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AZ-B0201根際微生態觀測系統

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1 ?引言
根際是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面,也是物質和能量交換的結點,根系生產和周轉直接影響陸地生態系統碳和氮的生物地球化學循環。自1904年德國科學家Lorenz Hiltner提出根際這一概念后,相關研究方興未艾。但由于受土壤不可觀測性的限制,傳統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,陸地生態系統根際微生態學的研究進展緩慢,因此尋找并建立新的根際微生態研究方法就顯得至關重要。
近年來隨著光學和電子學技術的提升,特別是微根窗法(Minirhizo tron)的應用,使根際微生態研究得到了較快的發展。當前,這是唯一可多個時間段內原位重復觀測根系的方法,其最大優點是在不干擾細根生長過程的前提下,原位長期連續觀測并記錄細根從出生到死亡的消長變化動態。這種測量方法是非破壞性的,是傳統的研究方法不可替代的。因此,在國外,微根窗技術目前被廣泛應用于森林、果園、草地、沙漠和農業生態系統等植物根系動態及其功能的研究中。

2 ?觀測系統設計
2.1 目標
AZ-B0201根際微生態觀測系統通過可視化微根窗技術對根系生長和形態因子進行非破壞性的長期連續定位觀測,結合專業的根系分析軟件,能夠將根系相關數據定量化,包括根的長度、面積、根尖數量、直徑分布格局、死亡根及存活根數量等等,實現探索植物細根生長和消亡動態及其周轉規律、研究植物根系拓撲結構的目標。同時測量根區土壤水溫鹽等環境因子,并收集土壤孔隙水樣品和土壤樣品,分析土壤養分動態和土壤物理性質等,將所有數據導入到專用生態數據計算和分析軟件中,分析植物根系消長動態與環境因子間的關系。

2.2 觀測點布設
在待研究地區選擇群落結構明顯、優勢種典型、地勢平坦、土壤層足夠深厚的區域,設置觀測樣地。選擇標準木,在根部按照45°角安裝微根管。通常一個觀測樣地安裝12~24根1.8m/0.9m(L)×5cm/3cm(D)微根管。
在每標準木安裝的微根管周圍安裝1~3根1m或者1.5m觀測管,同時檢測土壤水分和溫度參數。并分層埋設土壤孔隙水取樣器,用于提取土壤溶液,分析土壤溶液中養分動態。另可選擇有代表性的地點和深度用環刀采集原狀土,用于分析土壤物理性質。
2.3 數據采集頻率
微根管安裝好,應在其與土壤間達到平衡后再開始采集數據,平衡時間從幾周到幾個月或一年乃至更長的時間不等。眾多研究表明,通常情況下7個月后開始采集圖像比較合適。
數據采集根據環境條件、植物生長周期不同,使用不同的采集間隔期,范圍從每1周、每2周到每4周或每6~16周。一般生長季節至少每2周取1次圖像,冬天可以降低采樣頻率或取消。
每根觀測管可由下到上或由上到下依次采集圖像,每管每次取圖像數量不少于30個。

2.4 觀測內容
根系形態因子:根的長度、單位面積根長密度、根尖數量、直徑分布格局、死亡根及存活根數量、平均直徑、投影面積、表面積、根體積、分類數量、每個直徑類的根尖數量、細根生長量、細根死亡量和細根周轉。
根際水溫鹽指標:土壤水分、土壤溫度、土壤電導率。
土壤孔隙水取樣:可用于土壤溶液中營養離子及重金屬離子分析。
原狀土取樣:可用于土壤碳氮轉換速率、土壤飽和與非飽和導水率、土壤團粒體、土壤粒徑粒型等因子的分析。
2.5 觀測系統組成和技術指標
AZ-B0201根際微生態觀測系統由根系形態因子觀測單元、土壤水溫鹽測量單元、土壤孔隙水取樣單元、手動土壤取樣套件、Ecograph生態參數科學計算軟件等共同組成。
3 ??數據處理
3.1 根系根長密度和根系面積密度
在微根管圖像中測量根的長度,通過總根長除以觀察的整個管面積獲得根系單位面積根長密度RLD(mm·cm-2或cm·cm-2)。根系表面積的計算可用觀察到的根長乘以根直徑。同樣,以單位面積圖片中觀察到的根系表面積可得到單位面積根面積密度(mm2·cm-2或 cm2·cm-2)。
3.2 細根生長與死亡
RLDPRLDM分別表示細根生長量和細根死亡量。假設根系在兩次相鄰采樣間隔期內的生長與死亡速率一致的前提下,以單位管面積上根系根長的增加與減少來表示相鄰兩次采樣間隔期內根系的生長與死亡,然后除以間隔時間,得到細根生長RLDP和死亡RLDM。

式中:RLDP??——間隔期內根系生長量,mm·cm-2·d-1;
?????RLDM???——間隔期內根系死亡量,mm·cm-2·d-1;
RLDn??——第n次觀測到的根系根長密度值,mm·cm-2;
RLDn+1??——第(n+1)次觀測到的根系根長密度值,mm·cm-2;
T??——相鄰兩次采樣間隔時間,d。
3.3 根系生長死亡量、現存量和周轉計算
1)根系年生長量為一年內所有次采樣得到的根系根長凈增加值(包括所有出現的新根長與以前存在的根系長度凈增加值);根系年死亡量為一年內所有次采樣中根系長度的消失(包括存在根的死亡以及由于根系的脫落或昆蟲的取食引起根長的減少值);根系年生長量與年死亡量的單位也以每年單位管面積內的單位根長來表示(mm·cm-2·a-1)。 ????????
2)根系現存量以每次觀測到的單位面積活根系長度來表示。
3)根系周轉估計采用以下3種方法進行估計。
①?年根系生長量與年根系平均現存量之比。
②?年根系死亡量與年根系平均現存量之比。
③?年根系生長量與年根系最大現存量之比。
3.4 土壤水分溫度鹽分及土壤溶液中養分離子等環境因子
土壤水溫鹽、土壤溶液中養分離子等環境因子的數據可導入到Ecograph生態參數科學計算軟件中。Ecograph 是澳作生態儀器公司集合十多年服務生態研究領域的經驗,自行研發設計的專業生態環境采集、計算軟件。該軟件可采集全球最先進的水、土、氣、生物觀測設備的數據,計算生態環境研究的專業參數。Ecograph 由多種計算功能可選,用戶也可輸入自制模型或計算公式。

4應用案例
4.1?植物對營養元素的競爭性利用(Science,2010)

James F.、Cahill Jr.等利用AZ-B0201根際微生態觀測系統對關鍵營養元素不同利用策略下的植物根系生長狀況進行了為期8周的觀測。研究結果顯示,在沒有競爭植物的條件下,無論關鍵營養物質在植物周圍分布態勢如何,植物的根系分布及平均直徑不受影響(A、B、C)。當有競爭植物存在時,那么植物根系的分布狀況、平均直徑則取決于關鍵營養元素與植物之間的相對距離(D、E、F)。

圖中紅條是植物甲的平均根系直徑,藍條是植物乙的平均根系直徑,陰影是關鍵營養元素所處位置示意(如果存在的話)。

4.2?氮肥對水曲柳和落葉松細根壽命的影響

(植物生態學報,2009)

采用微根管技術研究氮肥對水曲柳和落葉松細根生長、衰老和死亡的影響,探討兩樹種細根壽命與氮有效性之間的相關關系。

結果表明,林地施氮肥后,兩樹種細根數量都呈減少趨勢, 細根總體直徑增加, 分枝程度降低; 氮肥使水曲柳細根存活率提高,細根中位值壽命延長,而落葉松細根存活率對氮肥反應不敏感; 施氮肥對細根壽命的延長效應主要體現在直徑較小的一級根、表層,根系和春夏季新生的細根,表明氮肥對高生理活性的細根影響較強。

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