作物根系构型三维探测与重建方法研究进展

根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。     

作物抗倒伏的评价方法研究进展

倒伏是由内外因素引发的植株茎秆从自然直立状态到永久错位的现象,人们在倒伏对产量和品质的影响研究方面做了大量工作,并创立了许多评价方法。笔者从作物茎秆的化学成分与形态结构、力学原理和QTL定位等方面对抗倒伏的评价方法进行了总结:纤维素和木质素的含量多少与倒伏有紧密的联系;同时,作物的株高、茎节的长度、单茎的鲜重以及维管束的面积、密度、视野中的数量等许多形态显微结构与倒伏亦有关系;许多专家利用力学原理对多种作物的抗倒能力进行了实验,最后,对研究作物倒伏评价方法的研究方向进行了探讨。     

小麦作物模型研究进展

作物模型是农业模型的重要内容,主要分为作物生长模型和作物形态结构模型以及作物结构功能模型。本文从小麦生长模型和小麦结构功能模型及可视化两方面,较系统综述了国内外具有代表性的生长模型和小麦地上部与根系的形态模拟及可视化的研究进展。在小麦生长模型方面,对美国的CERES-Wheat模型、荷兰的作物模型、澳大利亚的APSIM-Wheat模型和中国的WCSODS四种小麦生长模型进行了概述,并对小麦生长模型的发展趋势进行了探讨。在小麦结构功能模型方面,根据研究器官的不同对根系、茎杆、叶和麦穗的形态结构模型与可视化的研究进展进行了综述。最后,对小麦作物模型存在的问题及发展前景进行了总结。     

几何形态测量学及其在鱼类生态学研究中的应用进展

几何形态测量学为基于笛卡尔地标点的形状统计分析方法。该方法能够较完整地保留原始样本的形态信息,并配合使用数学与统计学方法对形态数据进行分析,目前已广泛应用至包括鱼类生态学在内的诸多领域中。本文简要概述了几何形态测量学的发展、重要概念、研究方法及其在鱼类生态学中的研究进展。几何形态测量学在鱼类生态学领域中的应用可概括为环境对个体发育的影响、适应辐射、功能形态与生态等三个方面。分析结果认为,几何形态测量学能够在生态学研究中较为细致地反映形态差异并配合后续数据分析,但仍需加强理论研究和技术手段开发。该方法在反映功能形态、结合系统发育、多角度或三维形态分析等方面均大有可为。     

小麦生长模拟与三维可视化系统构建技术研究

作物生长过程的三维可视化是虚拟作物研究的关键技术之一,针对小麦形态结构复杂,小麦生长可视化不易实现的问题,以小麦作物为对象,在已有研究成果基础上,结合小麦生长模拟模型和形态结构模型,从系统结构与功能、系统设计与实现、真实感图形渲染技术（颜色渲染、纹理映射、光照处理）等方面入手,构建小麦生长模拟与三维可视化系统,实现了小麦生长模型和形态结构模型的有机结合,最终实现了小麦生长过程的三维可视化。小麦生长模拟与三维可视化系统将为小麦作物生长动态预测、栽培管理调控、作物株型设计等提供形象逼真的可视化工具,为小麦理想株型筛选,高产、高效、抗倒伏设计与优化等提供技术支撑。     

豆科禾本科作物间作的根际生物过程研究进展

间作作为一种可持续发展的种植模式不仅具有产量和养分获取的优势,而且能够保证粮食安全、降低作物减产风险。在众多间作组合中,豆科禾本科作物间作由于种间促进及生态位互补作用,而在世界范围内被广泛应用。根际是作物-土壤-微生物相互作用的界面,是养分、水分及有害物质从土壤进入作物系统参与食物链物质循环的必经门户,在根际中所发生的生物过程不仅决定着养分的供应量和有效性,而且也影响着作物的生产力和养分利用效率。因此,本文从豆科禾本科间作的根际生物过程角度出发,综述了豆科禾本科间作对根系形态、根际微生物、根系分泌物及其生态效应的研究进展,为豆科禾本科间作体系在修复重金属污染土壤、提高土壤中养分有效性以及植物遗传改良等方面的应用提供理论依据。     

基于形态特征参数的稻穗几何建模及可视化研究

 【目的】建立基于形态特征参数的稻穗几何模型,实现稻穗的可视化。【方法】通过对稻穗形态建成过程中关键特征的观测分析,利用三维几何建模技术,构建基于形态特征参数的稻穗几何模型,包括穗曲线、穗轴、次枝梗和小穗几何模型;用Bezier曲线来拟合穗曲线,将二维空间的穗曲线映射到三维空间,构建穗轴几何模型;用一段穗轴及圆柱体模拟一次枝梗和二次枝梗;并分别用椭球体及圆柱体模拟小穗的谷粒及小枝梗,最后基于稻穗的拓扑结构,构建稻穗几何模型。模型参数主要有穗长、穗倾角、一次枝梗长、一次枝梗数目、二次枝梗长、二次枝梗数目、谷粒大小等。【结果】在稻穗几何模型基础上,基于OpenGL图形平台,实现了稻穗生长过程的三维可视化, 较好地描述了稻穗形态建成过程。【结论】稻穗的可视化为建立可视化水稻生长系统奠定了基础,同时对其它作物的可视化表达也有很好的借鉴意义。     

全球禾-豆生产系统作物多样性变化特征及其影响

为探索作物多样性变化对作物生产的影响,利用规模优势指数等方法系统分析1961—2017年全球主要禾本科与豆科作物生产和农业投入等特征。结果表明:1)1961—2017年,全球玉米和水稻收获面积显著增加,欧洲、亚洲和非洲的主要禾本科作物规模优势指数呈上升趋势;大豆是全球种植规模最大的豆科作物,1961—2017年来大豆收获面积显著增加,南美洲和北美洲的豆科作物规模优势指数呈上升趋势;全球主要禾本科和豆科作物产量和单产水平均显著提高。2)2002—2017年,全球农业生产中氮肥、磷肥、钾肥和农药投入总量均明显增加,其中中国和亚洲其他国家(地区)农业生产投入总量最大。3)2002—2017年,在主要禾本科作物规模优势明显地区,主要禾本科作物规模优势指数的增加会导致单位面积化肥和农药投入量显著提高,而豆科作物规模优势指数的增加会使单位面积化肥和农药投入量显著减小。因此,在中国等主要禾本科作物多样性指数大的地区,可适当提高豆科作物多样性对于减少化肥农药投入、提升作物生产系统的可持续发展。     

玉米不同叶位叶解剖结构的研究：Ⅱ.不同叶位叶片维管束系统的观察

本文为玉米叶片结构研究第二报。从作物的生理机能角度出发探求形态及解剖组织结构方面的问题一直是人们较为关心的课题。六十年代中期C_4光合途径的阐明为这一研究开辟了广阔的前景。到目前为止有关作物的形态结构问题特别是叶片的结构方面的研究已远非昔日仅限于植物学意义的描述,而无论从深度还是广度上都显示着结构与功能关系的统一。     

油菜作物模型研究进展

作物模型是农业模型的重要内容,主要分为作物生长模型和作物形态结构模型。从油菜生长模型和油菜形态结构模型及可视化两方面,较系统综述了油菜作物的发育、生长（光合、呼吸、分配等）、水分平衡、氮素平衡、器官建成及管理等方面的国内外研究进展,分析了油菜模型的研究现状及存在问题,并展望了未来油菜作物模型的发展前景。     

几何形态测量学及其在半翅目中的研究进展

几何形态测量学是基于笛卡尔地标点的形状统计分析方法。它能够完整地保留原始样本的几何形态信息,并配合使用复杂的统计学计算对生物形态进行分析。几何形态测量学在生物学领域应用广泛,其原理和方法在生物的分类、系统发育、昆虫监控及昆虫空间结构等研究中发挥着非常重要的作用。本文主要对几何形态测量学的发展、重要概念、研究方法及其在半翅目昆虫中的研究进展做简单阐述。     

禾本科作物实现生物固氮的途径

长期以来,人们寄希望生物固氮在不久的将来能为禾本科作物提供大量的氮源,最终实现禾本科作物自主生物固氮。为此,各国科学家一百多年来从各个方面对生物固氮这一大自然的恩赐进行了长期研究和探索,已取得许多重要成果。在禾本科作物实现其生物固氮方面,经过多年的努力,已取得很多重要进展。一、联合固氮关系的紧密化和有效化是禾本科作物实现生物固氮的近期目标联合作用是指固氮微生物在禾本科等植物根际、根表籍趋化和营养关系,两者所形成的一种松散、互利的形式。这种联合固氮不足之处一是特异性差,联合关系不稳定;二是固氮能力…     

中国作物模型系列的研究与应用

农业模型是“数字农业”的核心技术之一,作物模型是农业模型的重要内容。本文从中国作物模型技术初创、发展、中国作物模型系列的形成以及中国作物模型系列的原理、结构与功能等方面,回顾与分析了中国作物模型系列的研究过程与创新点等,同时列举了其在全国范围的应用情况,在此基础上,提出了进一步完善与发展的思路。     

作物分蘖影响因素研究进展

分蘖作为禾本科作物的重要农艺性状,是评估作物生产潜力的关键指标,并对作物高产目标的实现有重要意义。本文从植物激素、遗传基因及外界环境因素3个方面阐述了作物分蘖发生的主要影响因素,以期为作物分蘖研究提供一定的理论参考。     

水稻花序结构调控机制研究进展

禾本科作物的花序结构直接影响穗粒数和最终产量,其多样性主要依赖于分枝模式和花的位置。水稻作为研究禾本科作物的模式植物,有关花序结构的调控机制已取得重大进展,对花序发育调控因素的概述,将有助于水稻穗型的遗传改良和高产育种。水稻花序发育始于顶端分生组织向花序分生组织转变,之后生成花序轴分生组织、一次枝梗分生组织、二次枝梗分生组织、小穗分生组织和小花分生组织。花序相关分生组织受到众多基因调控,形成一个复杂的遗传网络,发育过程中任一节点发生变化都会导致穗型发生变化。在改良过程中,调控影响花序发育基因的时空表达,组合相关优异等位基因,更有利于优化水稻穗型;在驯化过程中,穗型受到选择,水稻花序结构调整为更有利于增加小穗数量的结构。有关水稻花序发育影响因子的研究,将有利于穗型遗传改良,并为分子设计育种提供理论支撑。对影响水稻花序发育过程中各因子进行梳理,并对其在调控花序结构过程中的路径进行概括,水稻作为模式作物对其花序结构遗传调控网络的研究,为禾本科作物花序发育研究提供重要参考。     

植物茎端分生组织CLV/WUS信号途径的研究进展

高等植物的最终形态主要依赖于茎端分生组织的发育调控,拟南芥CLV/WUS途径是茎端分生组织最重要的调控机制之一。CLV途径促进器官发生,WUS途径诱导分生组织细胞增殖,它们构成了负反馈调节环,保证了拟南芥分生组织的正常增殖与分化。利用突变体基因克隆和系统发育比较,证实了CLV和WUS的同源基因也存在于以水稻和玉米为代表的禾本科作物中,说明CLV/WUS信号途径在禾本科作物中很可能是保守的。由于禾本科作物茎端分生组织的发育最终关系到作物的产量和品质,因此,深入研究禾本科作物的CLV/WUS信号途径将有助于禾本科作物的遗传改良。     

西瓜三维形态几何建模和真实感绘制技术研究

 【目的】实现西瓜形态的数字化设计和生长的可视化模拟。【方法】提出一种基于B样条曲线的西瓜器官几何造型方法,并利用位置信息和茸毛生成技术描述器官的局部细节特征;依据西瓜器官的主要形态特征,提取器官几何模型的主控参数,参数具有较明确的农学意义,结合模板技术实现西瓜主要器官和植株三维形态结构的交互式设计;同时也可以根据西瓜植株拓扑结构发展规律,通过动态驱动参数化器官几何模型的方法实现植株生长的可视化模拟。【结果】本文提出的西瓜器官三维形态建模和植株结构交互式生成方法易于与农业知识结合,所重构的形态模型具有较好的真实感效果。【结论】文章提出的方法具有较好的普适性,为瓜果类作物三维形态的交互设计和形态模拟提供了实用的方法和手段。     

不同间作组合和间作方式对花生铁营养状况的影响

 在田间条件下 ,通过分泌麦根酸能力不同的 5种禾本科作物 (大麦 >燕麦 >小麦 >玉米 >高粱 )分别与花生间作对花生铁营养影响的比较结果表明 ,5种禾本科作物与花生间作都能够改善花生的铁营养状况。尽管玉米、高粱分泌植物铁载体的能力低于麦类作物 ,但它们在改善花生铁营养的效应方面具有同样的作用 ,对于玉米而言 ,即使根分泌植物铁载体相对较少也足以改善花生的铁营养。在每一种间作种植中 ,间作方式II(禾本科作物∶花生∶禾本科作物间作的行数比为 2∶3∶2 )改善花生铁营养的效果明显地好于间作方式I(禾本科作物∶花生∶禾本科作物间作的行数比为 2∶6∶2 ) ,这主要是由于在间作方式II中 ,禾本科作物的根际作用对花生的影响远远大于间作方式I所致     

河北省保定市麦田禾本科杂草发生情况调查

采用随机取点和倒置＂W＂取样相结合的方法,对河北省保定市麦田禾本科杂草的发生情况进行了调查。结果表明：保定市麦田禾本科杂草主要为雀麦和节节麦,主要分布在定州、望都和保定市郊区;安新县麦田仅有少量雀麦发生;定州市麦田禾本科杂草主要为雀麦和节节麦,相对多度分别为26.6%和3.7%;望都县麦田禾本科杂草主要为雀麦和节节麦,相对多度分别为27.6%和12.5%;保定市郊区麦田禾本科杂草主要为雀麦和节节麦,相对多度分别为18.2%和22.2%。     

河北省邯郸市麦田禾本科杂草发生情况调查

采用随机取点和倒置“W”取样相结合的方法,对河北省邯郸市麦田禾本科杂草的发生情况进行了调查。结果表明：邯郸市麦田禾本科杂草主要为节节麦、日本看麦娘和野燕麦。不同调查县份的禾本科杂草优势种类差异很大。永年县麦田禾本科杂草主要为日本看麦娘和节节麦,相对多度分别为41.7％和40.6％;磁县麦田禾本科杂草主要为节节麦、日本看麦娘和野燕麦,相对多度分别为28.4％、4.0％和1.9％;肥乡县和曲周县麦田禾本科杂草主要为节节麦,相对多度分别为5.1％和9.4％。