CN105432348B - 根际模拟培养装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种根际模拟培养装置，由盆体、空心管、聚乙烯网组成,空心管倾斜插于盆体上，与盆体呈现75‑85°的夹角，聚乙烯网紧密的包裹在空心管上。本发明装置设计合理，制作简单、成本低，可有效避免方形根箱根系单向生长的问题，解决柱状根箱根系边缘生长旺盛，土体中根系相对缺乏的问题。用本发明装置研究根际养分的营养贡献可以均匀且定向的向土体中添加营养物质，避免从培养箱上部添加导致养分不均一的问题；可模拟根际环境、研究根际养分的营养贡献及根系与土壤的交互作用，有效的避免方形根际模拟装置中限制根系横向生长的问题，更加贴近根系的自然生长状态，为研究根际养分吸收提供有效、便利、结果准确的方法。

Description

根际模拟培养装置及其应用
技术领域
本发明属于土壤科学领域，涉及一种培养装置及应用，具体涉及一种根际模拟培养装置及其应用。
背景技术
根际是指受植物根系活动对土壤的影响，在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域土区。根际的范围很小，一般指离根轴表面数毫米之内。根际的许多化学条件和生物化学过程不同于土体土壤。根际是植物、土壤和微生物及其环境相互作用的中心，是植物和土壤环境之间物质和能量交换最剧烈的区域。植物根系释放的分泌物强烈地改变了根际的生物学和化学过程，不仅可以活化土壤养分、提高土壤养分资源的利用效率，而且还可以钝化根际中的有毒物质，免遭植物毒害，减少对食物链的污染。有关根际的研究一直是国内外环境生物学、植物学、植物生理学、土壤学、微生物学、生态学、遗传学和分子生物学联合研究的热点，是国际研究的前沿领域。
传统的根际土壤的取样方法一般为抖动法，简而言之就是将粘附于根系上的土壤抖动下来，这种方法在不同植物种类、土壤类型、土壤含水量的环境下，存在着取样量不一致的问题，且易导致少数根系组织尤其是根毛的残留，影响试验的准确性。现在研究根际的方法主要为根箱或根袋法，即采用方形窄箱或者孔径小于根系的根袋将根系限制在一定的生长范围内，此范围内的土壤认定为根际土壤。根袋一般体积较小且埋于土壤中易变形，严重限制了根系的生长。为保证根箱内根系的密集度，大多数根箱都设计的较小，难以完成植物整个生育期的研究，且这类根箱根系并非均匀分布，在隔层土壤中不可避免的存在非根际土壤，因此无法精确地研究根系的作用部位，同时也受作物种类的限制。根箱窄小的隔间，同时也限制了根系的横向生长，不利于研究自然状态下根际的变化。
在申请号为200910077078.9的专利中公开了一种根际微生物的培养装置，采用尼龙网将培养箱分割为三个长方体。在申请号为201010533303.1的专利中公开了一种根际土壤模拟培养装置，可以采集离根际不同距离的土壤。现有的模拟根际环境的根箱均采用方形的设计，较窄的正方体培养箱在一定程度上可以避免圆柱形盆体的边缘效应，但其存在着限制根系横向生长的缺点。
因植物根系生长呈辐射状，圆柱形盆体是研究根系及根际的最佳选择。然而，在圆柱形盆体中，边缘通气性较好，根系密集，而土体中心氧气缺乏，限制了根系的生长，从而限制了圆柱形盆体在研究根际效应的使用。如果能够解决圆柱形盆体根系生长的边缘效应，使得根系生长均匀且密集，圆柱形盆体则可以成为研究植物根际的最佳选择。本发明在土体中插入诸多带孔隙的空心管，可以为盆体中心提供充足的氧气，从而避免了土体中根系生物量较低的问题。采用该空心管还可以向土壤中定量定点添加营养物质，避免添加不均匀的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种根际模拟培养装置，该装置主要包括盆体、空心管、聚乙烯网,空心管倾斜插于盆体上，并与盆体呈现75-85°的夹角，聚乙烯网紧密的包裹在空心管外。
空心管上设置密集的小孔，孔隙大小为0.5-5.0mm，空心管上孔隙的大小及数量根据土壤质地而定，土壤质地越黏重则孔径越大，数量越多。空心管外包裹一层孔径为24微米的聚乙烯网，空心管主要起支撑及透气的作用，24微米聚乙烯网可以允许空气及土壤溶液自由穿过，而根系不能穿透。
空心管的直径及数量与盆体大小、土壤质地黏重呈正比。空心管的粗细、多少根据盆体大小、土壤质地及所种植物根系生长状况而定，若盆体较大、土壤质地黏重、根系生物量较低，则设置较多的空心管，空心管也相应地加粗。
本发明的另一个目的是提供所述的根际模拟培养装置在研究根际土壤养分周转变化中的应用，通过以下步骤实现：
采集试验用土壤，自然风干至含水量为15％，将土壤过3mm筛，分多次添加到盆体中，多次晃动盆体以使土壤充满整个盆体，种植需要的植物，待植物根系长满盆体中时，将盆体剪破，从土体中取出聚乙烯空心管，从土体中采集根系及土壤样品，进行根际土壤的周转变化研究。
本发明的再一个目的是提供所述的模拟培养装置在研究根际养分营养贡献中的应用(以甘氨酸为例)，通过以下步骤实现：
(1)采集试验用土壤，自然风干至含水量为15％，将土壤过3mm筛，添加到盆体中，种植需要的植物，待植物根系长满盆体中时，该土壤为根际土壤；
(2)通过空心管向土壤中添加丰度为99.8％的浓度为0.01molL-1的13C,15N-Gly溶液，吸收4h后，将盆体剪破，从土体中取出聚乙烯空心管，从土体中采集根系样品，采用同位素质谱测定根系碳氮丰度，进行根际分子态氨基酸对植物的营养贡献的研究。
本发明装置可用于模拟根际环境、研究根际养分的营养贡献及根系与土壤的交互作用，装置设计合理，制作简单、成本低，可以有效地避免方形根箱根系单向生长的问题，解决了柱状根箱根系边缘生长旺盛，土体中根系相对缺乏的问题；用本发明装置研究根际养分的营养贡献可以均匀且定向的向土体中添加营养物质，避免从培养箱上部添加导致养分不均一的问题。利用本发明装置模拟根际环境、研究根际养分的营养贡献及根系与土壤的交互作用，有效的避免了方形根际模拟装置中限制根系横向生长的问题，根系在整个土体中均匀生长，更加贴近根系的自然生长状态，采用该装置，还可以均匀且定向的向土体中添加营养物质，避免从培养箱上部添加导致养分不均一的问题，为研究根际养分吸收提供有效、便利、结果准确的方法。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。
实施例1
参见图1，根际模拟培养装置主要包括盆体1、空心管2、聚乙烯网3,空心管2倾斜插于盆体1上，空心管2与盆体1呈现75-85°的夹角，聚乙烯网3紧密的包裹在空心管2外。
空心管2上设置密集的小孔，孔隙大小为0.5-5.0mm，孔隙的大小及数量根据土壤质地而定，土壤质地越黏重则孔径越大，数量越多，空心管外包裹一层孔径为24微米的聚乙烯网，空心管主要起支撑及透气的作用，24微米聚乙烯网可以允许空气及土壤溶液自由穿过，而根系不能穿透。
空心管2的粗细、多少根据盆体大小、土壤质地及所种植物根系生长状况而定而定，若盆体较大、土壤质地黏重、根系生物量较低，则设置较多的空心管2，空心管2也相应地加粗。
实施例2根际模拟培养装置在研究根际土壤养分周转变化的应用
采集仙居高山土壤，自然风干至含水量为15％，将土壤过3mm筛，添加260g土壤到盆体1中，盆体高度为12cm，上部直径为6cm，底部直径为5cm，盆体上设置6根长3cm，直径1cm，含密集0.5mm孔的聚乙烯管，聚乙烯管外包裹一层24微米的聚乙烯网。每盆内种植两株玉米，种植25天后，将盆体剪破，从土体中取出聚乙烯空心管，从土体中收集根系样品，根系形态采用根系扫描仪(STD1600，Epson，Nagano，Japan)进行测量及分析。
采用高度为18cm，宽度为8cm，厚度为1cm的传统方形根际模拟装置作为对比例1，添加180g土壤后，种植两株玉米后25d，从土体中收集根系样品，根系形态采用根系扫描仪(STD1600，Epson，Nagano，Japan)进行测量及分析。
同时，采用高度为12cm，上部直径为6cm，底部直径为5cm的常规盆体，与实施例2中所用盆体大小相同，但不含空心管及聚乙烯网，添加400g土壤后，采用相同方法种植玉米，作为对比例2。
表1
从表1可以看出，实施例2每100g土壤中根系鲜重最高，较之传统方形根际模拟装置相对高23.3％，较之普通圆盆相对高32.1％，显著的提高了单位土壤中根系的生物量。从土壤中根系分布来看，传统根际模拟装置及普通圆盆根系主要集中在边缘，土体中相对较少，而该发明装置中根系生长均匀分散，可以有效避免根系生长不均匀带来的误差。采用该装置，平均根系直径也高于传统根际模拟装置，表明其对根系生长的限制减少，有利于模拟根系生长的自然环境。
实施例3根际模拟培养装置在研究根际养分营养贡献的应用(以甘氨酸为例)
分别采集仙居、萧山、紫金港土壤，自然风干至含水量为15％，将土壤过3mm筛，添加到实施例2所述的盆体中，种植两株玉米，培养25天后，认定其中土壤为根际土壤；
通过空心管向土壤中添加丰度为99.8％的浓度为0.01mmolL-1的13C,15N-Gly溶液30ml(每空心管添加5ml)，吸收4h后，将盆体剪破，从土体中取出聚乙烯空心管，从土体中采集根系样品，采用同位素质谱测定根系碳氮丰度，研究不同土壤质地对根际分子态氨基酸营养贡献的影响。
表2
从表2可以看出，土壤类型对玉米吸收根际氨基酸具有重要的影响，萧山土壤中虽然氨基酸的吸收量较小，但吸收分子态氨基酸的比例较高，表明此类土壤中根际微生物活力较低。而在紫金港土壤中，分子态氨基酸吸收量相对较高，其分子态氨基酸的吸收量占总氨基酸氮的吸收量也相对仙居土壤较高，表明紫金港土壤的氨基酸生物有效性较高。通过此装置，对研究土壤类型对根际土壤氨基酸生物有效性提供了基础，且其操作简单方便，可以解决普通根际模拟装置从上部加入标记物质难以混合均匀的问题。

Claims (2)

1.一种研究根际土壤养分周转变化的方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
采集试验用土壤，自然风干至含水量为15%，将土壤过3mm筛，分次添加到装置的盆体（1）中，晃动盆体（1）以使土壤充满整个盆体（1），种植需要的植物，待植物根系长满盆体（1）中时，将盆体（1）剪破，从土体中取出聚乙烯空心管（2），从土体中采集植物根系及土壤样品，进行根际土壤的周转变化研究；所述装置由盆体（1）、空心管（2）组成，还有聚乙烯网（3）,空心管（2）倾斜插于盆体（1）上，并与盆体（1）呈现75-85°的夹角，聚乙烯网（3）紧密的包裹在空心管（2）外；空心管（2）上设置密集的小孔，孔隙大小为0.5-5.0mm；空心管（2）的直径及数量与盆体（1）大小及土壤质地黏重呈正比。
2.一种研究根际养分营养贡献的方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
（1）采集试验用土壤，自然风干至含水量为15%，将土壤过3mm筛，添加到装置的盆体（1）中，种植需要的植物，待植物根系长满盆体中时，该土壤为根际土壤；
（2）通过空心管（2）向土壤中添加丰度为99.8%的浓度为0.01molL-1的13C,15N-Gly溶液，吸收4h后，将盆体剪破，从土体中取出空心管（2），并从土体中采集根系样品，采用同位素质谱测定根系碳氮丰度，进行根际分子态氨基酸对植物的营养贡献的研究；所述装置由盆体（1）、空心管（2）组成，还有聚乙烯网（3）,空心管（2）倾斜插于盆体（1）上，并与盆体（1）呈现75-85°的夹角，聚乙烯网（3）紧密的包裹在空心管（2）外；空心管（2）上设置密集的小孔，孔隙大小为0.5-5.0mm；空心管（2）的直径及数量与盆体（1）大小及土壤质地黏重呈正比。
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