基于探地雷达的城市树木地上-地下根茎比评估——不同城市微环境中Cenostigma pluviosum根系发育的对比研究

《Trees》：The above- and below-ground root-to-shoot ratio in urban trees – a ground penetrating radar assessment

　　

城市树木因其在城市中的良好发育而提供着关键的生态系统服务（ecosystem services），并因此享有盛誉。然而，城市环境给树木带来了重大挑战，包括地上和地下灰色基础设施（grey infrastructure）所带来的损害。在理解树木与地上基础设施之间的冲突方面已取得了重要进展，但对根系的评估却相对滞后。探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）等新技术为评估树木根系开辟了新途径。在本研究中，研究人员探究了路缘石和铺装对30棵生长在人行道旁、停车场和绿地中的Cenostigma pluviosum树木根系发育的影响。基于GPR数据，研究人员估算了根系出现的最小深度和最大深度、最大直径以及根系体积分布。结果表明，与生长在人行道和停车场的树木相比，绿地树木的根系体积高出54%，且根系在树干周围的分布更为均匀。在公园中，随着树木不断长大，根系体积与调查土壤体积之间的比值随之增加，遵循着一个可能保证树木稳定性的比例关系。这种正向关联在街道和停车场树木中不复存在，在这些环境中，铺装、路缘石和地下基础设施随着树木的增大而制约了根系的发育。因此，树木无法维持根茎比例，从而危及树木的稳定性及其在城市中提供的服务。

**城市树木根系发育的困境与突破：基于探地雷达的根茎比评估**

**一、研究背景与科学问题**

城市树木是城市生态系统的核心组成部分，为城市环境提供着不可替代的生态系统服务（ecosystem services），包括空气净化、微气候调节、雨水截留和碳固存等功能，这些服务的有效发挥从根本上取决于树木在城市环境中的健康发育。然而，城市环境具有高度的异质性和胁迫性，树木必须在高密度建成环境中扎根和生长。土壤压实（soil compaction）、地表封闭（surface sealing）以及与灰色基础设施（grey infrastructure）之间的冲突极大地制约了根系的生长，并诱导产生生理胁迫，往往导致根系构型（root architecture）发生改变。这种改变可能减少分配到根系系统的生物量比例，进而造成水分吸收与大气蒸散需求之间的失衡，以及力学稳定性（mechanical stability）的下降。已有研究指出，根系破坏在无木材腐朽的树木倒塌中占比高达33%，且常与根颈收缩（constricted root collars）和压实土壤有关。

尽管学术界在理解树木与地上基础设施（如架空线缆、建筑立面）之间的冲突方面已取得重要进展，但对地下根系系统的评估却严重滞后。究其原因，传统根系研究方法（如挖掘法、根钻法）具有破坏性、耗时且难以在建成环境中大规模应用。近年来，探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）作为一种新兴的非侵入式地球物理探测技术，为根系成像和定量表征提供了新的可能。GPR通过向土壤中发射高频电磁脉冲并记录反射信号，依据地下材料介电特性（dielectric properties）的差异，实现对根系空间分布的三维可视化。

在此背景下，本研究的核心科学问题是：城市环境的异质性——具体表现为人行道、停车场和绿地三种典型城市微环境——如何影响树木根系的生长发育及其与地上属性（胸径和树高）的比例关系？研究人员提出的假设是：人行道树木因土壤不渗透性、可用空间有限及与地下基础设施的冲突而表现出最受限制的根系发育；停车场树木面临中等程度的约束；而绿地树木由于生长在完全可渗透的土壤和无物理限制的环境中，将发展出更广泛且空间分布更均匀的根系系统。

**二、关键技术方法概述**

本研究选取了巴西城市林业中广泛使用的乡土树种Cenostigma pluviosum（隶属于豆科Fabaceae）作为研究对象，在巴西圣保罗州（S?o Paulo State）的大城市中采集数据。该树种成年个体可达28米高、50厘米胸径（Diameter at Breast Height，DBH），木材密度为0.978 g/cm³。研究共纳入30棵成熟个体，三类环境（人行道、停车场、绿地）各10棵，所有样本在胸径、高度和冠幅尺寸上保持同质，且土壤条件均为典型的黏质、紧实和贫瘠的结构性填土（structural fill）。

核心探测技术采用ANDAS根系测绘系统，配备900 MHz天线和SIR4000控制器。数据采集采用围绕树干进行双向（X和Y方向）二维平行剖面扫描的方式，通过三维数据处理获得深度切片（depth slices），从而确定根系的空间分布、深度及直径。根据已有方法验证，GPR对根系深度和直径的估算误差分别约为4.7%和9.7%。每根根系分枝被简化为圆柱体模型，根系体积通过GPR测得的平均直径和长度估算。GPR导出的参数包括根系最小深度、最大深度、最大直径和根系体积分布，同时记录每株树木的胸径和树高。

统计方法方面，采用箱线图展示描述性统计，采用非参数Kruskal-Wallis检验和Dunn事后检验比较三类环境间各变量的显著性差异。为评估根系发育是否随树木大小成比例变化，引入了相对根系体积（即根系体积与调查土体体积之比）与DBH和树高的关系分析。采用协方差分析（Analysis of Covariance，ANCOVA）评估组间差异，同时控制DBH和树高等连续协变量的影响，以更精确地评估环境效应的显著性。所有统计计算使用Python编程语言完成。

**三、主要研究结果**

**（一）根系体积与直径的差异**

研究结果显示，三类环境下的根系体积存在显著差异。绿地树木的根系体积是人行道树木的三倍以上，是停车场树木的七倍以上。停车场树木的最大根系直径也显著低于其他两种环境，而绿地和人行道之间在该指标上无显著差异。这一结果表明，停车场的极端压实和不渗透条件对根系粗生长构成了最强烈的物理阻碍。

**（二）根系深度的分布特征**

根系最小深度（minimum root depth）在三类环境中表现出显著差异：停车场中最小深度最大，而绿地中最小深度最小——后者根系平均出现在距表土不足5厘米处。这表明绿地中相对疏松和渗透性良好的表层土壤有利于浅层根系的发育。相比之下，压实和铺装封闭迫使停车场树木根系向更深层生长。然而，根系最大深度（maximum root depth）在三类环境中未表现出统计学显著差异，可能与调查深度限制（1.5米）以及深层土壤条件的趋同性有关。

**（三）根系空间分布的异质性**

GPR成像和象限分析清晰地揭示了三类环境中根系空间分布格局的差异。人行道树木的街道铺装面下方根系数量显著减少：40%的个体的根系完全未延伸至铺装层以下，其余60%中，大多数（66%）仅发育了两条根分枝。停车场树木在各象限根系分布较为均匀，但总体体积很小且标准差较大。绿地树木则在所有四个象限均覆盖有广泛的根系系统，围绕树干呈均匀分布。

**（四）根系体积与地上属性的关联**

线性回归分析显示，仅在绿地环境中，DBH与相对根系体积之间存在正相关趋势（R² = 0.60）；而在人行道（R² = 0.16）和停车场（R² = 0.03）中，两者之间无统计学显著关联。斜率估计表明，正向关联强度从绿地到停车场再到人行道呈现递减梯度，绿地与人行道之间的斜率差异达到显著水平。

协方差分析（ANCOVA）进一步验证了上述趋势。当以DBH为协变量时，环境对根系体积的主效应极为显著，但DBH的主效应不显著；而环境与DBH的交互效应显著，表明DBH与根系体积之间的关系确实因环境条件而异。换言之，DBH仅在有利的土壤条件下才可作为根系扩张的有效预测因子；在受限制的城市微环境中，物理约束压倒了个体发育的信号。

**四、讨论与结论**

综合上述结果，研究人员的初始假设得到了有力支持：人行道树木表现出最严重的根系发育受限，其次为停车场树木，绿地树木的根系则发育最为充分。这一梯度直接反映了不同城市微环境中土壤物理质量的差异——空间可用性、土壤渗透性和氧含量共同决定了根系体积和空间构型。

从生理机制上看，受限环境中根系直径的减小与土壤压实导致的机械阻抗增加和水分/养分可利用性下降密切相关，物理约束和生理胁迫协同塑造了根系形态。根系的浅层分布格局与全球格局一致——约60%的树木根系集中于土壤剖面的前30厘米内——绿地中更浅的根系分布可能有利于增强树木的锚固能力，而人行道和停车场中被迫向深层生长的模式则可能是根系对铺装下水分梯度的水向性（hydrotropism）响应。

最重要的发现是根茎比例失调对树木稳定性的潜在威胁。在绿地中，随着树木增大，根系体积与调查土体体积之比同步增加，暗示着一种维持稳定性的异速生长平衡；而在人行道和停车场中，这种正向关联完全瓦解。ANCOVA中环境与DBH的显著交互效应进一步证实，城市地表条件是调控地下生物量分配的主导因子。当根系无法按比例随地上部分扩张时，树木的锚固强度被削弱，在极端天气事件或机械荷载下发生倒塌的风险将显著增加。

本研究的结论部分明确指出：根系不仅对树木自身的发育至关重要，更对其在城市中的稳定性——以避免产生严重的负生态系统服务（disservices）——具有决定性意义。在城市环境中，根系面临有限的空间以及与地下人工设施（如服务管线和管道）的冲突，这些因素限制了根系的充分发育。结果表明，铺装区域的根系倾向于向深处生长，这与绿地中以浅层分布为主的格局形成鲜明对比。人行道树木的根系直径更大，且偏向于生长在与车道相反的一侧，而绿地树木的根系在树干周围分布更为均匀。在三种城市环境中，人行道树木的相对根系发育程度最低，停车场树木次之，绿地树木最为广泛。这种受限的根系发育可能损害锚固功能，从而增加树木在力学胁迫下倒塌的易感性。总之，本研究所呈现的各项指标表明，在无压实土壤和人行道等干扰的环境中生长的Cenostigma pluviosum，其根系发育更为良好——表现为根系数量增加、体积增大和空间分布均匀——因而可能具有更低的倒塌风险。