作物根系构型特征与水肥利用效率关系的研究

论述了作物根系构型特征与根系吸收、作物抗逆性和水分、养分利用效率的关系及影响根系构型的水肥因素,以为现代农业可持续发展提供借鉴。     

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。     

基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析

【目的】构建一套由硬件和软件集成且完整而适用的虚拟植物根系技术,定量描述稻茬田冬小麦根系的三维几何构型特征。【方法】自主设计制作“根系构型数字化仪”,该数字化仪为纯机械结构,分别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂,回转臂与滑动臂都配有标尺,且3者的组合运动能保证测头在3D范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按3-5 mm厚度逐层清除并进行根系构型数字化,从而测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,实现小麦根系实体构型的数字化。将实测的小麦根系构型数据导入Pro-E软件平台,利用软件的3D造型技术完成小麦根系构型的虚拟重构,实现计算机虚拟根系与实体根系的一致性。利用软件的分析工具对虚拟重构的小麦根系构型进行计算分析,定量小麦不同时期根系的三维空间构型、根系的土体空间搜寻能力、根系总长以及根系平均增长率等指标的变化,通过不同的指标反映田间土壤环境下真实小麦根系构型的时空动态。【结果】植物根系构型数字化仪能够提供＜1 mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染、抗干扰能力强,对工作环境要求不高,可满足作物根系三维空间几何构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系三维空间几何构型重构技术也便于根系构型的深度计算与分析。冬小麦的根系构型分析结果表明,该虚拟根系技术能够直观展示小麦生长期不同时间节点的根系构型状态特征及土体空间搜寻动态,根系构型图可以反映各时期小麦根系在土体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大,越冬期小麦根系很浅,在返青及分蘖旺期小麦的根系迅速向深层土层中伸展,拔节期根系爆发迅速。【结论】由软硬件单元组构的虚拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系动态空间行为指标等作物根际生理生态行为的技术保障,其不仅直观展示了水稻土条件下冬小麦根系空间几何构型在不同时期的空间拓展状况,也能够定量根系构型的动态,因此能够满足作物根系三维空间几何构型分析的实用要求。     

南方稻麦轮作系统下小麦根系的三维分形特征

【目的】根构型直接影响作物的水肥吸收,而定量根构型的相关指标多局限于二维分析,缺乏有效的3D分析指标。论文探讨计算分析根构型3D特征的指标与操作方法,用于定量稻麦轮作制不同耕作方式对小麦根构型的影响。【方法】使用自制的根构型数字化仪,测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,获得根系构型的空间坐标。然后运用Matlab编程实现小麦根构型拓扑数据的虚拟重构,令虚拟根系再现实体根系的空间拓扑。结合分形理论与软件的计算分析功能对虚拟根构型进行分形维计算,分别获取3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度和单株总根长5个特征指标,以此表达小麦根构型在不同年度、不同耕作方式处理下的时空动态。同时建立不同年度及耕作处理下单株总根长动态与根构型3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度间的相关关系。【结果】研究发现随着作物生长期的变化,不同年份及不同耕作处理下的小麦根构型指标都表现出稳定增长的趋势。不同之处在于2010—2011年度的小麦根构型指标平稳增长,而2011—2012年度的根系生长速率变化较为剧烈。对比两个年度间的小麦根构型指标发现,免耕和旋耕两种耕作方式对小麦根构型的影响效果相反,在2010—2011年度,旋耕处理方式下的根系指标优于免耕处理方式,而在2011—2012年度,免耕处理方式下的根构型指标表现更优。对于作物生长前期(0—98 d)而言,年度变化引起的根构型指标差异显著大于耕作处理引起的差异,在作物生长后期(98—112 d),年度变化和耕作处理方式对小麦根构型指标的影响较为相近。对比小麦根构型的3D分形维指标和平面分形维指标发现,3D分形维明显区别于平面分形维,这表明根系的三维分形是根构型的必要分析指标。在不同的年度与耕作措施下,单株小麦的总根长与3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D分形丰度都满足指数模型,且显著相关,说明年度因素和耕作措施仅是影响模型的常量参数项。【结论】由计算机软硬件结合分形理论构建的田间小麦根构型的可视化和定量化分析手段是实现小麦根构型精确分析的保证,该分析过程真实再现了田间小麦根构型的时空动态。3D分形指标可以准确定量作物根构型真实的时空动态,在进行根系生长策略的选择及根土关系优化时需要考虑到田间作物根系的实际生长条件和耕作制度。     

小麦根系构型及抗旱性研究进展

小麦是全球最重要的粮食作物之一,干旱是影响其生长发育最重要的非生物胁迫因子。根系作为作物获取水分和养分的重要器官,直接决定了作物对土壤水分的利用效率。近年来,越来越多的研究表明,根系构型在植物干旱胁迫响应中发挥了重要功能。本文综述了目前根系构型在调控小麦抗旱性方面的研究进展。首先概述了根向性生长,特别是根向重力性生长对植物根系结构的塑造作用,重点总结了目前挖掘到参与根系向重力性生长的相关基因及其分子调控机制,并阐述了根向性生长调控的根系构型是如何介导小麦对干旱胁迫的适应。除了根向性生长,根系的发育过程也参与了对植物根系构型的调控,并决定植物对干旱胁迫的适应能力,因此,本文进一步综述了在干旱胁迫条件下小麦如何通过调控根系发育来改变根系形态,包括增加根长、调控侧根数量和根毛密度等,来增强小麦对土壤水分的吸收和对干旱环境的适应;同时,系统总结了干旱胁迫条件下参与调控作物（尤其是小麦）根系发育的相关基因。此外,根系作为植物地下部分,其构型的解析一直是本领域研究难点,阻碍了对根系结构与植物耐旱性关系的进一步解析,因此,本文也归纳了目前可用于小麦根系二维结构和三维结构表型分析的技术。这些技术可测量...     

植物根系研究进展

根系是植物吸收水分、养分的重要器官。根系的生长发育以及活力直接影响着植物体地上部的生长发育、营养状况。本文从根系构型研究、生理生化、细胞学以及分子生物学等四个方面着手,总结、分析了根系研究的最新进展,并对以后根系的研究重点内容进行了展望,旨在为植物根系研究和作物遗传育种提供参考。     

作物根系结构对干旱胁迫的适应性研究进展

干旱是影响植物生长和作物产量的重要环境因素,全球性的气候变化更加剧了干旱胁迫对作物生产和粮食产量的影响。根系是植株吸收水分的主要器官,它能够调节自身生长发育和对水分的吸收和运输从而对干旱胁迫产生适应性,因而根系在作物适应干旱缺水环境中发挥重要作用。从根系构型和根的解剖结构两方面总结了作物根系形态结构对干旱胁迫的适应性研究进展,并分析了目前根系结构研究方法的现状,指出通过研究方法和技术手段的进步和创新,实现根系表型特征全面、快速和精准鉴定将是未来的发展趋势,这将为抗旱节水作物品种的筛选和评价提供理论指导。     

大田群体小麦根系构型3D拓扑表型的参数化

大田作物群体根系的生理生态过程及其塑性反应必然决定根系构型特定的3D拓扑性状。为了解析大田作物地下部的生理生态过程,需要探究一种能够保留原位拓扑结构的群体根系构型测试与模型化方法,以及基于根系构型模型的表型参数设计方法。本研究以宁麦13为试验材料,利用1.5 cm等株距免耕精密播种法获取相对准确的行株距和一致的群体,在完成小麦根系构型的数字化基础上,使用Pro-E软件构建群体根系构型的3D拓扑模型,并进一步设计可供定量解析根系系塑性性状的根系构型拓扑表型参数,以侧位根长比作为根系构型拓扑表型的专用指标,使用该指标分别对小麦的幼苗期、分蘖期、拔节期进行等株距条播群体的个体植株根系构型拓扑表型的定量分析。结果表明,根系构型3D拓扑的Pro-E模型及本研究构建的表型指标能够初步捕捉到邻株根系构型规避现象,且该现象在小麦的不同生育期有所差异。在大田环境下本研究所探讨和设计的小麦根系构型的拓扑表型参数及其配套的大田群体精准控制、根系构型数据化、模型化及模型的拓扑表型参数化技术有利于捕捉大田环境群体条件下的个体小麦地下部生理生态过程。     

作物根系表型鉴定评价方法的现状与展望

根系是作物固定植株并吸收土壤水分和养分的主要器官,其表型特征直接影响作物的生产力和适应性。优化根系表型被认为是实现第二次“绿色革命”的重要途径之一。然而,根系的隐匿性、复杂性和可塑性极大地制约着根系表型鉴定效率,导致根系优化进程远远滞后于地上部器官。随着光谱成像、机器学习和三维重建等新技术的快速发展,根系表型鉴定方法逐渐由传统取样观测向原位、无损、自动化检测转变,评价依据由二维形态指标向立体构型参数拓展,促进了根系表型鉴定效率大幅提升,根系表型数据快速增长。与此同时,海量数据也带来了信息冗余及利用率低等问题,对根系表型研究提出了规范化和共享化的时代新要求。本文概述了现行主要根系表型鉴定方法的原理和技术要点,从精准度、通量和成本等方面对不同方法进行系统比较,并从使用许可、运行平台和分析方式等方面对常用根系表型量化软件进行归纳总结;进一步提出今后重点研究方向,即开发高效的田间根系表型鉴定方法,建立根系可塑性鉴定评价技术体系,加强根系解剖结构的鉴定和利用,强化分子检测技术在根系表型鉴定中的应用,推进根系表型鉴定技术规范化和数据信息共享化,以期为合理选用和改进作物根系表型鉴定评价方法提供参考,促进作物根系改良。     

间作群体作物根系营养竞争与互作效应

综述了间作群体作物根系对矿质营养和水分的竞争效应及对作物生长发育的影响,以及由于根系形态、间作作物养分需求差异、根系分泌物及土壤微生物变化等因素引起的间作作物营养互作效应。提出了3个方面的研究展望;开展间作作物根系错位效应及根系空间错位回避信号识别与传导机制研究;依托不同作物的间作竞争势及互作特点,开展作物根系竞争势等方面的科学分类及根系竞争与互作模型构建研究;不断创新根系监测与研究手段,提升作物根系研究水平,增加作物根系研究深度。     

基于SketchUp的林木根系形态模拟研究

以造林常见树种油松和落叶松的根系为研究对象,采用全挖原位记录,从根长、土层深度等方面进行分析,提出一种进行林木根系模拟的新方法——用SketchUp构建根系静态模型。结合记录表格还原出根系的立体模型。它将为进一步开展基于林木根系生长动态构型的研究及基于MRI、XCT等现代影像技术的植物根系三维构型的原位观测和定量分析技术研究提供依据。     

锡矿山重金属污染区小飞蓬根系构型的差异

为了评估小飞蓬应用于修复锡矿山土壤重金属的潜力，本研究对锡矿山不同重金属污染程度地区小飞蓬根系的构型进行了初步研究。通过小飞蓬样本的根系平均长度、表面积、体积、直径、根的连接数、节点数、根尖数、分叉数等指标变化来探究锡矿山不同重金属污染区小飞蓬根系构型的差异。结果表明，小飞蓬在锡矿山重金属污染区表现出较强的适应性和耐受性，可通过改变根系生长和构型来响应土壤重金属的胁迫，即小飞蓬在锡矿山污染土壤的植物修复领域具有潜在的利用价值。     

水稻根系育种的研究现状及展望

对水稻根系的研究方法、外界因素对根系的影响、水稻根构型与产量的关系、水稻根系育种研究存在的问题、水稻根系育种实践的展望等方面进行了综述,为今后深入研究水稻根系育种提供理论参考.     

根系分隔和施氮对蚕豆/玉米间作体系根系分布和形态的影响

为西北1熟制灌区豆科/禾本科间作体系高产高效提供科学依据,于2007年在甘肃省农业科学院武威绿洲农业试验站设计了蚕豆/玉米间作体系的田间根系分隔试验,研究蚕豆/玉米2种作物间根系分隔和施氮对作物根系空间分布、根系形态的影响.采用根系行分隔法进行田间作物间根系分隔,并用根钻法采集根系.蚕豆和玉米根系主要分布分别在0～40 cm浅土层和0～60 cm土层,且间作玉米根系在60～120 cm比根系分隔的多,较深根系分布有利于玉米的后期竞争恢复生长.玉米根系可以占据蚕豆地下部空间,而蚕豆的根却较少到间作玉米的地下部空间.种间互作和施氮增加了玉米和蚕豆在纵向和横向2个尺度上的根重密度、根长密度、根表面积、根系体积.蚕豆玉米间作和施氮扩展了2种作物根系纵向和横向的空间生态位,改变了作物根系形态,从而增加了作物水分和养分吸收的有效空间.     

作物根系原位观测识别新方法综述

根系是植物从土壤中获取养分和水分并支撑植物体的重要器官,由于根系的复杂形态及土壤的不透明属性使得对其观测困难,缺乏有效的原位根系观测方法已成为深入研究植物根系的技术瓶颈。文章从根系观测技术和根系识别算法两方面分别进行了综述。在观测技术方面,主要对微根管观测法(二维根系观测法)和计算机层析成像法(根系三维构型观测方法)及其优缺点进行了综述。在根系识别算法方面,对根系二位形态识别算法和三维构型识别算法进行了分析,指出了算法的优点和局限。最后,在对两类观测识别技术深入分析的基础上梳理出自然土壤介质下根系三维构型原位观测识别技术(计算机层析成像法)是根系定量化研究未来的发展趋势。     

根系分泌物对作物养分吸收利用的影响研究进展

根系分泌物是作物与土壤交流的主要媒介，对于土壤养分活化、作物养分吸收、作物生长等均有重要作用。为探究根系分泌物与作物、土壤和微生物之间的关系，利用不同的根系分泌物来实现种间促进、提高自然资源利用率和农业生产力，本文归纳总结了根系分泌物的分类、功能及对土壤养分（氮、磷、钾和铁）的活化、作物养分吸收和作物生长的影响，讨论了有关作物应对养分胁迫的不同机制，并提出研究展望：一是加强根系分泌物的鉴定手段，实现根系分泌物组分的原位无损伤鉴定和分析；二是运用多学科交叉知识进一步揭示根系分泌物所介导的作物养分高效利用的根土界面生物互作过程；三是加强验证根系分泌物影响植物应对生物和非生物胁迫的目标基因和微生物的功能定位研究，利用基因工程手段达到有效改善植物健康的目的；四是推进研究成果向科技应用转化的进程，利用仿生学原理将有益的根系分泌物应用到实际生产中。     

4种旱作谷类作物根系发育规律的研究

 【目的】探讨春小麦、谷子、高粱、黍子4种谷类作物根系分布的空间几何构型特点和根系生长时空分布规律。【方法】采用盆栽、根管土柱栽培、铁丝网箱栽培与田间调查相结合的方法,研究谷子、高粱、黍子、春小麦4种作物根系的生长规律。【结果】（1）4种供试作物根系的种子根数、次生根数、入土深度和根幅明显不同;根系最大入土深度为高粱＞谷子＞春小麦＞黍子;最大根幅为高粱＞黍子＞谷子＞春小麦。（2）随着生育时期的推进,谷子、黍子、春小麦和高粱根系的根长与根重的增长均表现为慢-快-慢的规律。（3）4种谷类作物苗期主要以根系纵向下扎为主,根长与根干重呈明显的“T”字型结构;拔节期春小麦根长分布呈现近似“8”字型,其它作物的根长和根重分布仍呈明显的“T”字型;抽穗期谷子、高粱、黍子根长在不同土层深度中的分布近“8”字型,而春小麦呈现近卵型。（4）4种谷类作物根重在不同深度土体中的垂直分布符合指数递减方程y=A·e-bx,但其垂直递减率b值大小不等。4种谷类作物的总根长在不同深度土体中的分布前期符合指数递减方程y=A·e-bx,但后期与多项式y=ax3+bx2+cx+d的拟合程度更好。【结论】4种谷类作物根系空间分布的存在相似性,该相似性可为谷类作物高产栽培的根系调控提供理论依据。     

植物营养与施肥（三）

同样肥料施在不同深度,效果为什么不同？ 答：不同作物根系发育程度不同,即使同一作物不同生长期,根系在土层中分布的深度也不相同。合理施肥应该把肥料大部分施在根系密集的层次,施在根系活力最强的部位．这样有利于作物吸收。小麦、水稻的根系主要分布在0～20厘米土层内，而棉花的根系大多分布在10～40厘米土层中．因此同样肥料对不同作物应施在不同深度。[第一段]     

如何把握好农作物的施肥深度

不同作物根系发育程度不同，即使同一作物不同生长期，根系在土层中分布的深度也不相同。合理施肥应该把肥料大部分施在根系密集的层次，施在根系活力最强的部位，这样有利于作物的吸收。作物根系在土壤中的分布，多数与地面里300°～600°的夹角。随着地上部植株的生长，根系在土壤中的分布面积与深度随之增加。对一年生大田作物，其生育期间的绝大部分根系分布在地面以下5～20cm的耕层内。为了使施用的肥料能尽量接近吸收根系，     

不同供磷条件下大豆根构型的适应性变化

根系的许多指标 (如根长、根质量、根吸收面积等 )与作物磷效率具有较好的相关关系 .Ｂｏｎｓｅｒ等[1] 发现菜豆磷效率的遗传变异与根的构型有关 ,根的空间构型可能是菜豆吸收磷的一个重要影响因素 .但在大豆的研究上至今还鲜有报道 .本研究将以 2个大豆基因型为材料 ,通过特殊设计的营养袋纸培系统 ,结合计算机图象分析技术 ,定量测定大豆根构型在低磷胁迫及局部供磷条件下的适应性变化及其基因型差异 ,为通过遗传改良根构型来提高磷吸收效率提供依据 .1　材料与方法供试大豆 [Ｇｌｙｃｉｎｅｍａｘ (Ｌ .)Ｍｅｒｒｉｌｌ]基因型为广州大…