植物根系中起源发展检测方案(根系监测系统)

生态学杂志 Chinese Journal of Ecology2007，26(2)：253-260 生态学杂志 第26卷 第2期254 植物根系研究新技术 Minirhizotron |的起源、发展和应用** 周本智** 张守攻 傅懋毅(Ⅰ中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江富阳311400；中国林业科学研究院，北京100091 ) 摘要 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重。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。 关键词 Minirhizotron；根系；生态系统 中图分类号Q944 文献标识码 A 文章编号1000 -4890(2007)02-0253-08 Minirhizotron， a new technique for plant root system research： its invention， developmentand application. ZHOU Ben-zhi， ZHANG Shou-gong’， FU Mao-yi(Research Institute of Sub-tropical Forestry， Chinese Academy of Forestry， Fuyang 311400， Zhejiang， China；Chinese Acade-my of Forestry， Beijing 100091， China). Chinese Journal of Ecology，2007，26(2)：253-260. Abstract： Root system is the dynamic interface of plant and soil， and of great significance toboth of them. However， owing to the fact that it hides deep in the soil， the research on the rootsystem is quite inconvenient， and lags behind that on plant aboveground part extensively and in-tensively. With the recognition of the significance of root in ecosystem and globe carbon balance，root research has become one of the hotspots internationally. With the invention and developmentof minirhizotron technique，root research technique has made a great progress. Minirhizotron hasbeen a milestone in the development of root research techniques. Minirhizotron syste IScom-posed of transparent observation tube， viewing equipment and recording equipment.， Mirror.scope and camera have been used as the viewing equipment successively， while recording equip-ment experiences the history of hand-drawing， traditional photo or tape and digital camera pic-ture. With the development of the root image analysis systems， this technique has been greatlyimproved. It allows us to observe nondestructively the initiation， elongation and death of the rootat an interval， obtain the information on root length， rooting density and depth， lateral rootspread， branching characteristic， mycorhiza characteristic， fine root dynamics， root system life-cycle and root catabolism， etc.， and understand the responses of root system to various stress.This technique would certainly find a wider use in agricultural， forestry and environmental sci-ences. Key words： minirhizotron； root system； ecosystem. ( *国家自然科学基金青年基金资助项目(30300273)。 ) ( **通讯作者E-mai l ： benzhi _ zhou@ 126. com ) ( 收稿日期：2006-04-13 接受日期：2006-10-26 ) 引 言 根系是土壤和植物的动态界面。植物根系是固定和支撑植物体的重要器官，是土壤资源的直接利用者和产量的重要贡献者。植物依赖根系来吸收土壤中的矿质营养和水分，并输送到地上部分供它利用。生态系统有效生态功能的发挥也很大程度上依赖于地下部分的根系，植物通过其广布而庞大的根系固着土壤颗粒，有效的控制了土壤侵蚀的发生，是森林生态系统发挥水土保持功能的重要参与者。根系在土壤中纵横穿行，有利于形成团粒结构，改善土壤的物理性质，根系死亡后留下的孔隙能增加土壤的透气性和渗透性，根系分泌的某些化学物质能促进有益微生物的活动，同时，还有利于某些营养元素的吸收，改善土壤化学性质和生物学性质。 从生态系统的角度看，植物根系在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色，一般认为，森林生态系统中年净初级生产量的50%以上被分配到地下部分的根系( Grier et al.，1981；Keyes & Gri-er，1981 )，通过细根周转输入到土壤中的养分相当于或多于通过地上部分凋落物输周量(Vogt et al.，1986； Joslin & Henderson， 1987； Arthur & Fathey，1992；李凌浩等，1998；廖利平等，1999)。森林的根系在全球碳平衡和流动中也起着关键作用，在许多森林生态系统里，根系的生产量要占碳素年循环量的大约50%( Vogt et al. ，1996 )，占全球年初级生产量的33%(Jackson et al.，1997 )。因此，植物根系也是生态系统结构功能的重要组成部分，在生态系统水平上，开展对根系的研究也是根系研究的重要内容。 根系研究最早可追溯到在18世纪初德国的海尔斯对植物根系的研究，不过进展一直非常缓慢，开展的研究较少，直到20世纪30年代，Weaver(1926)较系统地研究了10多种农作物的根系生长过程。相对于作物来说，对森林生态系统根系的研究起步更晚。早期开展的森林生态系统研究，主要注重于地上部分生物量，忽略根系生物量的动态变化。 由于根系生长于地下，准确取样、测定、观察存在一定困难，所以，根系研究方法的选择相对于对地上部分研究方法的选择具有更重要的影响。长期以来，根系研究手段欠缺、采样破坏性大、工作量大，阻碍了根系研究的深入开展。对于根系生物量研究的困难，Persson( 1990)归纳了以下4点：1)缺乏好的 方法，地上部分的生物量可以相当精确地测得，但地下部分生物量的测定无论在技术上还是在操作上都比较困难；2)对根的处理需要消耗大量的时间，根的取样和清洗费时费力，有时由于操作上的失误还会导致误差超出了允许的范围，所以无法保证实验结论的可靠性；3)人们通常假定根对 C/N循环过程的贡献要小于地上部分，因此，往往忽略根的作用；4)森林生态系统本身较复杂，这种复杂性使得清楚描述地上部分都几乎不可能，更谈不上地下部分。 近十几年来，随着对根系特别是细根在生态系统养分循环和能量流动中重要作用的认识，对细根的研究正在成为森林生态系统研究的一个热点(单建平和陶大立，1992)。然而，由于根系是大多数陆地生态系统“隐藏的一半”( Waisel & Kafkafi，1991)，对它进行观测和测定十分困难。研究证明，根系的周转率和营养元素含量与其大小成反比，即根系越细，周转越快，营养元素含量越高( Kimmins& Hawkes，1978 )，在森林生态系统的生物地球化学循环过程中的作用也越大，这要求对根系进行数量研究时必须尽可能包括更细的根系，因而对根系研究的技术和方法提出了更高的要求。许多研究者认为，对根系动态研究的最大问题是，如何确定根系中同时发生的生产和死亡过程的数量和时间(Kurz &Kimmins，1987； Santantonio & Grace，1987)，这个问题会导致低估根系的生长量和死亡量( Kurz & Kim-mins，1987)，为此，人们试图通过修正计算方法来解决这个问题( McClaugherty et al. ，1982；Joslin & Hen-derson，1987)。对周期性的细根生产和死亡的测定通常采用挖土柱法( soil coring )或埋土柱法(长入根量法， ingrowth )，但一次取样后，这些样本就无法用于以后的测定，无形中增加了样本之间的空间变异(Hendrick & Pregitzer，1993a；1993b)；也有人认为，通过同时测定根系分解速率结合生物量数据的方法，对生长量和死亡率的估计可能会较为准确(Jos-lin & Henderson，1987；Santantonio & Grace，1987)。测定根系生产和死亡的不同方法，以及由此得出的对根系生产和死亡的估计，其可靠性已引起广泛争论( Vogt et al.，1986；Vogt & Vogt，1989 )，致力于根系研究的科学家们都认为，在改善根系研究方法和技术方面，还有相当大的空间( Santantonio & Grace，1987；Raich & Nadelhoffer，1989； Vogt &Vogt，1989；Fogel，1990)。正是在这种背景下， Minirhiztron 技术应运而生。本文将对该项技术的起源、发展和应用作 一介绍，并对应用中出现的问题以及解决途径进行说明，以期为应用该项技术进行根系研究时提供参考。 2 Minirhizotron 技术的起源 随着人们对根系作用的逐步认识，根系研究在国际上逐渐成为热点之一。20世纪60年代以后，以欧洲为中心召开了有关根系研究的国际研研会，1982年在澳大利亚召开国际会议的同时，成立了国际根系研究学会(ISRR)，从此以后，每隔数年 ISRR都要举办一次国际会议。近十多年来，随着根系研究新方法的突破，特别是 Minirhizotron[微根管法(张小全等，2000)、微根区管法(黄建辉等，1999；宇万太和于永强，2001)或小观察窗(周本智等，2002)]技术在国际上的普遍使用，使根系的研究技术得到很大发展，也不断掀起了根系研究的热潮。 Minirhizotron 技术是通过插入土壤中的透明观察管，形成一个小观察窗，利用长筒观察镜或微型数码相机在小观察窗内定期拍摄记录观察管外壁新根生长动态的一项根系观测研究技术，其特点是，对根系的观测研究是非破坏性的，可以实时追踪记录同一根系样本的生长、死亡动态，而且省时、省工、省力，不过，也同时存在一定的局限性，如设备成本较高，适用范围也受到一定的限制。 Minirhizotron 技术最远可追溯到1937年，当时，Bates( 1937 )利用一根插入土壤中的玻璃管观察根系生长，他将一面普通镜子装在一个小棒上，深入管中，观察与玻璃管接触的根系。这种方法在以后一直未见报道，直到1971年，Waddington(1971)报道利用类似技术观察温室里盆栽小麦( Triticum aesti-vum )的根系生长情况。当时， Waddington 采用了透明塑料管和光纤探头，观测了管外壁根系在不同土壤深度分布情况。1974年，Bohm( 1974)利用一根在管壁上刻有网格的、长150 mm 的玻璃管，在田间观察胡萝卜(Raphanus sativus )根系的分布和生长情况，他利用了镜子和干电池获得光源作为照明和观测的设备。Bohm 是第一个用“Minirhizotron”这个词描述这种根系观测方法的科学家，也是第一个比较Minirhizotron 技术和在田间使用的其他观测技术的科学家。 3 Minirhizotron 系统的组成及发展 3.1 透明观察管 观察管是事先安装在土壤中供观察镜进入的小观察窗，与管壁相接触的根系就是被观测的对象。 Minirhizotron 这一词最初就是指透明观察管，后来才用来指整个观测系统。观察管有硬管和软管2种，硬管的制作材料通常包括玻璃( Eissenstat & Cald-well，1988；Fitter et al.，1999)、有机玻璃或者树脂玻璃(Itoh，1985)、纤维素类( Box et al.，1989；Hendrick& Pregitzer，1992 a，b； Wells & Eissenstat，2001)，软管的制作材料包括乙烯聚合物( Merrill，1992； Koso-la，1999)和橡胶类( Gijsman et al.，1991； López etal.，1996)。管子内壁须保持光滑，能保证观察镜沿着观察管顺畅进入和移动。观察管的形状大部分为圆形，也有使用方形的，目的是提供一个平面的而不是曲面的观察表面。 观察管的规格相差较大，报道最大的管子直径有100 mm，通常使用的观察管直径为50 mm。 Itoh(1985)利用12~30 mm 不同直径的观察管观测植物根系，发现随着管子直径减小，观测到的根长密度更趋准确。根据他的推断，直径8 mm 观察管的观测精度最高。但是，一些研究者对此提出了不同意见，Upchurch( 1986)认为，观察管直径越大，意味着样品规模越大，样本越多，从而降低了变异系数，提高了根系的观测精度。方形观察管边长通常为40~80 mm，目前，尚没有评价观察管边长对观察精度影响的报道，不过，与圆形观察管一样，较长的边长，说明样本越大，从而具有较高的精度。方形管提供了一个平面的观察面，更加直观，但是植物根系有沿着平面管壁生长的趋势，对根系生长和分布造成了影响。而且，方形管本身的制作较麻烦，安装也没有圆形管那么方便，需要特制的工具才能在土壤中钻出方形的孔。圆形管相对于方形管的优势还表现在：在圆形管内，可以允许观察镜自由旋转360°，能观测到某一特定深度下的所有根系。通常，在观察管外壁沿着不同深度需刻划刻度线或者网格，作为观测时候的参考标志；同时，还需沿着管壁纵向划线1条或多条，作为观察镜在管内旋转观察时起始标志线。观察管的长度因观测的对象和目的而不同，如果用于对作物的研究，管子长度稍短一些，如果用于对树木的研究，长度则较长，可达2 m左右。 观察管的安装要十分小心，必须在土壤中钻大小适中的孔，保证管壁与土壤表面密接，尽量减少管-土界面的空隙。但是，孔口也不能过小，以免在安装时损坏观察管，同时，也容易压实管-土界面的土壤，对根系生长造成不利影响。观察管的安装角度变化很大，既有与地面平行安装的，也有与地面垂直 安装的，水平安装的观察管可以增大指定土壤深度的观察区域。但是近年来，观察管的安装都几乎是与铅垂线成30°~40°角。安装观察管时，需要将100~200 mm 长度的管端露出地面，用黑胶带或者其他不透光材料包扎，阻止光线进入管内。同时，还需加盖套子，既进一步阻止光线，防止雨水及杂物进入管内，又可以防止由于温度的急剧变化可能对管子造成的损害。观察管安装的数量及排列方式因观测植物根系特征、数量以及能获得的管子数量而不同。观察管的安装时间通常要求早于观测时间一个月或者更长时间，如果没有大的干扰，管子能在土壤中至少维持3年。 3.2 观测设备 3.2.1 普通镜子 如前文所述， Bates( 1937 )是最早使用 Minirhizotron 技术的科学家，他使用了安装在带有光源的小棒上的普通镜子作为根系的观测工具，为了使观测者能够看清与观察管外壁接触的根系，镜子倾斜安装在小棒上。Bohm( 1974)在棒子顶端加装了一个放大镜，可以更清晰地观测土壤深处的根系。用普通镜子作为观测设备，设计简陋，价格低廉，使用方便，对于早期开展的浅根性植物(作物)根系的观测研究来说，也是适用的，而且，为该项技术的进一步发展奠定了良好的基础。 3.2.2 观察镜 Waddington( 1971 )在利用 Minirhi-zotron 技术开展根系研究时，最早引进了根系影像传输装置，他采用一根光纤将光线传输到观察管表面，使用另一根光纤将根系图像传输到人眼。Brown和 Upchurch (1978)也采用了光纤作为图像传输工具，他们将这种观察镜称作“肠镜式观察镜”( duode-noscope )，在他们的装置中，采用了闪光灯作为光源。Vos 和 Groenwold( 1983)将光纤取代镜子的观测设备称作“内诊镜”( endoscopes )， Upchurch 和Ritchie( 1983)则采用“管道镜”( borescopes )来传输根系影像。在 Minirhizotron 系统观察镜的发展过程中，曾普遍采用了医学和工业上使用的各种观察设备，如肠镜、内诊镜、内窥镜、管首镜以及潜望镜等等。这些能作为根系观察设备的观察镜均具有如下特点：1)具有一个有放大功能的物镜；2)具有能提供光线的光源；3)具有一个从物镜到人眼的图像传输通道；4)具有一个目镜。 3.2.3 摄像机和相机·美国加州 Circon 公司( San-ta Barbara，CA)最早计计和生产了专门用于 Minirhi-zotron 的彩色摄像头( Upchurch 和 Ritchie， 1984； Hendrick & Pregitzer，1992a，1992b，1993a，1993b)。观测时，将摄像头放入观察管内，观测到的根系图像通过光纤传输到地面的监视器或者其它记录设备。这种摄像头可以沿着管内壁上下移动，同时能保持与土-管界面距离一致，以获得整齐一致的图像。光源由位于物镜周围的白炽灯泡提供，图像质量大大优于通过观察镜观测到的影像。这种摄像头既有适合圆形观察管的使用的，也有适合方形观察管使用的。进入20世纪90年代以来，随着数码科技的高速发展，微型数码相机逐渐取代了传统的相机和摄像机，成为 Minirhizotron 系统的观测设备，使得该技术更趋完善。数码摄像头被放入观察管内，根系图像通过数据线传输到地面笔记本电脑的监视器上，这样就实现了对根系生长的实时监测，通过计算机自动控制摄像头的姿态和运动方向，便于观测、记录不同方位、不同深度根系生长动态。美国 Bartz 公司专门生产装备微型高分辨率数码相机、笔记本电脑以及相关分析软件的 Minirhizotron 系统，目前，采用Minirhizotron 技术进行根系研究的科学家大都选用该公司的这套系统( Black et al. ，1998；Rees，1998 )。 3.3 记录设备 在 Minirhizotron 技术的发展过程中，先后使用了3种记录方法，最早的方法是将肉眼看到的根系生长情况用手描画下来，作为分析的依据( Bohm，1974)。后来，随着观测设备的更新以及该项技术应用范围的扩展，有必要对根系瞬间状况进行永久性的记录保存，这样，以根系照片形式的记录设备就诞生了。开始，都采用传统胶片或者磁带来作为记录介质，目前，更是以高质量的数码相片的形式记录根系图像。由于能够永久记录下某时间段根系生长情况，这样就有可能确定根系的周转率(Black etal. ，1998；Tingey et al. ，2003 )，也可以据此开展根系病理学的研究(Krift & Berendse，1998)。 伴随着图像记录介质的进步，图像分析技术也得到迅速发展，开始时，图像分析由人工进行，比较费时，且劳动强度较大，并且还会因处理图像的人员素质差异而导致结果不同。一般是通过计算静态影像上细根与观察管表面或投影屏上网格的相交次数，然后应用 Newman 的截线法或其它相似的方法计算根长。随着数码科技的迅猛发展，计算机已直接介入图像分析。最早开发出来的根系图像分析软件是针对农作物的 RHIZOGEN( Smucker et al.，1987)，可对 Minirhizotron 取得的数据进行分析，提 高了图像分析效率。后来，随着 Minirhizotron 技术在森林生态系统中应用，又进一步开发出适用于树木根系图像的软件分析系统 ROOTS( Hendrick &Pregitzer，1992a，1992b)。目前，针对该项技术取得的根系图像分析软件还有 RooTracker、WinRHIZOTron 和 MR-RIPL 等等。这些软件系统通过对根系图像的直接处理，可以得到根系的一些特征数据，如根的长度、平均直径、生物量等，同时，利用这些软件，可对细根的死亡、生命周期和分解进行快速、准确的计算，大大降低了过去图像处理的时间、人力和物力耗耗，被广泛应用于细根研究中( Hendrick &Pregitzer，1992a，1992b，1993a，1993b，1996；Hooker etal.，1995； Black， 1998)。Fitter 等(1999)利用 Mi-nirhizotron 技术将根的瞬时生长速率精确到了单位“根·帧-1·天-1”，即通过所拍摄图像中根的变化速率来代表根的生长速率，这与传统的方法相比精度有了极大的提高。 4 Minirhizotron 技术的应用 Minirhizotron 技术是目前根系研究中较为理想的手段，它克服了仅依靠对根系进行物理取样所带来的诸多缺陷( Fogel， 1990； Hendrick & Pregitzer，1992a，1992b)，其最大优点是，能以非破坏的方式，对不可见的地下部分在不同的日期对同一样本进行定点的、连续的、周期性的动态监测，而且，较其它技术方法省工、省时、省力，提高了根系研究效率和精度，因而被认为是植物根系研究进程中的一个重要里程碑( Brown & Upchurch，1987 )。 目前，Minirhizotron 技术主要应用于农作物、草地、森林生态系统根系的研究，不仅用于根系形态、物候观测，还应用于根系发生、生长、衰老和死亡的动态监测，而且，可用于对菌根以及根系病害的观测研究。 采用 Minirhizotron 技术，对处于不同土壤层次根系生长动态进行观察，不仅可获得诸如根系长度、密度、细根动态、侧根伸展、扎根深度以及结构根与功能根的区分等定量信息(McMichael & Taylor，1987)，还可获得诸如根系颜色、根系分枝特性、细根衰亡、分解、寄生和共生微生物等定性信息(Up-church & Ritchie，1983；Smucker et al.，1987；Lussen-hop & Pregitzer，1991；Majdi et al. ，1992；Hendrick &Pregitzer，1993a，1993b)。 Minirhizotron 技术也可应用于不同营林措施或处理对新根发生、生长影响的 研究，如施肥、疏伐、灌溉、水分胁迫、地上部分修剪、除草剂或杀虫剂的应用、土壤压实等(McMichael &Taylor，1987；Hendrick & Pregitzer，1993a，1993b；Pre-gitzer et al. ，1995；周本智等，2002)。 由于 Minirhizotron 技术能对同一细根的出现、生长、衰老、死亡和消失进行连续观察，所以，它在研究细根周转率、生命周期和分解速率等方面具有独到的优势( Hendrick & Pregitzer，1996；Majdi，1996 )。为了更直观地表达细根生产和周转，常结合根钻法等方法进行，建立根钻法与 Minirhizotron 技术测定的细根长度之间以及细根生物量与细根数量、长度、直径的相关关系，进而计算细根生物量生产、周转、分解及其对土壤碳和养分循环的贡献等( Vogt etal.，1998)。但值得注意的是，2种方法之间的细根长度关系因土壤种类、植物材料、根钻取样、观察管安放以及观测人员有关，因此最好对每次试验均分别建立相应的相关关系。 利用 Minirhizotron 技术开展植物根系的研究也存在着一些不足。其主要缺点是不能测定单位面积的细根生物量和生产、细根化学组成及细根周转对土壤碳和养分循环的影响。另外，观察管安装不合适可能会导致观察管与土壤界面微环境的变化，如引起管-土界面土壤紧实度变化，管-土空隙、温度、湿度的改变以及漏光的发生等。观察管的安装角度和方式可能会造成管-土界面细根的大量积累( Vogtet al.，1998 )，导致细根倾向于沿观察管表面生长，而夸大了深土层细根量(Upchurch & Ritchie， 1984；Parker et al.，1991；Ruijter et al. ，1996)，而表层光泄漏( Levan et al.，1987)、管-土界面缝隙或压实( Dix-on et al.， 1994)、土壤温度上升( Hansson et al.，1995)、土壤湿度或水分状况改变( Levan et al.，1987)可能会导致对表土层细根量的低估。粘土模糊管表面、管表划痕等，则可能影响对根系的观测效果。同时仅通过拍摄的影像，难以区分不同植物种类的细根( Hendrick & Pregitzer，1996 )，尤其是在植物或树木种类多样的热带、亚热带天然林生态系统或人工混交林生态系统中。由于安放观察管对根的伤害，一般要1年后，根才能重新取得平衡(Hen-drick & Pregitzer，1993b； Majdi， 1996)，因此需要较长的观察周期。 Minirhizotron 技术存在的不足很大程度上与观察管的安装有关， Vogt 等(1998)认为，采用 Minirhi-zotron 技术开展研究时，最关键的是保证观察管的 正确安装，以尽量减小因可能的微环境变化对根系生长造成的影响。例如，在管-土界面，可能会产生根系的过多积累，可以通过选择合适的观察管安装角度，降低这种效应( Brown & Upchurch，1987)。进行试验设计时，需要综合考虑多种因素，既要充分考虑到实验地的空间变异，又要考虑到观察管安装到山地土壤中带来的困难，还要考虑到数学上、统计上的处理以及如何将记录的图像转换成数据等因素。 除了观察管的安装可能对根系生长造成一定影响外，光线泄漏、温湿度变化以及观察管材料等对根系生长也有不同程度影响。 Levan 等(1987)通过观察管的不同避光处理，研究土壤表层黄豆根系的生长表现，为确定漏光对根系生长的影响提供了重要证据。Rees( 1998)在 Minirhizotron 系统中，分别采用白炽灯和紫外灯作为光源，研究了 Minirhizotron技术的光源系统对临近土壤温度的影响。Withing-ton等(2003)比较研究了观察管的不同制作材料对植物根系可能造成的影响，结果表明，制作观察管的不同材料对根系生产量影响较小，但是对根系寿命却具有不同的效果。 采用 Minirhizatron 技术监测细根动态的时候，如何确定根系图像的最佳间隔期也是十分关键的，如果图像采集间隔时间太长，在间隔期间，细根的发生和死亡可能已经完成，这就会低估细根生长量。对花旗松( Pseudotsuga menziesii Franco )幼树研究表明，根系图像采集间隔为4周和8周比2周的细根生产分别被低估28%和45%( Johnson et al.，2001)。 Dubach 和Russelle(1995)的研究表明，紫苜蓿( Medicago sativa L.)根系从发生到死亡大概存活3周时间，图像采集间隔从1周延长到8周时，根系生长量将被低估25%；但是对于其根系生命周期较紫苜蓿长的百脉根( Lotus corniculatus L. )来说，将图像采集间隔从1周增加到8周时，根系生产量的估计相差甚微(<1.3%)。 Minirhizotron 的出现，促进了根系研究技术的发展，掀起了根系研究的热潮，不少研究者也关注该技术与其他根系研究方法的比较， Vogt 等(1998)比较分析了森林生态系统细根生物量和生长量的包括Minirhizotron 在内的3种直接方法和5种间接方法，并就各种研究方法的特点作了综述。Jose 等(1999)分别采用土柱法和 Minirhizotron 技术对黑胡桃( Juglans nigra)、北方红栎( Quercus rubra )和玉米(Zea mays )组成的农用林业系统的细根生物量和根 系分布格局进行了研究，并对两种方法的研究结果进行了比较。Kirkham 等(1998)通过研究玉米和大豆的根系长度和深度，比较了 Minirhiztron 方法与土壤水分耗尽法( soil-water-depletion )在开展此项研究中的适用性。国内研究者黄建辉等(1999)和张小全等(2000)也对包括 Minirhizotron 技术在内的根系生物量和树木细根生产与周转的研究方法进行了比较和评述。 5 结 语 Minirhizotron 技术是观测研究植物根系较为理想的工具，它与传统根系研究方法最大的区别是可以定点、周期性地对处于原位状态下的同一条根系样本进行实时监测，从而克服了其它仅依靠对根系的物理取样所带来的诸多缺陷。Minirhizotron 技术对根系的取样是非破坏性的，省时省工，大大减轻了根系取样的劳动强度，提高了科研效率，因而被认为是根系研究进程中的一个重要里程碑。 Minirhizotron 技术可应用于对作物、草地、树木以及其他植物根系形态的观测，尤其适用于对根系发生、生长、死亡动态的连续监测，是研究细根生产、分解和周转的理想手段，同时，也适合对不同经营措施下植物根系生长、形态的比较研究。该项技术也存在一些不足之处，如观察管的安装可能引起管-土界面土壤环境的变化，温度、湿度、土壤紧实度等均有可能发生改变，还可能引起根系沿观察管外壁生长积累或者漏光等问题，影响根系生长或者观测精度。为了解决这些问题，研究者们采取了很多措施，尽量减少这些不利影响，如提前安装观察管，便于管-土界面微环境在开展观测之前基本达到平衡；小心安装，尽量避免管-土空隙和粘土模糊管表面，避免管表划痕以及其它会影响细根生长或观察效果的因素( Hendrick & Pregitzer，1996 )，倾斜角度安装观察管以降低管-土界面细根累积( Brown & Upchurch，1987 )；观察管的管口加盖，并将露出的部分用避光材料包裹避免外界光线进入管内等。 总之，Minirhizotron技术是目前从事植物根系研究的较为理想的工具，自其诞生以来，它的观测设备、记录设备等组件都得到极大的改进和提高，配套的数据处理和分析手段也得到开发和完善，在农业、林业科研实践中的应用使得该项技术日臻完善，现代数码技术、信息技术使其更趋完美，在野外观测、数据收集、图像处理等方面变得更为快捷、便利和准 确。所以， Minirizotron 技术必将在农业科学、林业科学和环境科学领域得到越来越广泛的应用。 ( 参考文献 ) ( 单建平，陶大立.1992.国外对树木细根的研究动态.生态 学杂志，11(4)：46-49. ) ( 黄建辉，韩兴国，陈灵芝.1999.森林生态系统根系生物量 研究进展.生 态 学报，19(2)：270-277. ) ( 李凌浩，林 鹏，开雪荣.1998.武夷山甜楮林细根生物量和生 长 量的研究.应用生态学报，9(4)：337-340. ) ( 廖利平，杨跃军，汪思龙，等.19 9 9.杉木(Cunninghamia lanceolata )、火力楠(Michelia macclurei )纯林及其混交林 细根分布、分解与养分归还.生态学报， 19(3)：342 - 346. ) ( 宇万太，于永强.2001.植物地下生物量研究进展.应用生 态学报，12(6)：927-932. ) ( 张小全，吴可红， Dieter Murach. 2000.树木细根生产与周 转研究方法评述.生态学报，20(5)：875-883. ) ( 周本智， S w ard MA， Chambers JL， 等.2002. 利 用 Minirhi- zotron 技术监测火炬松新根生长动态.林业科学研究， 15(3)：276-284. ) ( Arthur MA， F athey T J . 1 992. B i omass and nu t rients i n an E n -gelmann s p ruce-subalpine fi r f o rest i n n o rth c e ntral Colo-rado： Pools， annual p roduction， a nd internal c ycling. C a- nadian Journal of Forest Research， 22：315-32 5 . ) ( Black KE， H arbron CG， Franklin M ， et al.1998. Differences in root longevit y o f some tree species . Tree Physiology， 18： 259-264. ) ( Bohm W.1974. Mini - rhizotrons for root observations under field conditions. Zeitschrift f u r Ack e r und Pfanzenbau ， 140： 2 82 -287. ) ( Box JE Jr， Smucker A JM， R i tchie JT. 1 9 89. Minirhizotron i n- stallatio n techniques for investigating root r esponses todrought and o xygen stress. Soil S cience Society of America Journal ， 53 ： 115- 1 18. ) ( Brown D A， U p church D R . 1987. Minirhizotron： A summary ofmethods and instruments in current u se// Taylor HM， ed . Minirhizotron Observation Tubes： Methods and A pplicationsfor Measuring Rhizospher e Dynamics . Madison： ASA， CS-SA， SSSA， Inc.： 15 - 3 0. ) ( Dixon RK， Brown S ， Houghton RA， et al. 1994. Ca r bon po o lsand flux of globe f orest ecosystems. SScience ， 263 ： 18 5 - 190. ) ( Dubach M， Russelle M P . 1 9 9 5. Reducing the cost of e s timating root turnover with horizontally i n stalled m i nirhizotrons. A g - ronomyJournal，89： 258- 2 63. ) ( Eissenst a t DM ， Caldwell MM. 1988.Seasonal timing o f rootgrowth in favorabl e microsites. Ecology， 69：870-873. ) ( Fitter AH， Self GK， Brown T K ， et al. 1 99 9. Root productionand turnover in a n u p land grassland su b jected to artificialsoil warming respond to r a diation f l ux and n u trients， not temperature. Oecologia， 120： 575-581. ) ( Fogel R. 1 990. Ro o t tu r nover an d pro d uction in f or e st tre e s. HortScience， 25：270-273. ) ( Gijsman A J， Foris J， N oordwijk M ， et al. 1991. A n in f latableminirhizotron s ystem f o r root o bservations w i th improved soil ) ( /tube contact. Plant and Soil ， 134 ： 261 - 2 6 9. ) ( Grier CC， Vogt K A， Keyes MR， et al. 1981. Biomass distribu- tion and above- and below-ground p roduction in young andmature Abie amabilis zone ecosystem of the Washington Cascades. Canadian Journal of Forest Research， 11： 1 55-167. ) ( Hansson AC， Z hao A ， A n dren O. 19 9 5. Fine-root production and m ortality in degraded vegetation in Horqin sandy r a nge-land in Inner Mongolia ， China . Arid So i l Research， 9 ：1- 3. ) ( Hendrick RL， Pregitzer KS. 19 9 2a. Spatial variation in ro o t dis-tribution and growth associated with minirhizotrons. Plant and Soil， 143 ： 283-288. ) ( Hendrick RL， P regitzer KS. 1992b. The d emography of fineroots in a northern hardwood forests. Ecology， 73： 1094 - 1104. ) ( Hendrick R L ， Pr e gitzer KS. 19 9 3a. Patterns of fine root mo r tal- ity in two suga r maple forests. Nature， 361：59-61. ) ( Hendrick R L， P r egitzer K S. 1 9 93b. T h e dy n amics of fine ro o tlength， and nitrogen in t wo northern hardwood ecosystems. Canadian Journal of Fore s t Research， 23：2507-2520. ) ( Hendrick RL， P r egitzer K S. 1996. Applications of mi n irhi- zotrons to understand r o ot function in f o rests and other natu- ral ecosystems. Plant and Soil ， 185： 293 - 3 0 4. ) ( Hooker JE， B lack K E， Perry R L， et a l. 1 995. Arbuscular m y-corrhizal fungi induced a lteration to root longevity of pop- lar. Plan t and Soil， 172：327-329. ) ( Itoh S. 1985. In situ measurement of root density by micro-rhi-zotron. Soil Science and Plant Nutrition ， 31： 653 -656. ) ( Jackson RB， Mooney H A， S c hulze E D . 1 9 9 7. A g l o be budget for fine roo t biomass， surface area， a nd nutrient c ontents. Proceedings of the National Academy of Sciences of t he U nit- ed States of Americ a ， 94：736 2 - 7 366. ) ( Johnson MG， Tingey DT， P h illips DL， e t al. 2001. A dvancing fine root research with minirhizotrons . Environmental and Experimental Botany ， 45 ： 26 3 - 2 89. ) ( Jose S， G illespie AR， Seifert J R， et a l. 1999. Comparison ofminirhizotron and soil c o re methods for quantifying root bio-mass in a temperate a l ley cropping system. Pl a nt and Soil， 217： 1 83-193. ) ( Joslin JD， Henderson GS. 1987. Organic matter and nutrients associated w ith f ine root turnover in a white oak stand. For- est Science， 3 3 ：330- 3 46. ) ( Keyes M R， Grier CC. 1981. Above- and below-ground net p r o-duction in 40-year-old D ouglas-fir s tands o n l ow and h i gh productivity site s . Canadian Journal o f F orest R esearch，11：599-605. ) ( Kimmins JP， Hawkes BC . 197 8 . Dist r ibution and che m istry offine roots in a white spruce - subalpine fi r stand in BritishColumbia： Implication for management. Canadian J ournalof Forest Research， 8： 256-279. ) ( Kirkham MB， G recu SJ， Kaunemasu E T. 1 998. C omparison of minirhizotrons and the soil-water-depletion me t hod to deter-mine m aize and soybean root l e ngth and depth. European Journal ofAgronomy， 8：117-125. ) ( Kosola K R. 1 9 99. L ap arascopic sa m pling of roots of known agefrom an expandable-wall m inirhizotron system. Agronomy Journal， 91 ： 876-879. ) ( Krift TA， B erendse F. 1 998. Sc l erotial f o rmation and s t rand growth of Phymatotrichopsis omnivora in min i rhizotrons planted w ith cotton a t d i fferent soil w a ter potentials. P l a nt Pathology， 47(3 ) ： 259-2 6 6. ) ( Kurz WA， Kimmins JP . 1987. Ana l ysis of er r or in m e thodsused t o determine fine r oot production in f orest ecosystem：a simulation approach.( Canadian J o urnal o f Forest R e- search， 17 ： 909-912. ) ( Levan MA， Ycas JW， H u mmel JW . 198 7 . Light le a k effects on near-surface s oybean r o oting observed with minirhizotrons// Taylor HM， ed. Minirhizotron O bservation T ubes： M ethods and Applications f or M easuring R hizosphere D y namics.Madison： ASA，CSSA， SSSA， Inc.：89-98. ) ( Lopez B ， Sabate S， Gracia C . 1 9 96. An inflatable minirhizotronsystem f or stony soils . Plant and Soil， 179： 255-260. ) ( Lussenhop J ， Pregitzer K. 1 991. A n e w dawn fo r soil b i ology：Video analysis o f r o ot-soil-microbial f aunal interactions. Agriculture， Ecosystems an d Environment ， 34：235-249. ) ( Majdi H， Smucker AJM， Persson H . 1 992. A comparison b e-tween minirhizotron and m onolith sampling methods fo r measuring root growth of maize ( Z ea mays L. ). Plant an d Soil ， 147：127-134. ) ( Majdi H . 1996. R o ot sampling methods： Applications and limi-tations of the minirhizotron technique. Plant and Soil， 185：255-258. ) ( McClaugherty CA， Ab e r JD， Mel i llo JM. 1982. The role of f i neroots in the organic m atter a nd n i trogen b u dgets of tw o for- ested ecosystems. Ecology ， 63 ： 148 1 -1490. ) ( McMichael BL， Taylor H M . 19 8 7. App l ications and lim i tations of rhizotrons and minirhizotrons// Taylor HM， e d. M inirhi- zotron Observation Tubes： M ethods and A p plications for Measuring Rhizospher e Dynamics. Madison： ASA， CSSA，SSSA， I nc.： 1-13. ) ( Merrill SD. 1 992. P r essurized-wall minirhizotron for field ob s er- vation of root growt h dynamics. Agronomy J ournal， 84：755-758. ) ( Parker CJ， C arr MKV， Jarvis NJ， et al. 1 9 91. A n ev a luation of the minirhizotron t echnique for estimating root distribution in potatoes. Journal of Agricultura l Science ， 116：341 - 350. ) ( Persson H. 1 990. Me t hods of studying root dynamics in re l ationto nutrien t cycling// Harrison AF， e ds. N utrients C ycling in Terrestrial Ecosystems： F ield Methods， Ap p lication and Interpretation. London and New Y ork： E lsevier. ) ( Pregitzer KS， Zak DR， C u rtis PS， et al. 1 9 95. Atmospheric CO，， s o il nitrogen a nd t urnover of fine roots. New Phytolo- gist ， 129 ： 579-585. ) ( Raich JW， N adelhoffer KJ. 1 989. Belowground carbon a lloca- tion in f orest ecosystems： ： G ( lobal trends. E cology， 7 0： 1346-1354. ) ( Rees KV. 1998. .S Soil t emperature effects from m inirhizotron lighting systems . Plant and Soi l ， 200：113-118. ) ( Ruijter FJ ， Veen BW， V an O M . 1996. A c o mparison of s oi l core s ampling and minirhizotrons to quantify root develop-ment o f field-grown potatoes. Plant and Soil， 182：301 - 312. ) ( Santantonio D， Grace JC. 1 9 87. Es t imating fine r o ot production ) ( and t urnover from biomass a nd decomposition data： A c o m-partment f low model. Canadian Journal of Forest Research， 17：900-908. ) ( Smucker AJM， F e rguson JC， DeBruyn WP， et al. 1 987. I mage analysis of video-recorded plant root system// T aylor H M，ed. M inirhizotron O bservation Tubes： M e thods and App l i- cations for Measuring Rhizosphere Dynamics. Madison： ASA， C SSA， S SSA， I nc. ， 67 -80. ) ( Tingey DT， P hillips DL， J ohnson M G . 2003. Optimizing mi-nirhizotron sample frequency for an evergreen and decidu-ous tree species . New Phytologist， 157：155-161. ) ( Upchurch DR， Ritchie JT. 1983. Ro o t observations using a vid- eo recording system in minirhizotrons. Agronomy Journal，75： 1 009-1015. ) ( Upchurch DR， Ritchie JT. 19 8 4. Ba t t ery-operated color videocamera for root o bservations in m inirhizotrons. Agronomy Journa l ， 76 ： 1015-1017. ) ( Upchurch DR. 19 8 6. Conversion of m in i rhizotron-root in t ersec- tions to roo t lengt h density// Agronomy A bstract o f Ameri-can Society of Agronomy， Madison， W I： 2 55. ) ( Vogt KA， Grier C C， Sprugel DG， et a l . 1 986. Overestimationof net root production： A r eal or imaginary problem? E c olo-gy， 67：577-579. ) ( Vogt KA， Grier CC， V ogt DJ. 1 986. Production， t urnover， andnutritional dynamics of above- and below-ground d etritus ofworld f orests. Advances i n E cological Research， 1 5 ： 303 - 307. ) ( Vogt K A， Vogt DJ， Bl o omfield J. 19 9 8. An a lysis of some dir e ct and i ndirect methods f or estimating roo t biomass and pro- duction of forests a t an ecosystem level. Plant and Soil， 200：71-89. ) ( Vogt KA， Vogt DJ， P almiotto PA. 1 996. Review of r oot dynam-ics in forest ecosystems grouped b y climatic forest type and species. Plant and Soil， 187： 159-219. ) ( Vogt KA，， Vogt D J . 19 8 9. Met h odological co n siderations in measuring b i omass， p r oduction， re s piration， an d nut r ient resorption for tree roots in natural ecosystems// Torrey JG，eds. A pplications of Continuous and Steady-state Methods to Root Biology. Dordrecht， Netherlands： Kluwer： 217 -232. ) ( Waddington J. 19 7 1. Ob s ervation of plant roots in sit u . Can a di-an J ournal of Forest Research， 49：1850-1 8 52. ) ( Waisel EA， Kafkafi U. 1 991. P lant R oots： The H idden Half.New York： Marcel D ekker Inc.： 9 48. ) ( Wells CE， E i ssenstat D M. 2 0 01. Marked differences in survi- vorship among a p ple r o ots of different diameters. E cology， 82：882-892. ) ( Withington JM， Elkin A D， Buaj B ， et a l . 2003. The impact of material used f or minirhizotron tubes f or root research. New Phytologis t ，160：533-544. ) ( 作者简介 周本智，男，1969年生，博士，副研究员。主要从事森林生态和森林培育研究，发表论文10余篇。Email： benzhi _ zhou@126. com 责任编辑 王 伟 )