植物根系及其功能

006植物的根系及其功能     植物根系是养分和水分主要的吸收器官，它的生长状况直接影响到植物地上部的生长，如果根系生长不良，就会影响到地上部的生长，而生长不良的地上部又加剧了地下部生长的恶化。无土栽培的显著优越性之一就现在植物的根际环境要比土壤的易于控制。为了充分发挥无土栽培的优势，有必要了解有关植物根系的结构、形态及其功能。     一、根系的形态和结构     (一)根系的形态     一株植株所有的根的总体称为根系。植物从种子萌发开始，胚根从种皮中伸出并向下生长，这种从胚中长出的根称为主根，随着生长过程的进行，又会在主根上长出侧根，而当侧根长到一定的时候又会长出次一级的侧根，这样不断生长就形成了一个植物的根系。     植物种类不同，主根及其侧根的生长情况也不一样。按照植物根系形态的不同，一般可将根系分为直根系根系和须根系两种类型。凡是有一个明显主根的根系叫直根系，例如许多的双子叶植物如瓜类、豆类、茄果类等作物的根系就是属于直根系。直根系的作物根系主次分明，分层清楚，伸入土壤较深。凡是没有明显主根的根系称为须根系，例如禾本科作物、水生作物、葱、蒜等作物。在种植萌发之后，胚根生长不久，就停止了生长而由下胚轴和茎下部的节上长出许多不定根。须根系作物的根系主次不清，伸入土壤较浅，整个根系呈须状。     (二)根系的结构     根系的外观是圆柱形的，从根基部到根尖逐渐变细。如果把根从根尖向根基部观察，可依次分为根冠、分生区、伸长区和成熟区(根毛区)这五个部分；如果从根的横切面从外向根内观察，可分为表皮、(外)皮层、内皮层和中柱这4个部分。     二、根系的功能     无土栽培创造的根系生长的水分、养分和氧气的供应等的条件比土壤栽培的来得好，这些条件的改善可促使根系的功能更好地发挥出来。根系具有的功能主要有以下几种：     1、根系的支撑功能     土壤栽培中，根系的生长可使植物固定在土壤中，支撑起地上部使之保持直立而正常生长。而在无土栽培中，因其栽培方式与土壤栽培不同，根系的支撑功能表现得不尽相同，例如水培和喷雾培中，植株的固定和支撑是靠一些人为的来进行的，根系飘浮在营养液或悬空露在潮湿的空气中，因此根系的支撑作用不大，而在基质栽培中，如沙培、砾培、岩棉培中，根系的支撑功能仍与土壤栽培的一样重要。 　     2、根系的吸收功能     根系的吸收功能是根系最主要的生理功能之一。根系吸收的物质包括水分、无机盐类的分子或离子、简单的小分子有机化合物以及气体等。根系不同的部位，由于其成熟程度不同，组织的分化程度有很大的差别，因此不同的部位对水分和养分的吸收能力是不一样的。从根尖开始至根基部来看，根冠对水和养分的吸收能力较差，而在靠近生长点附近的分生区对养分的吸收能力最强，而对水分的吸收最旺盛的则是在根毛区。随着远离根尖而靠近根基部，随着组织的老熟，水分和养分的吸收能力逐渐降低。     3、根系的输导功能     根系的输导功能是指根系将其吸收的水分、无机盐类和其它物质以及根系代谢形成的物质输送到地上部供其生长所需，同时也可将地上部生产的有机物质运送到根部。     4、根系的代谢功能     根系中可进行许多物质的代谢过程。根系吸收了NO3--N或NH4+-N以后，有一部分迁移至地上部参与代谢，另一部分在根系内部形成氨基酸等有机氮化合物之后才运输至地上部参与代谢。根系还能够合成对植物生长有很大影响的激素和生物碱，例如植物体内约1/3的赤霉素是在根内合成的；细胞分裂素主要是在根尖的分生组织中合成的。根系在生长的过程中，还会分泌出有机酸等有机化合物，它们可以在一定的程度上溶解介质中难溶性的化合物而成为植物易吸收态的，也可以促使根际微生物的生长。根系分泌物往往会在养分缺乏、过多或干旱等逆境胁迫的条件下而大幅度增加。在干旱时，根系还会分泌出水分以溶解养分，使之易被根系吸收。根系对外界物质的吸收是有选择性的，例如耐盐植物可阻止介质中的Na+过分进入体内。根系还具有不同程度的氧化力和还原力，可阻止外界有害的物质进入体内或使得某些元素的有效性增强。例如，根系通过其氧化力把根际附近过量的、可能对植物有害的二价铁(Fe2+)氧化为三价铁(Fe3+)；当铁供应不足时，根系可通过其还原力把介质中的三价铁还原为植物根系容易吸收的二价铁。     5、根系的贮藏功能     有些植物的根系还是养分的贮藏器官。这些作物的根系膨大而使得养分贮藏起来。例如，胡萝卜、萝卜、芜箐、甜菜等的主根膨大形成养分贮藏器官，也有像番薯等由侧根膨大发育成养分贮藏器官的。大多数作物的根系虽然不膨大，但也贮藏了许多的养分。     6、根系与其它微生物共生的功能     根系生长过程中会分泌出许多代谢产物，例如多种氨基酸、糖、有机酸、核苷酸和酶等，这些分泌物会吸引许多微生物在根际附近的区域(根际)大量繁殖。这些微生物大量繁殖的结果是一方面促进了根际难溶性营养元素的溶解，另一方面微生物活动过程产生的代谢产物如激素、核苷酸、维生素等可直接供给作物吸收作用。有些作物，例如豆科作物可与根瘤菌共生形成根瘤，直接利用空气中的氮素，为豆科寄主作物提供了氮素营养。     7、根系的繁殖功能     有许多作物的根部可形成不定芽，而这些不定芽可以形成新的植株，因此可作为繁殖用途。但有些作物的根部不能形成不定芽，只有受到刺激(如受到伤害或人为地供给激素)后才能形成不定芽用于繁殖。     三、根系对淹水的适应性     植物的进化过程是由水生植物逐步进化为高等的陆生植物的，其根系在进化的过程中长期所生长的环境不同，其结构上出现了明显的差异。一般可将植物按其生长的生态环境及根系对淹水的适应性不同分为水生植物、沼泽性植物或半沼泽性植物和旱生植物这三类。     水生植物的根系有些只是起到固定植株的功能，其吸收功能主要依靠叶片来进行。而沼泽性或半沼泽性植物如水稻、蕹菜等其体内具有输导氧气到根系以供根系生长所需的生理途径或通道，因此，在较长时间的淹水仍可正常生长；而旱生植物在长期的进化过程为了适应旱地生态环境，根系的根尖部分形成了根冠，为了增大根系的吸收面积而产生了浓密的根毛，而叶片逐渐变成以气体交换和光能利用为主的光合作用场所。旱生植物的根系一般不耐淹水，较长时间的淹水，特别是水中氧气经根系消耗之后不能够得到马上补充的情况下，根系较容易出现腐烂甚至死亡的现象。     我们以深液流水培和土壤栽培节瓜根系在显微镜下观察发现，节瓜这种旱生植物在浸水之后根内细胞变大，细胞之间的孔隙增加，植株体内的营养元素含量大大超过了土壤栽培的植株。这可能是在水培条件下根系结构产生了适应性变化。许许多多的研究和生产实践证明，在水培条件下，如果能够给根系生长提供足够的氧气，并且其它生长条件也较合适的情况下，即使旱生植物仍可生长良好。     在无土栽培(水培)作物时，无论是深液流水培或者是浅层液流的水培(如营养液膜技术)，创造条件以确保作物根系氧气的充足供应是取得种植成功的关键技术之一。在水培中作物所需的氧气相当一部分是依靠生长在营养液中的那部分根系直接吸收溶解在营养液中的氧气来获得的，另外有部分是依靠裸露于液面的根系(往往是处于湿度较大的种植槽空间中)直接吸收空气中的氧气来获得的。只不过液面的深浅和营养液中溶解氧的含量不同以及裸露于空气的根系数量的多少的不同而有差异。一般地，裸露于空气的根系所占的比例越大，营养液中的溶解氧含量越高，作物根系的生长就越好；反之亦然。