CN105300737A - 一种森林树木根系分泌物长期原位收集方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种森林树木根系分泌物的长期原位收集方法及其装置。将树木根系放入原位收集装置中，加入无机盐营养液并通入空气，进而对树木根系分泌物进行长期原位收集。本发明很好的排除了森林生态系统中外界环境的干扰，适用于森林野外实验，最大限度地减小了人为作用下对根的损伤和干扰，便于操作和携带，能够长时间地原位收集根系分泌物。

Description

一种森林树木根系分泌物长期原位收集方法及其装置

技术领域

本发明属于土壤生态与植物科学技术领域，提供一种特别适用于森林树木根系分泌物长期原位收集方法及其装置。

背景技术

根系分泌物是植物代谢的产物，是植物根系有机碳的释放。根系分泌物主要是由根尖分泌的,分泌物中的高分子粘胶物质从根尖部位分泌出来后,就包裹在根尖细胞表面,能防止幼嫩细胞脱水,同时起润滑剂的作用。根系分泌物作为植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要物质，是植物响应外界胁迫的重要途径，构成了植物不同根际微生态特征的关键因素。植物根系分泌对植物体生理生态特征、土壤环境物质形态及周转、土壤微生物分布及代谢等均有不同形式的影响。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际生态过程调控、植物生长发育等均具有重要意义，尤其是在调控根际微环境结构与功能方面发挥重要作用。

不同的研究方法对植物根系分泌物的研究结果有直接的影响，研究方法的科学性直接影响研究结果的准确性。森林树木根系分泌物的研究更适宜采用原位收集方法，在自然状态下收集根系分泌物，有利于与大尺度的研究工作整合,能够更好的与土壤呼吸、土壤固碳等土壤物理化学过程耦合。针对于我国北方的温带森林树木，由于树木根系分泌物代谢相对较慢，森林地表土壤温湿度相对较低，更适宜采用根系分泌物长期的原位收集装置和方法。

现有的根系分泌物的原位收集研究方法多集中于农田生态系统，森林生态系统较少。已有的一种森林根系分泌物原位收集方法(PhillipsRPetal,2008),该方法采用无碳无机盐营养液冲洗健康生长的树木根系的细根，将其表面附着的泥土和杂质清洗干净后，置于装有无菌玻璃珠和无碳无机盐营养液的装置内培养收集，培养结束后用真空泵抽滤冲洗，收集冲洗出的根系分泌物。该收集方法对于森林树木根系分泌物长期的原位收集还存在以下缺陷：(1)该装置上端采用的楔形橡胶凹槽隔片封顶，并外加封口膜。短期的分泌物培养收集，此凹槽和封口膜的封闭性较好，但不便于野外收集的快速操作，对于长期的原位收集培养，此装置缺少换气通道，显著影响根系正常呼吸和生长；(2)装置内的玻璃珠直径应保持在0.7-1.0mm范围内，以模拟土壤颗粒的大小及其对根系的压力；(3)装置内部下端采用了网格漏斗以防止玻璃珠堵塞出口，长期收集时网格漏斗会对根系生长产生一定机械阻力；(4)装置下端出口处采用的类似三通结构，收集过程中易受到土壤或生物的污染，不利于装置的一体化和快捷操作；(5)装置最外层包裹一层铝箔，埋进凋落物里培养，可能改变根系生存环境；(6)收集分泌物耗时冗长且易污染样品。国内现有技术中，诸如ZL201120557060.5、ZL201120434501.2、ZL200910026388.1等公开的不同根系分泌物原位收集装置和系统也都存在类似的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明在现有的根系分泌物收集方法的基础上加以改进，目的在于提供一种森林树木根系分泌物长期原位收集方法及其装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种森林树木根系分泌物长期原位收集方法，将树木根系放入原位收集装置中，加入无机盐营养液并通入空气，进而对树木根系分泌物进行长期原位收集。

将冲洗干净的树木根系放入注射器针筒内，并在针筒底端塞入纱布网，然后填充玻璃珠，插入PU进样管，PU进样管与空气过滤装置连接，然后在玻璃珠层上部放置纱布网，用封口膜封紧针筒上端，漏出根系和PU进样管，用硬塑料固定板对封口膜进行固定与保护，注射器针筒下端与PU出样管相连，向针筒内注入无机盐营养液，将针筒斜埋于土壤中，使注射器上端距离地表5-10cm，并将PU进样管和空气过滤装置露出地面,PU出样管末端设有阀门并与取样瓶相连。

将树木根系表面附着的泥土用无菌蒸馏水冲洗干净，再用无机盐营养液冲洗3-5次。

所述玻璃珠直径为0.7-1mm，经酸浸泡并用无机盐营养液冲洗过。所述纱布网经氯仿浸提去荧光后，用无机盐营养液润洗。

用注射器将无机盐营养液经进样管注入针筒内，同时在PU出样管末端用真空泵以0.8-1.0L/min的流速将装置内的液体排除，重复三次，再将无机盐营养液注入针筒内，使无机盐营养液高度在针筒的1/2-2/3。

所述无机盐营养液的组成为：NH₄NO₃，0.5mmol/L；KH₂PO₄，0.1mmol/L；K₂SO₄，0.2mmol/L；MgSO₄，0.2mmol/L；CaCl₂，0.3mmol/L。

一种用于森林树木根系分泌物长期原位收集的装置，包括注射器针筒、空气过滤装置和PU出样管；所述注射器针筒底部铺上纱布网，并用玻璃珠填充，玻璃珠顶部放置纱布网，PU进样管插到玻璃珠中，另一端与空气过滤装置相连，注射器针筒的上端用Parafilm封口膜密封包裹，并用硬塑料固定板对封口膜进行固定与保护，注射器针筒的下端与PU出样管相连，PU出样管的末端设有阀门，PU出样管与取样瓶相连。

所述玻璃珠经过酸浸泡并用无机盐营养液冲洗，直径为0.7-1mm，。

所述PU进样管上设有通气阀和进样阀。所述纱布网经氯仿浸提去荧光后，用无机盐营养液润洗。

本发明的优点：

本发明的有益效果是：(1)采用了耐折叠，伸缩性强的PU管为进出样管，此材质相对于其它PE、PVC等材质，具有伸缩密封性好，使空气过滤装置、注射器针筒底端的针座以及与样品收集瓶的橡胶塞能够方便安装拆卸且不易脱落，能够反复利用，而不易断裂、老化、粘结、硬化、粉化等，该管具有一定的强度与厚度，避免在地下遭到原生动物及虫类的撕咬与腐蚀，可防止根系分泌物样品污染，能够进行反复利用，成本低廉，降低了装置的成本，提高装置的环保性；

(2)经氯仿浸提去荧光的纱布网经多层折叠使用，可以很好地阻隔玻璃珠，不会对实验样品的成分造成影响，其柔软性，也便于实验的操作，避免伤到树木根系，保证试验中无堵塞现象发生。

(3)PU进样管连接空气过滤装置、控制玻璃珠直径、以及特定无机盐营养液可以使根在装置内长时间的处于接近自然的状态，注入无机盐营养液高度在1/2左右，可增加装置的通透性；与外界大气进行交换，而又不使大气中的杂物进入装置内，一定程度上减少蒸发量，为根的延伸和生长提供空间,使根系处于接近自然的状态；根系可以较长时间在装置内进行正常呼吸与生长代谢，最大限度的减少人为因素对根系的干扰与损伤；可以利用此装置对根系分泌物进行长期的原位收集。特别适用于北方生长代谢能力相对较慢的树木。

(4)收集装置与系统使用易于操作，节约时间，提高效率，且基本不损伤不扰动装置中的根系，也杜绝污染物的引入；收集装置采用组装式结构，便于安装，也便于装置功能的扩展；DC12V微型真空泵体积小，质量轻，便于携带，不受电源的限制，同时也能满足本装置的使用要求，适用于野外森林实验作业。

(5)可以长时间采样，降低根系分泌物的采集误差；适用于单根根系分泌物的采集，研究更准确。

(6)封口膜可紧密包围根和进样管，可以增加装置密闭性，避免装置外土壤中的杂物进入装置内，装置内的营养液渗到装置外；外加保护塑料板，可以使膜和根系保持稳定的状态，阻止土壤中的原生动物等对膜和装置的破坏。

(7)取样软管的末端设有阀门，可以减少长时间收集分泌物时的损失，开关自如，便于通放气。

(8)将针筒斜置45°埋于土壤中，注射器最上端距离地面5-10cm，这样可以使根能够吸收到无机盐营养液又能够较充分的和装置内空气接触，埋置地面5cm以下，可以减小外界环境日照、温度等因素对样品的影响，且更接近于根系的自然生长深度

附图说明

图1为本发明的收集装置结构示意图；

图2为图1中硬塑料固定板(1)的俯视平面图；

图3为根系原位采集以及回收示意图；

图4为不同处理样地6月到9月份红松根系单位面积分泌物TC平均含量；

图5为不同处理样地7月到9月份蒙古栎根系单位面积分泌物TC平均含量；

图6为生长季时期不同处理样地的红松和蒙古栎根系单位面积分泌物TC平均含量。

其中：1、硬塑料固定板，2、根系，3、注射器针筒，4、玻璃珠，5、纱布网，6、PU出样管，7、阀门，8、通气阀，9、进样阀，10、Parafilm封口膜，11、空气过滤装置，12、PU进样管，13、硬塑料固定板缺口，14、双孔橡胶塞，15、连接真空泵软管，16、微型真空泵，17、收集瓶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的森林树木根系分泌物长期原位收集装置作进一步详述。

实施例1：

森林树木根系分泌物长期原位收集装置，包括注射器针筒3、空气过滤装置11和PU出样管6；所述注射器针筒3底部铺上纱布网5(经氯仿浸提去荧光后，用无机盐营养液润洗)，并用玻璃珠4(直径为0.7-1mm，经酸浸泡并用无机盐营养液冲洗过)填充，玻璃珠顶部放置纱布网，PU进样管12插到玻璃珠中，另一端与0.45μm孔径的空气过滤装置11相连，PU进样管12上设有通气阀8和进样阀9。注射器针筒3的上端用Parafilm封口膜10密封包裹，并用硬塑料固定板1对封口膜进行固定与保护，注射器针筒3的下端与PU出样管6相连，PU出样管6的末端设有阀门7，PU出样管6与取样瓶17相连。

根系分泌物长期原位收集：

1)选根

首先选择我国东北地区温带地带性顶级植被的代表，长白山原始阔叶红松林，其优势树种红松和蒙古栎作为研究对象。与全球一致，气候和环境记录显示我国东北地区气温逐年升高，降雨量逐年减少，氮沉降显著增加。研究长期施氮和降水减少对森林树木根系分泌物量的影响，为我国应对全球变化提供数据和知识支持。

布设对照样地、长期施氮样地、减水样地和减水施氮样地4组处理样地，在各试验样地，沿着根系在距离标准木胸径2-3米处找到红松和蒙古栎新生根系，选择足够长能进人注射器的新生细根根冠。

2)洗根

用无菌蒸馏水冲洗所选根系表面附着的泥土，再用无机盐营养液冲洗3-5次；所述无机盐营养液的组成为：NH₄NO₃，0.5mmol/L；KH₂PO₄，0.1mmol/L；K₂SO₄，0.2mmol/L；MgSO₄，0.2mmol/L；CaCl₂，0.3mmol/L。

3)将根系放入装置

将30ML的注射器针筒底端塞入8-10层纱布网(经氯仿浸提去荧光后，用无机盐润洗)，将根系放入针筒内，向针筒内缓慢填充55g左右的玻璃珠(经酸泡并用无机盐营养液冲洗过)，玻璃珠直径为0.7～1mm，保证玻璃珠层高度为10cm左右，将PU进样管插入玻璃珠层上端1.5cm左右，然后在玻璃珠层上部放4-5层的纱布网，用Parafilm封口膜封紧针筒上端，漏出根系和PU进样管，并用带有缺口的硬塑料固定板进行固定。此时开启进样阀9，关闭通气阀8，用注射器吸取20ml的无机盐营养液经PU进样管缓缓注入针筒内，同时在PU出样管口用真空泵以1L/min的流速将装置内的液体排除，并重复三次。再次吸取15ml无机盐营养液注入针筒内，使玻璃珠层的无机盐营养液高度在针筒1/2左右，开启通气阀8，关闭进样阀9，将出样口阀门7关闭。

4)埋下收集装置

将注射器针筒斜置45°埋于土壤中，注射器针筒最上端距离地面5-10cm，并将PU进样管和空气过滤装置露出地面20cm左右，用木棍将其支起站立。PU出样管与收集瓶连接。每个样地，在收集装置附近埋放一个无根系的收集装置作为空白实验。

5)根系分泌物的长期收集

每隔一至两周，更换空气过滤装置的0.45μm的滤膜。每隔30天左右，进行根系分泌物收集。此时关闭通气阀8，开启进样阀9，同时打开阀门7，按图3所示的方式将PU出样管6连接到取样瓶17，同时打开真空泵吸取样品到取样瓶。待针筒内的液体排尽后，吸取5ml无机盐营养液经进样口缓缓注入装置内，洗涤装置，重复3次。

在收集样品时，可将双孔橡皮塞塞在收集样品瓶上，向一个孔插入PU出样管，向另一个孔插入连接DC12V微型真空泵的软管，保持泵的负压在80Kpa，抽气流量在1L/min左右，同时PU出样管插入的要深一点，这样可以避免样品进入真空泵中减少样品的损失，保护真空泵。

6)收集根系

每次分泌物收集完毕，从收集装置顶端开口处用剪刀剪取实验根系，装入自封袋内并做好标记，带回实验室进行根系的表面积扫描和烘干称重。

采用本发明应用于各处理样地健康粗壮的红松和蒙古栎标准木，对每个标准木的新生健康根系进行每月30天的根系分泌物原位收集，用LiquiTOCⅡ分析仪测定根系分泌物的无机碳TIC、有机碳TOC、全碳TC含量。根据受试根系的表面积，计算根系单位面积的分泌物TIC、TOC、TC平均含量。

图4所示说明了6月到9月不同处理样地的红松根系单位面积分泌物TC平均含量；图5所示说明了7月到9月不同处理样地的蒙古栎根系单位面积分泌物TC平均含量；图6所示说明了生长季时期不同处理样地的红松和蒙古栎根系单位面积分泌物TC平均含量。

结果表明，生长季时期红松和蒙古栎的根系单位面积分泌物TC含量呈单峰模式，根系分泌物量的显著季节变化与植物的生长时间动态相关。长期施氮处理对红松和蒙古栎的根系单位面积分泌物TC含量影响显著，显著提高其TC含量。

实例证明，本发明所述根系分泌物的长期原位收集方法适用于温带森林生态系统树木根系分泌物的原位研究，采样精确，不仅适合于不同处理不同树种的根系分泌物含量研究，同时适合于不同树种和不同处理的时间动态研究。

Claims (10)

1.一种森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：将树木根系放入原位收集装置中，加入无机盐营养液并通入空气，进而对树木根系分泌物进行长期原位收集。

2.根据权利要求1所述的森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：

将冲洗干净的树木根系放入注射器针筒内，并在针筒底端塞入纱布网，然后填充玻璃珠，插入PU进样管，PU进样管与空气过滤装置连接，然后在玻璃珠层上部放置纱布网，用封口膜封紧针筒上端，漏出根系和PU进样管，用硬塑料固定板对封口膜进行固定与保护，注射器针筒下端与PU出样管相连，向针筒内注入无机盐营养液，将针筒斜埋于土壤中，使注射器上端距离地表5-10cm，并将PU进样管和空气过滤装置露出地面,PU出样管末端设有阀门并与取样瓶相连。

3.根据权利要求1所述的森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：将树木根系表面附着的泥土用无菌蒸馏水冲洗干净，再用无机盐营养液冲洗3-5次。

4.根据权利要求1所述的森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：所述玻璃珠经过酸浸泡并用无机盐营养液冲洗，直径为0.7-1mm，所述纱布网经氯仿浸提去荧光后，用无机盐营养液润洗。

5.根据权利要求1所述的森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：用注射器将无机盐营养液经PU进样管注入针筒内，同时在PU出样管末端用真空泵以0.8-1.0L/min的流速将装置内的液体排除，重复三次，再将无机盐营养液注入针筒内，使无机盐营养液高度在针筒的1/2-2/3。

6.根据权利要求1-5任一项所述的森林树木根系分泌物长期原位收集方法，其特征在于：所述无机盐营养液的组成为：NH₄NO₃，0.5mmol/L；KH₂PO₄，0.1mmol/L；K₂SO₄，0.2mmol/L；MgSO₄，0.2mmol/L；CaCl₂，0.3mmol/L。

7.一种用于森林树木根系分泌物长期原位收集的装置，其特征在于：包括注射器针筒(3)、空气过滤装置(11)和PU出样管(6)；所述注射器针筒(3)底部铺上纱布网(5)，并用玻璃珠(4)填充，玻璃珠顶部放置纱布网，PU进样管(12)插到玻璃珠中，另一端与空气过滤装置(11)相连，注射器针筒(3)的上端用Parafilm封口膜(10)密封包裹，并用硬塑料固定板(1)对封口膜进行固定与保护，注射器针筒(3)的下端与PU出样管(6)相连，PU出样管(6)的末端设有阀门(7)，PU出样管(6)与取样瓶相连。

8.根据权利要求6所述的用于森林树木根系分泌物长期原位收集的装置，其特征在于：所述玻璃珠(4)的直径为0.7-1mm，经酸浸泡并用无机盐营养液冲洗过。

9.根据权利要求6所述的用于森林树木根系分泌物长期原位收集的装置，其特征在于：所述PU进样管(12)上设有通气阀(8)和进样阀(9)。

10.根据权利要求6所述的用于森林树木根系分泌物长期原位收集的装置，其特征在于：所述纱布网(5)经氯仿浸提去荧光后，用无机盐营养液润洗。