微根管和根箱法在亚热带细根寿命研究中的应用

由于研究方法的限制,植物细根寿命的准确估算仍较为困难,因此寻求一种准确的研究方法对细根寿命进行研究显得十分重要。微根管法和根箱法能够在不干扰细根生命过程的前提下连续观测植物细根动态,是一种非破坏性观测方法,被较多地应用于野外观测。结合课题组多年来运用微根管技术和根箱技术研究中亚热带代表性植物细根寿命的实例,对微根管法和根箱法的具体应用进行了介绍和分析,主要包括两种方法的具体实验设计、图片采集及分析、数据处理等,以期为促进对森林生产力和碳源汇控制机理的理解提供借鉴。

春玉米根系图像语义分割最佳分辨率和概率阈值研究

为了探究根系图像不同概率阈值和分辨率对根系形态参数的影响,以微根管法观测的春玉米(Zea mays L.)抽雄期40 cm深度根系为例,采用降分辨率方法模拟扫描仪获取不同分辨率图像,基于深度学习U-Net语义分割方法建立的iRoot⁃V02根系自动识别软件对不同分辨率根系图像的根长、表面积、体积、直径、根尖数等形态参数进行识别,采用二阶导数方法获取根系与背景的分割阈值拐点,并探讨不同概率阈值对春玉米根系形态参数的影响。结果表明,春玉米抽雄期40 cm深度总根系形态参数(根总长、根总表面积、根总体积、根平均直径、根尖数)和分级根系形态参数(根长、根表面积、根体积)随概率阈值增大呈逐渐减小的趋势,根系形态参数在概率阈值5~20之间的变化幅度较大,在概率阈值25之后趋于稳定;通过曲线拐点方法分析确定,根总长曲线拐点出现在概率阈值25或30处。随着根系图像分辨率的减小,根总长和根尖数呈减小的趋势,而根总表面积和根总体积呈先增大后减小的趋势,根平均直径呈增大的趋势。通过对春玉米抽雄期40 cm深度不同概率阈值根系总的和分级形态参数分析,确定春玉米根系图像识别适宜的概率阈值为25或30;在图像数量较少时采用图像原始分辨率300 dpi分析为宜,图像数量较多时采用215 dpi分辨率为宜。本研究可为春玉米和其他作物根系形态参数的定量研究提供参考。

微根管法和同位素法在细根寿命研究中的应用及比较

细根的生产和周转在陆地生态系统的碳和养分循环中起着重要作用,并且对全球环境变化具有一定的指示意义。细根寿命是估计细根周转的关键,其长短决定了养分和碳消耗与循环的速度。由于采用的研究方法不同,导致所得细根寿命估计值存在较大差异,目前最新的同位素和微根管2种方法之间寿命估计值差异可达10倍以上。本文对这2种研究方法的原理和优点进行了阐述,并从细根定义、细根寿命理论分布假设、细根取样误差等方面对导致这2种方法研究结果存在差异的原因进行分析,以期有助于今后根系研究的发展。

高寒草甸地下根系生长动态对积雪变化的响应

2013年11月至2014年8月在青藏高原东缘红原县高寒草甸通过人工堆积的方法,进行了积雪量野外控制试验。以自然降雪的积雪量为对照(CK),设置了S1、S2和S3(积雪量分别为自然对照的2倍、3倍和4倍)3个处理,运用微根窗法追踪研究了积雪量改变后高寒草甸植被根系生长动态,并测定了积雪变化对土壤温度的影响。结果表明:高寒草甸植被根系生长存在明显的季节性变化,随着时间的推移,根系表面积、根尖数量及现存量逐渐增加并在8—9月达到最大值;当冬季积雪量达到143.4mm(S1),对根系生长最为有利(根系表面积、根尖数量、现存量及生产量最大),根系生长旺盛期(净生产速率较高)有所提前和延长,但随着积雪量进一步增加,积雪对根系生长的正效应逐渐降低,根系生长旺盛期逐渐推迟甚至消失;研究还发现,随着积雪量增加,0—10 cm土层土壤温度逐渐降低,相似的变化规律也出现在10—20 cm土层,但在时间上有所延迟;相关性分析表明,在不同土层中,根系生长与土壤温度均呈正相关。因此,积雪变化通过改变土壤温度影响高寒草甸植物根系的生长发育,最终可能会影响高寒草甸生态系统的碳分配与碳循环过程。

基于微根管技术的玉米根系生长监测

为了研究玉米根系生长规律,该文利用固城农业气象试验站内设置的大型根剖面系统,采用微根管观测法,对试验地上玉米主要生育期的根系生长动态进行定期直接跟踪监测,并以方形整段标本法作为参照标准,对试验数据采用MATLAB软件辅助图像处理和现代统计方法进行分析。结果表明:微根管法与方形整段标本法对得出的根长密度随深度增加呈递减型有较好的一致性,两者相关系数达到0.83以上,通过0.05的显著性检验;由观测数据建立的回归方程能较好地反映土壤中玉米根系生长规律,进一步表明微根管法是一种破坏性较小、可准确定位跟踪植物根系在土壤中生长动态变化的先进技术,对植物根系生长研究有较好的推广应用价值。

玉米生长后期的根系分布研究

为了研究玉米生长后期根系的生长发育规律,利用中国气象局固城农业气象试验站大型根剖面系统,采用微根管观测系统及方形整段标本法和地下根系室玻璃窗,对‘屯玉46号’玉米根系的生长状况进行了试验研究。结果表明：垂直方向上,方形整段标本法和微根管法测得的根长密度占整层总根长密度比例的变化趋势一致,相关系数分别为0.987和0.717,且两种方法在0~20 cm土层的根长密度比例均为最大。0~60 cm土层为玉米根系生长活跃区,方形整段标本法测得根长密度生长量为其余层的4倍。两种方法测得的根长密度无显著差异,相关系数为0.830,均匀性水平较好。玉米成熟期根系的水平幅度较乳熟期窄,下层根系仍处于生长中,垂直深度增加。玻璃窗与方形整段标本法观测的根深测定结果存在差异,这可能与观测环境条件不一致有关。

作物根系形态观测方法研究进展讨论

介绍了根系观测中的主要方法,侧重介绍目前作物根系研究中较为常用的观测方法——微根管法(Minirhi-zotron),讨论和分析了根系观测方法的优缺点。指出从气象预报业务需要的角度出发,根系观测有助于订正陆面模式中地下基本参数获取不准确给模拟结果带来的误差,提高区域小气候预测的准确率,更加深入地研究地气相互作用,掌握天气变化规律。通过对国内外一些根系研究情况的回顾与分析,指出科研人员在野外试验中选择具体方法时应基于特定的研究目的或者特定的科学条件,需要对各种方法的适用条件有所了解,并在这些条件下进行分析比较,选取适宜的观测方法。最优的根系研究方法要根据研究目的和研究条件来确定,对于具体的研究,往往需要采用不只一种方法。

评述细根指标测定的几种方法

细根(直径≤2 mm)是树木吸收养分和水分的主要器官,其生产和周转构成了森林生态系统物质循环和能量流动的主体。由于细根的测定方法不同会导致细根生物量、生产、周转和寿命等指标的差异。同时,细根的测定方法均有一定的局限性和缺陷。因此,细根的测定方法已经成为目前细根生态学领域的热点问题之一。近年来细根的研究方法主要以根钻法、内生长法、微根管法和土壤碳通量法为主。文章就这几种常用方法对细根生物量、生产、周转、寿命等指标的研究方法进行评述。