植物根系分布与根际微生态研究方法概述

张新生，卢 杰*

（西藏农牧学院高原生态研究所，西藏林芝860000；2.西藏高原森林生态教育部重点实验室，西藏林芝860000；3.西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站，西藏林芝860000）

1 引言

根系分布能够影响植物吸收水分与养料，不同植物的根系分布特点是不同的。对植物根系分布进行研究，主要是获取根系的物理数据，如根的根长、根重、根密度等，从而得到根系的分布范围，总结根系分布特征，为进一步研究根系分布与根际微生态做准备。目前关于根系的研究有根系性状、根系空间分布和动态规律、根系形态以及根系分解等。例如Lyudmila Lozanova 对保加利亚欧洲山毛榉林和道格拉斯冷杉人工林进行根系动态和垂直分布研究，采用连续取芯法研究了0～2 mm、2～5 mm 和5～10 mm 3 个根径级(0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm)的根系垂直分布和动态[1]； 王付刚对红松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea asperata)和冷杉细根形态进行研究，了解细根形态结构等[2]。

根际微生态是指不超过根系5 mm 范围内的土壤区域。根际微生态中的环境因子会对植物根系产生重要影响，例如根际光照与温度、根际水分与气体、根际营养元素等。同时根际微生态中所包含的根际微生物也是影响植物根系生长发育的重要因素。目前植物根际研究多集中在根际微生物上，例如贾丹等人在牡丹江地区对云冷杉红松林进行研究时，主要针对根际微生物多样性方面[3]；吴重华，唐明等人在太白山自然保护区中从根际土壤中分离出巴山冷杉(Abies fargesii)的5 种AM 真菌[4]。

根系分布与根际微生态互作是指根系分布与根际微生态两者相互作用，相互统一。一方面根系分布通过根系的垂直、水平分布以及根系分泌物会对根际微生态产生影响；另一方面根际微生态中的根际环境因子以及根际微生物会对根系生长发育产生影响。目前，对植物根系分布与根际微生态的研究较少，并且没有把植物根系与根际的研究相结合，缺乏整体性研究。因此，研究植物根系分布与根际微生态具有重要意义。

2 根系分布的研究方法

2.1 传统研究法

2.1.1 挖掘法

挖掘法就是指用工具或者高压水汽等将土壤除去，使植物根系裸露出来，从而可以对植物根系进行数据测量和分析[5]。最早使用挖掘法的是德国学者Hales。在1972年，Hales 为了获得植物根系在土壤中的分布状况，就使用挖掘法对植物根部土壤进行挖掘[6]。此后挖掘法开始盛行，众多学者开始用挖掘法对各种植物的根系进行研究。例如，张建英，张莹莹等人对核桃(Juglans regia)根系空间分布规律进行研究时，就采用了分层挖掘法对根系进行数据测量分析，从而获得核桃根系的空间分布规律[7]；陈晓娜，段娜等人在乌兰布和沙漠中对不同林龄的欧李Cerasus humilis (Bge.)根系进行研究时，也是采用了挖掘法的方式对欧李根系分布进行研究，获取欧李根系根长、表面积以及体积等数据[8]。

挖掘法可以展现根系在自然状态下的轮廓，容易对各种参数进行测量，获得根系分布状况。但是许多植物的根系庞大并且深埋地下，挖掘时间长，并且挖掘过程中可能会损坏根系，挖掘的范围和深度也受到限制，具有一定的局限性。

2.1.2 土钻法

土钻法也称根钻法，采用机械工具取得根系后，要对取得的根系进行清洗，然后再对根系进行测量分析[9]。20 世纪50年代以后，土钻法开始被逐渐应用。土钻法最早在我国出现时是在1984年，李维炯对土钻法的原理进行了详细介绍[10]。随着科学技术的发展，土钻法仍旧被应用到研究过程中。例如，李鹏，李占斌等人在黄土高原上采用土钻法对草地植物根系进行取样，获得不同退耕年限对根系垂直分布的影响[11]。

土钻法的优势：使用工具少、简单，并且操作简便，任务量小；对土壤以及植物根系破坏性小。但是使用土钻法时根系不能从土壤中完全分离出来,而且在分离过程中会失掉部分细根；在模拟总体根系分布状况时会出现误差。

2.1.3 纵剖面壁法

在1919年美国学者Weaver 发明纵剖面壁法，在土壤纵向剖面上去除掉3～5 cm 的土壤，然后对新出现的剖面进行数据测量，得出根系数量和分布状况。由于Weaver 的纵剖面壁法在进行根数量描绘时不够准确，在1964年Reijmerink 提出薄片法，将透明玻璃板放在新的纵剖面壁上，在玻璃板上直接进行绘图[12]。我国学者郭承彬，董凤丽等人在对果树根系生长发育研究状况进行介绍时，就提到采用横剖面壁法对根系进行水平分布状况测量[13]。

纵剖面壁法适合观察不同地点、不同条件下的根系分布状况，且不会受土壤类型的限制。但是采用纵剖面壁法也有一定的局限性，该方法在整体上对根系分布进行数据分析时，出现误差的可能性很大。

2.1.4 容器法

容器法是指把植物种植在各种容器内，根据选择植物的大小进行容器的选择[14]。如果想要随时对植物根系进行观测，可以在容器的一面或者多面放置透明玻璃，对植物根系进行动态观测。容器法不仅仅可以监测根系的物理与化学参数，还可以通过监测描绘出根系的生态学特征。例如，胡建超，赵尊练等人在对线辣椒的根系发育状况进行研究时，就采用了容器法进行不同定植密度对线辣椒根系进行监测，从而得到线辣椒根系的形态、活力以及物质积累的生长变化[15]。

容器法的优点：可以进行动态观测；适合重复试验；容器成本低，在试验结束后剪破容器，可以获得完整根系。缺点：根系受到容器限制，对根系生长发育产生影响；成熟植物根系庞大，容器法只能对植物幼苗进行观测； 同时容器内种植的数量有限，缺乏竞争因素，在进行监测后获得的数据会跟实地调查数据有一定的误差。

2.2 现代研究法

传统的根系分布研究方法不可避免的会对植物根系产生破坏，因此使用现代科学仪器对根系分布进行监测成为必然。并且随着时间的发展，通过现代仪器对植物根系分布进行监测会更加便利。目前主要通过仪器对根系分布监测的现代方法有探地雷达法、微根管法、X－光扫描分析系统、核磁共振法等。

2.2.1 探地雷达法

探地雷达法是指运用探地雷达向植物根系所在的土壤区域发射高频脉冲信号（电磁波），利用其遇到介质进行反射和散射的特性，在计算机上形成反射引号图，从而得到根系分布结构状况[16]。在探地雷达对树木根系监测研究方面，主要是国外学者较多，例如Changkun Xie，Shize Cai 等人在上海，利用探地雷达对10 种不同树种的90 棵树进行了扫描，测定了土壤性质和树木根系特征，分析了它们对入渗的影响[17]；Naama Raz Yaseef，Laura Koteen 等人通过探地雷达对6 种树木形态(不同年龄、大小和丛生)的进行调查，基于激光雷达的相对丰度分析每棵树的配置，同时探测树木的根生物量并进行校准[18]。

探地雷达可以在各种土壤条件下对植物根系进行动态监测；并且监测速度快、分辨率高、感应敏感，获取植物根系的二维结构。但是探地雷达只能对浅层根系进行探测，无法对地面更深层的根系进行监测； 在探测细根与毛细根上具有一定的局限性。

2.2.2 微根管法

微根管法也称为微视窗法，是指在土壤中插入透明监测管，然后在管内放置长筒观察镜和微型相机长期定位观测根系生长发育状况，对采集的图像数据使用计算机软件统计根系参数，最后得到根系分布状况[19]。

许多学者应用微根管技术对各种植物根系进行了研究，例如我国的李燕丽，王昌昆等人利用微根管技术对小麦(Triticum aestivum)根系进行监测，并且结合图像处理技术得到小麦根系生长发育状况[20]；在国外Bikash Ghimire，Scot H.Hulbert 等人利用原位微根管技术，揭示了5 个春小麦(Triticum aestivum) 品种 Louise、Alpowa、Hollis、Drysdale 和Dharwar Dry 以及兼性春季地方品种AUS28451 的成熟根系生长动态[21]。

应用微根管技术的优势：对植物根系进行无损原位监测； 可以捕捉根系统结构动态的组成部分，使用无线控制，实现全自动长期现场监测。劣势：根系监测具有时限性，在布置完成后需要间隔10 个月；观测的细根密度数据与实际挖掘出测量的细根密度数据具有误差。

2.2.3 X－光扫描分析成像法

X－光扫描分析成像法也称之为穿透射线成像法、3D 激光扫描法，是指运用X 射线断层扫描技术(XCT)对植物地下根系进行扫描，然后通过特定分析软件形成植物根系三维立体图[22]。在20 世纪90年代，外国学者Wantanabe 等人运用XCT 技术对山药根系进行研究[23]，但是由于机器分辨率不高，在1997年，Heeraman 等人使用了更加高精度的仪器对矮菜豆(Phaseolus vulgaris)根系进行扫描，检测到了直径在0.35 mm 左右的根系状况[24]。在我国对根系研究过程中，也有许多学者对X 光扫描成像技术进行了介绍。例如，严月，朱建军等人在草原生态系统地下生物量测定方法中就专门介绍了X 光扫描成像技术[25]；秦天元，孙超等人在介绍马铃薯(Solanum tuberosum)根系研究时，也提到了X光扫描成像技术的应用[26]。

X－光扫描分析成像法的优势：无破坏性，高精度，高效率；可以对植物根系进行长期的动态监测。劣势：X－光扫描成像时会由于土壤中的各种物质以及其他环境因素导致测量数据出现误差； 仪器昂贵，成本高。

2.2.4 核磁共振法

核磁共振法是指应用核磁共振成像技术(MRI)向植物地下根系所在位置发射电磁波，通过电磁波反射回来的信号获得核磁共振信息，运用计算机技术生成根系分布状况图[27]。运用核磁共振法可以获取根系的各种数据，得到根系分布状况。这项技术刚开始应用于医学，随着时间的发展被逐渐应用到根系研究，例如Adi Perelman，Naftali Lazarovitch 等人利用核磁共振成像技术测绘出土壤和土壤-植物系统中的溶解氯化钠，展示了MRI 作为一种三维、无创和连续测量技术绘制土壤和根周围Na+浓度分布的潜力[28]；Pohlmeier 等在对蓖麻(Ricinus communis)根系吸水对土壤含水量的研究中运用采用核磁共振成像技术，获得了根的构型成像图，使土壤与根进行良好的对比[29]。

核磁共振法的优势：在无损害的情况下对植物根系进行长期原位的监测，也可以对植物根系进行重复测量。劣势：需要高精度的昂贵设备，而且检测根系直径大小也有限制，具有一定局限性。

3 根际微生态的研究方法

3.1 根际土壤冷冻切片法

根际土壤冷冻切片法是指通过根垫法与隔层法把靠近根系的土壤进行隔层分离，然后用液氮将土壤冷冻，最后把土壤切割成微薄的土片用仪器进行数据测量分析等[30]。土壤冷冻切片法最早被国外学者Brown 用于研究土壤养分扩散，随着各个领域的专家学者对土壤冷冻切片法不断了解，发现可以用于根际的研究。在1984年R.Kuchenbuch，A.Jungk等人通过根际土壤冷冻切片法测定土与根界面区域中养分浓度分布情况，把冷冻的土壤切成0.06 mm的土片[31]；陈永亮,周晓燕等人对2年生红松幼苗的根际微区进行pH 与N、P、K 的梯度分布研究也是使用根际土壤冷冻切片法采集土壤样品[32]。

根际土壤冷冻切片法可以解决植物根际土壤微区区分的问题；在研究过程中能够定量控制植物在土壤中的养分变化情况，但是这种方法只能短期对植物根系进行实验，缺乏长久性。

3.2 放射性同位素自显影法

放射性同位素自显影法是通过放射某种同位素示踪剂（86Rb、90Sr、99Mo、32P 和33P 等）结合微量密度机扫描等手段，从x 射线胶片上分析根际土壤微区的一种原位检测技术[33]。放射性同位素自显影技术研究根际微生态是一种常用方法，杨国江,彭懿等人使用同位素32P 示踪与放射性自显影技术对磷在灰漠土中的运移进行研究[34]；张学利,杨树军在介绍林木根际土壤的检测技术时也提到了放射性同位素自显影法的应用[35]；罗微，林钊沐等人对热带作物在磷肥根际生物的有效性进行研究时，也介绍了同位素示踪法与放射性自显影法的应用[36]。

放射性同位素自显影法所探测到的植物根际微区情况是原位、连续的，并且对植物拍出的图像较清晰，可以得到植物根际区域整体的数据。但是这种方法具有一定的局限性：无法确定植物根际区域内的各种养分、微生物的状态，只是从整体上对植物根际的养分、微生物等进行数据分析。

3.3 微电极法

微电极法是指使用微电极仪器 （玻璃电极、碳丝电极和金属电极等）对植物根际微区进行检测的一种实时、动态测定的方法[37]。从19 世纪60年代,微电极就开始用于检测植物根际微区离子或分子状况，并且由于微电极仪器尖端精细，能够达到检测根际微区的要求，还可以实时检测离子或分子在植物根际微区域的动态过程，因此随着时间的发展微电极设备被逐渐应用到根际环境研究中。Honghong Wu，Lana Shabala 等人研究大麦(Hordeum vulgare)根空泡Na+的吸收与耐盐性是否相关时，结合了微电极离子通量估算(MIFE)技术，以及非侵入性的离子通量测量与共焦荧光染料成像技术进行土壤盐分检测[38]；郭朝晖，张杨珠等人在介绍根际微区营养检测技术时对微电极法进行了详细的介绍[39]。

使用微电极仪器可以直接插入到植物根际区域，减少取样、提取等步骤，方法简便。但是微电极仪器的选择和环境存在的干扰因素等问题复杂，而植物生长的环境复杂，因此需要对仪器具备一定的操作技巧。同时，微电极仪器价格昂贵，需要充足的资金支持。

3.4 电子探针法

电子探针法也称为电子探针显微分析技术，是指使用电子探针仪器发射高速电子束对采取的根际土壤样本进行轰击，对发射x 光射线的波长和强度进行检测，确定样本根际微区所含元素种类与数量[40]。电子探针法作为一种原位检测技术不仅可以通过分析根际微区提供根际表面特征，还可以同步分析出根际微区的元素含量与种类分布情况，因此被一直应用于根际微生态的研究。在电子探针的应用上，陈永亮，韩士杰等人通过电子探针对苗木根-土界面的元素分布状况进行研究，运用电子探针得出苗木根际范围内元素含量分布特点，深入地了解到根际生态界面中一些养分运输机理[41]；Shi Weiming，Liu Zhiyu 采用电子探针x 射线微区分析方法，研究了尿素水解形成的nh3 对玉米(Zea mays)根系和根际钾分布的影响[42]。

电子探针的分辨率高，能够原位同步分析植物根际微区，得到植物根际区域的图像清晰。但是使用电子探针法，需要对采取的植物根际样品进行复杂的处理，并且在植物根际样品处理过程中会有损坏，试验结果容易出现误差。

4 结论与展望

对根系分布的研究事关根际微生态，因此对植物研究时要首先确定根系分布状况。植物根系分布的研究方法在没有资金支持以及缺乏设备的情况下，主要使用传统的挖掘法、土钻法、纵剖面壁法以及容器法；在资金允许以及拥有某种设备时可以采用探地雷达法、微根管法、X－光扫描分析成像法以及核磁共振法。当对植物根系分布状况进行确定后，开始对根系分布范围内的根际微生态进行研究。研究方法要根据实际实验情况进行选择，主要有四种方法：根际土壤冷冻切片法、放射性自显影法、微电极法和电子探针法。最后通过软件耦合根系分布与根际微区的数据，从而得到两者之间的关系。

目前，我国在植物根系分布与根际微生态互作的方面研究较少，主要是对根系或者根际二者某一个进行研究，没有把根系与根际统一起来。唐仕姗，杨万勤等人对岷江冷杉（Abies faxoniana）、粗枝云杉（Picea asperata）和红桦（Betula albosinensis）进行研究时，只是对其不同径级的根系进行数据测量与分析[43]；罗林，黄艳等人对粗枝云杉和岷江冷杉进行研究时，只注重了根际环境对土壤微生物作用[44]。随着根系与根际研究的深入，根系分布与根际微生态互作的研究将会越来越重要。同时，希望本文所讲的根系分布与根际微生态研究方法可以为以后的植物根系与根际研究提供参考。