大学生科创项目书

项目书

一、项目名称

侧柏根系生长对不同通气措施的响应

二、立论依据

1.项目的研究意义（限200字）

根系是重要的功能器官，它固定植物的地上部分，并从土壤中吸收运输水分养分。细根是树体与土壤互作的主要场所，其生长状态可反应树体的活力状况。细根繁茂的树木能争取到更多的养分和水分，利于树体生长发育，而细根生长受阻往往会导致树势衰弱。侧柏是北方城市、景区、荒山绿化的首选苗木之一。本项目拟通过采取不同恢复措施，探索利于侧柏根系生长的最适条件，促进根系对水分及养分的吸收，从而为古柏根系的养护及复壮提供借鉴。

2.国内外研究现状分析并附主要参考文献（限1000字）

植物根系研究起步于18世纪，由于根系处于地下，受研究方法的限制，根系研究发展缓慢(Böhm 1979)。植物根系通过与土壤进行物质和能量的交换，向地上部分输送生命活动所需各类物质。细根是植物吸收养分和水分的主要器官，是植物根系中最活跃的部分(Lukac and Godbold 2010)。

现有研究表明，根系的生长发育除了受树种本身的遗传因子控制外，主要受土壤资源有效性的影响(Waisel et al., 1991)。当前通过布置通气孔进行土壤改良，以促进根系生长的方法，越来越受到有关专家学者的重视。这是因为，设置通气孔不仅改善了土壤的通气条件，间接促使土壤资源有效性发生改变，有机质矿化加速和养分有效性增加，影响植物细根结构和功能[94]。同时，通气孔中还可填充相应复壮基质，直接改善根际土壤养分条件，利于根系生长。

在根际通气对根系生长的影响方面，相关研究起步较晚，报道不多。赵旭等（2010）、Nakano等（2007）研究了根际通气对番茄生长的影响，结果表明，根际通气改善了番茄根际气体环境，提高了番茄根系活力和吸收能力。杨润亚（2010）等通过研究根际通气和盐分胁迫对玉米生长特性的影响，根际通气提高了玉米株高、茎粗，叶面积等生理指标，缓解了盐水灌溉对玉米生长发育的胁迫效应。当土壤中CO2 浓度高于 5 %时有明显抑制呼吸作用的效应，CO2浓度达到10 %～15 %时就会阻碍植物根系生长，超过15 %时阻碍根系呼吸和吸收功能，使根系不能扩展，甚至造成植物窒息而死。土壤内CO2过多还使土壤pH 值下降，适宜于植物病原菌的发育，加之植物生长不良，抵抗力降低而易于感染病毒（Hank G，2006）。

根际土壤营养状况会对细根生长产生影响，改变根系的吸收作用，细根对立地土壤环境中养分有效性变化的响应表现得较为明显(Hodge, 2004)。养分和根系发育间的相互作用性具有两方面的含义：一方面, 营养可以调控根系的形态建成；另一方面，根系的发育状况决定了植物的营养效率和整个群落生态系统中营养的消减，进而影响群落生物量的大小。根系具有趋肥性，当土壤养分分布不均时根系会趋向养分密集的地方。根系在发育上具有营养可塑性，主要作用是能够使植物克服生活史中不利生境对其生长发育的抑制，通过增大根系长度、直径、体积、表面积、生物量等，最大限度地利用周围环境中的必需资源(King et al. 1997；梅莉等，2006；于立忠，2007；张德健，2016)。在土壤中施加有机肥料及腐殖质，能加速微生物活动，提升土壤有效养分。而土壤养分有效性增加，可以促进细根生长，改变细根的形态(全先奎和王政权，2009)。

因此，研究根际通气及营养对植物根系生长发育的影响，不仅具有理论意义，而且具有实践作用。

Hodge A. The plastic plant : root responses to heterogeneous supplies of nutrients[J]. New Phytologist, 2004, 162(1):9-24.

Waisel Y, Eshel A, Kafkafi U. Plant Roots, the Hidden Half[J]. Plant Roots the Hidden Half, 1991.

King J S, Thomas R B, Strain B R. Morphology and tissue quality of seedling root systems of Pinustaeda and Pinus ponderosa as affected by varying CO2, temperature, and nitrogen[J]. Plant and Soil, 1997, 195(1):107-119.

于立忠, 丁国泉, 史建伟,等. 施肥对日本落叶松人工林细根直径、根长和比根长的影响[J]. 应用生态学报, 2007, 18(5):957-962.

张德健,夏仁学,曹秀.根毛的生长发育及其遗传基础[J].植物生理学报, 2015(1):9-20. Pregitzer K S, DeForest J L, Burton A J, Allen M F, Ruess R W, Hendriek R L. Fine root architecture of nine north American trees[J]. Ecological Monographs, 2002, 72(2):293-309.

全先奎,王政权.内生长法研究施氮肥对水曲柳和落叶松细[J].生态学杂志2009,28(1):1-6.

梅莉, 王政权, 韩有志,等. 水曲柳根系生物量、比根长和根长密度的分布格局[J]. 应用生态学报, 2006, 17(1):1-4.

三、研究方案

1. 研究目标（限200字）

通过控制土壤通气和营养条件，对比恢复措施作用前后的侧柏根系生长状况，分析通气措施及营养条件对侧柏细根形态的影响，从而得出促进侧柏根系生长的最佳恢复措施，为古侧柏的保护和复壮提供参考。

2.研究内容（限400字）

选取同一立地下同龄级树势衰弱的侧柏，设置不同类型的通气孔，改善侧柏根系的通气及营养条件：

(1)对比实施恢复措施前后细根表现，筛选出最佳通气孔类型。

(2)对比距离通气孔不同远近的细根生长状况，得出通气孔改善土壤通气及营养条件的辐射范围，确定最适通气孔布置密度。

(3)探究土壤紧实度与根系表现的关系，分析并阐明根系在不同通气条件下的响应机制。

3.拟解决的关键问题（限200字）

(1)揭示侧柏根系对通气及施肥措施的响应状况，得出利于根系生长的最佳通气孔类型及布置密度。

(2)通过探究利于根系生长的恢复措施，为黄帝陵古侧柏的根系复壮提供科学依据和理论指导，推动古侧柏的保护工作。

4. 拟采取的研究方法及技术路线（限800字）

在相同立地条件下，选择同龄级树势衰弱的侧柏，先分层测定侧柏细根形态、解剖结构、生理状况的现状指标。然后，布置不同类型的通气孔，对侧柏根系进行复壮。实施不同恢复措施后，对比复壮前后根系的生长状况。

细根形态指标的测定：采用Epson数字化扫描仪（Expression 10000XL 1.0）迅速扫描后，利用Win RHIZO(Pro 2004b)根系图像分析软件对细根扫描图像进行定量分析，测定细根直径、根长、表面积、体等指标，并计算根密度及比根长等。此外，将根系烘干至恒重，测定细根生物量。

细根解剖结构指标的测定：采用石蜡制片技术制片，在显微镜成像系统下观察测量皮层厚度，皮层层数及细胞直径，导管直径、数量和壁厚。菌鞘数则通过单位细根的侵染率表示。

细根生理指标的测定：根系活力测定采用TTC法；丙二醛测定采用硫代巴比妥酸法；超氧化物歧化酶的测定采用氮蓝四唑光化还原法；过氧化氢酶活性测定采用紫外吸收法；过氧化物酶活性测定采用愈创木酚法；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法。

5．实验方案（限500字）

拟采用以上提到的研究方法和技术路线。

使用汽油钻或人工打孔，在树冠投影外缘范围上，分别在东西南北四个方位上各选取1个样点，先用土壤紧实度测定仪测定并记录该点的土壤紧实度。接着