植物根系分布與根際微生態(tài)研究方法概述

張新生，盧 杰*

（西藏農牧學院高原生態(tài)研究所，西藏林芝860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，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是不同的。對植物根系分布進行研究，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，總結根系分布特征，為進一步研究根系分布與根際微生態(tài)做準備。目前關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)和冷杉細根形態(tài)進行研究，了解細根形態(tài)結構等[2]。

根際微生態(tài)是指不超過根系5 mm 范圍內的土壤區(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行數(shù)據(jù)測量和分析[5]。最早使用挖掘法的是德國學者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行挖掘[6]。此后挖掘法開始盛行，眾多學者開始用挖掘法對各種植物的根系進行研究。例如，張建英，張瑩瑩等人對核桃(Juglans regia)根系空間分布規(guī)律進行研究時，就采用了分層挖掘法對根系進行數(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.)根系進行研究時，也是采用了挖掘法的方式對歐李根系分布進行研究，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，采用機械工具取得根系后，要對取得的根系進行清洗，然后再對根系進行測量分析[9]。20 世紀50年代以后，土鉆法開始被逐漸應用。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行了詳細介紹[10]。隨著科學技術的發(fā)展，土鉆法仍舊被應用到研究過程中。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，任務量?。粚ν寥酪约爸参锔灯茐男孕?。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 的縱剖面壁法在進行根數(shù)量描繪時不夠準確，在1964年Reijmerink 提出薄片法，將透明玻璃板放在新的縱剖面壁上，在玻璃板上直接進行繪圖[12]。我國學者郭承彬，董鳳麗等人在對果樹根系生長發(fā)育研究狀況進行介紹時，就提到采用橫剖面壁法對根系進行水平分布狀況測量[13]。

縱剖面壁法適合觀察不同地點、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，根據(jù)選擇植物的大小進行容器的選擇[14]。如果想要隨時對植物根系進行觀測，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參數(shù)，還可以通過監(jiān)測描繪出根系的生態(tài)學特征。例如，胡建超，趙尊練等人在對線辣椒的根系發(fā)育狀況進行研究時，就采用了容器法進行不同定植密度對線辣椒根系進行監(jiān)測，從而得到線辣椒根系的形態(tài)、活力以及物質積累的生長變化[15]。

容器法的優(yōu)點：可以進行動態(tài)觀測；適合重復試驗；容器成本低，在試驗結束后剪破容器，可以獲得完整根系。缺點：根系受到容器限制，對根系生長發(fā)育產生影響；成熟植物根系龐大，容器法只能對植物幼苗進行觀測； 同時容器內種植的數(shù)量有限，缺乏競爭因素，在進行監(jiān)測后獲得的數(shù)據(jù)會跟實地調查數(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生破壞，因此使用現(xiàn)代科學儀器對根系分布進行監(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 探地雷達法

探地雷達法是指運用探地雷達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），利用其遇到介質進行反射和散射的特性，在計算機上形成反射引號圖，從而得到根系分布結構狀況[16]。在探地雷達對樹木根系監(jiān)測研究方面，主要是國外學者較多，例如Changkun Xie，Shize Cai 等人在上海，利用探地雷達對10 種不同樹種的90 棵樹進行了掃描，測定了土壤性質和樹木根系特征，分析了它們對入滲的影響[17]；Naama Raz Yaseef，Laura Koteen 等人通過探地雷達對6 種樹木形態(tài)(不同年齡、大小和叢生)的進行調查，基于激光雷達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行校準[18]。

探地雷達可以在各種土壤條件下對植物根系進行動態(tài)監(jiān)測；并且監(jiān)測速度快、分辨率高、感應敏感，獲取植物根系的二維結構。但是探地雷達只能對淺層根系進行探測，無法對地面更深層的根系進行監(jiān)測； 在探測細根與毛細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，然后在管內放置長筒觀察鏡和微型相機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)使用計算機軟件統(tǒng)計根系參數(shù)，最后得到根系分布狀況[19]。

許多學者應用微根管技術對各種植物根系進行了研究，例如我國的李燕麗，王昌昆等人利用微根管技術對小麥(Triticum aestivum)根系進行監(jiān)測，并且結合圖像處理技術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，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]。

應用微根管技術的優(yōu)勢：對植物根系進行無損原位監(jiān)測； 可以捕捉根系統(tǒng)結構動態(tài)的組成部分，使用無線控制，實現(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；觀測的細根密度數(shù)據(jù)與實際挖掘出測量的細根密度數(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，是指運用X 射線斷層掃描技術(XCT)對植物地下根系進行掃描，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90年代，外國學者Wantanabe 等人運用XCT 技術對山藥根系進行研究[23]，但是由于機器分辨率不高，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，也有許多學者對X 光掃描成像技術進行了介紹。例如，嚴月，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[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光掃描成像技術的應用[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以及其他環(huán)境因素導致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差； 儀器昂貴，成本高。

2.2.4 核磁共振法

核磁共振法是指應用核磁共振成像技術(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，運用計算機技術生成根系分布狀況圖[27]。運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。這項技術剛開始應用于醫(yī)學，隨著時間的發(fā)展被逐漸應用到根系研究，例如Adi Perelman，Naftali Lazarovitch 等人利用核磁共振成像技術測繪出土壤和土壤-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用采用核磁共振成像技術，獲得了根的構型成像圖，使土壤與根進行良好的對比[29]。

核磁共振法的優(yōu)勢：在無損害的情況下對植物根系進行長期原位的監(jiān)測，也可以對植物根系進行重復測量。劣勢：需要高精度的昂貴設備，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行數(shù)據(jù)測量分析等[30]。土壤冷凍切片法最早被國外學者Brown 用于研究土壤養(yǎng)分擴散，隨著各個領域的專家學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行實驗，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）結合微量密度機掃描等手段，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[33]。放射性同位素自顯影技術研究根際微生態(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對磷在灰漠土中的運移進行研究[34]；張學利,楊樹軍在介紹林木根際土壤的檢測技術時也提到了放射性同位素自顯影法的應用[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行研究時，也介紹了同位素示蹤法與放射性自顯影法的應用[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)進行檢測的一種實時、動態(tài)測定的方法[37]。從19 世紀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，能夠達到檢測根際微區(qū)的要求，還可以實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)展微電極設備被逐漸應用到根際環(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時，結合了微電極離子通量估算(MIFE)技術，以及非侵入性的離子通量測量與共焦熒光染料成像技術進行土壤鹽分檢測[38]；郭朝暉，張楊珠等人在介紹根際微區(qū)營養(yǎng)檢測技術時對微電極法進行了詳細的介紹[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雜，而植物生長的環(huán)境復雜，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，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行轟擊，對發(fā)射x 光射線的波長和強度進行檢測，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，因此被一直應用于根際微生態(tài)的研究。在電子探針的應用上，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行研究，運用電子探針得出苗木根際范圍內元素含量分布特點，深入地了解到根際生態(tài)界面中一些養(yǎng)分運輸機理[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行復雜的處理，并且在植物根際樣品處理過程中會有損壞，試驗結果容易出現(xiàn)誤差。

4 結論與展望

對根系分布的研究事關根際微生態(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備時可以采用探地雷達法、微根管法、X－光掃描分析成像法以及核磁共振法。當對植物根系分布狀況進行確定后，開始對根系分布范圍內的根際微生態(tài)進行研究。研究方法要根據(jù)實際實驗情況進行選擇，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）進行研究時，只是對其不同徑級的根系進行數(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。