根系研究方法统计与问题探讨
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摘 要：根系作为植物三大器官之一，在植物的生长发育过程中起着极为重要的作用。目前对土壤中根系研究的方法很多，为得到实验精确度，不同研究方法所采用的原理、设备及劳动力也不一样。文章通过分析根系研究现状，以及在对近年来主要根系研究方法的全面归纳与总结的基础上，提炼出了当前根系研究方法中的几点问题，为今后根系研究方法的选取与持续改进提供科学依据。
根系是植物所有根的总称，具有锚定植株、吸收和运输土壤中的物质的作用[1]。目前对植物根系的研究还处于科学上的“儿童阶段”。所以，根系研究方法的发展潜力很大、对其的了解和熟练运用也非常重要。
1 根系研究的现状
人们对根系的研究是一个从自发认识到主动研究的过程。Keith T.Ingram等通过对软件RMS的改进，使得对微根系的测量工作时间得到很大的节省。周本智等[2]使用微根管技术、胡秀娟等[3-4]以CCD摄像系统为图像采集系统分别完成了对植物根系的生长动态的监测工作。罗锡文等[5]采用XCT（计算机断层）成像技术成功做到了植物根系原位形态构型的定性观察和定量测量。白文明等[6]阐述了在微根窗使用和操作过程中需要注意的问题。史建伟等[7]介绍了微根管在细根周转过程研究中的使用和应用问题。向子云等[8]借鉴多层螺旋CT技术，获得了植物根系图像。目前，美国CID公司的CI-600根系生长监测系统、Bartz公司开发的微根管观测系统、澳洲生态仪器有限公司开发的Win/MacRHIZO根系图像分析系统、加拿大的ET-100根系生态监测系统等，都能以较低破坏的方法快速、准确地测量根系生长及分布状况。
2 根系研究方法的不同分类方式
（1）根据是否直接观察分类。由于根系研究方法间各自特点的异同，其分类就没有统一的标准[9]。最简单的可根据方法的新与旧、直接与间接及田间与容器进行分类。可归结为：a.田间直接取样方法，如土钻法、整段标本法、挖掘法、剖面法等；b.直接观察法，如玻框法、微根管观测、根系室法、分根移位法等；c.间接观测方法，如土壤水含量测定法、非放射性示踪剂法、放射性示踪法、土壤注射法、植株注射法等；d.其他方法，如容器法、钉板法、雾培法、塑料管土柱法、网袋法等。（2）根据实施过程分类。按照不同的实施过程可以分为三种类型：a.挖掘方法：钻土芯法；圆状土柱法；金属框法和塑料网袋法。b.同位素示踪法。c.图像分析法：WinHIZO根系扫描法；三维坐标容器法；植物根系X-光扫描分析系统；营养袋纸培系统和分层式培养系统；微根区管法。（3）根据是否需要挖掘分类。可以分为挖掘法和非挖掘法两种，挖掘法主要有钻土芯法、圆状土柱法、金属框法和网袋法、简易根箱法、塑料管土柱法；非挖掘法主要有气培法、同位素示踪法、容器栽培法、沙培法、无土栽培法、球培法等[10]。（4）根际微区根系研究方法分类。根际微区范围微小，取样时又需要及时定位以保持原有养分环境状态，要求在研究技术上高的分辨率和精确度。主要有：a.放射性自显影法；b.微区土壤剥落分离法；c.冰冻切片法；d.微电极法；e.电子探针法。（5）细根根系研究方法分类。细根周转是指细根的生长、衰老、死亡和再生长过程，对树木体内碳和养分循环具有重要的影响，当前还没有公认的有关细根生物量、生产和周转的测定和计算方法[11]。其中一般采用的是直接测定方法，包括挖掘法、整段标本法、根钻法、生长袋法、根系室法、玻璃壁法、土柱法、微根管法等；间接方法包括碳通量法、生态系统碳平衡法、氮平衡法、非生物变量相关法、同位素示踪法、淀粉含量法等。
3 根系研究的具体方法
迄今为止，还没有任何一种方法可以快速准确的测定根系的相关指标[12]，现将各种根系研究的方法最大程度的归纳如下：（1）挖掘法。挖掘法又称为脉络法或轮廓法，传统的挖掘法即挖去被研究根系周围的土壤，在被研究部分保存的较为完整的根系位置等情况下，有目的的进行绘图、摄影等处理，然后将其洗净，选择需要的部分，最后进行测量[13]。挖掘法可分为完整挖掘法和分步挖掘法，仪器简单、应用较为广泛、但伤根较大。a.完整挖掘法（整体挖掘法）。适用于植物苗期根系分布范围较小时使用，可分为：直接挖掘法；金属框法；网袋法。和网袋法原理近似有内生长法、金属框法。b.分步挖掘法。全根分层挖掘法，即双向切片法。即将植株全部根系分区分层掘出，捡去新生体、侵入体及非研究植物根物质，用清水冲洗干净后待测；土块法。又称单块法，即用钢板切取土壤单块，并洗掉土壤提取根系待测，与此法类似还有原状土片法、原状土柱法和圆状土柱块法。在此基础上，又提出了几种改良土块法，如根箱法（箱掘法）、根笼法（笼掘法）和钉板法（针板法）。c.几种改进方法。水压法。又称湿法挖掘，即用压力水把根系上的土壤颗粒冲掉。主要有冲洗法，又称洗根法。该法容易损失有活力幼根，且难于分清活根与死根及其他作物的根[14]；空压法。适用于沙性土壤，须根损失少，省时间；水平面法。主要用于研究水平生长的根系，即按树枝水平伸展范围一倍半为最大直径划个圆，逐层出土，与之类似的还有堑壕法、奥斯卡特尔开沟法、幅射沟法。后三种方法都从局部到整体，沿根系生长方向开始挖掘树根并绘图的共同点；扇面法。主要研究树木根系，其程序为在距树干邪厘米处垂直以树干为圆心的半径疙一沟，最后对暴露出根系扇面描图或拍照。（2）土钻法（钻土芯法、根钻法、圈筒形土钻采样分离根系）。土钻法是利用人力或机械的方法驱动根钻从田间采集等体积含根的土壤样品，从而达到对植物地下生物量的测定的一种方法[15]。该法适于在多石的环境下动态观察根系成分的变化，但在研究非均匀分布的根系时，难区分近期枯死的根或相似的其他植物根。（3）气培法 （雾培法、喷雾法）。气培法，又称雾培法，是在水培的基础上发展成的能自动连续喷洒雾状营养液的一种新型利用机械研究根系的方法[16]。该方法主要应用在无土栽培技术中解决根系供氧问题。（4）同位素示踪法（核素示踪法，示踪法、示踪原子法、放射性示踪法）。同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记，对同位素示剂进行追踪得出物质运动及转化规律的方法。其具有灵敏度高、方法简便、定位定量准确、费用低等优点。通常包括：根部标记法。即将示踪剂引入到生长的植株中，通过对植株地上部分任意部位的放射性活度的测定来得出该植株的根系活力[17]；植株地上部标记法；放射自显影法（ARG）。该方法能将根的形态、机能和代谢统一起来研究，具有可在不破坏土体和根细胞结构条件下进行观测等优点；中子照相法。又称中子散射法，主要用来测定土壤水分含量。（5）塑料管土柱法。塑料管土柱法又称塑料管栽植法。主要应用在旱地作物上，具有取样简便、易于操作、工作量小、能保持根系完整，与大田生长相一致的优点，但伤根。（6）三维坐标容器法。三维坐标容器法是基于根箱法与计算机应用的结合，而创造出的一种新型的根系研究法。该方法太复杂、价格昂贵，计算根系长度比较费时，适用性低。（7）Rhizotron 法。Rhizotron设备建立和操作价格都很昂贵，且在处理观察的数量上有一定的限制，难以量化根的生长量，应用较少。（8）容器法。容器法是在根箱法的基础上，研制的一种根系研究法。该法适于研究禾本科作物，便于控制和操作试验中的生长条件一致的重复试验，能迅速获得相关的特殊研究资料。其缺点是只能做为田间研究的补充。（9）断根法。断根法是一种研究不同根群功能的方法，即通过人为方法切断某一部分根系而了解该部分根系的作用。如果定期处理还可以了解不同生育期根系的作用，其结果可为作物栽培调控技术提供理论依据。（10）根室观察和根系生长系统监测法（根窖法、根系地下观测室、玻璃墙法、剖面墙法）。根室观察法是在自然生长的作物下挖一根室，根室的每边都有透明的窗户可以直接观察到根系的生长情况。根室法主要观察根的分枝、根色、根的生长方向等；玻框法（玻璃墙法、玻璃壁法、玻面剖面墙）。玻框法是一种situ的可连续观察和记录某剖面根系生长的方法；根系地下观测室（根系观察室、根试验室法）。一般由一地下通道和两边的透明观察窗组成，能同时看到根与土壤物理性状的关系；剖面墙法（纵剖面壁方法）。该法要点是在土壤纵剖面上移去3-5厘米左右的土壤，观察根的数量和分布，它比较方便于观察垄作植物根尤其是检查条播作物根的分布情况。（11）水培法（无土栽培、砂培、球培、水稻的自然水域无土种植方法）。无土栽培将植物种植在设置有固体支撑装置（如泡沫板等）内含植物必需营养成分的营养液中，或种植在浸润有植物必需营养液的隋性基质中的栽培方法。其中水培法是目前最常用的研究根系的方法，可用于进行各种元素不同浓度或缺素试验。其优点是可避免繁琐的根、土分离操作，缺点是与田间实际生长状况差异更大。（12）分根移位法。分根移位法是以保证作物地上部分的稳定生长为前提条件，将不同类型根或不同节位根与其它根分开并引到别处再种植在不同条件的介质中，研究不同生育条件对作物根系及作物生长发育的影响或观察局部根与整体植株之间的关系的方法。该法可以准确获得根系的信息，但对水肥等条件依赖较大、操作费时费力。（13）微根管系统法（玻管法、微根区管法、微速摄影法）。微根管法通过插入土壤中的透明观察管，形成一个小观察窗，利用长筒观察镜或微型数码相机在小观察窗内定期拍摄记录观察管外壁新根生长动态的一项根系观测研究技术。该技术主要应用于农作物、草地、森林生态系统根系的研究，其最大优点是能有效的估计生态系统地下C分配与平衡，根据观察管材质不同可分为玻管法、微速摄影法与微根管系统法。（14）探地雷达。探地雷达是基于电磁波在地下媒质电磁特性的差异性，通过天线将电磁波的能量发射到地下引起不连续性的反射和散射从而实现浅层成像、定位定性、定量地辨识地下电磁特性的变化，最终实现对目标根系的探测。探地雷达可以描述地下目标的几何和物理性状，具有快速、高分辨率、对目标的三维电磁特征敏感等优于其他遥感技术的特点[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术对植物根系进行无损观测，获取根系长度、根系数量、根系结构以及水分运移动力学等三维影像信息的方法[19]。该法能在保持根系及根际土壤的本来面目的基础上，直接观测植物根系的各部分生理功能，能较好获取根系信息，但设备维护维修昂贵，应用不广泛。（16）X-光扫描分析系统。X-光扫描分析系统是一套新型、高效率、高精度、非破坏性的具有很大应用潜力的原位分析系统，可以对不同阶段植物根系的所有部分进行动态监测与分析，但操作时要使用特制的容器，且成本高，应用并不广泛。（17）营养袋纸培系统。营养袋纸培系统旨在研究水肥对根系二维构型的影响。但由于支撑架的存在，使植物根系构形与自然条件下的构型有一定的差异，不能代表大田苗木的根系结构。（18）WinRHIZO根系扫描法。WinRHIZO由根系扫描仪和专业的根系分析软件WinRHIZO组成，利用扫描仪扫略洗净的根系形成高清图像，再结合WinRHIZO对其分析，具有精度高、测量快、方法简便等优点。该方法可以测量无限小的根系的长度、根系体积、根长密度、根系表面积和根系直径等指标。（19）分层式培养系统。分层式培养系统是将培养基质与各种肥料混匀后装入塑料桶中，将基质从底部的接触面开始加土，然后放入一层孔径为2mm的玻璃纤维筛网，根系分层取样，之后利用台式扫描仪图像扫描存入电脑，通过软件WinRHIZO分析根长、根面积、根直径等指标。此法较为廉价，简单，但所得到的根系结构同容器苗生长有差异。（20）电容值测根量法。根系电容值与表面积呈正相关，而根系质量又与其表面积呈正相关，由此产生了利用电容值测根系质量的方法。（21）染色法（非放射性示踪剂法）。染色法是将染色液注入植茎，观察颜色在植株内移动情况，其在研究树根系上有局限性。研究自然根按情况多用曙红兰和R红0.1%-0.5%的水溶液。非放射性示踪剂法：放入土壤内的示踪物质被植物吸收后，可在植株上部探测到，目前还不能用于根生态特性的常规研究。（22）微区土壤剥落分离法。此方法是采用剥落根系粘着程度不同的根面土、根际土和非根际土来进行化学分析。其优点是不需特殊的仪器设备、可在田间应用，缺点是比较粗放，距离根轴最近、粘着最紧的一层根面土难以从根系上剥离，结果易产生误差。（23）冰冻切片法。取一定的土壤紧贴在控制条件下植物长成的一层平面排根根系两边，一定时间后将土壤用液氮冰冻，然后切成微薄的土片进行各种测定的方法。其优点是解决了微区土壤的区分问题、定量地在控制条件下研究各种养分在根一土界面上的动态及同位素法难以测定的微量养分变化，缺点是只能进行短期试验。（24）微电极法。它是把微电极直接插入根际微区，原位测定根际微区的养分环境状况的方法，其本身较简便，但干扰因素的影响比较多。（25）电子探针法。此法是利用高速电子束轰击试样表面的微小区域而得到特征信号，通过检测发射出的放射线的波长和强度，确定该微区内所含元素的种类和数量，并直接将测定位置的图象和养分分布显示出来。分辨率高。但此方法的制样、制片过程复杂，误差也会在这些步骤中产生。（26）根置换法。在活着的木质根上诱发“置换根”，让这些根长在盛土壤或其它培养基质的浅盘里，适于研究成龄树根系的方法。（27）色谱法。采用色谱法，可辨认各种关系密切的植物品种的根。同种根的色谱图是一致的。（28）电气法。把探针根里，用测量根导电率的方法分辨活根与死根或用电容桥测量根系的电容来比较根系大小的方法。（29）树根生长轮测定。计算根生长轮的多少和大小可测定根龄和提供根发育的环境情况。（30）调查根毛。根毛研究是主要以谷物和其它草类为对象，多数在非土壤基质例如潮湿的空气、湿滤纸、沙培或水培上进行，测定时借助显微镜或中性红1%溶液染色，来辨认根毛死活的研究方法。（31）测定根瘤。根样冲洗净后，按株或根测定长度和计算根瘤数量。（32）测定菌根。操作方法是把从已知体积的土壤里分离出的根切成若干短段后，先后用氢氧化钾（10%）冲洗和锥虫兰给菌体染色，最后把根段放在油里进行处理，采用交叉法在显微镜下数段数。此法可测定真菌根感染的根长和整个根长及根毛、根尖直径和表皮状况。（33）现代根系分析系统的应用。现代根系分析系统的基本原理是将扫描系统与图形分析软件结合起来，利用图象分析软件对扫描的根系图象进行分析，计算出根系长度、表面积、体积、根系数量等指标[20]。目前主流根系分析系统有英国的DT-SCAN、加拿大的Regent WinRHIZO以及美国Bartz公司的BTC-100X等。
4 存在的几点问题
（1）在已有的领域，研究方法的系统性不足、不深入、重复多以及不能很好的满足实际研究需要。例如：在根系研究的陆面过程模式中，准确观测并模拟更深层次根系的技术不精确；对一种植物根系的研究体系不统一，只能参考其它植物的指标测定及研究方法。（2）在现今根系研究方法的选择时对当前实际具体情况和试验目的的结合，不是很好。（3）根系构型是指同一根系中不同级别的根在生长介质中的相互连接情况和空间分布[21]。在容器法的控根技术下根系构型研究重复过多；目前在根系研究的各领域对细根周转的影响因子和机理的研究远远不足。（4）现代技术与传统方法的结合应用不是很好；最大限度的在最接近植物自然生长的环境条件下，研究其生长发育规律，尤其是对容器法的运用时尽可能最大限度的回避这一点；现代化研究设备构造过于复杂、技术也有待提高等。（5）目前，国内对现代根系研究方法的运用还不是很普遍，多数根系研究的方法基本处于最传统和最现代的两极状态。同时，对于一些例如微区土壤剥落分离法、冰冻切片法、微电极法、电子探针法、电气法的应用基本处于零状态等。
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