植物根系和根際的研究方法

1、第4章 植物根系和根際的研究方法第一節(jié) 植物根系的研究方法植物根系具有吸收和輸送養(yǎng)分和水分、合成植物激素和其他有機物質(zhì)、儲存營養(yǎng)物質(zhì)以及支撐植物使之固定于土壤中等多方面的作用。它是植物與外界環(huán)境之間進行物質(zhì)交換的主要器官，因此它與植物營養(yǎng)有著密切的關(guān)系。但植物根系的研究比地上部分的研究要困難的多。一、根系研究方法（一）釘板法：常用。1、釘板的制作：小板：50cm×50cm，釘長5cm，釘距5cm。大板：60cm×100cm，釘長5cm，釘距5cm。2、取樣3、清洗4、根系攝影與測定（二）容器法：容器種植主要研究根系生理或生態(tài)學特性。條件容易控制。1、容器大小與根系體積適應2

2、、種植盒的制作：（三）玻璃壁或玻璃管法：用探頭觀察根系生長情況。（四）多孔膜法：尼龍纖維多孔膜(孔徑0.3m)二、根系測定方法（一）根系形態(tài)特征及其測定方法根系形態(tài)特征包括根系體積、幾何形狀、長度、分布深度、根密度、分枝狀況、根重、根表面積、根毛數(shù)量和根尖數(shù)等。根系形態(tài)與養(yǎng)分、水分的吸收能力有密切關(guān)系。在植物營養(yǎng)研究中，常用的根形態(tài)參數(shù)主要有根重、根長、根表面積、根密度、根毛和根尖數(shù)等。1、根重根重對于表征根的總量是一個很好的參數(shù)，植物吸收養(yǎng)分的數(shù)量和速率通常用單位根重作參量。根重分為根干重和根鮮重兩種。根干重對于養(yǎng)分和水分吸收不是個理想的參數(shù)，因為老而粗的根所占的重量很大，而吸收養(yǎng)分和水分的

3、能力很小。但當了解植物地下部的生產(chǎn)力時，干重常作為估計的標準。在估算根/冠比（R/S）時，也要用根干重。測定根干重的方法，一般采用烘干重量法。在105oC條件下烘干10-20h或在60-70oC下烘干20h，稱重。根鮮重是個理想?yún)?shù)，在植物營養(yǎng)研究方面很有應用價值。養(yǎng)分吸收大多用根鮮重作參量。根鮮重容易測定，但準確程度與根外粘附水分有關(guān)，故受操作影響較大。2、根長根長被定義為單位土壤表面積上根系的總長度（LA），計算公式為：LA總根長(cm)土壤表面積(cm2)當根長測定后，如已知根的平均直徑，則可以推算根系表面積和根體積，也可用于計算養(yǎng)分吸收速率。所以，根長直接影響根系表面積的大小，而根表面

4、積的多少與根系吸收面積直接相關(guān)。Barley（1970）把每單位土壤表面的根表面稱為“根面積指數(shù)”。根長的測定方法有：（1）直接法在一平底玻璃盤中，鋪上帶mm刻度的方格紙，其上用一塊玻璃壓平，然后倒少量水保持淺水層，將濕根置于其中，用鑷子把根拉直，逐條測定其長度，最后累加即得。這種方法費時費事，比較復雜，一般不常用。（2）直接截距法直接截距法是Tennant（1975）發(fā)明的，是以根系與一定規(guī)格的方格紙上縱橫線條的截點數(shù)來計算根長的方法。根據(jù)交叉點數(shù)，按照經(jīng)驗公式計算如下：根長（cm）11交叉點數(shù)方格間距（cm）14式中：11/14×方格間距等于轉(zhuǎn)換因子，對于1、2、5cm間距方格，

5、轉(zhuǎn)換因子分別為0.768、1.57、3.93；交叉點數(shù)為橫截點數(shù)與縱截點數(shù)之和。對于間距為1cm的方格紙，則根長（cm）11交叉點數(shù)14此法較直接法省時，測定的根長與實際根長之間有很好的相關(guān)性。3、根徑（半徑或直徑）測定根徑（根莖）的主要目的是了解土壤空隙大小與根系穿透潛力之間關(guān)系的信息，在一年生植物時，測定根徑在大多情況下用來計算根表面積和根體積。常用的測定方法有：（1）實際測定測定前，須先將根系浸泡在水中數(shù)小時，然后用帶有測微計的顯微鏡直接對鮮根進行測定，對粗根可采用小手鏡或千分尺卡測定。如果一條根的直徑上下有差別，則可按一定間距分別測定。根據(jù)根的直徑大小，可以將其進行分類（表1），以便進

6、一步研究。表1 不同根莖根系粗細劃分根莖（mm）粗細分類0.5很細細小中粗20.0很粗（2）估算法許多文獻中均采用公式估算法。將根系假設(shè)為均勻的圓柱體，按經(jīng)驗公式計算如下：式中：r=根半徑（cm）；W=根鮮重（g）；L=根長（cm）；D=水的密度（g/cm3），=3.1415926。由于4ºC 時水的密度等于1g/cm3，則上式可簡化為： （Sumio & Barber，1983）4、根表面積根表面積被認為是表征根系對水分和養(yǎng)分吸收最好的參數(shù)之一，可以用以下兩種方法進行測定。（1）直接計算法用根徑和根長或根體積計算求得，公式如下：S2rL式中：S=根表面積（cm2）；其它符號

7、的含義同上。需要注意的是此法只能得到根表總面積，不能反映根系活力。（2）吸附法是通過根系的吸附作用進行間接估計根表面積，其結(jié)果與根系養(yǎng)分吸收量或吸收速率可能有關(guān)。吸附法有染料法和滴定法，測定的是根系吸收面積。染料法：把洗凈的鮮根侵入染色溶液中（通常為-1的亞甲基藍溶液），輕輕攪動，保持一定時間后取出，用最初與最終染色溶液濃度之差即根系吸附的亞甲基量，來估計根表面積。滴定法：把洗凈、風干的植物根系侵入到3mol/LHCl溶液中3s，然后取出排去多余的酸后，置于一定量蒸餾水中浸提10min，用-1NaOH標準溶液滴定，用消耗的NaOH毫升數(shù)作為總根表面容量（total capacity of ro

8、ot surface）。這兩種方法測定的是相對根表面積。5、根密度是一個十分重要的參數(shù)，指每單位土壤容積（cm3）中根的總長度，表示為：LV=2式中：LV為根密度(cm/cm3)，是三相平面上每單位截取的根軸算術(shù)平均數(shù)。例如三個平面每平方厘米截取的根軸數(shù)分別為6、8、4，則LV=2（6+8+4）/3=12。6、根體積根體積是一種輔助參數(shù)，可與根系其它參數(shù)結(jié)合使用。測定方法有：（1）計算法用平均根徑和根長計算求得，公式如下：r2L式中：V為根體積(cm3)，其它符號的含義同上。此法估算的誤差較大，故不常用。（2）排水法按照鮮根體積等于排出水的體積的原理，精確量取。在植物營養(yǎng)研究中，根體積測定一般

9、不普遍，因為少量大根系與大量小根系具有相同的體積。7、根毛數(shù)根毛對于養(yǎng)料吸收具有特別重要的作用，主要表現(xiàn)在以下三方面。（1）維持土壤與根組織的緊密接觸，形成土壤一水一根的連續(xù)體系。（2）穿透根土阻力能力強，可以穿透粘土吸收養(yǎng)分和水分。如粘土之間的孔隙大小為10m，而小麥根的平均直徑為216m，根毛直徑為11.4m。（3）根毛對易擴散或遷移的養(yǎng)分起著特殊作用。根毛對于增加磷的吸收有很大的作用，據(jù)研究（Barley 1970），在土壤中有根毛比無根毛多吸收78%的磷，但在營養(yǎng)液中二者沒有什么差別。根毛的壽命一般為2-3周更新。根毛的長度、數(shù)量和密度與作物種類和土壤條件有關(guān)。一般多數(shù)作物有根毛，少數(shù)

10、作數(shù)無根毛或少根毛（洋蔥和胡羅卜）。根毛長度為0.1-1.5mm，直徑為5-25m（表2）。表2 六種植物根和根毛的特性（Barber 1984）植物根半徑根毛數(shù)/cm根長根毛長根毛半徑根毛表面積根表面積(mm)(mm)(m)小麥0.1085600.295.70.7萵苣0.12412700.304.81.6薊菜0.0568900.603.93.8番茄0.10716500.434.32.5洋蔥0.22511800.0411.00.2胡蘿卜0.10718100.0440.00.3根毛受通氣、土壤微生物、土壤水分、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況等環(huán)境條件的影響。土壤有效磷含量高時根毛反而少，因此在低磷土

11、壤中會吸收更多的磷。8、根尖數(shù)除上述參數(shù)外，根尖數(shù)目也很重要。某些養(yǎng)料如Ca2+、Mg2+、Fe2+等主要靠根的幼嫩組織吸收，因為這些組織的內(nèi)皮層細胞壁尚未木栓化，離子容易透過。9、根/冠比根/冠比（R/S）是地下部與地上部干重的比值，即R/S根系干重/地上部干重R/S是描述根系與地上部生長相互關(guān)系的參數(shù)，通過測定根/冠比，可以了解植物地下部與地上部的分布及二者之間的關(guān)系。也有人用其倒數(shù)即S/R比。一般地SR，故R/S1。在缺磷情況下，R/S增大。植物根系的生長具有“趨肥性”，即根系能夠迅速伸展到土壤養(yǎng)分相對豐富的地方，以擴大吸收養(yǎng)分的范圍。在一定的土壤養(yǎng)分含量范圍內(nèi)，養(yǎng)分含量偏低，促進根系伸

12、展而抑制地上部生長，R/S比較大；反之，養(yǎng)分含量偏高，根系較短，促進地上部生長，R/S比下降。在植物營養(yǎng)研究實踐中，根據(jù)研究目的選擇測定根系參數(shù)。一般為了更好地解釋有關(guān)數(shù)據(jù)，最好能測定多個參數(shù)進行比較，以求參數(shù)之間及與養(yǎng)分吸收效率之間的相關(guān)性，來確定取舍。（二）根系生理生化特性及其測定方法1、根的陽離子交換量植物根系的陽離子交換量（cation exchange capacity，簡稱CEC）是指每1000g干根所能吸收的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)（cmol(+)/kg），是根系的重要生理生化指標之一。其大小與植物種類、品種、根細胞壁果膠的羧基含量等有關(guān)。測定方法：磨碎，鹽酸處理，再用KCl交

13、換，KOH溶液滴定。據(jù)報道，根的CEC還與作物吸收難溶性磷的能力有關(guān)。根的CEC大的作物，由于對Ca2+的吸收能力較強，故對難溶性磷的吸收也較大。因此，有研究者把植株體中CaO/P2O5的比率視為作物利用難溶性磷（磷礦粉）的一個生理指標。2、根系活力作物根系活力可以反映根系新陳代謝作用的強弱，根系代謝作用包括根系的呼吸作用、氧化力、酶活性等等。衡量根系活力的指標主要有根系氧化力、酶活性、傷流液等。（1）根系氧化力根系氧化力是根系新陳代謝活動的一個重要指標。一般測定-萘胺氧化力。（2）根系的酶活性根系中過氧化物酶與脫氫酶的活性也是根系活力的一個指標，可以反映根系的衰老程度。（3）傷流液研究表明，

14、水稻根傷流液的多少與根系活力有密切的關(guān)系。在一定時間內(nèi)測定傷流液的重量，是衡量根系活力一個較為簡便的方法。3、吸收速率或吸收量（1）根系養(yǎng)分吸收速率可用每天（或其它單位時間）每米根長（或每克鮮根重）所吸收的養(yǎng)分數(shù)量來表示平均吸收速率。瞬時吸收速率主要用于測定吸收動力學參數(shù)。（2）吸收動力學參數(shù)主要測定根系養(yǎng)分親和力常數(shù)（Km）和最大吸收速率（Vmax），有時也測定臨界濃度（Cmin）。（3）養(yǎng)分吸收量用每株或每克干物質(zhì)所吸收的養(yǎng)分數(shù)量來衡量，可在不同生長發(fā)育時期或成熟期測定。4、根系養(yǎng)分吸收動力學參數(shù)測定主要是測定根系對養(yǎng)分離子的吸收速率和兩個動力學參數(shù)（Vmax，Km）。先采用溶液培養(yǎng)的方法

15、培育不同基因型幼苗，然后選取一定苗齡的植株（多數(shù)研究采用幼苗，也可以采用不同生育階段的植物根系），在不同離子濃度的溶液中吸收一定時間后，測定其根系對養(yǎng)分的吸收速率。根據(jù)Michaelis-Menten方程式，求解作物吸收某一養(yǎng)分的動力學參數(shù)。采用的Michaelis-Menten方程式為：VVmCKm+ C式中：V離子的吸收速率，單位mol.g-1.h-1或pmol.cm-1.s-1Vmax離子的最大吸收速率，單位同VC根表面溶液中的離子濃度（mmol.L-1）Km米氏常數(shù)或親和力常數(shù)，單位同C當V=1/2Vmax時，1/2Vmax= Vmax C/（Km+C），則Km = C，即當離子吸收速

16、率等于最大吸收速率一半時，溶液中的離子濃度就是Km值（圖1）。吸收速率VVmax1/2VmaxKm C溶液中離子濃度圖1 離子的吸收速率與溶液濃度的關(guān)系吸收動力學參數(shù)的意義：Vmax表示植物根系對養(yǎng)分離子的吸收所能達到的最大速率，Vmax愈大表示吸收的內(nèi)在潛力愈大。Km的倒數(shù)表示根系吸收位置對所吸收離子的親和能力，Km值愈小，表示親和力愈大。這兩個參數(shù)可表示根系對養(yǎng)分吸收效率的高低。吸收動力學參數(shù)的求解：Vmax和Km值可以采用圖解法（圖），比較直觀、簡單，但準確性較差；也可采用統(tǒng)計方程式求解，具體有兩種，即Michaelis-Menten方程式的兩個轉(zhuǎn)換式。（1）Lineweaver-Bur

17、k雙倒數(shù)方程式11Km×1VVmaxVmaxC用1/V對1/C作圖，將米氏方程式轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€式（圖2），直線截距=1/Vmax，斜率=Km/Vmax。斜率=Km/Vmax截距=1/Vmax 1/V1/Km1/C圖 Michaelis-Menten方程式的Lineweaver-Burk圖（2）Hofstee方程式用V對V/C作圖，將Michaelis-Menten方程式轉(zhuǎn)變?yōu)镠ofstee直線式（圖2）。VVmKm×VC吸收速率Vmax/KmVmax斜率=-KmV V/C圖2 Michaelis-Menten方程式的Hosfstee圖目前常用轉(zhuǎn)換式后的這兩個直線式來處理試驗數(shù)據(jù)

18、，求解動力學參數(shù)Vmax和Km。Barber（1984）提出，當植物根系養(yǎng)分吸收速率即凈吸收速率等于0時，外液中的離子濃度定義為Cmin，稱為最低濃度（圖3），因此Michaelis-Menten方程式可以修正為：VVmC-CminKm+(C-Cmin)這時V為凈吸收速率（mol.g-1.h-1），Cmin也為重要的動力學參數(shù)，可以測定。尤其植物生長在低離子濃度介質(zhì)中時，Cmin值有重要意義。一般情況下Cmin很?。?mol.L-1），因此用米氏方程式描述植物的離子吸收行為是可行的。吸收速率VVmaxCmin溶液中離子濃度圖3 凈吸收速率與離子濃度的關(guān)系第二節(jié) 植物根際研究方法一、根際概念19

19、04年德國微生物學家Lorenz Hiltner 提出根際的概念，最初指根系附近土壤與土體中微生物數(shù)量和種群的分布差異。后來，根際的概念逐漸應用于土壤學、植物營養(yǎng)學、土壤微生物學等許多學科中，“根際”的感念也得到了擴充?，F(xiàn)在根際的基本概念是：由于植物根系的生理活動，引起了根系周圍土壤在物理、化學和生物學特性上不同于原土體的特殊微域土區(qū)，稱之為根際（Rhizosphere）。根際的范圍一般認為在4mm以內(nèi)。有人對根際范圍進行了細分，把靠近根系0-1mm微區(qū)叫根面土，2-4mm微區(qū)叫根際土，4mm范圍叫非根際土。但根際范圍也因植物種類和營養(yǎng)元素的不同而異，有研究認為氮在40mm，磷在1mm。根際是

20、土壤-植物根系-微生物三者相互作用的場所，是土壤、根系及其各種分泌物、微生物及殘體、水分、養(yǎng)分等多種物質(zhì)相互作用的微生態(tài)體系，也是微生物聚集的場所，是各種養(yǎng)分、水分、微生物進入植物根系的門戶，決定著養(yǎng)分在根系表面累積的多少。因此，根際的物理、化學和生物學特性不同于非根際土壤（原土體），根際微域環(huán)境直接影響著土壤養(yǎng)分的有效性和植物根系對養(yǎng)分的吸收利用。根際是目前國際上十分活躍的研究領(lǐng)域，涉及到土壤學、植物營養(yǎng)學、微生物學、植物學、生理學及生物化學、生態(tài)學等多學科內(nèi)容，也是這些學科相互交叉的一門新興學科。因此，了解根際營養(yǎng)特性對植物營養(yǎng)非常重要。二、根際研究方法（一）根際土壤冷凍切片法：液氮。（二

21、）放射性自顯影法：照相（三）微電極法：pH，Eh（四）電子探針法三、根際特性（一）根際養(yǎng)分狀況從土體到根際，土壤養(yǎng)分濃度的分布是不均勻的。由于植物根系的吸收速率和土壤中養(yǎng)分遷移速率的不同，根際養(yǎng)分濃度的分布與土體比較會出現(xiàn)累積、虧缺和均勻分布三種情況。（二）根際的物理性質(zhì)1、土壤結(jié)構(gòu)性：研究表明，根際土壤的水穩(wěn)性團聚體及其穩(wěn)定性大于非根際土壤。根際土壤的容重增加。2、根際粘膠層：這種粘膠層（mucilage）對植物根系吸收養(yǎng)分和水分具有重要作用。（三）根際的化學性質(zhì)1、根際pH（Rhizosphere pH）：pH是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素。由于根際微域環(huán)境的特殊性，導致根際pH值上升或下

22、降，有時根際與土體之間pH相差1個單位或更大。2、根際氧化還原電位：根際氧化還原電位（redox potential in rhzosphere soil，Eh）的高低決定著根際土壤中氧化還原反應的方向和速率，影響著土壤中養(yǎng)分元素如Fe、P、Mn、Zn等的有效性。一般情況下，旱作根際土壤Eh低于土體（蕎麥上升），一般可降低50-100mv。水稻根際的Eh高于土體，當水稻根際Eh上升時，有利于氧化有毒害作用的還原物質(zhì)；Eh下降，增加Fe、P、Zn的有效性。（四）根際的生物學特性1、根系分泌物：根系分泌物的數(shù)量根際高于非根際。其作用：活化土壤養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土粒與根系的接觸程度。2、根際微生物根際微生物的數(shù)量和活性遠遠大于非根際土壤，其數(shù)量是非根際土壤的10-100倍，此現(xiàn)象稱為根際效應。據(jù)Marshner（1982）研究資料，R（根際）/S（土壤）5-