植物根构型的定量分析

植物根系具有锚定植株、吸收和运输土壤中的水分及养分、合成和贮藏营养物质等重要功能。根构型是根系在土壤中的空间造型和分布。对植物根构型进行定量分析,有助于人们了解根系结构和根系功能在生态系统中的重要作用。本文对植物根构型的概念及其定量分析研究进展进行了概述,并介绍了植物根构型的主要研究方法和定量分析技术。     

植物根构型的定量分析

植物根系具有锚定植株、吸收和运输土壤中的水分及养分、合成和贮藏营养物质等重要功能。根构型是根系在土壤中的空间造型和分布。对植物根构型进行定量分析, 有助于人们了解根系结构和根系功能在生态系统中的重要作用。本文对植物根构型的概念及其定量分析研究进展进行了概述, 并介绍了植物根构型的主要研究方法和定量分析技术。     

用Minirhizotrons观测柠条根系生长动态

 Minirhizotrons是一种非破坏性、定点直接观察和研究植物根系的新方法。该文介绍了用Minirhizotrons测定植物根系的方法,并同根钻取原状土样法进行了比较;探讨了根系生长动态同土壤含水量间的关系。试验于2004年植物生长季在沙坡头沙漠试验研究站的水分平衡观测场的人工柠条(Caragana korshinskii)林进行,结果表明：Minirhizotrons 管埋入土壤后需要10个月时间允许柠条根系在其周围定居,其观测图片中的根系代表了管子周围2.6 mm土层的根系。柠条根系生长动态和土壤水分变化相关,含水量的升高导致根系的大量繁殖,而根系吸水及蒸发散又导致含水量的减少;在2004年植物生长季,土壤水分和根系的这种相互作用出现了两次,但根系生长高峰比土壤含水量高峰滞后20 d左右。     

电阻抗法在植物根系生物学研究中的应用

因受限于检测方法,对埋藏于土壤中植物根系研究的深入程度远低于其地上部分。传统获取根系的方法不仅费时费力,而且对根系原位分布和生存微环境具有明显的扰动破坏,故随着根系研究的不断深入,迫切需要寻求一种非破坏性的根系检测方法。电阻抗法是在一定频率的外加电源下,测量电路中的根系电学特征(电容、电阻和电阻抗图谱),并且电学特征与根系生物量和形态指标之间存在较好的相关性,然而,由于对电阻抗法基于电路中电流流向等的关键机理尚不清楚,有些学者对该方法的大范围应用提出了质疑。本文首先对生物电阻抗法测量根系的原理和模型进行阐述,然后重点综述根系电阻抗法研究的不同理论方法及存在的问题,最后提出电阻抗法研究植物根系应该解决的重要科学问题,并展望电阻抗法更加广泛的研究和应用前景,以期为获取非破坏性的根系研究技术提供参考。     

CO_2 倍增对长白赤松幼苗根 土界面水分运输过程的影响(英文)

用具有非破坏性的电导率方法测定土壤水分的廓线 ,与挖掘法 (或打孔法 )获取的根系分布对比 ,研究CO2倍增条件下一年生的长白赤松 (PinussylvestrisLinn .var.sylvestriformis (Takenouchi)ChengetC .D .Chu)幼苗根 土界面的水分运输状态。结果表明 :(1)土壤水分廓线由植物的活性所调制 ,根系分布密集的土层其水分含量也高。(2 )CO2 倍增 ,根系 土壤水分运输的活跃层及根系分布都将向土壤深处位移。研究证明 ,电导率方法能够指示发生于根 土界面上的水分运输状态 ,方法简单 ,且对土壤无破坏     

根系分泌物收集技术研究进展

根系分泌物在调控陆地生态系统根际微环境间的物质、能量和信息交流中具有重要作用.构建准确、适用的根系分泌物收集方法,对根系分泌物的种类、含量及其对环境变化的响应等信息的精准获取是理解植物根系-土壤界面生态过程与信息交流的关键环节和前提.目前,传统或新型的根系分泌物收集技术都致力于认知根系分泌物中化合物种类多样性和含量变化,但根系的生长高度依赖周围介质和生长环境,使根系分泌物的收集很难避开对根系本身的损伤、土壤颗粒对根系分泌物的吸附和释放,以及微生物代谢等因素的干扰,导致不同根系分泌物收集方法都存在各自的优缺点.本研究从室内收集和野外原位收集两方面系统综述了当前应用较广的一些传统和新型根系分泌物收集技术,并总结和比较了每种收集方法的优缺点;在此基础上,基于森林根际生态学过程野外原位研究的重要性和代表性,结合当前根系分泌物研究的不足,展望了未来森林根系分泌物野外原位收集技术构建中值得关注的3个重点方向,旨在为相关研究者开展根系分泌物收集与作用研究提供参考.     

荒漠草原土壤氮素和克氏针茅根系对不同放牧处理的响应

通过设置不同放牧处理(羊单牧、牛单牧、牛羊混合放牧和不放牧),研究土壤氮素和优势种克氏针茅根系构型对不同放牧方式的响应。结果表明:放牧14个月后(约2个生长季),牛单牧和牛羊混合放牧显著提高了10~20 cm土层土壤全氮含量,其中牛单牧提高了硝态氮含量,而牛羊混合放牧则以提高有机氮为主;不放牧区的克氏针茅地上生物量显著高于羊单牧、牛单牧和混合放牧区,而地下生物量差异不显著;在放牧处理14个月后,克氏针茅6项根系构型参数5项没有差异,但根系径级分级显示,不放牧区根系直径为2.5~3.5及4.0~4.5 mm的根系长度、体积和表面积显著高于其他放牧区。整体上看,放牧处理14个月,土壤和优势种植物的根系构型参数变化尚不明显,有待于继续观测。     

河西走廊中部两种荒漠植物根系构型特征

在河西走廊中部,采用挖掘法挖取红砂和白刺根系,应用拓扑学与分形理论分析了根系构型的特征.结果表明: 2种荒漠植物根系的拓扑指数均较小,根系分支模式均近似为叉状分支结构.红砂和白刺根系具有较好的分形特征,其分形维数分别为(1.18±0.04)和(1.36±0.06);分形维数、分形丰度与根系平均连接长度均呈显著正相关.2种荒漠植物根系的平均连接长度均较大,以扩大植物的有效营养空间,从而适应干旱贫瘠的土壤环境.2种荒漠植物根系分支前的横截面积等于根系分支后的横截面积之和,验证了Leonardo da Vinci法则.对17个根系构型参数进行主成分分析,根系拓扑指数、根系连接数量、逐步分支率和根系直径4个根系构型参数能很好地表示2种荒漠植物根系构型特征.     

ＣＯ２倍增对长白赤松幼苗根—土界面水分运输过程的影响

用具有非破坏性的是导率方法测定土壤水分的廓线,与挖掘法（或打孔法）获取的根系分布对比,研究ＣＯ２倍增条件下一年生的长白赤松（Ｐinus sylvestris Linn.var.sylvestriformis(Takenouchi)Cheng et C.D.Chu）幼苗根－土界面的水分运输状态。结果表明：（１）土壤水分廓线由植物的活性所调制,根系分布密集的土层其水分含量也高。（２）ＣＯ２倍增,根系－土壤分运输的活跃层及根系分布都将向土壤演算位移。研究证明,电导率方法能够指示发生于根－土界面上的水分支输送,,且对土壤无破坏。     

植物根系分泌物生态效应及其影响因素研究综述

植物根系分泌物的形成是植物体代谢过程中重要的生理现象,为“植物-土壤”体系物质周转的重要环节.研究植物根系分泌物对于了解陆地生态系统质能过程、碳氮收支平衡及提高生态系统的初级生产具有重要意义.本文从植物根系分泌物对植物生理性状、土壤微生物、土壤物质周转及有机污染物降解影响等4个方面对植物根系分泌物的生态效应进行综述,并从重金属含量、营养元素水平、土壤水分和光热条件、物种基因型、土壤微生物状况和外源有机污染物添加的角度综述了影响植物根系分泌物的因素,旨在对植物根系分泌物的生态效应和影响因素进行总结,并根据目前的研究现状,从研究对象、研究方法和效应评估方面进行了展望.     

植物根系研究新技术Minirhizotron的起源、发展和应用

根系是土壤和植物的动态界面,对植物和土壤均具有重要意义。但由于根系深处地下,观测研究十分不便,导致根系研究在广度、深度上均落后于地上部分。随着对根系在生态系统以及全球碳平衡中重要作用的认识,根系渐渐成为国际相关领域的研究热点之一。Minirhizotron(微根区管或小观察窗)技术的诞生和应用,使根系研究手段得到了进一步发展,成为根系研究技术发展的重要里程碑。Minirhizotron技术主要由透明观察管、观测设备和记录设备组成,观测设备曾先后使用了普通镜子、观察镜和相机(或摄像机),记录设备也相应地经历了手工绘制、传统黑白、彩色相片或录像带以及高清晰数字图像。同时,还开发了多种图像自动分析系统,使该项技术日臻完善。Minirhizotron技术可以以非破坏方式,定期对同一根系的出现、生长、衰老、死亡和消失进行连续观察,对根系伸长、根系密度、扎根深度、侧根伸展、分枝特性、菌根特性以及细根动态、根系生命周期和分解等进行观测研究,同时,也可开展根系对不同处理响应的研究。因此,Minirhizotron技术必将在农业、林业和环境等科学领域得到越来越广泛的应用。     

Calibration of minirhizotron readings against root length density data obtained from soil cores

The minirhiozotron (MR) root observation method was studied versus root length density (RLD) obtained from soil cores. Two plant species, acacia (Acacia saligna) and wheat (Triticum aestivum L.) were grown in a 1-m³ container on Silt Loam (Typic Torrifluvent) and on fine dune sand (Typic Torripsamment), respectively. Roots of both plants were measured periodically by the two methods. The MR observation tubes (MROT) were inserted, either vertically or at 45°. The correlation between the number of roots obtained by the MR and RLD was significant for the entire profile. However, an appreciable error in root estimation by the MR root observation method at the upper 10-cm soil might occur. No significant difference was obtained from MROT oriented vertically or at 45°. The differences between the correlation coefficients of the two methods were not significant, for both plants and soils, indicating that this correlation expresses the geometry of the two measurement systems, not affected by plant or soil types. We concluded that the MR method may be used as an in situ, non-destructive root measuring method with reasonable confidence. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Remediation of lead and cadmium-contaminated soils

The research was designated to study the ability of plants to bio-accumulate, translocate and remove the heavy metals, lead and cadmium from contaminated soil. The herbal plant ryegrass, Lolium multiflorum was investigated as a bio-accumulator plant for these metals. The translocation of these heavy metals in the herbal plant was compared considering root to shoot transport and redistribution of metals in the root and shoot system. The trace metal contents from root and shoot parts were determined using atomic absorption spectrometer. The results showed that the percent of lead and cadmium transferred to ryegrass plant were averaged as 51.39, and 74.57%, respectively, while those remained in the soil were averaged as 48.61 and 25.43% following 60 days of treatment. The soil-plant transfer index in root and shoot system of ryegrass was found to be 0.32 and 0.20 for lead, and 0.50 and 0.25 for cadmium. These findings indicated that the herbal plant ryegrass, Lolium multiflorum is a good accumulator for cadmium than lead. The soil-plant transfer factor (the conc. of heavy metal in plant to the conc. in soil) indicated that the mechanism of soil remedy using the investigated plant is phytoextraction where the amounts of heavy metals transferred by plant roots into the above ground portions were higher than that remained in the soil. The method offers green technology solution for the contamination problem since it is effective technology with minimal impact on the environment and can be easily used for soil remedy.     

植物根际微生物群落构建的研究进展

植物根际是指植物根系与土壤的交界面,是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域,其物理、化学和生物性质不同于土体土壤。在这个区域里,与植物发生相互作用的大量微生物,被称为根际微生物。根际微生物在植物的生长发育和植物病虫害的生物防治等方面都具有十分重要的意义。本文总结了根际微生物群落构建的研究现状,介绍了根际微生物的经典和最新的研究方法,包括根箱法、同位素技术以及高通量测序、菌群定量分析、高通量分离培养等方法在根际微生物研究中的应用,讨论了植物根系分泌物(碳水化物、氨基酸、黄酮类、酚类、激素及其信号物质)和土壤物理化学性质对根际微生物群落的影响,概述了根际微生物-植物的互作机制,以及根际微生物群落对植物的促生作用、提高植物抗逆性和抑制作用,并对根际微生物群落研究中存在的问题和未来发展方向进行了展望。     

植物根系固岸抗蚀作用研究进展

植物根系对保持滨岸区域土壤岸滩的稳定性具有重要作用。本文从根系固岸机制、根系固岸的评价方法、植物根系与固岸抗蚀关系等几个方面对植物根系的固岸抗蚀作用进行了综述。在这些方面目前已经取得了许多富有价值的成果,但相比之下,西方国家处于领先地位,中国在这些方面的研究还较少,目前仍处于起步阶段。建议未来应加强植物根系季节或年际变化规律与岸滩侵蚀季节或年际变化规律研究的结合,以及植物地上部分管理措施对地下部分特性影响的研究。     

The role of soil hydraulic conductivity on the spatial and temporal variation of root water uptake in drip-irrigated corn

A multiplexed TDR system and a heat-pulse system for stem sap flow measurements were used to determine the spatial and temporal pattern of root water uptake in field-grown corn. The TDR probes, 0.15 and 0.30 m in length, were buried vertically in the soil profile to a depth of 0.95 m below the soil surface and heat-pulse sensors were installed on the plant base. Nocturnal readings from TDR probes were used successfully to differentiate the two components of moisture change: root uptake and net drainage. The instantaneous rate of water extraction by the plant measured by the heat-pulse system agreed well with the integrated rate of root water uptake measured frequently (at half-hour or hourly intervals) by the TDR probes. This agreement enabled further exploration into the cause of the evolution of the spatial and temporal patterns of root water uptake during a drying cycle. The results indicated that right after irrigation in the well-watered soil profile, it is the spatial distribution of the roots that mainly determines the typical pattern of root extraction, in addition to the fact that the roots near the plant base are more effective than those farther away. The higher density and effectiveness of the roots near the plant base dry the soil rapidly so that soil hydraulic conductivity soon becomes a limiting factor for water uptake. Further analysis revealed that a decrease in root uptake occurs near the plant base under a given atmospheric demand when the relative bulk soil hydraulic conductivity decreases to 0.002K _r. This suggests that low conductivity (high resistance) in the soil near the plant base is the initial cause for downward and lateral shifting of the root uptake pattern. Note that this critical value of hydraulic conductivity is not universal since it depends on the soil type and atmospheric water demand during the period under observation. Therefore, prior to the application of moisture content or suction head as measures of water availability or to control irrigation scheduling, it is suggested that these parameters be calibrated by the soil K() or K() curves, respectively, for the expected atmospheric water demand for the specific crop and growing period.     

植物与低磷环境研究进展——诱导、适应与对策

自从20世纪70年代人们发现适应低磷土壤的作物根际磷的有效性明显增加的现象之后。植物与低磷环境的研究便引起了人们的重视。植物如何适应低磷环境和如何有效利用土壤磷素资源的问题已成为国内外当前的研究热点之一。研究表明,低磷条件下,植物根系形态结构会发生适应性变化,根冠间的物质分配会向根部倾斜使根冠比增加;植物根际酸度变化、有机酸分泌和磷酸酶释放有利于活化和利用土壤中的磷素资源;不同种类或品种的植物具有不同的磷营养效率基因型,具有不同亲和力的磷转运体,也具有不同的磷活化机制。人类对植物适应低磷机制的研究还将继续,揭示植物对低磷环境的响应对策和发掘植物有效利用磷素资源的潜力,在经济上和环保上均有非常现实的意义。     

根间相互作用对玉米与马铃薯响应异质氮的调控

近年研究表明养分异质促进植物多样性与群落生产力的正相关性。然而,相关的促进机制还很不清楚。以农田生态系统下作物多样性群体(玉米马铃薯间作体系)为例,在盆栽条件下采用控释性氮肥构建养分异质性,通过目标植物法设计根间作用处理,探讨根系的觅养行为,植株个体生长和总生产力对土壤氮空间分布和根间作用的响应特征。结果表明:根间作用提高作物的觅养精确度(F=3.017,P=0.094),在异质性条件下马铃薯的根冠比增加(P=0.001),而玉米的根冠比则不论在均质性还是异质性条件下均显著降低(F=4.781,P=0.039);氮异质性显著地提高在根间作用下两作物的生物量生产(P=0.021),明显增加总生产力LER(Land equivalent ratio)(F=4.171,P=0.064),显著地降低相对关系指数RII(Relative interaction index)值(F=5.636,P=0.026),显著降低玉米的根冠比(F=4.273,P=0.049),增加根间作用下马铃薯的根冠比,而在无竞争下则降低。上述结果说明,非资源性的根间作用激发玉米和马铃薯对异质性氮的觅养能力,这可能是为什么异质性养分环境促进植物多样性与群体生产力正向关系的重要原因;结果还表明觅养能力的激发主要来自非资源性的根间作用机制,因此本研究验证了植物对异质性养分和竞争者的协同响应理论。而有关的非资源性根间作用机制,例如种间识别作用等值得进一步深入探讨。