植物根系分布與根際微生態(tài)研究方法概述

張新生，盧 杰*

（西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏林芝860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏林芝860000；3.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏林芝860000）

1 引言

根系分布能夠影響植物吸收水分與養(yǎng)料，不同植物的根系分布特點(diǎn)是不同的。對植物根系分布進(jìn)行研究，主要是獲取根系的物理數(shù)據(jù)，如根的根長、根重、根密度等，從而得到根系的分布范圍，總結(jié)根系分布特征，為進(jìn)一步研究根系分布與根際微生態(tài)做準(zhǔn)備。目前關(guān)于根系的研究有根系性狀、根系空間分布和動態(tài)規(guī)律、根系形態(tài)以及根系分解等。例如Lyudmila Lozanova 對保加利亞歐洲山毛櫸林和道格拉斯冷杉人工林進(jìn)行根系動態(tài)和垂直分布研究，采用連續(xù)取芯法研究了0～2 mm、2～5 mm 和5～10 mm 3 個根徑級(0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm)的根系垂直分布和動態(tài)[1]； 王付剛對紅松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea asperata)和冷杉細(xì)根形態(tài)進(jìn)行研究，了解細(xì)根形態(tài)結(jié)構(gòu)等[2]。

根際微生態(tài)是指不超過根系5 mm 范圍內(nèi)的土壤區(qū)域。根際微生態(tài)中的環(huán)境因子會對植物根系產(chǎn)生重要影響，例如根際光照與溫度、根際水分與氣體、根際營養(yǎng)元素等。同時根際微生態(tài)中所包含的根際微生物也是影響植物根系生長發(fā)育的重要因素。目前植物根際研究多集中在根際微生物上，例如賈丹等人在牡丹江地區(qū)對云冷杉紅松林進(jìn)行研究時，主要針對根際微生物多樣性方面[3]；吳重華，唐明等人在太白山自然保護(hù)區(qū)中從根際土壤中分離出巴山冷杉(Abies fargesii)的5 種AM 真菌[4]。

根系分布與根際微生態(tài)互作是指根系分布與根際微生態(tài)兩者相互作用，相互統(tǒng)一。一方面根系分布通過根系的垂直、水平分布以及根系分泌物會對根際微生態(tài)產(chǎn)生影響；另一方面根際微生態(tài)中的根際環(huán)境因子以及根際微生物會對根系生長發(fā)育產(chǎn)生影響。目前，對植物根系分布與根際微生態(tài)的研究較少，并且沒有把植物根系與根際的研究相結(jié)合，缺乏整體性研究。因此，研究植物根系分布與根際微生態(tài)具有重要意義。

2 根系分布的研究方法

2.1 傳統(tǒng)研究法

2.1.1 挖掘法

挖掘法就是指用工具或者高壓水汽等將土壤除去，使植物根系裸露出來，從而可以對植物根系進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和分析[5]。最早使用挖掘法的是德國學(xué)者Hales。在1972年，Hales 為了獲得植物根系在土壤中的分布狀況，就使用挖掘法對植物根部土壤進(jìn)行挖掘[6]。此后挖掘法開始盛行，眾多學(xué)者開始用挖掘法對各種植物的根系進(jìn)行研究。例如，張建英，張瑩瑩等人對核桃(Juglans regia)根系空間分布規(guī)律進(jìn)行研究時，就采用了分層挖掘法對根系進(jìn)行數(shù)據(jù)測量分析，從而獲得核桃根系的空間分布規(guī)律[7]；陳曉娜，段娜等人在烏蘭布和沙漠中對不同林齡的歐李Cerasus humilis (Bge.)根系進(jìn)行研究時，也是采用了挖掘法的方式對歐李根系分布進(jìn)行研究，獲取歐李根系根長、表面積以及體積等數(shù)據(jù)[8]。

挖掘法可以展現(xiàn)根系在自然狀態(tài)下的輪廓，容易對各種參數(shù)進(jìn)行測量，獲得根系分布狀況。但是許多植物的根系龐大并且深埋地下，挖掘時間長，并且挖掘過程中可能會損壞根系，挖掘的范圍和深度也受到限制，具有一定的局限性。

2.1.2 土鉆法

土鉆法也稱根鉆法，采用機(jī)械工具取得根系后，要對取得的根系進(jìn)行清洗，然后再對根系進(jìn)行測量分析[9]。20 世紀(jì)50年代以后，土鉆法開始被逐漸應(yīng)用。土鉆法最早在我國出現(xiàn)時是在1984年，李維炯對土鉆法的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹[10]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土鉆法仍舊被應(yīng)用到研究過程中。例如，李鵬，李占斌等人在黃土高原上采用土鉆法對草地植物根系進(jìn)行取樣，獲得不同退耕年限對根系垂直分布的影響[11]。

土鉆法的優(yōu)勢：使用工具少、簡單，并且操作簡便，任務(wù)量??；對土壤以及植物根系破壞性小。但是使用土鉆法時根系不能從土壤中完全分離出來,而且在分離過程中會失掉部分細(xì)根；在模擬總體根系分布狀況時會出現(xiàn)誤差。

2.1.3 縱剖面壁法

在1919年美國學(xué)者Weaver 發(fā)明縱剖面壁法，在土壤縱向剖面上去除掉3～5 cm 的土壤，然后對新出現(xiàn)的剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，得出根系數(shù)量和分布狀況。由于Weaver 的縱剖面壁法在進(jìn)行根數(shù)量描繪時不夠準(zhǔn)確，在1964年Reijmerink 提出薄片法，將透明玻璃板放在新的縱剖面壁上，在玻璃板上直接進(jìn)行繪圖[12]。我國學(xué)者郭承彬，董鳳麗等人在對果樹根系生長發(fā)育研究狀況進(jìn)行介紹時，就提到采用橫剖面壁法對根系進(jìn)行水平分布狀況測量[13]。

縱剖面壁法適合觀察不同地點(diǎn)、不同條件下的根系分布狀況，且不會受土壤類型的限制。但是采用縱剖面壁法也有一定的局限性，該方法在整體上對根系分布進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，出現(xiàn)誤差的可能性很大。

2.1.4 容器法

容器法是指把植物種植在各種容器內(nèi)，根據(jù)選擇植物的大小進(jìn)行容器的選擇[14]。如果想要隨時對植物根系進(jìn)行觀測，可以在容器的一面或者多面放置透明玻璃，對植物根系進(jìn)行動態(tài)觀測。容器法不僅僅可以監(jiān)測根系的物理與化學(xué)參數(shù)，還可以通過監(jiān)測描繪出根系的生態(tài)學(xué)特征。例如，胡建超，趙尊練等人在對線辣椒的根系發(fā)育狀況進(jìn)行研究時，就采用了容器法進(jìn)行不同定植密度對線辣椒根系進(jìn)行監(jiān)測，從而得到線辣椒根系的形態(tài)、活力以及物質(zhì)積累的生長變化[15]。

容器法的優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行動態(tài)觀測；適合重復(fù)試驗(yàn)；容器成本低，在試驗(yàn)結(jié)束后剪破容器，可以獲得完整根系。缺點(diǎn)：根系受到容器限制，對根系生長發(fā)育產(chǎn)生影響；成熟植物根系龐大，容器法只能對植物幼苗進(jìn)行觀測； 同時容器內(nèi)種植的數(shù)量有限，缺乏競爭因素，在進(jìn)行監(jiān)測后獲得的數(shù)據(jù)會跟實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)有一定的誤差。

2.2 現(xiàn)代研究法

傳統(tǒng)的根系分布研究方法不可避免的會對植物根系產(chǎn)生破壞，因此使用現(xiàn)代科學(xué)儀器對根系分布進(jìn)行監(jiān)測成為必然。并且隨著時間的發(fā)展，通過現(xiàn)代儀器對植物根系分布進(jìn)行監(jiān)測會更加便利。目前主要通過儀器對根系分布監(jiān)測的現(xiàn)代方法有探地雷達(dá)法、微根管法、X－光掃描分析系統(tǒng)、核磁共振法等。

2.2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是指運(yùn)用探地雷達(dá)向植物根系所在的土壤區(qū)域發(fā)射高頻脈沖信號（電磁波），利用其遇到介質(zhì)進(jìn)行反射和散射的特性，在計(jì)算機(jī)上形成反射引號圖，從而得到根系分布結(jié)構(gòu)狀況[16]。在探地雷達(dá)對樹木根系監(jiān)測研究方面，主要是國外學(xué)者較多，例如Changkun Xie，Shize Cai 等人在上海，利用探地雷達(dá)對10 種不同樹種的90 棵樹進(jìn)行了掃描，測定了土壤性質(zhì)和樹木根系特征，分析了它們對入滲的影響[17]；Naama Raz Yaseef，Laura Koteen 等人通過探地雷達(dá)對6 種樹木形態(tài)(不同年齡、大小和叢生)的進(jìn)行調(diào)查，基于激光雷達(dá)的相對豐度分析每棵樹的配置，同時探測樹木的根生物量并進(jìn)行校準(zhǔn)[18]。

探地雷達(dá)可以在各種土壤條件下對植物根系進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；并且監(jiān)測速度快、分辨率高、感應(yīng)敏感，獲取植物根系的二維結(jié)構(gòu)。但是探地雷達(dá)只能對淺層根系進(jìn)行探測，無法對地面更深層的根系進(jìn)行監(jiān)測； 在探測細(xì)根與毛細(xì)根上具有一定的局限性。

2.2.2 微根管法

微根管法也稱為微視窗法，是指在土壤中插入透明監(jiān)測管，然后在管內(nèi)放置長筒觀察鏡和微型相機(jī)長期定位觀測根系生長發(fā)育狀況，對采集的圖像數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)計(jì)根系參數(shù)，最后得到根系分布狀況[19]。

許多學(xué)者應(yīng)用微根管技術(shù)對各種植物根系進(jìn)行了研究，例如我國的李燕麗，王昌昆等人利用微根管技術(shù)對小麥(Triticum aestivum)根系進(jìn)行監(jiān)測，并且結(jié)合圖像處理技術(shù)得到小麥根系生長發(fā)育狀況[20]；在國外Bikash Ghimire，Scot H.Hulbert 等人利用原位微根管技術(shù)，揭示了5 個春小麥(Triticum aestivum) 品種 Louise、Alpowa、Hollis、Drysdale 和Dharwar Dry 以及兼性春季地方品種AUS28451 的成熟根系生長動態(tài)[21]。

應(yīng)用微根管技術(shù)的優(yōu)勢：對植物根系進(jìn)行無損原位監(jiān)測； 可以捕捉根系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)的組成部分，使用無線控制，實(shí)現(xiàn)全自動長期現(xiàn)場監(jiān)測。劣勢：根系監(jiān)測具有時限性，在布置完成后需要間隔10 個月；觀測的細(xì)根密度數(shù)據(jù)與實(shí)際挖掘出測量的細(xì)根密度數(shù)據(jù)具有誤差。

2.2.3 X－光掃描分析成像法

X－光掃描分析成像法也稱之為穿透射線成像法、3D 激光掃描法，是指運(yùn)用X 射線斷層掃描技術(shù)(XCT)對植物地下根系進(jìn)行掃描，然后通過特定分析軟件形成植物根系三維立體圖[22]。在20 世紀(jì)90年代，外國學(xué)者Wantanabe 等人運(yùn)用XCT 技術(shù)對山藥根系進(jìn)行研究[23]，但是由于機(jī)器分辨率不高，在1997年，Heeraman 等人使用了更加高精度的儀器對矮菜豆(Phaseolus vulgaris)根系進(jìn)行掃描，檢測到了直徑在0.35 mm 左右的根系狀況[24]。在我國對根系研究過程中，也有許多學(xué)者對X 光掃描成像技術(shù)進(jìn)行了介紹。例如，嚴(yán)月，朱建軍等人在草原生態(tài)系統(tǒng)地下生物量測定方法中就專門介紹了X 光掃描成像技術(shù)[25]；秦天元，孫超等人在介紹馬鈴薯(Solanum tuberosum)根系研究時，也提到了X光掃描成像技術(shù)的應(yīng)用[26]。

X－光掃描分析成像法的優(yōu)勢：無破壞性，高精度，高效率；可以對植物根系進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測。劣勢：X－光掃描成像時會由于土壤中的各種物質(zhì)以及其他環(huán)境因素導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差； 儀器昂貴，成本高。

2.2.4 核磁共振法

核磁共振法是指應(yīng)用核磁共振成像技術(shù)(MRI)向植物地下根系所在位置發(fā)射電磁波，通過電磁波反射回來的信號獲得核磁共振信息，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成根系分布狀況圖[27]。運(yùn)用核磁共振法可以獲取根系的各種數(shù)據(jù)，得到根系分布狀況。這項(xiàng)技術(shù)剛開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，隨著時間的發(fā)展被逐漸應(yīng)用到根系研究，例如Adi Perelman，Naftali Lazarovitch 等人利用核磁共振成像技術(shù)測繪出土壤和土壤-植物系統(tǒng)中的溶解氯化鈉，展示了MRI 作為一種三維、無創(chuàng)和連續(xù)測量技術(shù)繪制土壤和根周圍Na+濃度分布的潛力[28]；Pohlmeier 等在對蓖麻(Ricinus communis)根系吸水對土壤含水量的研究中運(yùn)用采用核磁共振成像技術(shù)，獲得了根的構(gòu)型成像圖，使土壤與根進(jìn)行良好的對比[29]。

核磁共振法的優(yōu)勢：在無損害的情況下對植物根系進(jìn)行長期原位的監(jiān)測，也可以對植物根系進(jìn)行重復(fù)測量。劣勢：需要高精度的昂貴設(shè)備，而且檢測根系直徑大小也有限制，具有一定局限性。

3 根際微生態(tài)的研究方法

3.1 根際土壤冷凍切片法

根際土壤冷凍切片法是指通過根墊法與隔層法把靠近根系的土壤進(jìn)行隔層分離，然后用液氮將土壤冷凍，最后把土壤切割成微薄的土片用儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)測量分析等[30]。土壤冷凍切片法最早被國外學(xué)者Brown 用于研究土壤養(yǎng)分?jǐn)U散，隨著各個領(lǐng)域的專家學(xué)者對土壤冷凍切片法不斷了解，發(fā)現(xiàn)可以用于根際的研究。在1984年R.Kuchenbuch，A.Jungk等人通過根際土壤冷凍切片法測定土與根界面區(qū)域中養(yǎng)分濃度分布情況，把冷凍的土壤切成0.06 mm的土片[31]；陳永亮,周曉燕等人對2年生紅松幼苗的根際微區(qū)進(jìn)行pH 與N、P、K 的梯度分布研究也是使用根際土壤冷凍切片法采集土壤樣品[32]。

根際土壤冷凍切片法可以解決植物根際土壤微區(qū)區(qū)分的問題；在研究過程中能夠定量控制植物在土壤中的養(yǎng)分變化情況，但是這種方法只能短期對植物根系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺乏長久性。

3.2 放射性同位素自顯影法

放射性同位素自顯影法是通過放射某種同位素示蹤劑（86Rb、90Sr、99Mo、32P 和33P 等）結(jié)合微量密度機(jī)掃描等手段，從x 射線膠片上分析根際土壤微區(qū)的一種原位檢測技術(shù)[33]。放射性同位素自顯影技術(shù)研究根際微生態(tài)是一種常用方法，楊國江,彭懿等人使用同位素32P 示蹤與放射性自顯影技術(shù)對磷在灰漠土中的運(yùn)移進(jìn)行研究[34]；張學(xué)利,楊樹軍在介紹林木根際土壤的檢測技術(shù)時也提到了放射性同位素自顯影法的應(yīng)用[35]；羅微，林釗沐等人對熱帶作物在磷肥根際生物的有效性進(jìn)行研究時，也介紹了同位素示蹤法與放射性自顯影法的應(yīng)用[36]。

放射性同位素自顯影法所探測到的植物根際微區(qū)情況是原位、連續(xù)的，并且對植物拍出的圖像較清晰，可以得到植物根際區(qū)域整體的數(shù)據(jù)。但是這種方法具有一定的局限性：無法確定植物根際區(qū)域內(nèi)的各種養(yǎng)分、微生物的狀態(tài)，只是從整體上對植物根際的養(yǎng)分、微生物等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.3 微電極法

微電極法是指使用微電極儀器 （玻璃電極、碳絲電極和金屬電極等）對植物根際微區(qū)進(jìn)行檢測的一種實(shí)時、動態(tài)測定的方法[37]。從19 世紀(jì)60年代,微電極就開始用于檢測植物根際微區(qū)離子或分子狀況，并且由于微電極儀器尖端精細(xì)，能夠達(dá)到檢測根際微區(qū)的要求，還可以實(shí)時檢測離子或分子在植物根際微區(qū)域的動態(tài)過程，因此隨著時間的發(fā)展微電極設(shè)備被逐漸應(yīng)用到根際環(huán)境研究中。Honghong Wu，Lana Shabala 等人研究大麥(Hordeum vulgare)根空泡Na+的吸收與耐鹽性是否相關(guān)時，結(jié)合了微電極離子通量估算(MIFE)技術(shù)，以及非侵入性的離子通量測量與共焦熒光染料成像技術(shù)進(jìn)行土壤鹽分檢測[38]；郭朝暉，張楊珠等人在介紹根際微區(qū)營養(yǎng)檢測技術(shù)時對微電極法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹[39]。

使用微電極儀器可以直接插入到植物根際區(qū)域，減少取樣、提取等步驟，方法簡便。但是微電極儀器的選擇和環(huán)境存在的干擾因素等問題復(fù)雜，而植物生長的環(huán)境復(fù)雜，因此需要對儀器具備一定的操作技巧。同時，微電極儀器價格昂貴，需要充足的資金支持。

3.4 電子探針法

電子探針法也稱為電子探針顯微分析技術(shù)，是指使用電子探針儀器發(fā)射高速電子束對采取的根際土壤樣本進(jìn)行轟擊，對發(fā)射x 光射線的波長和強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確定樣本根際微區(qū)所含元素種類與數(shù)量[40]。電子探針法作為一種原位檢測技術(shù)不僅可以通過分析根際微區(qū)提供根際表面特征，還可以同步分析出根際微區(qū)的元素含量與種類分布情況，因此被一直應(yīng)用于根際微生態(tài)的研究。在電子探針的應(yīng)用上，陳永亮，韓士杰等人通過電子探針對苗木根-土界面的元素分布狀況進(jìn)行研究，運(yùn)用電子探針得出苗木根際范圍內(nèi)元素含量分布特點(diǎn)，深入地了解到根際生態(tài)界面中一些養(yǎng)分運(yùn)輸機(jī)理[41]；Shi Weiming，Liu Zhiyu 采用電子探針x 射線微區(qū)分析方法，研究了尿素水解形成的nh3 對玉米(Zea mays)根系和根際鉀分布的影響[42]。

電子探針的分辨率高，能夠原位同步分析植物根際微區(qū)，得到植物根際區(qū)域的圖像清晰。但是使用電子探針法，需要對采取的植物根際樣品進(jìn)行復(fù)雜的處理，并且在植物根際樣品處理過程中會有損壞，試驗(yàn)結(jié)果容易出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)論與展望

對根系分布的研究事關(guān)根際微生態(tài)，因此對植物研究時要首先確定根系分布狀況。植物根系分布的研究方法在沒有資金支持以及缺乏設(shè)備的情況下，主要使用傳統(tǒng)的挖掘法、土鉆法、縱剖面壁法以及容器法；在資金允許以及擁有某種設(shè)備時可以采用探地雷達(dá)法、微根管法、X－光掃描分析成像法以及核磁共振法。當(dāng)對植物根系分布狀況進(jìn)行確定后，開始對根系分布范圍內(nèi)的根際微生態(tài)進(jìn)行研究。研究方法要根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行選擇，主要有四種方法：根際土壤冷凍切片法、放射性自顯影法、微電極法和電子探針法。最后通過軟件耦合根系分布與根際微區(qū)的數(shù)據(jù)，從而得到兩者之間的關(guān)系。

目前，我國在植物根系分布與根際微生態(tài)互作的方面研究較少，主要是對根系或者根際二者某一個進(jìn)行研究，沒有把根系與根際統(tǒng)一起來。唐仕姍，楊萬勤等人對岷江冷杉（Abies faxoniana）、粗枝云杉（Picea asperata）和紅樺（Betula albosinensis）進(jìn)行研究時，只是對其不同徑級的根系進(jìn)行數(shù)據(jù)測量與分析[43]；羅林，黃艷等人對粗枝云杉和岷江冷杉進(jìn)行研究時，只注重了根際環(huán)境對土壤微生物作用[44]。隨著根系與根際研究的深入，根系分布與根際微生態(tài)互作的研究將會越來越重要。同時，希望本文所講的根系分布與根際微生態(tài)研究方法可以為以后的植物根系與根際研究提供參考。