植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。     

基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现.引入了植物根系的"管道模型",使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合.     

基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现。引入了植物根系的“管道模型”,使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合。     

作物生长实现数字化分析

本项目研究人员经努力实现了玉米、水稻实株型结构数字化设计，为超高产育种、资源高效利用提供了先进的高新技术研究手段。提出了一种植物拓扑结构建模方法和基于结构一功能模型的虚拟植物生长的体系架构，建立了基于数字化技术的植物形态结构信息采集系统与植物器官形态描述模型，对玉米、水稻等主要农作物形态进行了三维数字化测定，构建了器官形态描述模型与参数库，实现了叶片生长过程中的3维空间取向规律与冠层空间光分布的3维模拟的定量分析，并基于双尺度自动机和马尔可夫过程原理，构建了根系生长的模拟模型。     

植物根系的分形及计算机模拟

基于计算机图像技术和分形理论,建立了植物根系分形度量的计算机模型,实现了对植物根系生长过程发育形态的计算机模拟。应用上述模型计算植物根系的分形维数与实际度量的维数基本一致,构造模拟的根系形态与实物不仅具有相近的分形维数,而且形态也非常相似。     

间作植物根系对Pb斑块胁迫适应机制

为研究间作体系植物根系受Pb胁迫的形态学适应机制,利用根箱试验设计Pb斑块胁迫下玉米、小花南芥单作和玉米与小花南芥间作处理。结果表明:在Pb斑块(0、1000 mg·kg~(-1))处理根箱条件下,间作小花南芥根生物量的相对关系指数显著增加,小花南芥根趋向有Pb斑块生长,根系表面积显著增加,间作模式极显著影响小花南芥根系形态;间作玉米根生物量的相对关系指数显著降低,玉米根趋向无Pb斑块生长,Pb处理极显著影响玉米根系形态。径级在1.5 mmd3≤2.5 mm根表面积显著影响间作小花南芥与玉米对Pb的响应。研究表明,根间相互作用激发小花南芥根系趋向Pb斑块,玉米根系趋向无Pb斑块,揭示了超富集植物与作物间作体系促进两种植物根系趋向性适应的重要原因。     

小麦苗期根系三维生长动态模型的建立与应用

【目的】构建小麦根系的三维动态模拟模型，并对模型进行初步的评估。【方法】采用GREENLAB植物功能-结构模型的原理，在根系生长发育基本单元基础上，模拟了根系的拓扑结构；通过模拟不同根个体（库）对植株分配给根系的生物量（源）的竞争，实现了生物量在根系中的分配；根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算。通过温室土柱栽培试验对小麦苗期根系结构与生物量进行了测定，获取了模型参数，进行了小麦苗期根系结构与生物量分配的模拟与分析，并以三维可视化的方式给出根系的形态结构空间分布。【结果】通过模拟根系生物量在各类根个体中的分配并依据根个体生物量与形态的关系，该模型可以定量化地模拟根系结构生长的动态变化过程；不同类型根的长度测定值与模拟值的均方根差值在1.2～35.0 cm之间变化，相对误差值在0.01到0.23之间变化，R2在0.42～0.94之间变化；对模型参数灵敏性分析表明，模拟结果对参数变化的响应比较适中。【结论】GREENLAB模型的原理可以应用于对作物根系形态结构和生物量分配的动态模拟；模型参数的选择是合理的，构建的模型能够从机理层次反映根系的生长发育过程。     

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。     

谷氨酸调节根系形态建成的研究进展

根系的主要生理学功能是在土壤中探寻并获取所需要的物质,以维持植物的正常生长与发育。根系形态的建成通常能够随着土壤环境的变化而做出适应性调整,以利于其竞争土壤中的养分、水分等。阐述了L-谷氨酸（L-Glu）在高等植物氮代谢过程中的核心作用位置、在植物体内外环境中浓度变化状况,以及其作为生物信号分子有着远古的进化起源等。综述了近期所发现的关于外源L-Glu调控根系生长发育的生物学特征,并讨论了L-Glu调控根系生长与形态结构的可能性分子遗传学机理,这对认识植物有效竞争土壤中的有机（氮源）营养具有重要的生态学和农学意义。     

虚拟植物研究现状与建模方法分析

虚拟植物是现代数字化农业和精准农业核心部分之一,在计算机、农业、林业、教学等领域应用前景广阔。根据研究策略和研究难点不同将研究对象分为地表上植物模型和根系模型2个部分。针对地表上植物(茎叶系统)模型,在阅读大量国内外文献的基础上,按研究尺度不同将各学者研究成果分为植物整体形态模拟、植物器官三维建模、植物生长过程模拟、植物结构-功能并行模拟四大类,并分别综述其研究现状;针对根系模型,从农业角度出发,综述常见农作物根系生理生态模型的研究进展。综合以上植物模型的研究方法,对虚拟植物建模方法进行总结分析。最后简述了虚拟植物研究重点与难点并对其发展趋势进行展望。     

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.     

低磷条件下玉米‖蚕豆间作作物根系间距对玉米磷吸收的影响

为探究不同根系间距下禾本科作物玉米(生长和磷吸收)受相邻作物玉米或蚕豆的影响，本研究以玉米为目标作物，通过圆柱形根箱培养试验，设置单株玉米、单作玉米、玉米‖蚕豆间作并改变相邻作物根系间距，探究低磷条件下，不同根系间距的相邻作物对目标玉米的生长、磷吸收和根际过程的影响。结果表明:1)与单株玉米相比，目标作物玉米与相邻作物玉米和蚕豆之间均以竞争为主，当作物根系间距较近时，单作玉米的生物量、磷含量分别下降21%、33%，间作玉米分别下降34%、31%；当作物根系间距较远时，单作玉米的生物量、磷含量分别下降10%、15%，间作玉米分别下降29%、29%。2)当根系间距较近时，蚕豆的根际pH低于玉米，且间作玉米和蚕豆之间的根际pH存在显著差异，而在根系间距较远的处理中两作物的根际pH无差异；相邻作物根系间距较远时，间作玉米的根际有机酸浓度显著高于单作玉米，间作玉米与单作玉米的根际有机酸浓度在根系间距较近时无差异。3)不同处理中单作和间作玉米的总根长、总根表面积无差异。综上所述，在低磷条件下，单作玉米的种内竞争强度随根系间距的增大而降低；而在不同根系间距下，间作玉米与蚕豆的种间竞争强度相似且无种间磷吸收促进作用。因此，种间根际互作形成的磷吸收竞争作用或促进作用依赖于适度的土壤磷供应。     

西瓜与旱作水稻间作改善西瓜连作障碍及对土壤微生物区系的影响

 【目的】探讨西瓜与旱作水稻间作减缓西瓜连作障碍的可行性,并从微生物多样性与连作障碍关系角度阐释该方法的作用机理。【方法】盆栽方法研究西瓜与旱作水稻间作改善西瓜连作障碍的效果,传统微生物计数及磷脂脂肪酸（PLFA）法研究西瓜根际土壤微生物区系。【结果】西瓜连作土壤上单作西瓜其枯萎病发病率为 66.7%,死亡率为44.4%,与旱作水稻间作后西瓜生长正常。西瓜定植30 d后,间作处理西瓜根际的尖孢镰刀菌数量显著低于单作;50 d后,间作西瓜根际土中的真菌数量显著低于单作,而细菌、放线菌及总微生物数量均显著高于单作。磷脂脂肪酸（PLFA）法分析土壤微生物多样性发现,单作处理的西瓜根际土壤中真菌数量较多,细菌数量较少,而且主要是革兰氏阳性菌,而间作西瓜根际则含有较多的革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和放线菌。间作处理西瓜体内的丙二醛（MDA）含量及保护性酶类如根系及叶片中的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）和根系中的苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性均显著低于单作西瓜。【结论】西瓜与旱作水稻间作条件下西瓜根际尖孢镰刀菌数量显著降低,根际微生物区系向细菌与放线菌占主导的趋势发展,有效防止了西瓜枯萎病的发生,改善了西瓜连作障碍。     

根际微生态系统理论在我国农业高产高效中的作用——间套种作物种间的根际微生态效应的发现及应用前景

近年来我们通过田间、盆栽、根箱试验对间作套种种间根际相互作用进行了系列研究,并对根际微生态理论在间套作中的应用进行了初步探讨.结果表明,根际效应对间作作物产量优势具有重要贡献,边行增产的84.4%(小麦-玉米)和53.6%(小麦-大豆)中,根际交换作用的贡献分别为37.8和23.2个百分点.     

间甲酚和供磷对小麦间作蚕豆生产力和组分竞争力的影响

通过盆栽试验研究了3个磷水平下化感物质间甲酚对小麦间作蚕豆生产力和级分竞争力的影响。结果表明,间作较单作具有显著增产作用,100mgP2O5土(P1)的施磷水平下复合群体的生物产量最高;施磷可显著降低间甲酚对小麦间作蚕豆生物产量和经济产量的化感效应,间作小麦经济产量受间甲酚的负效应低于单作。间作小麦经济系数(HI)在不施磷和施磷水平为P1时高于单作小麦,施磷量增大结果相反,间作蚕豆HI在施磷量为P1时高于单作;施磷可缓解间甲酚对小麦、蚕豆经济系数的化感作用,间作小麦经济系数受抑程度小于单作,施磷水平为P1时间作蚕豆HI受抑程度小于单作。施磷和间甲酚可增强小麦蚕豆复合群体中小麦相对于蚕豆的竞争力。     

全周期间作模式胶园中间作大豆和玉米的生产力及其抗逆生理特性

通过观测光照、生物量和抗逆生理等指标,研究全周期间作模式胶园中间作大豆和玉米的生长和抗逆生理指标的特性变化。结果表明,全周期间作模式胶园中光照时长约为空旷地(单作)的18%~36%,对大豆和玉米的叶绿素含量、株高和茎粗存在不同程度的影响。间作处理大豆产量显著低于单作处理,为单作处理的60.2%(P0.05),而间作玉米则绝产。靠近橡胶树两边的作物产量和生物量低于宽行中间区域,其中宽行中间区域间作大豆产量为单作处理的77.0%~81.8%。除间作对大豆Pro含量有较显著影响外(P0.05),不同处理的大豆和玉米的抗逆生理总体不存在明显差异(P0.05)。综上所述,全周期间作模式胶园间作对大豆和玉米的生长特性影响较显著,而对其抗逆生理总体影响较小,大豆比玉米更适宜在全周期间作模式胶园中间作,且在宽行中间区域的产量较可观。     

麦套花生花育22号超高产生育动态及生理特性研究

大田条件下,以花育22号为材料研究了麦套花生在7500 kg·hm-2产量水平下植株的生育动态及生理特性.结果表明:麦套花生植株的营养生长主要集中在结荚前期,植株的叶龄数、分枝数、主茎高、侧枝长的净增长速率均在出苗后50-60d达到高峰,出苗后70-90d基本停止增长.叶面积指数、光合势、叶绿素含量及干物质积累量也均在...     

玉米行距变化对间作系统生产力及玉米生长的影响

间作系统中作物种间距离的变化直接影响着系统的生产力,因此,合理的种间配置是间作获得高产的前提。本研究总结归纳了2010年甘肃武威和2014年甘肃张掖的小麦/玉米、蚕豆/玉米间作系统玉米行距试验,旨在探明间作玉米在不同种植行距下对间作体系生产力的影响及玉米生长的差异。试验设置5个间作玉米的种植行距处理（D0：10 cm、D20：20 cm、D40：40 cm、D60：60 cm、D80：80 cm）,测定了作物产量、产量构成、生物量累积。结果表明：间作玉米行距变化对间作配对作物产量无显著影响,主要影响间作玉米产量; 2010年,两间作体系间作玉米产量、体系混合产量、系统生产力（system productivity）均以D60最高,2014年均以D40最高;随玉米行距增大,系统生产力先增加后减小,拐点均出现在D60;玉米行距变化显著改变了玉米的穗粒数、百粒重、单株粒重;小麦/玉米体系,两年单株粒重峰值分别出现在D60（132 g·株^-1）和D40（216 g·株^-1）;蚕豆/玉米体系均出现在D40,分别为158 g·株^-1（2010年）和220 g·株^-1（2014年）;不同行距处理下玉米共生期和单独生长期生长速率均存在差异,共生期各处理生长速率显著低于单独生长期,无论哪个时期,D40和D60处理的生长速率均占优。河西灌区小麦/玉米和蚕豆/玉米间作中玉米种植的最佳行距为40 cm和60 cm,此行距下间作系统可得到最大系统生产力。     

棉花芦管育苗新技术研究 Ⅰ.芦管育苗对棉苗素质的影响

试验于１９９６～１９９８年在扬州大学农学院内进行，供试棉花品种为苏棉８号。春、夏播棉芦管育苗和传统营养钵育苗对比试验结果指出，芦管育苗棉花出苗率和生育进程与对照无明显区别；但是，幼苗期阶段根、茎、叶生长均处弱势地位；而大苗期后，长势逐渐增强，到了现蕾期，棉株长势和根、茎、叶干物质积累量均接近或超过对照。这种前弱后强的苗情发展特点，是其特有的双层根阶段性影响的结果。芦管苗双层根的形成，引根大量深扎，对棉花蕾期稳发和防后期早衰均具有重要意义     

几种豆科植物茶园问作的氮素协调性研究

以白三叶的铺地、考拉和紫花苜蓿的金达品种为材料,采用硝、铵氮素比为1：1的水培液测定其喜氮类型,并测定不同生育时期的硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性。结果表明,三种豆科植物均有较强的喜硝特性,与喜铵的茶树间作具有氮素种类上的协调性。其中,以金达的总NR活性最高,GS活性最低,GS／NR值和吸氮量最小,最适宜茶园间作。