草地植物根系和土壤分離技術(shù)研究進(jìn)展

侯 佳，王占義，于澤明，肖 楠

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014109；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011)

草地植物根系和土壤分離技術(shù)研究進(jìn)展

侯 佳1，王占義2，*，于澤明3，肖 楠2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014109；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011)

根系是植物吸收水分、養(yǎng)分，物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化的重要器官。由于根系埋藏于土壤中取樣困難，導(dǎo)致對根系的研究相對落后。研究植物根系，對根系和土壤的分離是首要而關(guān)鍵的一步。應(yīng)用不同的根-土分離技術(shù)，對研究結(jié)果的精準(zhǔn)度和可靠性有重要影響。本文對國內(nèi)外有關(guān)根系和土壤的分離技術(shù)做了綜述。

植物根系；土壤；分離技術(shù)；研究進(jìn)展

1 引言

根系是植物吸收水分、養(yǎng)分，進(jìn)行活性物質(zhì)合成和轉(zhuǎn)化的重要器官。根系形態(tài)、生理特性與地上部的生長發(fā)育有密切的聯(lián)系。地下根系的生長發(fā)育特性和分布規(guī)律是地上部產(chǎn)量的保證。對于多數(shù)多年生牧草，地下根系既是水分養(yǎng)分的貯藏和有機(jī)物質(zhì)的合成場所，也是重要的繁殖器官。此外，草地優(yōu)勢植物根系的特點(diǎn)還與草地植被演替、水土流失緊密關(guān)聯(lián)。因此，草地植物根系的研究為合理利用和改良草地、遏制草地退化，水土保持和牧草選育等提供了理論基礎(chǔ)〔1〕。然而由于根系埋藏于土壤中，植物根系的不透明生長環(huán)境及其相互交錯(cuò)的復(fù)雜形態(tài)，使得根系的測量、研究難度遠(yuǎn)大于植物地上部〔2〕。對于準(zhǔn)確取樣、測定、觀察等研究手段應(yīng)用有一定制約，導(dǎo)致根系的研究相對落后。研究植物根系，對根系和土壤的分離是首要而關(guān)鍵的一步。分離的技術(shù)不同，對后續(xù)形態(tài)指標(biāo)、生物量的測定及根系周轉(zhuǎn)和含碳量的計(jì)算〔3〕等研究結(jié)果的精準(zhǔn)度和可靠性有著重要的影響〔4〕。查閱國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)根系和土壤分離技術(shù)方面的文獻(xiàn)綜述，本文通過查閱資料，結(jié)合根系研究經(jīng)歷進(jìn)行了總結(jié)，以期推動我國的根系生物學(xué)研究。綜合國內(nèi)外有關(guān)根系和土壤分離技術(shù)，主要有干法分離和濕法分離兩類。

2 干法分離技術(shù)

干法分離技術(shù)，是指不采用水洗而直接處理相對干燥的土壤，實(shí)現(xiàn)根系和土壤顆粒的分離。干法分離技術(shù)主要有挖掘法，干篩法，靜電分離法和起苗機(jī)法。

2.1 挖掘法

是針對特定植株，挖開土壤剖面，采用小刀、針，鑷子刷子等工具，緩慢細(xì)致地去除根系周圍土壤，逐漸暴露獲得完整根系的過程。這種方法最為原始，簡單、易行、直觀性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，但是對于根系的損傷很大，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和精確度較低，限定了研究內(nèi)容和研究范圍〔5〕。挖掘法在灌木〔6，7，8〕和草本植物中〔9，10〕均有廣泛的應(yīng)用，仍然是目前獲得整株植物根系的方法之一。

2.2 干篩法

該法首先需要壓碎土塊，將嵌入土塊內(nèi)部的根系釋放，然后采用不同孔徑的篩子由粗到細(xì)逐步分離土壤和根系。這種方法適合于土壤沙性強(qiáng)，粘結(jié)性差，植物根系相對較粗的情況〔11，12〕。在這些地區(qū)應(yīng)用此法要比水洗法省工省時(shí)，簡單準(zhǔn)確〔4〕。

2.3 靜電法

此法由德國霍恩海姆大學(xué)的Kuzyakov,Yakov等提出〔13〕。方法是首先將根系和土壤的混合物平鋪展開成薄層，然后采用聚乙烯或者其他有機(jī)化合物制成的板塊放置在土層之上并間隔一定的距離，通過摩擦或者其他方式使得聚乙烯板帶有靜電，根系和細(xì)小的有機(jī)碎片便會吸附到聚乙烯板面上，從而實(shí)現(xiàn)根系和土壤的分離。使用本方法每次處理的土樣小于20克比較適宜，同時(shí)宜多次吸附，效果較好！

2.4 起苗機(jī)法

本法是針對灌木作業(yè)，一般由拖拉機(jī)牽引，帶動起苗鏟從底部切取根層土塊，通過機(jī)械振動實(shí)現(xiàn)土塊的破碎，達(dá)到根系和土壤分離。一般起苗機(jī)包括機(jī)架、起苗鏟、振動篩、連桿、偏心輪、傳動機(jī)幾部分組成。此法一般針對灌木苗期移栽時(shí)使用，根系相對較粗，土壤容易破碎的地區(qū)使用〔14〕。

3 濕法分離技術(shù)

濕法分離技術(shù)是指借助于水或溶液，處理土壤和根系，實(shí)現(xiàn)根系和土壤的分離。該技術(shù)主要包括手洗過篩法，自動洗根機(jī)法，色素形成法和土壤分散劑法等等。

3.1 手洗過篩

把混合物放置在一疊不同孔徑的篩子上，用水沖洗混合物，然后把各級篩子上獲得的根系和石塊收集在一起，利用比重差別，水中分離石塊與根系。該法簡單易信行，缺點(diǎn)是容易在沖洗過程中損失根系，需要注意最后一級篩子的孔徑大小〔4〕〔15〕。Livesley等人研究了洗根時(shí)不同孔徑篩子對于根系的損失，發(fā)現(xiàn)0.2mm的篩子損失量少，比較適宜研究細(xì)根〔16〕。當(dāng)然也有使用更細(xì)小的100目的篩子水洗〔17〕。另外，沖洗宜用自來水，不宜用蒸餾水〔18〕。

3.2 自動洗根機(jī)法

該法通過水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和壓縮空氣的吹動，將根系和泥土輕柔分離；清洗過程中分離出的根系被收集在濾網(wǎng)中；洗根機(jī)配有電泵、蓄水箱、污水管道等。該法首次實(shí)現(xiàn)了根系清洗的自動化，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，避免了人為操作的不確定性，但是也存在不足之處：部分細(xì)根會粘連在機(jī)器內(nèi)壁，需經(jīng)常檢查；不同品牌的洗根機(jī)，可保留的最細(xì)根系直徑不同等〔19，20〕。

3.3 色素形成法

本法是通過根系吸收體外色素或者直接在植物莖上注射有顏色的溶液，然后觀察液體在根系內(nèi)的分布，可用來區(qū)分不同植物的根系和土壤，一般限于較小的植物〔21〕。常用的色素是TTC氯化三苯基四氮唑。本法在需要區(qū)分活根和死根時(shí)，或者根系顏色和土壤反差不明顯時(shí)應(yīng)用較多〔22〕。

3.4 土壤分散劑法

對于火山灰之類粘性較大、水洗難以完全分離根系的土壤，可以加入0.1%-1%的碳酸銨或氨水溶液，浸泡數(shù)小時(shí)至一晝夜，分散土壤顆粒，再通過水洗震蕩分離根系和土壤。常用的分散劑還有偏磷酸鈉鹽溶液、氯化鈉、次氯酸鈉、過氧化氫、堿性含鈣土壤可用弱酸溶液等。本法可有效實(shí)現(xiàn)根系和土壤的分離，但是要注意所用化學(xué)試劑對根系的損傷、褪色，以及對后續(xù)實(shí)驗(yàn)觀測的影響〔23，24〕。

4 小結(jié)

雖然實(shí)現(xiàn)根系和土壤的分離有多種方法，且不同的方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)不同的研究目的和實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行方法比選。特殊情況實(shí)在難以分開的時(shí)候還可以使用燃燒法。實(shí)現(xiàn)根系和土壤的分離難免存在對根系的損傷，近年來也有方法可以在土壤中原位觀測根系，不用根-土分離同樣可以達(dá)到目標(biāo)。這些方法有根窗法〔25，26〕，X-光掃描法〔27〕，探地雷達(dá)法〔28，29〕，同位素示蹤法〔30〕，核磁共振成像法〔31〕，元素平衡法〔32〕，數(shù)學(xué)模型法〔33〕等，這些方法的優(yōu)點(diǎn)是可以保持土壤和根系的完整性，減少根系損失和對于自然土壤的破壞，而且對于測定的數(shù)值準(zhǔn)確率也較高，缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，限制了方法的廣泛應(yīng)用。

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Research Progress of Plant Roots and Soil Separation Technology in Grassland

Hou Jia1，Wang Zhanyi2*，Yu Zeming3，Xiao Nan2

(1.Vocational and Technical College, Inner Mongolia Agricultural University, Baotou, Inner Mongolia,014109; 2.Colloge of grassland, resource and Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010019; 3.Insitute of Enviromental Scicence in Inner Mongolia, Huhhot 010011, China)

Roots are important organs for plants to absorb water and nutrients, to prorduce and to synthetize organic matter. Due to the difficulty of sampling in the soil, the study of the root system is relatively backward. For studying plant roots, the separation of roots and soils is the primary and critical step. The use of different root-soil separation techniques has an important effect on the accuracy and reliability of the results. In this paper, the separation techniques of root and soil at home and abroad were reviewed.

plant roots; soil; separation technology; research progress

Q944

A

2095—5952(2017)01—0005—04

2017-01-20

中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015M572634XB),內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015-21)。

侯 佳(1981-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，講師，主要從事園藝植物生理與解剖研究。 E-mail：hj116116@sina.com.

[*通訊作者]王占義，男，博士，講師，主要從事草地資源生態(tài)與植物根系研究。E-mail：zhanyiwang2006@163.com