利用多视角图像法分析番茄幼苗根构型对氮水平的响应

【目的】 根系作为植物从环境中获取氮素的重要器官，如何无损并高效地获取其特征参数值是当今研究热点。随着高清成像技术的迅速发展，基于多视角图像法是研究植株根构型无损测量的新型方法。本研究对根系多视角成像系统和 GIARoot 软件平台相结合的多视角图像分析法精度进行了较系统的评估。并利用此套系统动态定量分析了不同氮素水平对番茄幼苗根构型的影响，为进一步研究植物根构型与矿质元素互作提供新的手段和依据。 【方法】 本研究以“中杂 109”番茄为材料进行水培试验，设置 4、12、20 mmol/L 3 个氮处理，分别以 N4、N12、N20 表示，定植于透明玻璃柱中 16 d。利用自行设计的根系多视角成像系统获取每天根系 360°图像序列，并基于 GIARoot 软件平台对图像序列进行根系特征参数的定量计算，在第 16 d 时将根系进行破坏性取样，将 GIARoot 基于无损测定分析的图像系列结果与 WinRHIZO Pro 的破坏性取样根系扫描图的计算结果进行对比评估。 【结果】 GIARoot 与 WinRHIZO Pro 根系特征参数评估结果总体上线性回归斜率在 0.96～0.99， R2 均为 0.99， RE 为 2.95%～12.69%，根总长、根总表面积、根总体积和根平均直径的 RMSE 分别为 44.73 cm、4.96 cm2、0.09 cm3、0.05 mm，各个根系特征参数差异均不显著 ( P > 0.05)。在 N4、N12、N20 3 个氮处理下，番茄幼苗定植 16 d 内各根系特征参数值均为 N12 处理最大，且 N20 的根总长、根总表面积、根垂直投影面积、根总体积分别比 N4 的高 14.2%、13.2%、35.8%、27.7%，而 N4 的横截面最大根个数、一级侧根个数分别比 N20 的高 28.2%、30.4%。不同氮水平间，第 4 d 根总长、根总表面积、根垂直投影面积出现显著性差异 ( P < 0.05)，N12 分别比 N20 显著高 113.9%、153.7%、113.8%。第 12 d 根总体积、横截面最大根个数出现显著性差异 ( P < 0.05)，N12 分别比 N20 显著高 57.0%、117.9%。而根平均直径 16 d 内无明显差异 ( P > 0.05)，均在 0.42～0.54 mm。 【结论】 利用将多视角成像系统和 GIARoot 软件平台结合的多视角图像法，进行无损测量获取根系特征参数值是可行的。通过对不同氮水平下番茄幼苗各根系特征参数分析表明，适当提高氮浓度可以促进番茄幼苗根系生长，20 mmol/L 的高氮对根系生长具有抑制作用，且相对于根总长、根总表面积、根垂直投影面积、根总体积，这种抑制对侧根数量尤为明显，氮素浓度对根平均直径影响最小。      

氮水平对盆栽沙培番茄苗期根系三维构型与氮素利用的影响

为了研究施氮量对番茄苗期根系三维空间分布与氮素吸收利用的影响,以中杂109番茄幼苗为材料,采用沙培盆栽方式并设置3个氮素水平处理,利用~(15)N示踪法和三维数字化仪分别研究幼苗根际氮素吸收运转效率与根系三维构型。结果表明:施氮肥4 mmol/L处理番茄幼苗根系总长、根表面积和根系分支密度分别高于20 mmol/L处理16.5%、17.5%和~(15).5%;4 mmol/L处理幼苗根系三维构型是半径窄而深度深,20 mmol/L处理根系三维构型是半径宽而深度浅,4 mmol/L根系的平均深度较20 mmol/L处理高30%、但半径宽度较20 mmol/L处理低8%,12 mmol/L处理下幼苗根系半径宽度与深度均匀分布;高氮浓度会提高根系~(15)N吸收率与分配率,各器官~(15)N分配率为叶茎根,说明根际氮素转运对叶的贡献率最大;12 mmol/L处理幼苗~(15)N转运量与氮素利用率最高分别为508.3 mg/株和8.9%,20 mmol/L处理较4 mmol/L处理~(15)N转运量高128 mg/株,但是氮素利用率却降低2%。研究表明苗期管理上可以适当降低施氮量,番茄幼苗会主动改变根系三维构型来提高氮素利用效率。