植物根系研究方法综述

郭其强 李江荣 边巴多吉 马和平

（1.西藏大学农牧学院高原生态研究所，西藏林芝860000；2.西藏自治区林业勘察设计研究院，西藏拉萨850000）

摘要：本文综述了植物根系研究的十种方法，即挖掘法、定位法、钉板法、土钻法、纵剖面壁法、玻璃壁法、容器法、间接法、微根管法和生物技术法，简述了每种方法的基本操作，分析了每种方法的优缺点，并对其发展趋势进行了展望。

关键词：植物根系；研究方法；优点和缺点

基金项目：本文系受西藏地区自然科学基金项目（28-19）资助

中图分类号：Q945

文献标识码：A

DOI编号：10.14025/j.cnki.jlny.2015.17.072

植物根系承担着吸收水分和养分的重要功能，是陆地碳储量的重要组分，还能够合成和转化氨基酸、激素等微量活性物质[1]。根长作为根系生长发育的重要特征之一，其长度值表征植物获取养分和水分能力的强弱；根的组织密度被认为是根系自身生理活动的重要标志；比根长表示单位生物量细根的长度，不但是环境变化的指示器，而且可作为评估根系呼吸的关键形态参数，对研究根系呼吸具有重要参考价值[2]。由于植物根系生存在土壤中，要对根系某一特性开展研究，必须找到合适的研究方法。因此，如何找到针对实验目的的科学研究方法是根系研究者面临的首要任务。

1根系研究法分类

近几十年来，研究者对植物根系的形态发生、生长生理、机能形态等方面做了大量的探索，取得了一系列研究进展。但是，由于根系生长在地下，一旦离开土壤必然造成根系损失，这是学者们对其开展研究面临的最大障碍。鉴于此，研究者针对这一问题尝试用多种方法开展对植物根系的各种研究，本文对近几十年来有关获取植物根系的研究方法的优缺点进行总结。

1.1挖掘法

该方法的最早应用是在1727年，Hales挖出作物根系后测定了其形态、重量和长度[3]。到19世纪70年代，Du Hamel等也应用了挖掘法对树木的根系进行了研究[4]。在此后的100多年里，人们也一直应用此法研究植物根系。到19世纪后半叶，由于化学肥料更多地应用到农业生产，使得农学家对根系的研究更加重视起来，在农田中挖掘根系的研究逐渐增多。1911年，Cannon用对沙漠植物的根系进行挖掘做了大量根系研究[5]。但是，由于该方法受挖掘深度和范围的限制，仅在大田生产中有较好的可行性，而由于森林中根系庞大且埋藏地下较深，挖掘法仅能局部取样，因此存在一定的局限性。

1.2定位法

鉴于挖掘法存在会对根系造成损失，研究者开始利用特定容器分析根系的生长特性。Saohs首创了在玻璃板后跟踪观察根系生长的方法，被称为定位法[6]；受该方法的启发，德国人先后建立了两个专门的根系实验室开始对根系特性开展了大量研究。1932年日本的科学家OSkamp和Batjer[7]在挖掘平整的土壤纵剖面上把根系暴露出来，然后统计根系数量和长度等指标参数，也能获得根系在土壤纵剖面上的分布特性。该方法最早应用在针对树木根系的取样研究，后来拓展到草本植物根系。

1.3钉板法

美国农学家King于1892年将一定体积的金属笼内穿上金属棒，以此分割成不同的空间，后塞满土壤，取样时先用水冲去土壤，然后观察保存下近似自然状态的植物根系。到1897年，Goff又进一步改良了该方法，也就是经典的钉板法[8]。同时，也有人将该方法与挖掘法相结合，对灌木植物根系展开研究，也获得了较好效果。

1.4土钻法

在20世纪20年代之前，根系研究主要集中在大田作物为主，随着研究开展农学家在研究根系的同时也开始关注根系生长的生态条件，这也催生了根生态学的发展。20世纪50年代，土钻开始被农学家们逐渐使用获取土壤和根系的混合样，然后用水淋洗出根系，测定其各项生理指标[9]，该方法也被其他从事根系研究的科学家所认可。在1953年，Hall等[10]引入放射性示踪元素研究根系生态学特性，但是由于这种方法主要是一种辅助性的研究工具，因而被应用的时间并不长，但是由于同位素法在研究根系的生理学特性时具有明显优势，因而也取得了较多的成果。

1.5纵剖面壁法

该方法是由美国科学家Weaver于1919年最先发明的，具体操作是在土壤纵剖面上移除3～5厘米的土壤，以便记录根的各项指标参数[11]。由于其仅能在剖面上观察到根系，因而1964年Reijmerink提出了薄片法，具体操作是先在土壤纵剖面紧贴放置有机玻璃板，后直接把观察到根系形状绘制在玻璃板上并统计其参数。若是根据根系的水平分布取样，可采用横剖面法。根据根系生态学研究的采样原理，应用纵剖面壁法研究根系的数量和分布都是科学可行的，尤其是在不同的地点和条件下比较同种植物根系生长的差异，垄作条件下观察根系分布状况具有一定的优势，且不受土壤类型的限制。为更加详细了解根系生长的动态过程，60年代开始科学家们根据纵剖面壁法原理建造了更加现代化的根系实验室，其应用方法是通过地下通道内的透明玻璃墙可便捷地连续观察植物根系的生长情况。

1.6玻璃壁法

为连续监测、记录一定剖面上根系生长，科学家发明了玻璃壁法。早在1873年，Sachs在盆栽容器壁上安装了玻璃窗以观察根系，在大约50年后McDougall将该技术应用到了大田种植中[12]。后来研究者应用这一原理又进行了技术改进，建立了专门的小型根室和现代化的地下根室。随着实验条件的改善，根系研究也获得了新的发展。然而，由于根系实验室造价较高，而且仅局限于对小型的植物根系的研究，这就迫使研究者又不得不探索更为广谱的根系研究方法。

1.7容器法

该方法不仅能监测根系的形态、生理和生化等指标参数，而且能监测根系的生态学特性。如果把容器法和多种处理因素进行有机结合来监测根系发育，便能够获得更加详实的有关根系发育特征及其与影响因子的相关关系。根据研究目的可以选择不同的容器类型，如花盆，木箱、柱形管等。为方便监测根系的生长，还可以在容器的一侧安装透明的玻璃或者塑料板来追踪根系的生长。这种容器多为一次性使用，成本相对较低，实验结束后可剪破容器取出根系样品。

它的主要优点是比大田种植简便，还可以在多种栽培基质中多次重复使用，而缺点是容器大小一定且为非自然条件，会对根系生长造成一定的限制，由于缺少了大田根系的相互竞争，会给实验带来一定的误差。

1.8间接法

间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茎干中，然后观察彩色液体在根系内的分布情况，以此区分开不同植物的根系，但其使用范围也仅限于个体较小的植株。后来，随着放射性示踪元素在科学研究中的应用，使得根系生理生态的相关研究日趋活跃。据统计，放射性元素中应用最为广泛的是32P，还有86Pb、131I、42K和45Ca等，也有应用14C来研究根系活力的。间接法的优点在于无需将根土分离就能对根系开展相关研究，省时省力，缺点是它仅是一种辅助性的研究。

1.9微根管法

微根管法是通过插入土壤中的透明监测管，形成一个小观察窗，利用长筒观察镜或微型数码相机在管内定期拍摄记录观察管外壁新根生长动态的一项根系监测研究方法[14]，具体操作是野外采集的图像数据，到室内应用专门的计算机软件进行统计根系各参数。该方法的优点是可以无损地对根系进行观测研究，实时追踪记录同一根系的动态生长过程，但是其局限性在于设备成本较高，适用范围也受到一定的限制。

1.10生物技术法

生物技术法就是应用新的设备，利用转基因和突变体等新材料研究根系发育规律的方法，主要包括3个方面的内容，即根系伸长、分枝和侧根的分化[15]。植物侧根是整个根系发育、伸长和增粗的基础，同时也能发育成根毛以便从土壤中吸收水分和养分。因此，研究侧根构造是探讨根系发育的热点问题之一。据此，科学家应用一些携带调控根系发育基因的突变体和转基因拟南芥研究根系的发育与调控机制，也获得了一系列重要的研究进展。

2结论与展望

综上所述，对植物根系的研究主要应用了以上10种研究方法。其中较为经典的挖掘法、土钻法和容器法等现在仍然被广泛采用；而微根管法是近十几年来结合光电成像技术和软件分析，集成研究植物根系发育的新方法，也是开展长期生态定位研究较为理想的方法之一，可对多种研究对象的根系形态进行长期追踪观测，尤其适用于对根系发生、生长、死亡动态的持监测，还可以分析细根生产、分解和周转量[16]。生物技术法则是借助新设备和转基因技术，应用分子生物学手段研究根系分化、发育及其调控机制，对于从微观上认识根系孕育和形成机制具有重要意义。

以上方法在根系研究中各具特长，鉴于根系发育和功能的复杂性、隐蔽性和可塑性，一些新的数据采集与分析技术、新的实验材料也会逐步应用到根系研究中去，使得人们了解到更多有关根系功能与动态发育细节问题。

参考文献

[1]陈文音，陈章和，何其凡，等.两种不同根系类型湿地植物的根系生长[J].生态学报，2007（02）：450-458.

[2]罗永清，赵学勇，李美霞.植物根系分泌物生态效应及其影响因素研究综述[J].应用生态学报，2012（12）：3496-3504.

[3]单建平，陶大立.国外对树木细根的研究动态[J].生态学，1992，11（04）： 46-49.

[4]DubachM，RusselleMP.[J]. 1995，89： 258-263.

[5] Cannon W A.[M]. Carnegie Institution of Washington， 1911.

[6] Brueske CH， Bergeson GB.

[J].， 1972， 23（01）： 14-22.

[7] Oskamp J， Batjer L P.

[J].

， 1932， 550.

[8] Goff E S.

[J].， 1897（14）： 286-298.

[9]李维炯.测定根生物量的简便方法———土钻法[J].耕作与栽培，1984（06）：43.

[10] Hall NS， Chandler WFC， HM VanBavel， et al.

[J].， 1953， 101： 40.

[11]张宇清，朱清科，齐实，等.梯田生物埂几种灌木根系的垂直分布特征[J].北京林业大学学报，2006，28，（02）：34-38.

[12]张爱良，苗果园，王建平.作物根系与水分的关系[J].作物研究，1997（02）：4-6.

[13]肖炎波，李隆，张福锁.用同位素15N直接法和间接法研究小麦/蚕豆间作中根系相互作用对种间竞争及氮转移的影响[C].贵州省自然科学优秀学术论文集，2005：357-363.

[14]周本智，张守攻，傅懋毅.植物根系研究新技术Minirhizotron的起源、发展和应用[J].生态学，2007， 26（02）： 253-260.

[15] Wang J， Zhang X， Wu C.

[J].

s. 2015，26（01）：23-32.

[16]郑金兴，黄锦学，王珍珍，等.闽楠人工林细根寿命及其影响因素[J].生态学报，2012，32（23） ：7522-7539.

作者简介：郭其强，硕士，西藏大学农牧学院高原生态研究所，副教授，研究方向：植物生理生态学。