根系研究方法統計與問題探討

摘 要：根系作為植物三大器官之一，在植物的生長發育過程中起著極為重要的作用。目前對土壤中根系研究的方法很多，為得到實驗精確度，不同研究方法所采用的原理、設備及勞動力也不一樣。文章通過分析根系研究現狀，以及在對近年來主要根系研究方法的全面歸納與總結的基礎上，提煉出了當前根系研究方法中的幾點問題，為今后根系研究方法的選取與持續改進提供科學依據。

關鍵詞：根系研究；方法統計；問題探討；根系現狀分析

根系是植物所有根的總稱，具有錨定植株、吸收和運輸土壤中的物質的作用[1]。目前對植物根系的研究還處于科學上的“兒童階段”。所以，根系研究方法的發展潛力很大、對其的了解和熟練運用也非常重要。

1 根系研究的現狀

人們對根系的研究是一個從自發認識到主動研究的過程。Keith T.Ingram等通過對軟件RMS的改進，使得對微根系的測量工作時間得到很大的節省。周本智等[2]使用微根管技術、胡秀娟等[3-4]以CCD攝像系統為圖像采集系統分別完成了對植物根系的生長動態的監測工作。羅錫文等[5]采用XCT（計算機斷層）成像技術成功做到了植物根系原位形態構型的定性觀察和定量測量。白文明等[6]闡述了在微根窗使用和操作過程中需要注意的問題。史建偉等[7]介紹了微根管在細根周轉過程研究中的使用和應用問題。向子云等[8]借鑒多層螺旋CT技術，獲得了植物根系圖像。目前，美國CID公司的CI-600根系生長監測系統、Bartz公司開發的微根管觀測系統、澳洲生態儀器有限公司開發的Win/MacRHIZO根系圖像分析系統、加拿大的ET-100根系生態監測系統等，都能以較低破壞的方法快速、準確地測量根系生長及分布狀況。

2 根系研究方法的不同分類方式

（1）根據是否直接觀察分類。由于根系研究方法間各自特點的異同，其分類就沒有統一的標準[9]。最簡單的可根據方法的新與舊、直接與間接及田間與容器進行分類?？蓺w結為：a.田間直接取樣方法，如土鉆法、整段標本法、挖掘法、剖面法等；b.直接觀察法，如?？蚍?、微根管觀測、根系室法、分根移位法等；c.間接觀測方法，如土壤水含量測定法、非放射性示蹤劑法、放射性示蹤法、土壤注射法、植株注射法等；d.其他方法，如容器法、釘板法、霧培法、塑料管土柱法、網袋法等。（2）根據實施過程分類。按照不同的實施過程可以分為三種類型：a.挖掘方法：鉆土芯法；圓狀土柱法；金屬框法和塑料網袋法。b.同位素示蹤法。c.圖像分析法：WinHIZO根系掃描法；三維坐標容器法；植物根系X-光掃描分析系統；營養袋紙培系統和分層式培養系統；微根區管法。（3）根據是否需要挖掘分類。可以分為挖掘法和非挖掘法兩種，挖掘法主要有鉆土芯法、圓狀土柱法、金屬框法和網袋法、簡易根箱法、塑料管土柱法；非挖掘法主要有氣培法、同位素示蹤法、容器栽培法、沙培法、無土栽培法、球培法等[10]。（4）根際微區根系研究方法分類。根際微區范圍微小，取樣時又需要及時定位以保持原有養分環境狀態，要求在研究技術上高的分辨率和精確度。主要有：a.放射性自顯影法；b.微區土壤剝落分離法；c.冰凍切片法；d.微電極法；e.電子探針法。（5）細根根系研究方法分類。細根周轉是指細根的生長、衰老、死亡和再生長過程，對樹木體內碳和養分循環具有重要的影響，當前還沒有公認的有關細根生物量、生產和周轉的測定和計算方法[11]。其中一般采用的是直接測定方法，包括挖掘法、整段標本法、根鉆法、生長袋法、根系室法、玻璃壁法、土柱法、微根管法等；間接方法包括碳通量法、生態系統碳平衡法、氮平衡法、非生物變量相關法、同位素示蹤法、淀粉含量法等。

3 根系研究的具體方法

迄今為止，還沒有任何一種方法可以快速準確的測定根系的相關指標[12]，現將各種根系研究的方法最大程度的歸納如下：（1）挖掘法。挖掘法又稱為脈絡法或輪廓法，傳統的挖掘法即挖去被研究根系周圍的土壤，在被研究部分保存的較為完整的根系位置等情況下，有目的的進行繪圖、攝影等處理，然后將其洗凈，選擇需要的部分，最后進行測量[13]。挖掘法可分為完整挖掘法和分步挖掘法，儀器簡單、應用較為廣泛、但傷根較大。a.完整挖掘法（整體挖掘法）。適用于植物苗期根系分布范圍較小時使用，可分為：直接挖掘法；金屬框法；網袋法。和網袋法原理近似有內生長法、金屬框法。b.分步挖掘法。全根分層挖掘法，即雙向切片法。即將植株全部根系分區分層掘出，撿去新生體、侵入體及非研究植物根物質，用清水沖洗干凈后待測；土塊法。又稱單塊法，即用鋼板切取土壤單塊，并洗掉土壤提取根系待測，與此法類似還有原狀土片法、原狀土柱法和圓狀土柱塊法。在此基礎上，又提出了幾種改良土塊法，如根箱法（箱掘法）、根籠法（籠掘法）和釘板法（針板法）。c.幾種改進方法。水壓法。又稱濕法挖掘，即用壓力水把根系上的土壤顆粒沖掉。主要有沖洗法，又稱洗根法。該法容易損失有活力幼根，且難于分清活根與死根及其他作物的根[14]；空壓法。適用于沙性土壤，須根損失少，省時間；水平面法。主要用于研究水平生長的根系，即按樹枝水平伸展范圍一倍半為最大直徑劃個圓，逐層出土，與之類似的還有塹壕法、奧斯卡特爾開溝法、幅射溝法。后三種方法都從局部到整體，沿根系生長方向開始挖掘樹根并繪圖的共同點；扇面法。主要研究樹木根系，其程序為在距樹干邪厘米處垂直以樹干為圓心的半徑疙一溝，最后對暴露出根系扇面描圖或拍照。（2）土鉆法（鉆土芯法、根鉆法、圈筒形土鉆采樣分離根系）。土鉆法是利用人力或機械的方法驅動根鉆從田間采集等體積含根的土壤樣品，從而達到對植物地下生物量的測定的一種方法[15]。該法適于在多石的環境下動態觀察根系成分的變化，但在研究非均勻分布的根系時，難區分近期枯死的根或相似的其他植物根。（3）氣培法 （霧培法、噴霧法）。氣培法，又稱霧培法，是在水培的基礎上發展成的能自動連續噴灑霧狀營養液的一種新型利用機械研究根系的方法[16]。該方法主要應用在無土栽培技術中解決根系供氧問題。（4）同位素示蹤法（核素示蹤法，示蹤法、示蹤原子法、放射性示蹤法）。同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標記，對同位素示劑進行追蹤得出物質運動及轉化規律的方法。其具有靈敏度高、方法簡便、定位定量準確、費用低等優點。通常包括：根部標記法。即將示蹤劑引入到生長的植株中，通過對植株地上部分任意部位的放射性活度的測定來得出該植株的根系活力[17]；植株地上部標記法；放射自顯影法（ARG）。該方法能將根的形態、機能和代謝統一起來研究，具有可在不破壞土體和根細胞結構條件下進行觀測等優點；中子照相法。又稱中子散射法，主要用來測定土壤水分含量。（5）塑料管土柱法。塑料管土柱法又稱塑料管栽植法。主要應用在旱地作物上，具有取樣簡便、易于操作、工作量小、能保持根系完整，與大田生長相一致的優點，但傷根。（6）三維坐標容器法。三維坐標容器法是基于根箱法與計算機應用的結合，而創造出的一種新型的根系研究法。該方法太復雜、價格昂貴，計算根系長度比較費時，適用性低。（7）Rhizotron 法。Rhizotron設備建立和操作價格都很昂貴，且在處理觀察的數量上有一定的限制，難以量化根的生長量，應用較少。（8）容器法。容器法是在根箱法的基礎上，研制的一種根系研究法。該法適于研究禾本科作物，便于控制和操作試驗中的生長條件一致的重復試驗，能迅速獲得相關的特殊研究資料。其缺點是只能做為田間研究的補充。（9）斷根法。斷根法是一種研究不同根群功能的方法，即通過人為方法切斷某一部分根系而了解該部分根系的作用。如果定期處理還可以了解不同生育期根系的作用，其結果可為作物栽培調控技術提供理論依據。（10）根室觀察和根系生長系統監測法（根窖法、根系地下觀測室、玻璃墻法、剖面墻法）。根室觀察法是在自然生長的作物下挖一根室，根室的每邊都有透明的窗戶可以直接觀察到根系的生長情況。根室法主要觀察根的分枝、根色、根的生長方向等；玻框法（玻璃墻法、玻璃壁法、玻面剖面墻）。玻框法是一種situ的可連續觀察和記錄某剖面根系生長的方法；根系地下觀測室（根系觀察室、根試驗室法）。一般由一地下通道和兩邊的透明觀察窗組成，能同時看到根與土壤物理性狀的關系；剖面墻法（縱剖面壁方法）。該法要點是在土壤縱剖面上移去3-5厘米左右的土壤，觀察根的數量和分布，它比較方便于觀察壟作植物根尤其是檢查條播作物根的分布情況。（11）水培法（無土栽培、砂培、球培、水稻的自然水域無土種植方法）。無土栽培將植物種植在設置有固體支撐裝置（如泡沫板等）內含植物必需營養成分的營養液中，或種植在浸潤有植物必需營養液的隋性基質中的栽培方法。其中水培法是目前最常用的研究根系的方法，可用于進行各種元素不同濃度或缺素試驗。其優點是可避免繁瑣的根、土分離操作，缺點是與田間實際生長狀況差異更大。（12）分根移位法。分根移位法是以保證作物地上部分的穩定生長為前提條件，將不同類型根或不同節位根與其它根分開并引到別處再種植在不同條件的介質中，研究不同生育條件對作物根系及作物生長發育的影響或觀察局部根與整體植株之間的關系的方法。該法可以準確獲得根系的信息，但對水肥等條件依賴較大、操作費時費力。（13）微根管系統法（玻管法、微根區管法、微速攝影法）。微根管法通過插入土壤中的透明觀察管，形成一個小觀察窗，利用長筒觀察鏡或微型數碼相機在小觀察窗內定期拍攝記錄觀察管外壁新根生長動態的一項根系觀測研究技術。該技術主要應用于農作物、草地、森林生態系統根系的研究，其最大優點是能有效的估計生態系統地下C分配與平衡，根據觀察管材質不同可分為玻管法、微速攝影法與微根管系統法。（14）探地雷達。探地雷達是基于電磁波在地下媒質電磁特性的差異性，通過天線將電磁波的能量發射到地下引起不連續性的反射和散射從而實現淺層成像、定位定性、定量地辨識地下電磁特性的變化，最終實現對目標根系的探測。探地雷達可以描述地下目標的幾何和物理性狀，具有快速、高分辨率、對目標的三維電磁特征敏感等優于其他遙感技術的特點[18]。（15）核磁共振成像法。核磁共振成像法（MRI）利用核磁共振成像技術對植物根系進行無損觀測，獲取根系長度、根系數量、根系結構以及水分運移動力學等三維影像信息的方法[19]。該法能在保持根系及根際土壤的本來面目的基礎上，直接觀測植物根系的各部分生理功能，能較好獲取根系信息，但設備維護維修昂貴，應用不廣泛。（16）X-光掃描分析系統。X-光掃描分析系統是一套新型、高效率、高精度、非破壞性的具有很大應用潛力的原位分析系統，可以對不同階段植物根系的所有部分進行動態監測與分析，但操作時要使用特制的容器，且成本高，應用并不廣泛。（17）營養袋紙培系統。營養袋紙培系統旨在研究水肥對根系二維構型的影響。但由于支撐架的存在，使植物根系構形與自然條件下的構型有一定的差異，不能代表大田苗木的根系結構。（18）WinRHIZO根系掃描法。WinRHIZO由根系掃描儀和專業的根系分析軟件WinRHIZO組成，利用掃描儀掃略洗凈的根系形成高清圖像，再結合WinRHIZO對其分析，具有精度高、測量快、方法簡便等優點。該方法可以測量無限小的根系的長度、根系體積、根長密度、根系表面積和根系直徑等指標。（19）分層式培養系統。分層式培養系統是將培養基質與各種肥料混勻后裝入塑料桶中，將基質從底部的接觸面開始加土，然后放入一層孔徑為2mm的玻璃纖維篩網，根系分層取樣，之后利用臺式掃描儀圖像掃描存入電腦，通過軟件WinRHIZO分析根長、根面積、根直徑等指標。此法較為廉價，簡單，但所得到的根系結構同容器苗生長有差異。（20）電容值測根量法。根系電容值與表面積呈正相關，而根系質量又與其表面積呈正相關，由此產生了利用電容值測根系質量的方法。（21）染色法（非放射性示蹤劑法）。染色法是將染色液注入植莖，觀察顏色在植株內移動情況，其在研究樹根系上有局限性。研究自然根按情況多用曙紅蘭和R紅0.1%-0.5%的水溶液。非放射性示蹤劑法：放入土壤內的示蹤物質被植物吸收后，可在植株上部探測到，目前還不能用于根生態特性的常規研究。（22）微區土壤剝落分離法。此方法是采用剝落根系粘著程度不同的根面土、根際土和非根際土來進行化學分析。其優點是不需特殊的儀器設備、可在田間應用，缺點是比較粗放，距離根軸最近、粘著最緊的一層根面土難以從根系上剝離，結果易產生誤差。（23）冰凍切片法。取一定的土壤緊貼在控制條件下植物長成的一層平面排根根系兩邊，一定時間后將土壤用液氮冰凍，然后切成微薄的土片進行各種測定的方法。其優點是解決了微區土壤的區分問題、定量地在控制條件下研究各種養分在根一土界面上的動態及同位素法難以測定的微量養分變化，缺點是只能進行短期試驗。（24）微電極法。它是把微電極直接插入根際微區，原位測定根際微區的養分環境狀況的方法，其本身較簡便，但干擾因素的影響比較多。（25）電子探針法。此法是利用高速電子束轟擊試樣表面的微小區域而得到特征信號，通過檢測發射出的放射線的波長和強度，確定該微區內所含元素的種類和數量，并直接將測定位置的圖象和養分分布顯示出來。分辨率高。但此方法的制樣、制片過程復雜，誤差也會在這些步驟中產生。（26）根置換法。在活著的木質根上誘發“置換根”，讓這些根長在盛土壤或其它培養基質的淺盤里，適于研究成齡樹根系的方法。（27）色譜法。采用色譜法，可辨認各種關系密切的植物品種的根。同種根的色譜圖是一致的。（28）電氣法。把探針插進根里，用測量根導電率的方法分辨活根與死根或用電容橋測量根系的電容來比較根系大小的方法。（29）樹根生長輪測定。計算根生長輪的多少和大小可測定根齡和提供根發育的環境情況。（30）調查根毛。根毛研究是主要以谷物和其它草類為對象，多數在非土壤基質例如潮濕的空氣、濕濾紙、沙培或水培上進行，測定時借助顯微鏡或中性紅1%溶液染色，來辨認根毛死活的研究方法。（31）測定根瘤。根樣沖洗凈后，按株或根測定長度和計算根瘤數量。（32）測定菌根。操作方法是把從已知體積的土壤里分離出的根切成若干短段后，先后用氫氧化鉀（10%）沖洗和錐蟲蘭給菌體染色，最后把根段放在油里進行處理，采用交叉法在顯微鏡下數段數。此法可測定真菌根感染的根長和整個根長及根毛、根尖直徑和表皮狀況。（33）現代根系分析系統的應用。現代根系分析系統的基本原理是將掃描系統與圖形分析軟件結合起來，利用圖象分析軟件對掃描的根系圖象進行分析，計算出根系長度、表面積、體積、根系數量等指標[20]。目前主流根系分析系統有英國的DT-SCAN、加拿大的Regent WinRHIZO以及美國Bartz公司的BTC-100X等。

4 存在的幾點問題

（1）在已有的領域，研究方法的系統性不足、不深入、重復多以及不能很好的滿足實際研究需要。例如：在根系研究的陸面過程模式中，準確觀測并模擬更深層次根系的技術不精確；對一種植物根系的研究體系不統一，只能參考其它植物的指標測定及研究方法。（2）在現今根系研究方法的選擇時對當前實際具體情況和試驗目的的結合，不是很好。（3）根系構型是指同一根系中不同級別的根在生長介質中的相互連接情況和空間分布[21]。在容器法的控根技術下根系構型研究重復過多；目前在根系研究的各領域對細根周轉的影響因子和機理的研究遠遠不足。（4）現代技術與傳統方法的結合應用不是很好；最大限度的在最接近植物自然生長的環境條件下，研究其生長發育規律，尤其是對容器法的運用時盡可能最大限度的回避這一點；現代化研究設備構造過于復雜、技術也有待提高等。（5）目前，國內對現代根系研究方法的運用還不是很普遍，多數根系研究的方法基本處于最傳統和最現代的兩極狀態。同時，對于一些例如微區土壤剝落分離法、冰凍切片法、微電極法、電子探針法、電氣法的應用基本處于零狀態等。

參考文獻

[1]梁泉，廖紅，嚴小龍.植物根構型的定量分析[J].植物學通報，2007，24（6）：695-702.

[2]周本智，Sword M A，Chamber J L，等.利用Minirhizotron技術監測火炬松新根系的生長動態[J].林業科學研究，2002，15（3）：276-284.

[3]胡秀娟，湯曉華.植物根系圖像監測分析系統的設計[J].林業機械與木工設備，2003，11（2）：24-25，28.

[4]朱衍杰，張秀省，穆紅梅，等.植物根系生長與研究方法的進展[J].北方園藝，2012，20：176-179.

[5]羅錫文，周學成，嚴小龍，等.基于XCT技術的植物根系原位形態可視化研究[J].農業機械學報，2004，35（4）：104-106，133.

[6]白文明，程維信，李凌浩.微根窗技術及其在植物根系研究中的應用[J].生態學報，2005，25（11）：3076-3081.

[7]史建偉，于水強，于立忠，等.微根管在細根研究中的應用[J].應用生態學報，2006，17（4）：715-719.

[8]向子云，羅錫文，周學成，等.多層螺旋CT三維成像技術觀測植物根系的實驗研究[J].CT理論與應用研究，2006，15（3）：1-5.

[9]廖榮偉，劉晶淼.作物根系形態觀測方法研究進展討論[J].氣象科技，2008，4：429-435.

[10]施淑斌.水稻根系研究進展[J].吉林農業，2014，10：26.

[11]斯慶畢力格.毛烏素沙地臭柏、油蒿細根分解過程中養分含量及釋放速率[D].內蒙古農業大學，2008.

[12]向小亮，寧書菊，魏道智.根系的研究進展[J].中國農學通報，2009，17：105-112.

[13]胡敏.小麥根系研究方法標準化與關鍵技術改良化[D].河南農業大學，2012.

[14]劉九慶.植物根系圖像監測分析系統[D].東北林業大學，2005.

[15]李俊英，傅寶春，馬迎春.樹木細根生產與周轉研究及方法評述[J].山西農業大學學報（自然科學），2006，S1：1-6.

[16]張成良，尹富強，陳大洲，等.水稻根系研究法的現狀[J].江西農業學報，2006，2：34-36+40.

[17]黃兆平.六種草地早熟禾品種的冠部特性及根系特征的研究[D].河北農業大學，2011.

[18]趙建誠.歐美楊Ⅰ-107根系特征及鹽、旱脅迫對其生理特性的影響[D].山東農業大學，2013.

[19]朱桂林，韋文珊，張淑敏，等.植物地下生物量測定方法概述及新技術介紹[J].中國草地學報，2008，3：94-99.

[20]王樹林，林永增，王志忠，等.幾種棉花根系的研究方法[J].中國棉花，2007，2：21-22.

[21]管建慧，劉克禮，郭新宇.玉米根系構型的研究進展[J].玉米科學，2006，6：162-166.