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分的地下營養器官。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幾種常見研究方法的對比分析，指出現有根系形態研究方法的優缺點和適用性，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

作物根系形態是指根長、根數、根表面積、根體積等。作物根系的形態直接影響作物的生長和發育、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、環境、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、國際水稻研究所發明了氣培法（霧培法）的根系研究法，將作物培養在培養箱（桶）中，作物由苯乙烯泡沫塊等材料固定，容器中的營養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下的根系研究難度系數加大，難點在于準確取根、洗根。傳統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，該方法可有效地區分根系的活性。相關統計表明，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，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，如何實現根系發生、生長、衰老和死亡的動態監測。科技發展的力量不容小覷，作物根系的研究方法前景值得期待。

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