作物根系研究方法進展與展望＊

孫路

（陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075）

根系是一株植物全部根的總稱，是植物固定、支撐，吸收和運輸水分與養(yǎng)分的地下營養(yǎng)器官。作物是指直接或間接為人類需要栽培的植物。本文通過對近幾年來作物根系形態(tài)幾種常見研究方法的對比分析，指出現有根系形態(tài)研究方法的優(yōu)缺點和適用性，并對未來作物根系研究方法進行了展望。

1 根系研究方法概述

作物根系形態(tài)是指根長、根數、根表面積、根體積等。作物根系的形態(tài)直接影響作物的生長和發(fā)育、對逆境的抵抗能力，進而影響作物的產量和質量。另外，對生態(tài)、環(huán)境、地質等方面也有不同程度的影響。根據作物栽培條件的不同，本文將根系形態(tài)的研究方法分為室內和室外兩大類。

1.1 室內試驗

對于個體偏小，且適應水培的作物，可選用刻度尺直接測量與肉眼觀察相結合的傳統(tǒng)的研究方法，也可借助現代化植物根系圖像分析儀，對根系進行一維掃描，通過圖像分析，得到根系的根長、根表面積、根直徑等多方面參數，操作簡單，功能強大；缺點在于，水培作物根系的生長分布容易受容器及培養(yǎng)條件的影響，得出的作物根系生長特征可作為研究作物根系生長的參考，不能等同于土壤中根系的實際生長特征。相比于水培作物，在盆栽、土柱等容器法種植作物方面需要注重洗根。洗根的傳統(tǒng)方式為沖洗，沖洗的弊端在于水力、人力等因素會導致根系在沖洗過程中大量損壞，降低了測量的精度和可靠性。結合現代超聲波技術，胡云華、楊恒山等人設計了超聲波土壤根系提取機和清洗機，并獲得了專利認證，通過超聲波震動來剝離根系上吸附的土壤，并利用重力完成土壤與根系的自動分離，能較完整地提取出土壤中的作物根系，有利于節(jié)約水資源，減少勞動力和提高工作效率。但對于根系較為復雜的，超聲波根系清洗機還不能完全保證清洗干凈。

學者Cater、國際水稻研究所發(fā)明了氣培法（霧培法）的根系研究法，將作物培養(yǎng)在培養(yǎng)箱（桶）中，作物由苯乙烯泡沫塊等材料固定，容器中的營養(yǎng)液經空氣壓縮機產生的高壓氣體霧化，從特定的噴口噴灑到作物根系上，作物根系吸收霧化的營養(yǎng)液從而維持作物生長。該法取樣簡單、可觀察根系完整生長過程、通氣性好、根系的生長特征基本與大田作物根系一致，但氣培法對霧化系統(tǒng)要求高，成本偏高。

1.2 戶外大田試驗

當作物完全處于自然狀態(tài)下時，對作物根系的研究具有重要的實際指導意義，但地下根系的不可見性及取樣時的破壞性等導致自然狀態(tài)下的根系研究難度系數加大，難點在于準確取根、洗根。傳統(tǒng)的取根代表方法有挖掘法、網袋法、同位素示蹤法等。挖掘法指直接從土壤中挖掘出作物根系；網袋法指在作物種植前，將尼龍網袋插入土中，作物在網袋中生長，測量前將網袋連同作物根系帶土取出，進行清洗并測量所需參數；同位素示蹤法指讓作物在限定的空間下吸收14CO2進行光合作用，根據研究需求，取出帶土根系、清洗，根據同位素14C在植物體內的分布，通過在Х光放射性顯影，從而得到完整的根系分布影像，該方法可有效地區(qū)分根系的活性。相關統(tǒng)計表明，用水沖洗根系會導致30%的根系脫落，降低了測量的精度和可靠性。

如何破解作物根系原位形態(tài)的不可視化，各國學者一直在不斷探索。Bates等人首次將微根管法應用于微根系生長研究，利用反光鏡觀測根系，并結合素描記錄圖像實現根系觀測，微根管觀測方法實現了數字化、自動化。羅錫文等人基于多層螺旋CT技術的根系原位形態(tài)的可視化進行試驗，指出CT成像技術用于實現作物根系原位形態(tài)構型觀察是可行的。張建鋒等人利用核磁共振成像（MRI）技術對作物根系三維構型進行原位無損檢測，研究表明應用MRI技術進行作物根系三維構型的研究是可行的。陳信信等人自制了一款根構型數字化儀，實現了小麥根型的時空動態(tài)，并分析了小麥根構型的3D特征。

2 作物根系研究方法展望

綜上可知，傳統(tǒng)的作物根系研究方法的焦點問題為：如何從土壤中毫無損壞地分離出根系。傳統(tǒng)的研究方法局限性很大，因為從土壤中分離出來的根系經過清洗、測量之后，不能再種回到原土壤繼續(xù)生長，不能研究同一作物生長階段的全過程研究。另外，分離根系的工作量大、難度高，而現代的作物根系研究方法集中攻克的問題為：如何在不挖出植物根系的前提下，觀察到根系的生長狀況。

隨著科技的不斷發(fā)展，作物根系重要性的宣傳不斷推廣，對根系的研究團隊必會不斷擴充和壯大，對于根系的研究必將進一步深入，未來的作物根系研究方法在攻克現代研究方法焦點問題的難關上，將不斷增加計算機科技含量投入。未來研究的重點在于徹底分離根系與土壤，快速、準確地從土壤中提取出根系的相關數據，如何實現根系發(fā)生、生長、衰老和死亡的動態(tài)監(jiān)測?？萍及l(fā)展的力量不容小覷，作物根系的研究方法前景值得期待。

［1］Weaver，J.E.Root development of field crops［M］.McGraw-Hill，New York，1926.

［2］閆健，謝小妍.作物根系研究室的設計［J］.農機化研究，2006（01）：152-155.

［3］苗玉新.大田作物根系研究法概述［J］.黑龍江農業(yè)科學，2005（03）：50-52.

［4］王法宏，趙君實.作物根系的研究進展［J］.萊陽農學院學報，1991（03）：198-201.

［5］胡云華，張一瀾，賀秀斌，等.超聲波土壤根系提取機：中國，203216742［P］.2013-09-25.

［6］楊恒山，袁雪嬌，張玉芹，等.一種超聲波根系清洗機：中國，206410917［P］.201-08-15.

［7］Bates G H.A device for the observation of root growth in the soil［J］.Nature，1937（139）：966-967.

［8］羅錫文，周學成，嚴小龍，等.基于XCT技術的植物根系原位形態(tài)可視化研究［J］.農業(yè)機械學報，2004（02）：104-106，133.

［9］張建鋒，吳迪，龔向陽，等.基于核磁共振成像技術的作物根系無損檢測［J］.農業(yè)工程學報，2012，28（08）：181-185.

［10］陳信信，丁啟朔，李毅念，等.南方稻麥輪作系統(tǒng)下小麥根系的三維分形特征［J］.中國農業(yè)科學，2017（03）：451-460.