本上都可以在校園內(nèi)找到,。樣地選在交大校園內(nèi)，以減少取樣時(shí)間,，降低氣候差異的影響

為了保證所選樣本的代表性,，每個(gè)樹種選擇了 3 個(gè)不同胸徑的生長(zhǎng)良好的樹木。其中桂花樹 3 個(gè)胸徑分別為 10cm,、 15cm 和 20cm,，其余 9 種胸徑分別為 13-15cm， 20-23cm 和28-33cm,，一共有 90 棵樣本樹,。

圖 1. 上海交通大學(xué)校園內(nèi)取樣點(diǎn)

根系檢測(cè)

TRU 樹木雷達(dá)用于本次實(shí)驗(yàn),。 TRU 樹木雷達(dá)由控制電腦、雷達(dá)天線和掃描車組成,。 TRU有很多明顯優(yōu)勢(shì),，比如短時(shí)間內(nèi)完成大量的野外測(cè)量。 TRU 樹木雷達(dá)的基本原理是利用介質(zhì)電磁特性不連續(xù)性產(chǎn)生的電磁波的反射和散射特性,，定性或定量地識(shí)別土壤電磁特性的變化,。土壤介電常數(shù)與樹根的偏差可以提供 TRU 樹木雷達(dá)探測(cè)和定位土壤中樹根所需的對(duì)比和反射。 TRU 又 400MHz 和 900MHz 兩種天線,，分別是探深 4m,，分辨直徑 2cm 的根和探深 1m、分辨直徑 1cm 的根,。 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,，上海綠化樹木深根系分布在 1.2-1.5m范圍內(nèi)，深度大于 1m 很少有根系分布,。以 1cm 的精度顯示了樹根的主要根系分布結(jié)構(gòu),，防止了大多數(shù)草本植物和小灌木根系的干擾，因此,， 1m 深度內(nèi)的根系特征可以代表樹木的粗根系統(tǒng),。本實(shí)驗(yàn)中選擇 TRU-900MHz 雷達(dá)天線。

預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)根密度在距離樹干 0.5-1.5m 時(shí)大,。根系檢測(cè)圍繞樹干以半徑 1m 的圓形,，

圖 2. TRU 樹木雷達(dá)檢測(cè)原理

土壤采樣
本研究的目的時(shí)探討樹根于不同深度土壤入滲的關(guān)系。土壤樣本的水平和垂直分布如圖

圖 3. 樣品掃描檢測(cè)方式

為了減少凋落物和草本植物根系對(duì)這些關(guān)系的干擾,，首先在 15cm 深度采集土壤樣品,，然后每隔 15cm 采樣一次?？紤]到上海市 50-70cm 的地下水,，研究 70cm 以下的土壤入滲是沒有意義的。因此,，沒有從土壤層以下 70 厘米處采集樣本,。簡(jiǎn)單地說，土壤樣本分別在15-30cm,、 30-45cm 和 45-60cm 深度的三層中采集,。在樹干周圍的樹根掃描路徑上，我們?cè)谒膫€(gè)方向（南,、東,、西、北）設(shè)置了 4 個(gè)采樣點(diǎn)。 采樣時(shí),，若有粗根,，則就近采集土壤，而有細(xì)根的土壤則直接用環(huán)刀采集,。其中兩個(gè)原狀土樣用于測(cè)定土壤入滲特性,，另兩個(gè)原狀土樣用于測(cè)定容重、總孔隙度,、非毛管孔隙度,、天然含水量和飽和含水量等其他物理指標(biāo)。采用 200g 復(fù)合土樣測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì),。

土壤入滲測(cè)量

初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率是描述土壤入滲性能常用的參數(shù)（ Horton,， 1933）。初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率由切割環(huán)法確定（ Chen,， 2005）,。切割環(huán)方法示意圖如圖 3 所示,。主要試驗(yàn)步驟如下：從每層土中隨機(jī)選取四個(gè)原狀土樣中的兩個(gè)進(jìn)行入滲試驗(yàn),；

圖 4. 環(huán)割法土壤入滲率測(cè)試示意圖

土壤物理和化學(xué)特性測(cè)量

用環(huán)割法測(cè)定了土壤容重、總孔隙度,、非毛管孔隙度,、天然含水量、飽和含水量等基本物理性質(zhì),， 采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定混合土樣中有機(jī)質(zhì)含量,。

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用 Microsoft Office Excel 2013 （ Microsoft， Washington,， USA）和 SPSS PASW18.0 程序（ SPSS Inc.,， Chicago， USA）進(jìn)行,。使用 Excel 2013 軟件分析不同深度的樹根密度差異,、不同植物下不同土層的根密度差異以及線性土壤肥力與根密度的關(guān)系。用 Pearson 和Spearman 相關(guān)分析法分析了土壤指標(biāo)與根系密度的相關(guān)性,。方差分析（ ANOVA）用于評(píng)估植物種類對(duì)土壤肥力的影響,；檢驗(yàn)方差水平的均勻性，并將數(shù)值表示為相關(guān)小顯著差異（ LSD,， p=0.05）或平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差（ SEM）的平均值,。

結(jié)果
樹的根密度

不同深度下土壤入滲與根系密度之間的關(guān)系

利用線性相關(guān)分析建立了土壤肥力與根密度的關(guān)系模型,。從圖 6（ A）和（ B）可以看出，在不同土層中,，初始入滲速率和根密度與穩(wěn)定入滲速率和根密度之間的關(guān)系呈顯著的線性關(guān)系,。在 15-30cm、 30-45cm 和 45-60cm 時(shí),，根密度與初始入滲率的相關(guān)系數(shù)分別為 0.55,、0.71 和 0.74，根密度與穩(wěn)定入滲率的相關(guān)系數(shù)分別為 0.58,、 0.70 和 0.67,。線性模型的常數(shù)項(xiàng)隨土層深度的增加而減小，說明入滲速率隨土層深度的增加而減小,。

土壤特性與根密度之間關(guān)系

結(jié)果（圖 7）表明,，深度與初始入滲、穩(wěn)定入滲,、土壤孔隙度,、非毛管孔隙度和飽和含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著正相關(guān),。深度,、土壤有機(jī)質(zhì)和天然含水量之間沒有顯著相關(guān)性,。

根密度與初始入滲、穩(wěn)定入滲,、土壤孔隙度和非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān),，與土壤容重呈負(fù)相關(guān)。根密度與土壤有機(jī)質(zhì),、飽和含水量,、天然含水量之間無顯著相關(guān)性。土壤深度對(duì)土壤容重,、孔隙度和非毛管孔隙度的影響與根密度的影響相反,。

初始入滲和穩(wěn)定入滲與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與土壤孔隙度和非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān),。初始入滲和穩(wěn)定入滲與飽和含水量和天然含水量無顯著關(guān)系,。土壤有機(jī)質(zhì)含量與入滲穩(wěn)定呈正相關(guān)，與自然含水量無顯著相關(guān),。

圖 6. 不同深度下根密度與初始入滲速率和穩(wěn)定入滲速率的關(guān)系

討論：
TRU 樹木雷達(dá)技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)大量樹種的根系研究,。 用探地雷達(dá)對(duì)大樣本（ 90 種樹木）的樹根特征進(jìn)行了研究。大樣本研究發(fā)現(xiàn)三種不同的樹根分布（淺,、中,、深），很難從小樣本研究中獲得,。

研究表明,， 15cm 以下的土壤僅受土壤容重,、土壤孔隙度和非毛管土壤孔隙度的顯著影響,。然而，通常認(rèn)為,，土壤中的有機(jī)質(zhì),、初始含水量和飽和含水量也會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生重大影響。研究表明,，土壤入滲與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān),，與土壤孔隙度和非毛管土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)，這與以往的研究結(jié)果一致,。 城市雨水管理應(yīng)重視土壤孔隙的改善,。一般情況下，土壤過濾與飽和含水量和初始含水量呈顯著負(fù)相關(guān),，但本研究未發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系,。 樹根密度與容重呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān),，有利于土壤的滲透,。研究發(fā)現(xiàn),，隨著土層深度的增加，土壤容重增加,，孔隙度和非毛管孔隙度降低,。樹木可以把根伸到 15 厘米以下，防止土壤壓實(shí),、松土和迅速轉(zhuǎn)移水分,，從而提高土壤的孔隙度和容重，從而促進(jìn)土壤的肥沃,。

本研究進(jìn)一步證實(shí),，樹根系統(tǒng)對(duì) 15cm 以下土壤的過濾能力比草本植物具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與草坪面積相比,， 10 種樹種下的初始入滲率提高了 53-330%,，飽和入滲率提高了 89-2167%，可能是樹木根系較草本植物發(fā)達(dá),，土壤理化性質(zhì)得到較好的保護(hù)和改善,。因此，植樹可以作為改良土壤的有效方法,。

建立了不同土層根與土的關(guān)系模型,。結(jié)果表明，不同土層深度下,，土壤肥力與根系密度呈顯著正相關(guān),。根密度可以作為一個(gè)間接指標(biāo)來指示樹木改善土壤的能力?；谶@些不同土層中根與土的關(guān)系模型,，利用探地雷達(dá)掃描根密度后，可以預(yù)測(cè)根與土的流失率,，從而避免任何繁瑣的挖掘方法,，節(jié)省時(shí)間和金錢。

結(jié)論：

（ 1） 上海常見的樹種根據(jù)根系特征可分為深,、中,、淺三種類型。（ 2） 改良土壤的綜合效益排序?yàn)樯顦洌?Koelreuteria paniculata Laxm,， Cedrus deodara（ Roxb.） G.Don 和 Zelkovaserrata（ Thunb.） Makino） >中樹（肉桂 bodineri level,，厚樸、水杉>淺根分布（女貞,、桂花,、杜松子、懸鈴木）,。這為選擇植物改良土壤提供了依據(jù),。（ 3） 15cm 以下的土壤主要受孔隙度和容重的影響,，可通過樹根進(jìn)行改良。（ 4） 建立了不同土層根密度與土壤肥力的關(guān)系模型,。在此基礎(chǔ)上,，利用探地雷達(dá)對(duì)根系進(jìn)行測(cè)試后，即可預(yù)測(cè)入滲率,，從而避免了繁瑣的挖掘方法,，節(jié)省了時(shí)間和金錢

圖 7. 深度、根密度,、土壤性質(zhì)和入滲之間的關(guān)系

（注： **表示在 0.01 水平上存在顯著差異,； *表示在 0.05 水平上存在顯著差異；（均為two-sided test））

來源：Changkun Xie, Shize Cai, Bingqin Yu, Lubing Yan, Anze Liang, Shengquan Che,*“The effects of tree root density on water infiltration in urban soil based on aGround Penetrating Radar in Shanghai, China”