第二章-植物土壤营养与根际营养.ppt

第二章植物与土壤之间的关系 第一节植物根系生长与养分吸收第二节土壤养分有效性与土壤肥力第三节植物根际营养 第一节植物根系生长与养分吸收 一 作物根系的形成和在土壤中的分布 1 根系的形成作物种子萌发后 先伸出幼根 然后再长出幼苗 双子叶植物 如棉花 大豆等的胚根直接生长 形成主根或直根 主根上生出侧根 侧根上再分出次级侧根 这样反复分支 形成一个根体系叫直根系 单子叶植物 如禾本科作物发芽过程中形成不止一条种子根 当幼苗长出后在胚芽鞘节处长出几条次生根 永久根 次生根和种子根上再产生侧根 侧根再分支 就形成须根系 由于这些根系周围无分生组织 一般只能伸长 不能加粗 所以不能形成明显的主根 2 根系在土壤中的分布禾本科作物的根系最深可达2 2 5米 但是一般耕作层的根量占总根量的60 80 以上 双子叶植物的主根在上部15厘米左右比较粗大 其上着生的侧根向外伸展 到30 40厘米时急占向下生长 最深可达2米 甚至5 10米 苜蓿 但耕层根量占总根量的80 以上 因此 养分吸收以耕层为主 施肥也应在耕层 二 根系形态指标 1 根系长度LA 根系总长度 cm 土壤表面积 cm2 2 根系直径0 3mm3 根系表面积4 根系密度其中 LV为根系密度 m为3个主平面单位面积上的根轴数5 根毛 长0 1 1 5mm 直径0 005 0 025mm 密度50 5亿个 米2 根毛对磷的吸收有重要作用 6 根尖数 对Ca2 Fe2 等养分吸收很重要 Thevolumeofsoilexploitedcanbeincreasedbytheelaborationofroothairs left andbysymbioticassociationswithectomycorrhizalfungi centre orvesicular arbuscularmycorrhizae right FromMarschner MineralNutritionofHigherPlants 2ndEdition AcademicPress 1995 三 影响根系生长的土壤条件 1 养分供应土壤养分有效性影响根系的生长和分布 根系生长的趋肥性在施肥点周围或有机肥周围 根系密集 而在养分缺乏的地方根系较少 这就叫根系的趋肥性 FromDrewandSaker 1978 JournalofExperimentalBotany29 435 451 FromWattandEvans 1999 PlantPhysiology121 317 323 From WattandEvans 1999 PlantPhysiol 121 317 323 Investmentofassimilatesinrootsisincreasedinresponsetonutrientdeficiencies Thisresultsinanincreaseinroot shootratio 表2 1磷的供应对羽扇豆 LupinusAlbusL 的生长与矿质成分的影响 供试土壤为pH8 6的石灰性土壤 Gardner 1982 2 土壤通气性和水分 氧是根系生长和代谢所必需的 DrewGoss 1973 认为 O2分压达到5kPa可满足根系生长 根呼吸放出的CO2需及时排出土壤水分一般不会成为根系生长的显著因素 但在一定的水势条件下 根系生长较快 土壤水分含量过高 过低不利于旱生植物根系的生长 如土壤水势在1巴时 莴苣 菠菜 和蚕豆较水势为0 1巴时生长更快 当土壤水势大于1巴时 苹果根系不能生长 在一般土壤中 植物根系具有趋水性 当土壤含水量少时 根系向下发展 入土较深 当土壤湿度较大时 根系分布较浅 Scott和Russell 1977 试验表明 播后一个月降雨82mm 播后2个月表土 2 5 12 5cm 的根量是总根量的70 只有10 的根系分布在22 5cm以下 相反 第二年 播后一个月降雨不足24mm 根系分布的对应值分别是40 和30 2 土壤通气性和水分 3 机械阻力土壤紧实时 其容重增大且大空隙数量减少 当容重大于1 3 1 4时 对根系伸长有抑制作用 粘质土壤容重在1 5 1 6 轻质土壤在1 7 1 8时 作物根系就很难扎入 紧实土壤对根系伸展的抑制作用除了机械阻抗的缘故外 还有土水势 通气性和植物毒素积累等因素 表2 1机械阻抗对大麦种子根和初级侧根发展及扩展的影响 4 土壤温度小麦 温度3 时 缓慢生长 7 时旺盛生长 棉花 玉米 16 时 根系几乎不生长 30 时 棉花旺盛生长 黄瓜 10 时根系停止生长 17 以上生长良好 5 土壤中的有害物质 一 土壤养分含量及其有效性据统计 我国约半数以上的土壤有机质含量在5 20g kg之间 土壤氮 磷 钾含量的变幅分别为 氮0 4 3 8g kg 磷0 17 1 1g kg 钾0 5 25g kg 土壤养分的存在形态有 有机质 矿物质 吸附态 水溶性和螯合态等 其中大部分不能被植物吸收利用 需要经过矿化和风化等过程转化为水溶态 才能被植物吸收利用 第二节土壤养分有效性 土壤养分进入植物体的过程 Fried 营养元素 固相 营养元素 液相 营养元素 根系 营养元素 地上部 土壤养分浓度与根系的养分吸收植物对于介质中某种离子的吸收速率 决定于该离子在营养介质中的浓度 如果考虑养分的外泄 Effux 则 因此土壤中的养分浓度高低就是影响根系吸收养分的重要因子之一 当溶液中养分浓度低于某一值时 养分吸收就急剧减少 这就是养分临界值 如 当土壤磷浓度低于10 6M时 大多作物吸磷比较困难 一般作物要求的钾浓度不低于5 10 5M 但是 并不是养分浓度越高越好 当溶液中的养分浓度高于一定值时 会出现 离子吸收的双重模式 降低离子吸收的选择性 表2 2不同浓度对大麦吸收磷的影响 R S RusselandR P Martin 二 土壤养分的供应强度和容量 影响土壤向植物根系供应养分的最主要因素有 土壤溶液中的实际浓度 I 养分的补充速率 B 以及土壤剖面中有效性养分的数量 Q I就是养分供应强度 值越大 植物越容易吸收 反之 则较难吸收 Q为数量或容量因素 反映的是土壤能够提供的养分总量 B为缓冲能力 就土壤溶液中养分浓度每变化一个单位 所能得到的养分补充 即 土壤溶液中的养分 贮库 labilepool 作物生长过程中释放的养分 土壤矿物和有机质中的养分 田间根系密度 很慢 慢 快 强度因素 容量因素 速效钾 I 吸附钾 Q 土壤A 土壤B 第三节植物根际营养 植物根际是指紧靠根系的那部分土壤 一般距根表面1 2毫米 根系对这部分土壤的影响是多种多样的 其物理性质 化学性质 生物学性质完全不同于一般土体 一 根系分泌物 1 数量与特征低分子有机化合物高分子凝胶化合物特殊产物 如 异株克生物质 高铁载体细胞组织脱落物及其溶解产物 无机离子 H K Ca2 等有机分泌物的数量在1 30 之间 随着株令的增加 此比例下降 当遇到各种胁迫时 根际的有机碳分泌量增加 根系分泌的主要区域是根尖和侧根区 表2 2主根不同区域分泌32P 35S和45Ca的强度 103cpm 100mgDW 2 低分子有机溶质 根系分泌物的主要组分时糖 有机酸 氨基酸和酚类化合物 其中主要是糖和有机酸 有机酸在活化土壤养分方面有重要意义 如难溶性磷矿物 铁 锰化合物的溶解等 WhengrownunderPdeficientconditions somespeciescanform proteoidroots clustersofshortrootletsonmainrootaxes Theserootletssecreteorganicanions citrate malate andacidifytherhizospheretoincreasetheavailabilityofP TheyalsosecretewateratnightthusenhancingthediffusionofPtotherootsurface SecretionsareveryimportantforacquiringFebecause underaerobicconditionsandattheusualpHofsoils theconcentrationofFeinthesoilsolution 10 8MbetweenpH5and9 iswellbelowtheminimumconcentrationforadequateplantgrowth TwostrategiesareemployedtoincreasetheavailabilityofFe StrategyI below left isusedbydicotsandnon graminaceousmonocots Itinvolvesthesecretionofphenolicchelators acidificationoftherhizosphere andincreasedactivityofamembrane boundFeIIIreductase IronistakenupasFeII StrategyII above right isfoundonlyintheGramineaeandinvolvesthesecretionofspecificFeIIIchelatorscalledphytosiderophores ThesehaveveryhighaffinityforFeIIIandcanmobiliseFefrominsolublesources 异株克生现象银菊胶的根系分泌异肉桂酸 燕麦分泌莨菪亭 桃树根分泌的苦杏仁苷 苹果根分泌的根皮苷 苜蓿根分泌的皂角苷 冰草根分泌的嵌二萘等物质对某些植物或菌类有抑制作用 产生 异株克生 或 忌地 现象苜蓿 燕麦 冰草对树木 如苹果幼树有显著的抑制作用 梯形马塘分泌的异绿原酸 绿原酸 磺基水杨酸等对茶树有抑制作用 菟丝子对苜蓿危害很大 臭椿叶子分泌物对其有杀伤作用 匍匐冰草对玉米生长有抑制作用 异株克生现象亚麻的一些品种的根系分泌物 如氢氰酸对其它植物的繁殖 有毒害作用 葡萄与甘蓝相克 铃兰与菟丝子相克 雀菜对葡萄生长有影响 有些植物的分泌物对其它植物的生长有促进作用 豆科作物与禾本科作物 红薯种子可促进香瓜种子发芽 马铃薯的淋洗物浇到大麦上可促进其健壮生长 有些根系分泌物对根际有害微生物有抑制作物 提高作物抗病性 如大麻可以减轻后作马铃薯的晚疫病 苜蓿可以使棉花的凋萎病的发生明显降低 前作为车前草时 可以是亚麻的立枯病感染率降低 3 黏液与黏胶 黏液是根冠细胞的分泌物 也可由表皮细胞释放出来 主要成分是多糖和多聚半乳糖醛酸 黏液的分泌量与根系生长速度之间呈正相关 黏胶在土壤中 黏液中常有微生物侵入 并包埋着有机无机土壤颗粒 这种由胶状物 微生物和土壤颗粒组成的混合物称为黏胶 黏胶的作用 防止根系的干燥溶解微量养分 如铁 锌等 满足植物需要 表2 3 保护根系免受铝毒 表2 4 表2 3玉米利用难溶性FeOOH的根际效应 Jenny 1965 a b 营养液 Fe 砂 32FeOOH 表2 4在有铝和无铝的水培条件下 黏液对豇豆根生长与铝含量的影响 Host等 1982 二 根系微生物 1 根际微生物密度在土壤不灭菌的条件下 由于根系分泌物和根系脱落物的存在 为微生物生活提供了物质基础 因此根际土壤中微生物的数量激增 远远高于一般土体中的微生物数量 微生物的相对增加量一般用R S来表示 R和S分别表示根际土壤和土体中微生物的数目 R S值是随植物种类 株令等条件的变化而变化 变幅在5 50之间 通常根表面上的微生物数目由根尖至根基部是递增的 表2 5作物根际和土体中细菌数量 Rovira和Davey 1974 2 非浸染根际微生物在矿质营养上的作用 1 根系的生长与形态根际微生物一般对根系生长和根毛形成有抑制作用 一些不是病源菌的土壤真菌延缓根生长 另一些则刺激根生长 如固氮菌可激发根的扩展 而固氮螺菌可刺激根毛生长 2 植物的生理学特性与发育3 营养元素的有效性4 养分吸收过程 表2 8一些自然产生的真菌对根生长的影响 Domsch 1969 表2 9水稻供钾状况 细菌数量和营养液中的氧 铁的浓度 Trolldenier 1973 3 菌根 外生菌根外生菌根主要生长在温带的树种上 但半干旱地带的树木或灌木上也可找到 真菌菌丝穿入外皮层的细胞间隙 形成一个真菌菌丝网 并围绕着根相互编织覆盖起来 形成鞘状菌根 菌丝由鞘向外延伸并穿透土壤 受侵染的根系常常完全为菌丝覆盖 断而分支多 3 菌根 内生菌根既生长在皮层细胞内 也生长在细胞间隙中 真菌套延伸到土壤中 虽然内生菌根有几类 但是最普通的是孢囊 丛枝菌根 VAM 这种真菌生长在皮层中 并长有富含类脂的圆卵型球体 孢囊 而且高度分支 在寄主细胞内形成类吸橼结构 丛枝 似乎用于养分转移 该菌属于内囊霉科 Glomus属 3aEctomycorrhizalfungiSheathoffungus mantle surroundsrootandmaypenetratebetweenoutercellsHostformsshort stuntedrootsbuthyphaeextendseveralmetresMostassociationsintemperatetrees Beech 毛榉 oak 栎树 Willow Pine FungusmobilisesPbyexcretingphosphatasesandorganicacids Lodgepolepineseedling Pinuscontorta andfungalextensions 3bEndomycorrhizae Vesicular ArbuscularMycorrhizae VAM ArbusculesformincorticalcellsofrootIncreasesurfaceareafornutrientexchange GlomusthemostcommonfungalgenusHyphae 菌丝 extendrootsby1 10mpercm 1 浸染和能源 菌根浸染受pH 温度等各种土壤因素的影响 pH为弱酸性 温度20 25 最有利菌根浸染 缺氮时 菌根浸染率低 缺磷时 浸染率提高 寄主植物光合效率的光合效率也影响浸染 随着浸染的增加 真菌对碳的利用也逐渐增大 在62 的蚕豆根系受浸染时 真菌的生物量可占总根量的5 以上 与未浸染松树相比 浸染根系的呼吸消耗的碳高3 6倍 占净光合产物的6 10 表2 9供磷水平 根系分泌物与丹麦草根VAM浸染率的关系 J H Graham等 1981 菌根的营养作用 促进磷的吸收增加吸收范围 提高根系表面的磷酸酶活性 增加有机磷的利用 加速对难溶性磷的利用其它作用促进钾 铜 锌 铁等的吸收 减少植物对土壤病原菌 如线虫等的敏感性 提高抗性 表2 10真菌或细菌浸染根对碳酸盐土壤上薰衣草 Lavender 植株地上部干重和磷含量的影响 Azcon等 1976 表2 11在缺磷土壤上 接种VAM菌根菌与施用磷肥对植物地上部干重的影响 Gram等 1979 三 根际pH和氧化还原电位 1 根际pH根系吸收阳离子多于阴离子时 根际pH