植物根系是如何吸收矿质养分的？

(1)土壤矿质养分(离子)向根表的迁移;

(2)离子吸附在根部细胞膜表面;

(3)离子跨膜运输进入根细胞质(根细胞内部)。

图1根系矿质养分吸收过程简图

01

根系吸收养分的部位

若要了解根系对养分的吸收，首先需要知道根尖的结构。如图2所示，根尖从顶端依次分为根冠，分生区，伸长区，成熟区。对于根系来说，无论主根还是侧根都具有根尖，根尖是根系生命活动最为活跃的部分，扮演着吸收养分的重要角色。通常，根尖成熟区根毛的寿命只有1-2周，根毛死亡之后，伸长区就会产生新的根毛来补充，所以根毛区一直在向前推移，也改变了根系在土壤中吸收养分的位置。根毛的形成大大增加了根系吸收养分的面积，但是根毛易受土壤湿度影响，在干旱的土壤里几乎不能发育。

图2根尖示意图及各分区功能

02

根系吸收养分的过程

2.1土壤矿质养分向根表的迁移

对于整个土壤空间来说，根系分布只占了约3%的体积，仅仅依靠根系主动去觅食养分是不能满足作物生长的需求，所以养分向根表的迁移是植物获取养分的重要途径。土壤养分向根表迁移途径主要有三种：主动截获，质流，扩散，如图3所示。

表1根系获取大量元素(养分)的途径

(1)对于根系来说，主动截获就是根“走”到哪就“吃”到哪，直接从接触的土壤中获取养分。但该方式获取的养分只占极少部分，主要还是通过质流或扩散获取。

(2)根系质流取决于根系吸水和植物的蒸腾作用，此过程植物体内形成不断将水分向上拉的“拉力”，导致土壤溶液与根表面形成压力差，该压力促使土壤养分随水分向根表迁移。

(3)根系不断从土壤中吸收养分，导致根区土壤的养分浓度降低，离根区较远土壤的养分浓度相对较高，有助养分向低浓度区域扩散，进而到达根表。

不论质流还是扩散，若要完成养分向根表的迁移，必须有水作为媒介。也就是说，肥料只有溶解在水里面才能到达根表被吸收，否则养分就变成了无效养分，无法被根系吸收。

图3土壤养分向根表迁移示意图

2.2养分离子吸附在根细胞膜表面

根表面的离子通过质外体(细胞壁和细胞间隙等空间构成)途径到达根细胞膜上，并且与根细胞表面的离子( H+ 和HCO3 - ，由根呼吸产生)发生交换，并吸附在细胞膜上的吸附位点，如图4。

图4离子在细胞膜上的吸附示意图(以钾离子为例)

2.3养分离子的跨膜运输

细胞膜是离子进入细胞的最主要和最终的屏障，到达细胞膜吸附位点的离子需要通过跨膜运输途径才能进入细胞质内，再经其它途径到达植物体内。而离子的跨膜运输方式有以下三种类型(如图5)：简单扩散、协助扩散、主动运输(载体运输、离子通道、离子泵)。

(1)简单扩散就是细胞膜内外溶液中的离子存在浓度差时，离子顺浓度梯度从高浓度区进入低浓度区。此过程不需要任何载体(蛋白类物质)和能量(ATP);

(2)协助扩散类似于简单扩散，细胞膜内外溶液存在浓度差即可。但此过程的发生需要载体，不需要能量;

(3)主动运输是离子逆浓度梯度从低浓度区运输到高浓度区，植物吸收矿质养分主要就依靠这种运输方式。进行此过程需要载体和能量。

图5离子跨膜运输示意图

文中所述即为根系吸收矿质养分的过程，该过程受诸多因素的影响，例如土壤养分浓度、光照、温度、土壤水分和pH等，在此不做详细阐述。矿质养分被根系吸收后，经过共质体或质外体途径，将养分从根表运输到中柱，再经过木质部输送到地上部，供植物吸收利用。