AZ-B0201根际微生态观测系统

1 引言

根际是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物质和能量交换的结点，根系生产和周转直接影响陆地生态系统碳和氮的生物地球化学循环。自1904年德国科学家Lorenz Hiltner提出根际这一概念后，相关研究方兴未艾。但由于受土壤不可观测性的限制，传统的研究方法如挖掘法、剖面法、盆栽法及土柱法仍在大量使用，陆地生态系统根际微生态学的研究进展缓慢，因此寻找并建立新的根际微生态研究方法就显得至关重要。

近年来随着光学和电子学技术的提升，特别是微根窗法(Minirhizo tron)的应用，使根际微生态研究得到了较快的发展。当前，这是唯一可多个时间段内原位重复观测根系的方法，其最大优点是在不干扰细根生长过程的前提下，原位长期连续观测并记录细根从出生到死亡的消长变化动态。这种测量方法是非破坏性的，是传统的研究方法不可替代的。因此，在国外，微根窗技术目前被广泛应用于森林、果园、草地、沙漠和农业生态系统等植物根系动态及其功能的研究中。

2 观测系统设计

2.1 目标

AZ-B0201根际微生态观测系统通过可视化微根窗技术对根系生长和形态因子进行非破坏性的长期连续定位观测，结合专业的根系分析软件，能够将根系相关数据定量化，包括根的长度、面积、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量等等，实现探索植物细根生长和消亡动态及其周转规律、研究植物根系拓扑结构的目标。同时测量根区土壤理化指标和监测土壤水温等环境因子，揭示植物根系消长动态与环境因子间的关系。

2.2 观测点布设

在待研究地区选择群落结构明显、优势种典型、地势平坦、土壤层足够深厚的区域，设置观测样地。选择标准木，在根部按照45°角安装微根管。通常一个观测样地安装12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。

在每标准木安装的微根管周围安装1～3根1m或者1.5m观测管，同时检测土壤水分和温度参数。

2.3 数据采集频率

微根管安装好，应在其与土壤间达到平衡后再开始采集数据，平衡时间从几周到几个月或一年乃至更长的时间不等。众多研究表明，通常情况下7个月后开始采集图像比较合适。

数据采集根据环境条件、植物生长周期不同，使用不同的采集间隔期，范围从每1周、每2周到每4周或每6～16周。一般生长季节至少每2周取1次图像，冬天可以降低采样频率或取消。

每根观测管可由下到上或由上到下依次采集图像，每管每次取图像数量不少于30个。

2.4 观测内容

根系形态因子：根的长度、单位面积根长密度、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量、平均直径、投影面积、表面积、根体积、分类数量、每个直径类的根尖数量、细根生长量、细根死亡量和细根周转。

根际水盐指标：土壤水分、土壤温度。

土壤理化指标：根际土壤全氮、土壤全磷、土壤有效磷、土壤全硼、土壤钙离子、土壤氯离子、土壤硝酸盐和亚硝酸盐、土壤碳酸盐。

2.5 观测系统组成和技术指标

AZ-B0201根际微生态观测系统由手动土壤取样套件、土壤水分温度测量单元和根系形态因子观测单元共同组成。

3 数据处理

3.1 根系根长密度和根系面积密度

在微根管图像中测量根的长度，通过总根长除以观察的整个管面积获得根系单位面积根长密度RLD（mm·cm^-2或cm·cm^-2）。根系表面积的计算可用观察到的根长乘以根直径。同样，以单位面积图片中观察到的根系表面积可得到单位面积根面积密度（mm²·cm^-2或 cm²·cm^-2）。

3.2 细根生长与死亡

RLD_P和RLD_M分别表示细根生长量和细根死亡量。假设根系在两次相邻采样间隔期内的生长与死亡速率一致的前提下，以单位管面积上根系根长的增加与减少来表示相邻两次采样间隔期内根系的生长与死亡，然后除以间隔时间，得到细根生长RLD_P和死亡RLD_M。

式中：RLD_P ——间隔期内根系生长量，mm·cm^-2·d^-1；

RLD_M ——间隔期内根系死亡量，mm·cm^-2·d^-1；

RLD_n ——第n次观测到的根系根长密度值，mm·cm^-2；

RLD_n+1 ——第（n+1）次观测到的根系根长密度值，mm·cm^-2；

T ——相邻两次采样间隔时间，d。

3.3 根系生长死亡量、现存量和周转计算

1）根系年生长量为一年内所有次采样得到的根系根长净增加值（包括所有出现的新根长与以前存在的根系长度净增加值）；根系年死亡量为一年内所有次采样中根系长度的消失（包括存在根的死亡以及由于根系的脱落或昆虫的取食引起根长的减少值）；根系年生长量与年死亡量的单位也以每年单位管面积内的单位根长来表示（mm·cm^-2·a^-1）。

2）根系现存量以每次观测到的单位面积活根系长度来表示。

3）根系周转估计采用以下3种方法进行估计。

① 年根系生长量与年根系平均现存量之比。

② 年根系死亡量与年根系平均现存量之比。

③ 年根系生长量与年根系最大现存量之比。

4 应用案例

4.1 植物对营养元素的竞争性利用（Science，2010）

James F.、Cahill Jr.等利用AZ-B0201根际微生态观测系统对关键营养元素不同利用策略下的植物根系生长状况进行了为期8周的观测。研究结果显示，在没有竞争植物的条件下，无论关键营养物质在植物周围分布态势如何，植物的根系分布及平均直径不受影响（A、B、C）。当有竞争植物存在时，那么植物根系的分布状况、平均直径则取决于关键营养元素与植物之间的相对距离（D、E、F）。

图中红条是植物甲的平均根系直径，蓝条是植物乙的平均根系直径，阴影是关键营养元素所处位置示意（如果存在的话）。

4.2 氮肥对水曲柳和落叶松细根寿命的影响

（植物生态学报，2009）

采用微根管技术研究氮肥对水曲柳和落叶松细根生长、衰老和死亡的影响，探讨两树种细根寿命与氮有效性之间的相关关系。

结果表明，林地施氮肥后，两树种细根数量都呈减少趋势， 细根总体直径增加， 分枝程度降低； 氮肥使水曲柳细根存活率提高，细根中位值寿命延长，而落叶松细根存活率对氮肥反应不敏感； 施氮肥对细根寿命的延长效应主要体现在直径较小的一级根、表层，根系和春夏季新生的细根，表明氮肥对高生理活性的细根影响较强。