一种植物根际和非根际土壤的取样装置和取样方法

技术领域

本发明涉及植物根际土壤取样技术领域，具体涉及一种植物根际和非根际土壤的取样装置和取样方法。

背景技术

根际(Rhizosphere)的概念最早于1904年由Lorenz Hiltner提出，将根系周围数毫米、受根系生长影响的土体定义为根际。根际作为植物根系和土壤直接接触的部位，其物理、化学和微生物学性质受到植物根系和土壤的共同影响，同时也是土壤微生物最活跃的场所。目前区分根际和非根际土壤样品的装置为分室根箱，一般为方形和圆柱形箱体。用根系不能穿过的尼龙网区隔成不同区域，将作物种植的一侧区域定义为根际，另一侧则为非根际区域。为了提高样品的代表性，根际区域通常设计都比较狭小，随着根系的生长，最终形成垂直、水平根面或圆柱形根柱，极大的限制了根系在水平和垂直方向的自由生长，与田间自然情况下“介”字形的根系形态相去甚远，并且伴随着植物种植时间的延长，根系体积的增大，根袋内土壤容重不断地提高，极大的限制了土壤养分向根际的迁移，易造成植物生长后期养分的匮乏。同时，分室根箱在植物培养过程中经历多次干湿交替，易在尼龙网处形成贯穿土体的自然裂缝，严重影响土体的连续性和一致性，造成养分和水分在土体的迁移困难。此外，经典的抖根法在土壤水分含量和土壤质地适合情况下通过人为抖落非根际土壤，采集粘附在根系上的少量土壤作为根际土，但在土壤水分过低、土壤砂粒含量较高的情况下，存在根系附着土量过少，取样效率较低的状况；而在水分含量较高的土壤，如水稻土上又存在非根际土难以抖落的取样问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种植物根际和非根际土壤的取样装置和取样方法，该取样装置结构简单，易于制作，成本低廉，更重要的是，该装置能够在不影响根系正常生长以及不改变根系构型的情况下原位采集根际和非根际的土壤样品，实现对根系周围区域的准确区分。

该取样方法依托于上述取样装置，取样方法简单易行，取样准确且取样效率高。

实现本发明上述目的所采取的技术方案为：

一种植物根际和非根际土壤的取样装置，包括培养箱体和多根采集管，培养箱体包括圆柱形管体和底板，圆柱形箱体由两个半管、两根硅胶条和多个卡箍构成，两半管对接，且两半管的两对接处分别通过两硅胶条密封，两半管对接后通过卡箍箍紧构成中空的圆柱形管体，圆柱形管体两端均开口，圆柱形管体的下端固定在底板上，各根采集管的两端均开口，各根采集管分别垂直地插入圆柱形管体中的土壤介质中，且采集管呈蜂窝状分布。

所述的圆柱形管体的高为16厘米，直径为11厘米，采集管的高为10毫米，直径为6毫米。

采集管有230-270根。

所述的半管和底板的材质均为聚氯乙烯，采集管的材质为聚丙烯，卡箍的材质为不锈钢。

一种基于上述的植物根际和非根际土壤的取样装置的取样方法，包括如下步骤：

1)取风干土，风干土的类型可依据植物种类的不同进行调整，将风干土粉粹，过孔径为2mm的筛，然后拌入肥料，此处的肥料根据所培养的植物的种类进行调整，得到培养土壤；

2)取一半的培养土壤，均匀喷水使其质量含水量为15±5％，喷水完毕后将其加入圆柱形管体中，铺平、压实，接着将所有的采集管分别垂直地插入培养土壤中，使各根采集管的中下部均位于培养土壤中，同时保证采集管呈蜂窝状分布，再将剩余的培养土壤装入圆柱形管体中，保证所有的采集管被培养土壤填满；

3)选取饱满、健康的植物种子，然后将植物种子种入圆柱形管体内的培养土壤中，覆土后浇水，使圆柱形管体的培养土壤的质量含水量为25±5％，此处需要说明的是，一般培养旱作植物时，浇水至培养土壤的质量含水量为25±5％，当培养的植物为水田或湿地植物时，浇水可至培养土壤达淹水状态；

4)将整个取样装置置于温室或光照培养室中培养；

5)根据试验要求，在植物特定生长时期收集根际和非根际土壤样品，种植同一种作物可以在不同时间/生长时期取样，而种植不同作物也可在同一时间取样，所以收集样品时间依照试验要求进行，根际和非根际土壤样品的收集方法为：A、去除卡箍后，用刀片沿硅胶条剖开圆柱形管体，先分别去除各采集管上方、下方粘连的土壤和根系，然后用镊子分别夹取各采集管，棉签擦净各采集管外壁上附着的土壤，若有根系进入或穿过该采集管，则判定该采集管中的土壤为根际土壤，若没有根系进入该采集管，则该采集管中的土壤为非根际土壤；B、依据土壤的种类将采集管分类，即分为装有根际土壤的根际土壤采集管和装有非根际土壤的非根际土壤采集管，将各根际土壤采集管中的根际土壤混合均匀，得根际土壤样品，将各非根际土壤采集管的非根际土壤混合均匀，得非根际土壤样品，将所得的根际土壤样品和非根际土壤样品液氮速冻后-80℃保存备用。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1)该装置给根系提供了足够的生长空间，有利于根系的自然生长和扩张，避免了分室根箱所造成的根系形态的变化，使得根系的生长更加贴合田间条件根系的自然生长状况。

2)该装置充分利用了根系生长的向地性，将若干竖直埋设的采集管嵌套在根系外，有效避免了因根系生物量过大所导致的根区土壤容重的提高或根系生物量过小根区土壤不能有效体现根际效应等问题，大大提高了样品的代表性和有效性。

3)该装置操作简便、成本低廉、技术要求相对较低，适合多种植物，旱地、水田生态系统根际和非根际微生物特性、土壤养分的研究。

4)该方法可以原位定量无干扰采集植物根际和非根际土壤，通过提取土壤微生物的DNA，利用实时荧光定量PCR、T-RFLP、高通量测序等手段在分子生物学水平上表征根际和非根际微生物种群丰度和多样性的变化，也可以通过分析土壤养分的转化、根系沉积物的组分和含量，进而为探讨根际环境物质能量循环提供理论基础。

附图说明

图1为本发明的植物根际和非根际土壤的取样装置的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

其中，1-圆柱形管体、2-卡箍、3-采集管、4-硅胶条、5-底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的植物根际和非根际土壤的取样装置进行详细说明。

本发明提供的植物根际和非根际土壤的取样装置的结构如图1和图2所示，包括培养箱体和多根采集管3，培养箱体包括圆柱形管体1和底板5。

圆柱形管体由两个半管、两根硅胶条4和多个卡箍2构成，两半管对接，且两半管的两对接处分别通过两硅胶条4密封，两半管对接后通过卡箍箍紧构成中空的圆柱形管体1，圆柱形管体1的下端固定在底板5上，上端开口。本实施例中，圆柱形管体的高为16cm，直径为11cm。

各根采集管的两端均开口，各根采集管分别垂直地插入圆柱形管体内的土壤介质中，且采集管呈蜂窝状分布。本实施例中，采集管有230-270根，采集管的高为10mm，直径为6mm。

所述的半管和底板的材质均为聚氯乙烯，采集管的材质为聚丙烯，卡箍的材质为不锈钢。

该装置的特点在于：每一个采集管在圆柱形管体中都形成一个独立土体，嵌套在根系上或独立于根系之外，套在根系上的采集管中的土壤因受到根系的影响，其物理、化学和微生物学特性区别于根系外的采集管中的土壤，形成一个有效的根际土采集单元。同时，为保证根系的正常生长，采集管长度设计为10mm，这是由于较长的采集管尽管可以获得更多的土壤样品，但阻碍了水分和养分的迁移，影响根系生长；而过短的采集管，会导致土壤样品量过少、代表性不强，需要在装置制作和采样时增加采集管数量，从而提高了装置制作、样品采集的时间成本和人力成本。

下面结合具体实施例对基于上述植物根际和非根际土壤的取样装置的取样方法进行具体说明。

实施例1

本实施例以潮土-玉米组合为例进行说明。

1)培养箱体的制作：将两PVC半管进行对接，为保证圆柱形管体的密封性，在两PVC半管的两对接处分别填充硅胶条，两PVC半管对接并密封好后用两个不锈钢卡箍箍紧，其中一个不锈钢卡箍箍紧两PVC半管的上部，另一个不锈钢卡箍箍紧两PVC半管的下部，中空且两端开口的圆柱形管体制作完毕，再在圆柱形管体的一端粘接PVC底板，培养箱体制作完毕，使用时培养箱体底板放在地面上，圆柱形管体的开口朝上；

2)取1kg风干的潮土，粉粹，过孔径为2mm的筛，去除可见的石子和植物残体，然后拌入玉米培养所需的肥料，如尿素、磷酸二氢钾、氯化钾和微量元素肥料，得到培养土壤；

3)取一半的培养土壤，均匀喷水使其质量含水量为15％，喷水完毕后将其加入圆柱形管体中，铺平、压实，接着将所有的采集管(230-270根)分别插入培养土壤中，使各根采集管的中下部均位于培养土壤中，同时保证采集管呈蜂窝状分布，再将剩余的培养土壤装入圆柱形管体中，保证所有的采集管被培养土壤填满；

4)选取2颗饱满、露白的玉米种子，然后将2颗玉米种子种入圆柱形管体内的培养土壤中，覆土后浇水，使圆柱形管体的培养土壤的质量含水量为25％；

5)将整个取样装置置于光照良好、温度适宜的温室或光照培养室中进行培养；

6)出苗30天后收集根际和非根际土壤样品，根际和非根际土壤样品的收集方法为：A、去除卡箍后，用刀片沿硅胶条剖开圆柱形管体，先小心去除各采集管上方、下方粘连的土壤和根系，然后用镊子分别夹取各采集管，棉签擦净各采集管外壁上附着的土壤以方便判断该采集管中的土壤种类，若有根系进入或穿过该采集管，则判定该采集管中的土壤为根际土壤，若没有根系进入该采集管，则该采集管中的土壤为非根际土壤；B、依据土壤的种类将采集管分类，即分为装有根际土壤的根际土壤采集管和装有非根际土壤的非根际土壤采集管，将各根际土壤采集管中的根际土壤混合均匀，得根际土壤样品，将各非根际土壤采集管的非根际土壤混合均匀，得非根际土壤样品，将所得的根际土壤样品和非根际土壤样品液氮速冻后-80℃保存备用。

重复上述取样三次，每次取样将采集管进行分类统计，统计结果如表1所示：

表1培养箱中根际和非根际土壤采集管个数

由表1可知，培养箱体中根际土壤采集管和非根际土壤采集管的比例为5:1-8:1。

将每次取样获得的根际土壤样品和非根际土壤样品进行微生物DNA提取试验，试验结果如表2所示：

表2根际和非根际土壤微生物DNA浓度

由表2可知，根际土壤中微生物的DNA浓度明显高于非根际土壤中微生物的DNA浓度，两者的差值为12.6-16.8ng/μL，符合理论上根际土壤微生物量高于非根际土壤微生物量的推断。