郭其強(qiáng) 李江榮 邊巴多吉 馬和平

（1.西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏林芝860000；2.西藏自治區(qū)林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，西藏拉薩850000）

摘要：本文綜述了植物根系研究的十種方法，即挖掘法、定位法、釘板法、土鉆法、縱剖面壁法、玻璃壁法、容器法、間接法、微根管法和生物技術(shù)法，簡述了每種方法的基本操作，分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：植物根系；研究方法；優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

基金項(xiàng)目：本文系受西藏地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（28-19）資助

中圖分類號(hào)：Q945

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編號(hào)：10.14025/j.cnki.jlny.2015.17.072

植物根系承擔(dān)著吸收水分和養(yǎng)分的重要功能，是陸地碳儲(chǔ)量的重要組分，還能夠合成和轉(zhuǎn)化氨基酸、激素等微量活性物質(zhì)[1]。根長作為根系生長發(fā)育的重要特征之一，其長度值表征植物獲取養(yǎng)分和水分能力的強(qiáng)弱；根的組織密度被認(rèn)為是根系自身生理活動(dòng)的重要標(biāo)志；比根長表示單位生物量細(xì)根的長度，不但是環(huán)境變化的指示器，而且可作為評(píng)估根系呼吸的關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)，對(duì)研究根系呼吸具有重要參考價(jià)值[2]。由于植物根系生存在土壤中，要對(duì)根系某一特性開展研究，必須找到合適的研究方法。因此，如何找到針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡目茖W(xué)研究方法是根系研究者面臨的首要任務(wù)。

1根系研究法分類

近幾十年來，研究者對(duì)植物根系的形態(tài)發(fā)生、生長生理、機(jī)能形態(tài)等方面做了大量的探索，取得了一系列研究進(jìn)展。但是，由于根系生長在地下，一旦離開土壤必然造成根系損失，這是學(xué)者們對(duì)其開展研究面臨的最大障礙。鑒于此，研究者針對(duì)這一問題嘗試用多種方法開展對(duì)植物根系的各種研究，本文對(duì)近幾十年來有關(guān)獲取植物根系的研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1.1挖掘法

該方法的最早應(yīng)用是在1727年，Hales挖出作物根系后測定了其形態(tài)、重量和長度[3]。到19世紀(jì)70年代，Du Hamel等也應(yīng)用了挖掘法對(duì)樹木的根系進(jìn)行了研究[4]。在此后的100多年里，人們也一直應(yīng)用此法研究植物根系。到19世紀(jì)后半葉，由于化學(xué)肥料更多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得農(nóng)學(xué)家對(duì)根系的研究更加重視起來，在農(nóng)田中挖掘根系的研究逐漸增多。1911年，Cannon用對(duì)沙漠植物的根系進(jìn)行挖掘做了大量根系研究[5]。但是，由于該方法受挖掘深度和范圍的限制，僅在大田生產(chǎn)中有較好的可行性，而由于森林中根系龐大且埋藏地下較深，挖掘法僅能局部取樣，因此存在一定的局限性。

1.2定位法

鑒于挖掘法存在會(huì)對(duì)根系造成損失，研究者開始利用特定容器分析根系的生長特性。Saohs首創(chuàng)了在玻璃板后跟蹤觀察根系生長的方法，被稱為定位法[6]；受該方法的啟發(fā)，德國人先后建立了兩個(gè)專門的根系實(shí)驗(yàn)室開始對(duì)根系特性開展了大量研究。1932年日本的科學(xué)家OSkamp和Batjer[7]在挖掘平整的土壤縱剖面上把根系暴露出來，然后統(tǒng)計(jì)根系數(shù)量和長度等指標(biāo)參數(shù)，也能獲得根系在土壤縱剖面上的分布特性。該方法最早應(yīng)用在針對(duì)樹木根系的取樣研究，后來拓展到草本植物根系。

1.3釘板法

美國農(nóng)學(xué)家King于1892年將一定體積的金屬籠內(nèi)穿上金屬棒，以此分割成不同的空間，后塞滿土壤，取樣時(shí)先用水沖去土壤，然后觀察保存下近似自然狀態(tài)的植物根系。到1897年，Goff又進(jìn)一步改良了該方法，也就是經(jīng)典的釘板法[8]。同時(shí)，也有人將該方法與挖掘法相結(jié)合，對(duì)灌木植物根系展開研究，也獲得了較好效果。

1.4土鉆法

在20世紀(jì)20年代之前，根系研究主要集中在大田作物為主，隨著研究開展農(nóng)學(xué)家在研究根系的同時(shí)也開始關(guān)注根系生長的生態(tài)條件，這也催生了根生態(tài)學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)50年代，土鉆開始被農(nóng)學(xué)家們逐漸使用獲取土壤和根系的混合樣，然后用水淋洗出根系，測定其各項(xiàng)生理指標(biāo)[9]，該方法也被其他從事根系研究的科學(xué)家所認(rèn)可。在1953年，Hall等[10]引入放射性示蹤元素研究根系生態(tài)學(xué)特性，但是由于這種方法主要是一種輔助性的研究工具，因而被應(yīng)用的時(shí)間并不長，但是由于同位素法在研究根系的生理學(xué)特性時(shí)具有明顯優(yōu)勢，因而也取得了較多的成果。

1.5縱剖面壁法

該方法是由美國科學(xué)家Weaver于1919年最先發(fā)明的，具體操作是在土壤縱剖面上移除3～5厘米的土壤，以便記錄根的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)[11]。由于其僅能在剖面上觀察到根系，因而1964年Reijmerink提出了薄片法，具體操作是先在土壤縱剖面緊貼放置有機(jī)玻璃板，后直接把觀察到根系形狀繪制在玻璃板上并統(tǒng)計(jì)其參數(shù)。若是根據(jù)根系的水平分布取樣，可采用橫剖面法。根據(jù)根系生態(tài)學(xué)研究的采樣原理，應(yīng)用縱剖面壁法研究根系的數(shù)量和分布都是科學(xué)可行的，尤其是在不同的地點(diǎn)和條件下比較同種植物根系生長的差異，壟作條件下觀察根系分布狀況具有一定的優(yōu)勢，且不受土壤類型的限制。為更加詳細(xì)了解根系生長的動(dòng)態(tài)過程，60年代開始科學(xué)家們根據(jù)縱剖面壁法原理建造了更加現(xiàn)代化的根系實(shí)驗(yàn)室，其應(yīng)用方法是通過地下通道內(nèi)的透明玻璃墻可便捷地連續(xù)觀察植物根系的生長情況。

1.6玻璃壁法

為連續(xù)監(jiān)測、記錄一定剖面上根系生長，科學(xué)家發(fā)明了玻璃壁法。早在1873年，Sachs在盆栽容器壁上安裝了玻璃窗以觀察根系，在大約50年后McDougall將該技術(shù)應(yīng)用到了大田種植中[12]。后來研究者應(yīng)用這一原理又進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，建立了專門的小型根室和現(xiàn)代化的地下根室。隨著實(shí)驗(yàn)條件的改善，根系研究也獲得了新的發(fā)展。然而，由于根系實(shí)驗(yàn)室造價(jià)較高，而且僅局限于對(duì)小型的植物根系的研究，這就迫使研究者又不得不探索更為廣譜的根系研究方法。

1.7容器法

該方法不僅能監(jiān)測根系的形態(tài)、生理和生化等指標(biāo)參數(shù)，而且能監(jiān)測根系的生態(tài)學(xué)特性。如果把容器法和多種處理因素進(jìn)行有機(jī)結(jié)合來監(jiān)測根系發(fā)育，便能夠獲得更加詳實(shí)的有關(guān)根系發(fā)育特征及其與影響因子的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)研究目的可以選擇不同的容器類型，如花盆，木箱、柱形管等。為方便監(jiān)測根系的生長，還可以在容器的一側(cè)安裝透明的玻璃或者塑料板來追蹤根系的生長。這種容器多為一次性使用，成本相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可剪破容器取出根系樣品。

它的主要優(yōu)點(diǎn)是比大田種植簡便，還可以在多種栽培基質(zhì)中多次重復(fù)使用，而缺點(diǎn)是容器大小一定且為非自然條件，會(huì)對(duì)根系生長造成一定的限制，由于缺少了大田根系的相互競爭，會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來一定的誤差。

1.8間接法

間接法主要包括染色法和痕量元素法[13]。前者是把特殊染色的溶液注射到植物莖干中，然后觀察彩色液體在根系內(nèi)的分布情況，以此區(qū)分開不同植物的根系，但其使用范圍也僅限于個(gè)體較小的植株。后來，隨著放射性示蹤元素在科學(xué)研究中的應(yīng)用，使得根系生理生態(tài)的相關(guān)研究日趨活躍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，放射性元素中應(yīng)用最為廣泛的是32P，還有86Pb、131I、42K和45Ca等，也有應(yīng)用14C來研究根系活力的。間接法的優(yōu)點(diǎn)在于無需將根土分離就能對(duì)根系開展相關(guān)研究，省時(shí)省力，缺點(diǎn)是它僅是一種輔助性的研究。

1.9微根管法

微根管法是通過插入土壤中的透明監(jiān)測管，形成一個(gè)小觀察窗，利用長筒觀察鏡或微型數(shù)碼相機(jī)在管內(nèi)定期拍攝記錄觀察管外壁新根生長動(dòng)態(tài)的一項(xiàng)根系監(jiān)測研究方法[14]，具體操作是野外采集的圖像數(shù)據(jù)，到室內(nèi)應(yīng)用專門的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)根系各參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以無損地對(duì)根系進(jìn)行觀測研究，實(shí)時(shí)追蹤記錄同一根系的動(dòng)態(tài)生長過程，但是其局限性在于設(shè)備成本較高，適用范圍也受到一定的限制。

1.10生物技術(shù)法

生物技術(shù)法就是應(yīng)用新的設(shè)備，利用轉(zhuǎn)基因和突變體等新材料研究根系發(fā)育規(guī)律的方法，主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容，即根系伸長、分枝和側(cè)根的分化[15]。植物側(cè)根是整個(gè)根系發(fā)育、伸長和增粗的基礎(chǔ)，同時(shí)也能發(fā)育成根毛以便從土壤中吸收水分和養(yǎng)分。因此，研究側(cè)根構(gòu)造是探討根系發(fā)育的熱點(diǎn)問題之一。據(jù)此，科學(xué)家應(yīng)用一些攜帶調(diào)控根系發(fā)育基因的突變體和轉(zhuǎn)基因擬南芥研究根系的發(fā)育與調(diào)控機(jī)制，也獲得了一系列重要的研究進(jìn)展。

2結(jié)論與展望

綜上所述，對(duì)植物根系的研究主要應(yīng)用了以上10種研究方法。其中較為經(jīng)典的挖掘法、土鉆法和容器法等現(xiàn)在仍然被廣泛采用；而微根管法是近十幾年來結(jié)合光電成像技術(shù)和軟件分析，集成研究植物根系發(fā)育的新方法，也是開展長期生態(tài)定位研究較為理想的方法之一，可對(duì)多種研究對(duì)象的根系形態(tài)進(jìn)行長期追蹤觀測，尤其適用于對(duì)根系發(fā)生、生長、死亡動(dòng)態(tài)的持監(jiān)測，還可以分析細(xì)根生產(chǎn)、分解和周轉(zhuǎn)量[16]。生物技術(shù)法則是借助新設(shè)備和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，應(yīng)用分子生物學(xué)手段研究根系分化、發(fā)育及其調(diào)控機(jī)制，對(duì)于從微觀上認(rèn)識(shí)根系孕育和形成機(jī)制具有重要意義。

以上方法在根系研究中各具特長，鑒于根系發(fā)育和功能的復(fù)雜性、隱蔽性和可塑性，一些新的數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)、新的實(shí)驗(yàn)材料也會(huì)逐步應(yīng)用到根系研究中去，使得人們了解到更多有關(guān)根系功能與動(dòng)態(tài)發(fā)育細(xì)節(jié)問題。

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作者簡介：郭其強(qiáng)，碩士，西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，副教授，研究方向：植物生理生態(tài)學(xué)。