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(zhì)和能量交換的結(jié)點(diǎn)，根系生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳和氮的生物地球化學(xué)循環(huán)。自1904年德國科學(xué)家Lorenz Hiltner提出根際這一概念后，相關(guān)研究方興未艾。但由于受土壤不可觀測性的限制，傳統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)根際微生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展緩慢，因此尋找并建立新的根際微生態(tài)研究方法就顯得至關(guān)重要。
近年來隨著光學(xué)和電子學(xué)技術(shù)的提升，特別是微根窗法(Minirhizo tron)的應(yīng)用，使根際微生態(tài)研究得到了較快的發(fā)展。當(dāng)前，這是可多個(gè)時(shí)間段內(nèi)原位重復(fù)觀測根系的方法，其是在不干擾細(xì)根生長過程的前提下，原位長期連續(xù)觀測并記錄細(xì)根從出生到死亡的消長變化動態(tài)。這種測量方法是非破壞性的，是傳統(tǒng)的研究方法不可替代的。因此，在國外，微根窗技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于森林、果園、草地、沙漠和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等植物根系動態(tài)及其功能的研究中。

2 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
AZ-B0201根際微生態(tài)觀測系統(tǒng)通過可視化微根窗技術(shù)對根系生長和形態(tài)因子進(jìn)行非破壞性的長期連續(xù)定位觀測，結(jié)合專業(yè)的根系分析軟件，能夠?qū)⒏迪嚓P(guān)數(shù)據(jù)定量化，包括根的長度、面積、根尖數(shù)量、直徑分布格局、死亡根及存活根數(shù)量等等，實(shí)現(xiàn)探索植物細(xì)根生長和消亡動態(tài)及其周轉(zhuǎn)規(guī)律、研究植物根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目標(biāo)。同時(shí)測量根區(qū)土壤水溫鹽等環(huán)境因子，并收集土壤孔隙水樣品和土壤樣品，分析土壤養(yǎng)分動態(tài)和土壤物理性質(zhì)等，將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專用生態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析軟件中，分析植物根系消長動態(tài)與環(huán)境因子間的關(guān)系。

2.2 觀測點(diǎn)布設(shè)
在待研究地區(qū)選擇群落結(jié)構(gòu)明顯、優(yōu)勢種典型、地勢平坦、土壤層足夠深厚的區(qū)域，設(shè)置觀測樣地。選擇標(biāo)準(zhǔn)木，在根部按照45°角安裝微根管。通常一個(gè)觀測樣地安裝12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。
在每標(biāo)準(zhǔn)木安裝的微根管周圍安裝1～3根1m或者1.5m觀測管，同時(shí)檢測土壤水分和溫度參數(shù)。并分層埋設(shè)土壤孔隙水取樣器，用于提取土壤溶液，分析土壤溶液中養(yǎng)分動態(tài)。另可選擇有代表性的地點(diǎn)和深度用環(huán)刀采集原狀土，用于分析土壤物理性質(zhì)。
2.3 數(shù)據(jù)采集頻率
微根管安裝好，應(yīng)在其與土壤間達(dá)到平衡后再開始采集數(shù)據(jù)，平衡時(shí)間從幾周到幾個(gè)月或一年乃至更長的時(shí)間不等。眾多研究表明，通常情況下7個(gè)月后開始采集圖像比較合適。
數(shù)據(jù)采集根據(jù)環(huán)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(jié)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(shù)量不少于30個(gè)。

2.4 觀測內(nèi)容
根系形態(tài)因子：根的長度、單位面積根長密度、根尖數(shù)量、直徑分布格局、死亡根及存活根數(shù)量、平均直徑、投影面積、表面積、根體積、分類數(shù)量、每個(gè)直徑類的根尖數(shù)量、細(xì)根生長量、細(xì)根死亡量和細(xì)根周轉(zhuǎn)。
根際水溫鹽指標(biāo)：土壤水分、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率。
土壤孔隙水取樣：可用于土壤溶液中營養(yǎng)離子及重金屬離子分析。
原狀土取樣：可用于土壤碳氮轉(zhuǎn)換速率、土壤飽和與非飽和導(dǎo)水率、土壤團(tuán)粒體、土壤粒徑粒型等因子的分析。
2.5 觀測系統(tǒng)組成和技術(shù)指標(biāo)
AZ-B0201根際微生態(tài)觀測系統(tǒng)由根系形態(tài)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(tài)參數(shù)科學(xué)計(jì)算軟件等共同組成。
3 數(shù)據(jù)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(gè)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(jì)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(xì)根生長與死亡
RLD_P和RLD_M分別表示細(xì)根生長量和細(xì)根死亡量。假設(shè)根系在兩次相鄰采樣間隔期內(nèi)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(nèi)根系的生長與死亡，然后除以間隔時(shí)間，得到細(xì)根生長RLD_P和死亡RLD_M。

式中：RLD_P ——間隔期內(nèi)根系生長量，mm·cm^-2·d^-1；
RLD_M ——間隔期內(nèi)根系死亡量，mm·cm^-2·d^-1；
RLD_n ——第n次觀測到的根系根長密度值，mm·cm^-2；
RLD_n+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(shí)間，d。
3.3 根系生長死亡量、現(xiàn)存量和周轉(zhuǎn)計(jì)算
1）根系年生長量為一年內(nèi)所有次采樣得到的根系根長凈增加值（包括所有出現(xiàn)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(nèi)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(nèi)的單位根長來表示（mm·cm^-2·a^-1）。
2）根系現(xiàn)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(zhuǎn)估計(jì)采用以下3種方法進(jìn)行估計(jì)。
① 年根系生長量與年根系平均現(xiàn)存量之比。
② 年根系死亡量與年根系平均現(xiàn)存量之比。
③ 年根系生長量與年根系現(xiàn)存量之比。
3.4 土壤水分溫度鹽分及土壤溶液中養(yǎng)分離子等環(huán)境因子
土壤水溫鹽、土壤溶液中養(yǎng)分離子等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)可導(dǎo)入到Ecograph生態(tài)參數(shù)科學(xué)計(jì)算軟件中。Ecograph 是澳作生態(tài)儀器公司集合十多年服務(wù)生態(tài)研究領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，自行研發(fā)設(shè)計(jì)的專業(yè)生態(tài)環(huán)境采集、計(jì)算軟件。該軟件可采集*的水、土、氣、生物觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)，計(jì)算生態(tài)環(huán)境研究的專業(yè)參數(shù)。Ecograph 由多種計(jì)算功能可選，用戶也可輸入自制模型或計(jì)算公式。
4應(yīng)用案例
4.1 植物對營養(yǎng)元素的競爭性利用（Science，2010）

James F.、Cahill Jr.等利用AZ-B0201根際微生態(tài)觀測系統(tǒng)對關(guān)鍵營養(yǎng)元素不同利用策略下的植物根系生長狀況進(jìn)行了為期8周的觀測。研究結(jié)果顯示，在沒有競爭植物的條件下，無論關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)在植物周圍分布態(tài)勢如何，植物的根系分布及平均直徑不受影響（A、B、C）。當(dāng)有競爭植物存在時(shí)，那么植物根系的分布狀況、平均直徑則取決于關(guān)鍵營養(yǎng)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(lán)條是植物乙的平均根系直徑，陰影是關(guān)鍵營養(yǎng)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(xì)根壽命的影響

（植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2009）

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

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