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Advance in soil sampling methods in rhizosphere microzone study

根际微域研究中土样采集方法的研究进展



全 文 :根际微域研究中土样采集方法的研究进展 3
苏宝玲 3 3  韩士杰 (中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
王建国 (沈阳铁路局东陵林场 ,沈阳 110165)
【摘要】 综述了 60 年代以来植物根际微域研究中土壤样品的采集方法 ,认为根际土样采集的发展趋势是从田
间的粗略采集到室内模拟实验的精细划分 ,再把模拟装置运用到田间 ,最终达到指导生产的目的. 同时 ,随着根
际概念的拓宽 (生态界面 Eco2boundary layer) ,根际土样的采集朝着保持原位和更精细的方向发展.
关键词  根际  根际土样  采集方法
Advance in soil sampling methods in rhizosphere microzone study. SU Baoling , HAN Shijie ( Institute of A pplied E2
cology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110015) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (3) :477~480.
Soil sampling methods in rhizosphere microzone study since 1960’s were reviewed. It was suggested that the trend of
rhizosphere soil sampling was from field coarse sampling to fine division of indoor simulated experiment . The simulated
equipment was applied for field experiments , and the purpose guiding production practice could be achieved finally.
Meanwhile , with the widening of the concept of rhizosphere , such as ecoboundary layer , rhizosphere soil sampling
tends to keep unvarnished and fine.
Key words  Rhizosphere , Rhizosphere sampling , Sampling methods.
  3 中国科学院“百人计划 A”“森林界面生态学”资助项目.
  3 3 通讯联系人.
  1999 - 07 - 06 收稿 ,2000 - 03 - 14 接受.
1  引   言
根系通过吸收和分泌作用来改变其邻近空间的环
境 ,因此根际土壤在化学组成、物理结构和生物学性质
方面不同于原土体[32 ] . 作为植物根系生长的真实的土
壤环境 ,根际研究已越来越引起人们的重视[1 ,25 ] . 进
行根际研究 ,首先要取得根际土壤样品. 但是根际是个
微小的区域 ,通常认为只有离根表面 1~4mm 的范围 ,
甚至更小[26 ] . 在一般条件下精确区分根2土界面 ,采集
土壤样品 ,存在着技术上的困难 ,制约了研究工作的进
一步开展. 本文介绍了 60 年代以来根际微域研究中土
样采集方法的发展趋势 ,旨在促进和指导人们在这一
领域开展积极的探索和研究工作 ,从而奠定根际微域
环境的研究基础.
2  根际土壤样品的采集方法
211  田间根际土壤样品采集方法
在 60 年代末、70 年代初 , Riley 和 Barber[29 ,30 ]等
根据土壤在植物根系表面抖落和粘着的程度来区分根
际土与非根际土 ,即人工轻轻抖落下来的土壤视为非
根际土壤 (原土体 ,nonrhizosphere soil) ,松散粘附在根
系表面 1~4mm 范围内的土壤为根际土 ( rhizosphere
soil) ,而紧密粘着在根系表面 ,约距根面 0~2mm 的土
壤为根面土 ( rhizosplane soil) . 他们依据这种区分方法
研究了蚕豆根际与非根际土壤中 HCO -3 的累积和
NO -3 与 p H 变化的关系以及可溶性盐的累积规律 ,并
研究盐在根际的累积和不同形态的氮肥对 P 吸收的
影响.
为了测定小麦中 Ca 在根际中的累积对 P 吸收的
影响 , Hoffman 和 Barber[15 ] 对这种方法做了稍微修
改. Hendriks 和 J ungk [14 ]在研究燕麦根系周围的营养
分布时 ,对 Riley 和 Barber 的方法进行了改进 ,不是和
根一起提取根面土 ,而是把根和土一起进行一段时间
的干燥 ,然后轻筛 ,根系就和根际土分离开来. Haus2
sling 和 Marschner[12 ]用此方法研究了 P 在根际土壤
中的动力学机制和树木菌根对有机磷的利用.
Riley 和 Barber 的方法受到 Helal 和 Sauerbeck[13 ]
的批评. 他们认为把土分成根际土和根面土太粗糙 ,不
能表明根际土和根系真正的动力学机制. 而且 ,健康的
根系在机械分离的过程中将被扯掉、破坏 ,影响土壤分
析.
上面提到的大部分方法已经用于研究农作物 ,而
从林木根系分离根际土的方法在文献中很少见到. 厉
婉华[21 ]在研究栓皮栎等几种林木根际与非根际土壤
的 N 素及 p H 差异时 ,采集根际土壤样品仍采用 Riley
和 Barber[29 ,30 ]的剥落分离法. 所见不多的几篇文献中
采集根际土也都是采用这种方法[2 ,7 ,16 ,17 ,20 ,23 ,24 ] .
应 用 生 态 学 报  2000 年 6 月  第 11 卷  第 3 期                                 
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2000 ,11 (3)∶477~480
近年来 , Gobran 和 Clegg 等[3~6 ,10 ]在研究挪威云
杉的根际时 ,采用如下方法采集根际土 :仔细地从田间
土壤中移走根系 ,然后土壤过 2mm 筛 ,当作原土体. 剩
下的根系 ( < 2mm) 和土壤在塑料容器中轻轻地抖动
大约 1min ,从根系上分离土壤团聚体 (0. 5~5mm) 作
为根际土. 这种方法和 Hendriks 和 J ungk [14 ]所描述的
方法类似 ,并且他们把根/ 土界面定义成“剩下的健康
的根系 ( < 2. 0mm) 和其上粘附的根面土 ( < 0. 5mm
厚)”,与 Hoffman 和 Barber[15 ]所描述的根际相似. 这
一方法的特殊之处在于将根际和根/ 土界面区分开来.
然而 ,以上方法太粗糙 ,不能观测到元素发生亏缺
的狭窄区域[14 ] . 而且林木根系在形态上明显地不同于
作物根系. 一个例外就是 Haussling 和 Marschner[12 ]的
研究 ,他们采用了挪威云杉的根系 ,并且发现了 P 的
亏缺区.
这些区分方法操作简单 ,不需要特殊的仪器设备 ,
可以在田间应用. 但是这些方法很大的缺点是距离根
轴最近、粘着最紧的一层根面土难以从根系上剥离 ,所
以许多结果都是连同根系一起浸提的 ,某些离子在浸
提过程中是否会从根系中外溢就成为问题 ,特别是在
根系受损害时这种可能性就在所难免. 因此所得结果
容易产生误差 ,并带有较强的经验性和随意性. 而且这
些方法仅仅是研究根际和非根际土之间物理、化学和
生物学特性上的差异 ,不能研究距根表面不同距离层
次的根际土壤特性 ,无法精确区分根/ 土界面. 因此 ,不
能用于准确了解根际状况的研究. 60 年代末 ,人们开
始应用模拟装置 ,在尽可能符合自然条件下 ,开展根际
研究工作. 并结合冰冻切片技术 ,很容易地获取距根不
同距离层次的根际土壤.
212  根际微域的室内模拟培育法
其基本方法是应用模拟装置 ,使植物在控制条件
下形成平面根层 ,同时应用某种允许养分和水分自由
通过、植物根系不能穿过的隔膜 ,将植物根系和土壤介
质两者机械地分离开来 ,从而截取根际土壤. 此方法的
优点是比较严格地解决了微区土壤的区分问题 ,并能
定量地在控制条件下研究各种养分在根系土壤界面上
的动态. 同时还可以区分出有效养分以及利用同位素
检测方法难以测定的微量养分变化 ,为证明离子在界
面上移动的规律提供了一个较好的方法. 虽然 ,有些研
究工作者为了避免根毛和分枝根在测定面积的计算上
增加复杂性 ,较多的材料是选用洋葱这一特殊作物 ,但
也用过有根毛和分枝根的黑麦草和油菜等植物. 认为
这些供试植物只要不是处于分枝根生长阶段 ,在避免
根系伸展到土块中去的情况下也是可以采用的. 但是
这一方法主要的限制是只能进行短期试验 ,一般都在
20d 以内. 郭朝晖等[11 ]设计了一种培育装置 ,可供全
生育期根际效应研究使用 ,增加了这一方法在根际微
域研究中的应用价值. 培养作物平面根的方法有多种 ,
但不外乎是水平根面和垂直根面两种.
21211 水平根面容器培养  Kuchenbuck 和 J ungk[18 ]
设计的根垫法培育装置 ,系将盆钵分成两部分 ,植物生
长在上部 ,下部盛土 ,中间放置孔径小于 30μm 的尼龙
网纱. 下部容器中装满土壤之后 ,将上下部容器互相连
接好. 为了使土壤保持在一定的水分状态下 ,将容器放
在可以测定水分张力曲线的一种陶制多孔板上. 尼龙
网下的整个土壤表面被看作为土/ 根界面 ,根系密度很
高 ,能完全覆盖尼龙网 ,所以播种密度较大.
为了操作方便和简化装置 ,可将装置做如下改进 :
上下两部分的底层都用 300 目尼龙网纱贴紧. 下部分
置于小号盆钵的盆底中 ,盆底垫上 2 张滤纸 ,然后使上
下两部分紧密接触. 每天用称重法添加蒸馏水 1~2
次 ,以维持土壤含水量在一定水平上. 水从塑料圆筒与
盆壁之间的空隙加入 ,使水从土的下部向上扩散. 根垫
与土壤接触一定时间后 ,用切片机或徒手将土壤切成
1mm 厚的薄层供分析用.
根垫法所需的材料不多 ,整个装置比较简便. 但缺
点是用于旱作物时 ,由于上部容器内植物强烈的蒸腾
作用影响着土壤的水分状况 ,从而对养分的垂直移动
产生影响 ,同时由于密集的植物根系所接触的土壤体
积有限 ,在蒸腾强度极高的酷夏季节 ,植物很容易发生
失水凋萎或暂时性凋萎现象. 对此 ,可以在上部塑料圆
筒内 (即根垫区)也添加 5mm 厚的同样土层 ,再覆盖一
层约 10mm 厚的石英砂 ,一起放入中号盆钵中 ,周围装
满同样的土壤. 待生长一定时间后 ,取出上下两部分塑
料圆筒内的土壤 ,进行切片取样即可.
21212 垂直根面容器培养  1) 集束根/ 土块接触法.
Farr 等[9 ]计了集束根/ 土块接触法来研究根/ 土界面
上的养分分布规律. 首先是培育植物根系形成集束根
平面 ,然后再与一定形状的土块接触 ,形成根/ 土界面.
植物根系和土壤之间同根垫法一样 ,也用隔膜来分
开[1 ] . 通过对土块的切片得到根际和非根际土壤样
品. 他们选用了无根毛的洋葱作为试验材料 ,以回避根
毛的影响. 钦绳武和刘芷宇[27 ,28 ]对该装置改进后 ,也
适用于研究其他植物. 他们采用事先能培养集束平面
排根的装置 ,然后把排根置于两个装有供试土壤的长
方形有机玻璃盒间 (两盒相对面是开口的 ,土面贴隔
膜) ,使土/ 根接触 ,并放于盛有石英砂的盆钵中 ,待植
株在盆钵中生长一定时间后 ,将装有土样的有机玻璃
874 应  用  生  态  学  报                    11 卷
盒取出 ,冰冻 ,有机盒自动散裂 ,可获得完整的土块 ,然
后切成待测厚度的薄片. 对于旱作土壤 ,如果质地介于
中壤到重壤 ,取样后可以不冰冻直接切片. 此法的突出
优点是能任意选择不同位置的根段和植物的不同生育
期进行根/ 土界面养分迁移状况的研究 ,但要求有一定
的实验技巧. 缺点是 ,每次所得到的土壤样品量有限 ,
不能同时做多项目的测定. 2) 单隔层法. 取两个宽窄
不等的敞口有机玻璃半盒 ,中间用一层 300 目尼龙网
纱隔成两室. 装入土壤 ,在窄室中种植作物 ,宽室不种
植作物. 结果在种植作物的一边形成平面根. 接触一定
时间后 ,取宽室内的土壤进行纵向切片 ,以分析根际营
养状况. 范晓辉等[8 ]应用更为简便的单隔层法 :在敞
口的有机玻璃半盒中装入土壤 ,经表面平整后覆盖一
层塑料膜和海绵 ,加盖玻璃板压紧. 开口的顶端播种植
物 ,以 45 度角自然放置. 在需要观察根系或作原位测
定时打开玻璃及海绵即可进行. 也可以直接将供试植
物的根贴在盒内的土面上 ,经过一定时期后 ,观察根系
的生长发育情况或检测各根区附近土壤的变化. 3)
多隔层法. Youssef 等[33 ]建立了多隔层法以区分离根
不同距离的根际土. 此装置又称为根箱模拟装置. 除了
用尼龙网纱将植物根系与土壤分隔开外 ,还用尼龙网
纱将根系和离根不同距离的土壤各层隔开. 该方法的
主要优点是省略了切片工作 ,避免了冰冻切片等操作
而引起的误差. 通过改变模拟装置的体积设计 ,很容易
得到大量根际土壤 ,从而有利于多项目的测定和低含
量物质的检测. 另一个优点是 ,可以在一个装置内进行
对照和处理之间的比较. 缺点是拆散该装置比较麻烦 ,
材料再利用率低 ,成本较高. 李晓林等[34 ]在此基础上
稍作修改 ,增加了一套自动浇水设施进行培养试验 :用
纤维绳将水导入植物所在的中央隔层 ,纤维绳大小由
需水量多少而定. 同时用有机玻璃条和隔膜粘结成小
室的方法 ,控制每层土样的厚度为 1mm. 郭朝晖等[11 ]
将 Youssef 的多隔层法和范晓辉的单隔层法加以改
进 :用 300 目的尼龙筛网将根系和离根不同距离的土
隔开 ,培养箱的扁平内室种植植物 ,取样时从靠近尼龙
筛网一面的外室土壤开始 ,作为距根不同距离的土壤.
实验效果非常明显 ,可供全生育期根际效应研究使用 ,
同时有效地解决了土壤透气性、原位测定等方面的困
难. 4) 分室法. 李晓林等在研究菌根菌丝对根际 p H
值和有效磷的影响时 ,设计了 5 室盆栽系统来模拟根/
土界面. 该装置设根室、菌丝室和土壤室. 根据植物根
系和菌根菌丝直径上的差异 ,分别用不同孔径的尼龙
纱网加以分隔. 该方法的不足之处是插入有机玻璃板
的过程中对原土块产生一定的挤压作用 ,影响原土体
的物理结构. 如果改用切片机进行分层切片 ,则可避免
上述缺陷.
21213 根袋法  如果仅仅研究根际和非根际土之间物
理、化学和生物学特性上的差异 ,而并不十分关心距根
表面不同距离层次的根际土壤特性 ,可以应用根袋法
模拟装置来开展研究工作. 将尼龙网纱缝成根袋 ,或用
塑料封口机制成根袋 ,装入供试土壤 ,播种植物 ,用手
挤压使根袋形状变成长方形. 然后放入盆钵中 ,装入同
样土壤 ,植物生长到一定时期后 ,取出根袋中土壤即为
根际土 ,取离根袋 25mm 以远处土壤作为非根际土. 由
于根际土壤收集过程中 ,不可避免地要损伤植物根系 ,
造成离子外溢 ,使根际土壤受到污染. 若控制得当 ,则
可把这些副作用降到最低. 由于根袋法装置简单 ,也可
应用于田间条件下[22 ,31 ] .
213  室内模拟装置的田间应用
以上的根际模拟培育都是在环境条件稳定的室
内 ,而这些模拟研究中植物生长环境与田间自然条件
相比还有很大差异. 因此 ,设计合理的盆栽试验 ,使之
更接近田间状况 ,是一个必然的发展趋势. 而只有将这
些模拟培育方法直接应用于田间 ,才能达到进行根际
微域研究的最终目的 ,指导生产 ,提高植物生产力. 基
于这样的实验目的 ,李贵宝等[19 ]用根箱埋置法 ,直接
进行了田间玉米根际微区 K状况的研究. 对根际研究
作了积极的探索工作 ,取得了一定的成果. 他们采用自
制的根箱 ,在田间选好埋置点 ,将有机玻璃根箱置入坑
中 ,按一定容重将供试土壤慢慢填加到箱两边 ,以保持
尼龙筛网的垂直 ,最后在根箱的一边播种. 取样时 ,把
捆在一起的两个有机玻璃箱子拆开 ,未种植植物箱子
里的土壤 ,待土壤湿度适宜 ,用自制工具将箱内土块逐
层向外推移 ,用刀切割 ,获取距根不同距离的土壤切
片.
214  运用于电子探针的根际土样采集
自从熊文愈等提出“生态界面”这一概念后 ,根际
被赋予新的生态学含义 ,指出它是介于植物根系和其
周围的土壤环境之间的“物质薄层”,是植物根系和土
壤环境相互耦合的部位[35 ,36 ] . 因此 ,随着根际概念的
拓宽 ,根际土样的采集方法也与以往不同. 笔者对施卫
明的根际养分的电子探针制样方法进行了改进 ,取得
了一定的研究结果. 首先将预选的幼苗单条侧根放入
自制的有机玻璃盒 (大小为 4cm ×4cm ×6cm) 中. 按一
定容重将土壤加入到有机玻璃盒内. 苗木生长一定时
间后 ,将带有侧根的有机玻璃盒取出 ,放到 - 85 ℃的低
温冰箱中冰冻 24h. 有机玻璃盒散裂 ,取出带有侧根的
冰冻土块 ,稍回暖 ,放在切片机上切片. 仔细地、保持原
9743 期               苏宝玲等 :根际微域研究中土样采集方法的研究进展          
位地取出根系和其周围的土壤 ,放到自制的铝样品台
上.用 4 %的热琼脂填满固定. 在液氮中冷冻后 ,用锋
利的双面刀片沿样品台表面切平 ,并将其浸入盛有液
氮的杯中 ,移入喷镀仪中进行真空干燥 ,保持 24h 后 ,
喷碳供分析用. 用法国 CAMEBAX 微探针 ,以矿物标
样进行定量分析.
3  结   语
根际土样的采集 ,是进行根际研究的基础. 建立有
效的研究方法是取得理论突破的重要前提. 直接从田
间采集根际土壤样品 ,虽然方便快捷 ,但带有一定的主
观性。根际模拟体系 ,能人为地控制植物根系生长的
条件和土壤环境 ,因此是研究根际特性和环境条件相
互关系中不可缺少的重要手段. 研究者可以根据研究
目的和要求 ,遵循植物生长的自然规律 ,选择合适的根
际模拟体系 ,同时应积极地探索适合田间应用的模拟
装置 ,进而达到改善植物生长状况 ,满足植物生长需
求 ,直接指导生产的目的. 同时 ,根际样品的采集要求
尽量保持原位 ,因此 ,根际样品的采集将朝着更加精细
和更加微观的方向发展.
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作者简介  苏宝玲 ,女 ,28 岁 ,博士生. 主要研究方向为根际界
面生态学. E2mail : hansj @iae. syb. ac. cn
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