河西走廊中部两种荒漠植物根系构型特征

单立山，李毅，任伟，等

摘要：目的：进行根系构型特征研究对了解根系结构和根系功能在生态系统中的作用具有十分重要的意义。然而，由于根系的结构极其复杂，根系粗细和长短不一，形状各异，且由成千上万的根尖以及不同级别的根组成，又深埋地下，通过轮廓和外形描述根系构型特征很难获得直观的认识和了解。本研究利用拓扑学和分形理论，分析河西走廊中部红砂和白刺根系构型特征及其与土壤环境因子的关系，揭示其地下根系形态对荒漠环境的适应策略，旨在为荒漠植被的恢复提供基础资料。方法：采用壕沟法和根系跟踪相结合的方法挖掘整株根系，调查其根系形态特征及分布状况，在挖掘过程中尽量保持根系在自然空间中的位置。然后采用 50 cm×50 cm的网格确定根系的分布位置，直到没有根系出现为止。按照1∶50的比例在35 cm×25 cm的坐标纸上准确绘制根系俯视图。待根系完全暴露后测定各级根系分支前后的直径、根系内部连接数量、外部连接数量及连接长度。根据所测定的根系内外连接数量计算根系拓扑指数，利用盒维数法计算分形维数和分形丰度，并采用主成分分析对17个根系构型参数进行了筛选。结果：河西走廊中部两种荒漠植物根系拓扑指数均较小，修正拓扑指数qa和qb均接近于0，拓扑指数TI接近0.5，表明两种荒漠植物根系分支结构复杂，次级分支较多，根系分支均接近叉状分支模式。两种荒漠植物根系具有很好的分形特征，分形维数分别为（1.18±0.04）和（1.36±0.06），其荒漠植物分形维数和分形丰度与根系平均连接长度呈显著正相关，表明随着根系长度的增加，分形维数和分形丰度呈增加趋势。2种植物根系的平均连接长度都较大，说明为适应干旱的沙漠环境，植物可通过增加根系的连接长度来扩展其在土壤中的分布范围，从而扩大根系的营养空间。这也是两种荒漠植物适应干旱胁迫的一种策略。两种荒漠植物根系分支前后的横截面积比α分别为（1.07±0.02）和（1.10±0.04），分支前后横截面积相等，基本符合Leonardo da Vinci法则。对17个根系构型参数进行主成分分析，第1和第2成分的累计贡献率达92.9%，前2个成分可以反映根系构型的基本特征，第1主成分与修正拓扑指数qa、qb和拓扑指数TI呈高度负相关，与逐步分支率呈高度正相关。第2主成分与基部到终端所有连接总数、外部连接总数、根直径高度呈正相关。结论：在河西走廊中部2种荒漠植物根系的拓扑指数均较小，根系分支模式均近似为叉状分支结构。红砂和白刺根系具有较好的分形特征。2种荒漠植物根系的平均连接长度均较大，以扩大植物的有效营养空间，从而适应干旱贫瘠的土壤环境。2种荒漠植物根系分支前的横截面积等于根系分支后的横截面积之和，验证了Leonardo da Vinci法则。根系拓扑指数、根系连接数量、逐步分支率和根系直径4个根系构型参数能很好地表示2种荒漠植物根系构型特征。

来源出版物：应用生态学报, 2013, 24(1): 25-31

入选年份：2016