呼和浩特市古榆树心腐特征及其影响因素

Characteristics and Influencing Factors of Heart Rot in Ancient Elm Trees in Hohhot

摘要

研究呼和浩特市古榆树心腐特征及其影响因素，并提出古榆树保护策略，为古榆树保护工作提供理论依据。利用Picus³应力波树干横断面扫描仪和TRU树木雷达检测系统对呼和浩特市44株古榆树样本的心腐特征进行普查，采用线性回归模型分析古榆树心腐与健康指标、形态指标和环境指标的关系，探究古榆树心腐的相关影响因素。结果表明：呼和浩特市古榆树心腐等级数量占比从大到小依次为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅰ级、Ⅳ级，树干心腐始点出现的频率从高到低依次为髓心（S，36次）、树干边材（B，25次）、树干中部（Z，14次）。根系密度在垂直和水平方向上的分布规律一致，均表现为离主干越近根系密度越大。影响因素中主干病害（R²=0.302）、主干虫害（R²=0.234）、树皮损伤（R²=0.225）、土壤紧实度（R²=0.248）与心腐指数关系极显著（P<0.01）；根系生长空间 （R²=0.187）、树冠生长空间（R²=0.103）、根系密度（R²=0.121）与心腐指数关系显著（P<0.05）；而主干倾斜（R²=0.011）、冠形（R²=0.013）与心腐指数无显著关系（P>0.05）。呼和浩特市古榆树心腐初期主要发生在树干的髓心和边材区域，病因是树干边材受到损伤，但髓心出现的心腐危害更严重。古榆树树干健康随树木生长逐渐衰退，且当树干出现腐烂或空洞时，树干衰退速度加快。古榆树心腐与健康指标、环境指标有显著相关性，与古树自身形态指标无显著相关性，根系密度也是影响古榆树心腐的重要因素。因此，及时评估古榆树健康状态，及时人为干预治疗修复，加大力度保护树体免受损伤，加强树干内部损伤检测，在可实现范围内应合理规划古榆树生长所需的物理空间，并及时松土保证其有充足的生长空间和养分补给，注意病虫害防治和树皮损伤修复，减少外界环境侵害，提高古榆树养护成效。

Abstract

The characteristics and influencing factors of heart rot in ancient elm trees in Hohhot were studied， and protection strategies for ancient elm trees were proposed to provide a theoretical basis for their conservation. In this study， Picus³ stress wave trunk cross-sectional scanner and TRU tree radar detection system were used to determine the heart rot characteristics of 44 ancient elm samples in Hohhot by 1∶1 stratified random sampling method. Linear regression model was used to analyze the relationship between heart rot of ancient elm trees and health indicators， morphological indicators and environmental indicators， and to explore the related factors influencing heart rot of ancient elm trees. The results showed that the quantity proportion of heart rot grades of ancient elm trees in Hohhot was ranked from large to small as grade Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ， and the frequency of the beginning point of trunk heart rot was ranked from high to low as pith（S， 36 times）>trunk sapwood（B， 25 times）>middle trunk（Z， 14 times）. The distribution of root density in the vertical and horizontal directions was consistent， indicating that the closer to the trunk， the greater the root density. Among the influencing factors， trunk diseases（R²=0.302）， trunk pests（R²=0.234）， bark damage（R²=0.225）， soil compaction（R²=0.248） and heart rot index were significantly correlated（P<0.01）. Root growth space（R²=0.187）， crown growth space（R²=0.103） and root density（R²=0.121） were significantly correlated with heart rot index（P<0.05）. There was no significant correlation between trunk inclination（R²=0.011）， crown shape（R²=0.013） and heart rot index（P>0.05）. The heart rot of ancient elm trees in Hohhot initially occurred mainly in the pith and sapwood areas of the trunk， the heart rot was mainly caused by damage to the sapwood of the trunk in the early stage of heart rot， but the heart rot in the pith was more serious. The trunk health of the ancient elm trees gradually declined with the growth of the trees， and the decline rate accelerated when the trunk appeared rot or cavities. The heart rot of ancient elm trees had a significant correlation with health indicators and environmental indicators， but not with the morphological indicators of ancient trees. Root density was also an important factor affecting the heart rot of ancient trees. Therefore， the health status of ancient elm trees should be assessed in time， and intervention treatment and repair should be done timely， the tree body should be protected from damage， and internal damage detection in the trunk should be strengthened， the physical space required for the growth of ancient trees should be reasonably planned， and the soil should be loosened in time to ensure its sufficient growth space and nutrient supply， attention should be paid to the prevention and control of diseases and insect pests and the repair of bark damage of ancient elm trees， the occurrence of external environmental violations should be reduced， and the conservation effect of ancient trees should be improved.

Graphical abstract

关键词

呼和浩特市 / 古榆树 / 心腐特征 / 根系分布 / Picus³应力波检测

Key words

Hohhot / ancient elm / heart rot characteristics / root distribution / Picus³ stress wave detection

古树是历史和自然赋予人们的宝贵遗产，具有重要的生态价值、社会价值和经济价值，对改善城市生态系统结构与功能、调节微气候、维持生物多样性等具有积极作用^［1］。榆树是榆科（Ulmaceae）榆属（Ulmus）植物的总称，是我国固有树种，有着悠久的历史^［2］，中国人在长期的植榆、用榆的历史过程中，保存下来许多珍贵的古榆树^［3］。古榆树作为呼和浩特市重要的生态和文化象征，承载着丰富的历史价值和生态功能^［4］。然而，近年来，古榆树心腐现象日益严重，严重影响古树生长，削弱其支撑力、水分和养分运输能力，使古树面临倒伏、死亡等风险^［5］。

古树心腐通常表现为古树内部的木质组织 在真菌^［6］、细菌^［7］等微生物的作用下，或者由于自然老化、物理损伤等原因，逐渐失去原有的结构 和强度，出现变软、分解、空洞等情况^［8］。同时，心腐也可能导致古树外观上出现裂缝、树洞，影响其景观价值和历史文化价值^［9］。以往的研究主要 集中在古树名木树干外部的树皮损伤^［10］、心腐的病理机制和防治技术等方面^［11］，相关文献较为陈旧，且主要针对森林生态系统，而城市中分布的古树群体树干心腐特征及其影响因素的相关研究较少^［12］。

鉴于此，本研究以呼和浩特市古榆树为研究对象，通过实地调查与统计分析，结合古榆树的健康指标、形态指标及环境指标进行影响因子分析，评估古榆树心腐及根系分布特征，并探讨古榆树心腐的影响因素，针对性提出古榆树资源管护策略，以期为古榆树的健康管护提供科学依据，为城市社会文化传承及城市生态系统稳定提供科学理论基础。

1 研究区概况

呼和浩特市（40°51′~41°8′N，110°46′~112°10′E）总面积17 224 km²，属典型的蒙古高原大陆性气候，年均气温北低南高，北部大青山区年均气温2 ℃左右，南部年均气温6.7 ℃，年均降水量335.2~534.6 mm。土壤类型繁多，分布有13个土壤亚类，既有地带性土壤，又有非地带性土壤。呼和浩特市自然环境多样，植物资源丰富，古榆树资源保存较好，主要分布在毫沁营乡、攸攸板镇、将军衙署等寺庙公园中，这些古榆树承载了这座城市的社会历史文化。

2 研究方法

2.1　样本选择

依据《呼和浩特市古树名木保护条例》中古树保护等级分类，树龄≥500 a的实行1级保护，300 a≤树龄<500 a的实行2级保护，100 a≤树龄<300 a的实行3级保护^［13］。呼和浩特市园林建设服务中心市区古榆树信息库中共记录45棵古榆树，据此对呼和浩特市1、2、3级古榆树进行普查。由于个别古树位置不可达，最终获得1级3棵、2级12棵，3级29棵，共44棵古榆树样本。

2.2　数据收集

2.2.1　古树心腐测定

Picus³应力波树干横断面扫描仪由德国Argus公司研发，根据应力波传播机理，以声波传播速度或振动频率检测古树内部疏松、空腐等状态，目前，Picus³已经广泛应用于园林苗木检测^［14］。本研究利用Picus³应力波树干横断面扫描仪对古榆树树高1.3 m处进行心腐检测，如图1所示。

2.2.2　古树根系分布检测

TRU树木雷达检测系统由美国GSSI公司研发，该系统应用GPR无损检测技术可在不损伤 古树的情况下完成根系分布检测。目前，TRU树木雷达检测已成为树体无损检测的主要技术手段^［15］。

本研究围绕待测古树建立3圈根系探测路径，第1圈距离树体0.8 m，第2圈距离树体2.0 m，第3圈距离树体3.0 m，探测范围如图2所示，示意图中红色线表示探测路径，绿色线与红色线相交点为探测起点，黑色箭头表示探测方向（顺时针）。通过TRU树木雷达检测系统，将检测的根系信号经过处理，拓扑构建成根系模型，可直观地观察粗根在土壤中的分布规律，然后使用TreeWin TM PRO软件对根系分层统计根系密度（条/m）。

2.2.3　指标调查

参考古树健康指标相关研究成果^［10］，从健康指标（树皮损伤、主干病害、主干虫害）、形态指标（主干倾斜、冠形）和环境指标（根系生长空间、树冠生长空间、土壤紧实度）3方面选择8个指标进行数据收集。详细标准见表1。

2.3　古树心腐指数与心腐等级划分

2.3.1　古树心腐指数

为更加科学地评估呼和浩特市古榆树心腐程度，本研究引入心腐指数（A）来反映树干心腐程度。计算心腐指数时应先划分树干木质健康类型，并计算不同树干木质健康类型的权重和占比，公式为

A={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_j\times Y_{ij}（1）

式中：n为指标数；W_j 为不同树干木质健康类型权重；Y_ij 为不同树干木质健康类型占比。

对Picus³应力波树干断层扫描仪生成的图像颜色（棕色~蓝色）进行赋值，使其范围固定在0~1，将其平均分成4个区域，分别对应健康［0，0.25）、疏松［0.25，0.5）、腐烂［0.5，0.75）与空洞［0.75，1］ 4种不同树干木质健康类型，并计算样本不同树干木质健康类型占比^［16］。

采用熵权法计算权重，其计算过程如下。

数据标准化：

Y_{ij}=\frac{X_{ij}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(Y_i)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(Y_i\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(Y_i)}（2）

式中：min（Y_i ）为不同树干木质健康类型占比最小值；max（Y_i ）为不同树干木质健康类型占比最大值；X_ij 为树干木质健康类型占比。

计算指标贡献度（p_{ij}）：

p_{ij}=\frac{Y_{ij}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{Y}_{ij}}(i=\mathrm{1,2},\dots ,n;j=\mathrm{1,2},\dots ,m)（3）

计算熵值（E_j）：

E_j=-\mathrm{l}\mathrm{n}{\left(n\right)}^{-\mathrm{1}}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\mathrm{l}\mathrm{n}{p}_{ij}(\mathrm{若}{p}_{ij}=\mathrm{0},\mathrm{则定}\mathrm{义}{E}_j=\mathrm{0})（4）

计算第i个指标的差异性系数（G_i ）：

G_i=\mathrm{1}-E_j（5）

确定权重：

W_j=\frac{G_i}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{g}_i}（6）

式中：g_i 为第i个指标的差异性系数G_i。

2.3.2　心腐等级划分

按照最大隶属度原则，根据心腐指数计算隶属各等级的隶属度，并进行心腐等级划分。隶属度的划分为

Y_i=\frac{A_i-A}{A_{i+\mathrm{1}}-F_i}（7）

Y_{i+\mathrm{1}}=\frac{A-A_{i+\mathrm{1}}}{A_{i+\mathrm{1}}-F_i}（8）

式中：Y_i 为i级的隶属度；Y_i+1为i+1级的隶属度；A为心腐指数；A_i 为第i级健康程度对应的阈值；A_i+1为第i+1级健康程度对应的阈值。

2.4　心腐始点和心腐位置划分

2.4.1　心腐区域

区位划分：以Picus³应力波树干断层扫描仪生成的心腐图像圆心为原点，在1/3半径和2/3半径处分别作同心圆，将古榆树横截面分成3个环形区域，本研究定义S、Z和B分别代表树干髓心、中部和边材，如图3A所示。

方位划分：为方便对心腐的古榆树样本进行方位统计分析，分别在上述S、Z和B区域中22.5°与202.5°、67.5°与247.5°、112.5°与292.5°、157.5°与337.5°处过圆心作对角线，将S、Z和B各自平分为8个小区域，其中8方位为正北方位，如图3A所示。

2.4.2　心腐始点

心腐区域的产生最开始是由于某一处受到损伤后逐渐向周围蔓延，因此，为了确定心腐最开始出现的位置，定义心腐最严重的区域称为心腐始区，在心腐始区内做内接圆，其圆心称为心腐始点，如图3B所示。

2.5　数据处理

采用线性回归模型分析古榆树心腐与生长指标、健康指标、形态指标和环境指标的关系，计算各指标对心腐指数的贡献度（R² ），并进行显著性检验。其中古榆树心腐指数（A）及其他数据处理由Photoshop 2021、SPSS 26.0和Excel 2019完成，相关图表由Origin 2021制作。

3 结果与分析

3.1　古榆树心腐分析

3.1.1　树干木质健康类型权重及样本占比分析

“熵权法”计算结果表明，呼和浩特市古榆树树干空洞权重最高，为0.528，然后分别为腐烂（0.202）、疏松（0.164）和健康（0.106）（图4A）。4种不同树干木质健康类型中，健康类型占比随着疏松、腐烂、空洞类型占比升高而降低，并且古榆树树干最先出现的恶化是疏松，其次是腐烂，最后是空洞，随着树干空洞的出现，恶化速度急剧增加。这表明，木质部损伤是导致树干恶化的根本原因，而树干内部形成空洞会进一步加速空洞周围组织向空洞转化（图4B）。

3.1.2　古榆树心腐等级划分

按照最大隶属度原则，将呼和浩特市古榆树划分为4个心腐等级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级），各级心腐指数为Ⅰ级（A<0.04）、Ⅱ级（0.04≤A<0.07）、Ⅲ级（0.07≤A<0.31）、Ⅳ级（A≥0.31），对应不同级别的心腐等级、心腐指数，如图5所示。对呼和浩特市古榆树样本进行心腐等级归类统计，发现呼和浩特市古榆树各心腐等级数量从大到小依次为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅰ级、Ⅳ级，如表2所示。

3.1.3　古榆树心腐发生始点、区位统计分析

由古榆树心腐始点、区位统计分析（表3）发现，呼和浩特市古榆树心腐发生始点在树干中不同位置出现的频率不同，树干髓心部位（S）心腐出现的频率最高（36次），占全部样本的48.00%。其次是树干边材（B）部位（25次），占全部样本的33.33%，树干中部（Z）出现心腐的频率最低（14次），仅占全部样本的18.67%，而树干髓心部位（S）和边材（B）部位心腐合计为81.33%。不同心腐等级的古榆树心腐始点分布也存在一定差异，其中Ⅰ级和Ⅱ级古榆树心腐始点分布规律为树干边材（B）>树干髓心（S）>树干中部（Z），Ⅲ级和Ⅳ级古榆树心腐始点分布规律为树干髓心（S）>树干中部（Z）>树干边材（B）。这表明，心腐初期古榆树更容易受到外界损伤造成心腐，而心腐后期表现为髓心部位大面积腐烂。此外，呼和浩特市古榆树单个样本存在多个心腐始点的现象，且该现象主要存在于心腐较为严重的Ⅲ级和Ⅳ级古榆树样本中，这说明心腐较为严重的古榆树，其树干心腐可能受到内外双重因素影响。

3.2　古榆树根系分布分析

呼和浩特市古榆树不同土层根系密度检测 结果如图6所示，不同土层深度粗根密度结果显示，古榆树根系在0~40 cm范围根系密度较高，为4.79条·m^-1，随着土壤深度的加深根系密度则显著降低，>80 cm土壤深度的根系密度仅为0.45条·m^-1。呼和浩特市大多数古榆树根系最深能分布到80 cm以下（图6A）；距树干不同距离粗根密度检测结果显示，古榆树根系在距树干中心0.8 m范围根系密度较高，为4.63条·m^-1，随着距离树干中心越远根系密度显著降低，距离树干3 m处的根系密度仅为0.50条·m^-1（图6B）。

3.3　古榆树心腐的影响因素分析

3.3.1　指标调查分析

由实地调查指标统计分析（表4）发现，呼和浩特市古榆树主干病害、主干虫害、树皮损伤的1级占比相对于其他指标较高（占比超过总数的10%），尤其是树皮损伤（1级占比超过20%）；而古榆树主干倾斜、冠形、根系生长空间、树冠生长空间和土壤紧实度的健康程度较好，主要集中在3级、4级和5级（总占比超过90%），其中4级和5级占比超过30%。

3.3.2　影响因素分析

通过线性回归分析，探究呼和浩特市古榆 树主干病害、主干虫害、树皮损伤等9个指标与古榆树心腐指数之间关系，线性回归分析结果（表5）表明，除形态指标中的主干倾斜（R² =0.011）、冠形（R² =0.013）与古榆树心腐指数的关系并不显著 （P>0.05）外，其余指标均显著影响古榆树心腐指数，其中主干病害（R² =0.302）、主干虫害（R² =0.234）、树皮损伤（R² =0.225）、土壤紧实度（R² =0.248）对古榆树心腐指数的影响为极显著（P<0.01），而根系密度（R² =0.121）、根系生长空间（R² =0.187）、树冠生长空间（R² =0.103）对古榆树心腐指数的影响为显著（P<0.05）。

此外，不同指标与古榆树心腐指数的相关性不同，主干病害、主干虫害、树皮损伤、根系密度、土壤紧实度与古榆树心腐指数呈负相关关系，而根系生长空间、树冠生长空间与古榆树心腐指数呈正相关关系。由此可知，健康指标、环境指标和根系密度是影响古榆树心腐指数的主要因素，而主干倾斜、冠形的基础形态指标对古榆树心腐指数无显著影响。

4 讨论

4.1　呼和浩特市古榆树心腐特征分析

呼和浩特市古榆树心腐最初主要发生在树干的髓心和边材区域，而心腐后期表现为髓心部位形成大面积空洞。由于呼和浩特市古榆树大多分布在公园、寺庙、旅游景点及村庄附近^［4］，更容易遭人为破坏而造成树干边材木质健康受损。现有研究^［17-18］也证实，树木的腐烂甚至形成大小不一的空洞是因为树干物理损伤导致外部真菌和害虫侵入树干内部并向树干上部逐步扩展而形成的。心腐等级较低的古榆树树干边材更易遭受侵害，原因在于此时树干外部受外界环境的胁迫压力远大于内部。另一方面，古榆树树干内部遭受的侵害相较于外部更易造成更严重的树干心腐，原因在于树木生长压力随年龄增加而增大，树龄越大的树木受干扰后形成树洞抵抗力越弱，往往容易形成更多、更大的树洞，从而大大提高树木心腐发生的概率^［19］。古榆树心腐后期心材防御力降低，导致外部入侵的感染源并没有得到树木有效的自我防御，从而造成树干内部大面积损伤^［19-20］。

目前，古榆树保护工作表现出力度大、成效低的状态。实地调查发现，呼和浩特市古榆树保护大多注重圈地保护，而忽略了树木健康状态，树干内部前期出现的损伤检测不及时，以至于保护成效较低。因此，对于呼和浩特市城市古树管理保护应加大力度保护树体免受损伤，同时加强树干内部损伤检测，及时评估古树健康状态，及时人为干预治疗修复，以保证古树养护成效。

4.2　外界干扰对古榆树心腐的影响

健康指标和环境指标显著影响古树心腐程度，呼和浩特市古榆树主要因自身生长调控机制和外部损伤导致有害物质进入树干而出现心腐。在本研究中树木主干病害、主干虫害、树皮损伤与心腐指数均表现为极显著相关（P<0.01，R²>0.225），主要是由于树干受到木材害虫，如脐腹小蠹（Scolytus schevyrewi）^［20］、天牛（Cerambycidae）^［21］等有蛀食树干潜在威胁的害虫，以及人为破坏、真菌侵染导致树皮损伤^［22-24］。树木伤口感染后，病菌或害虫更容易进一步入侵树干内部，进而加重古树心腐程度。

此外，古榆树生长的环境指标和根系密度也会间接影响树干心腐，例如，土壤紧实度、根系生长空间、根系密度、树冠生长空间均显著影响呼和浩特市古榆树心腐指数（P<0.05，R²>0.103）。研究表明，土壤紧实度主要影响古榆树根系穿透能力及土壤矿质元素转移^［25］，根系生长空间、根系密度则影响古树的树体稳定和土壤养分吸收效率^［26］。根系范围分布越广阔，根系吸收水分及养分的能力越强，古树的生长状况越好^［27］。树冠生长空间也影响林木的光合作用与生态价值^［28-29］。因此，在城市古树管护过程中应加强病虫害防治和树皮损伤的及时修复，最大限度地降低受外界扰动的频次，同时及时排查生长条件，保证古榆树拥有足够的生长空间和养分补给。

5 结论

呼和浩特市古榆树心腐最初主要发生在树干的髓心和边材区域，总占比为81.33%。虽然心腐初期主要是因树干边材受到损伤造成，但髓心出现的心腐危害更严重。古榆树树干健康随树木生长逐渐衰退，且当树干出现腐烂或空洞时，衰退速度加快。古榆树心腐与健康指标、环境指标具有显著相关性（P<0.01或P<0.05），而与古榆树自身形态指标无显著相关性（P>0.05），根系密度也是影响古榆树心腐的重要因素。

因此，园林工作者应及时评估古榆树健康状态，加大力度保护树体免受损伤，同时加强树干内部损伤检测，及时评估古榆树健康状态，及时人为干预治疗修复，以保证养护成效。管护时应加强古榆树的病虫害防治和树皮损伤修复，减少外界环境侵害，在可实现范围内应合理规划古树生长所需的物理空间，并及时松土保证其充足的生长空间和养分补给。

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基金资助

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZZ23065)