微根窗技术及其在植物根系研究中的应用

植物根系对固定植株和获得水分和养分起重要作用,但是土壤不可观测性的限制,给根系生态学的研究带来一定的困难。因此,找到原位观察根系生长的方法对研究根系生态学就显得尤为重要。目前微根窗技术被认为是研究根系生态学最有前途的方法。从微根窗系统的组成、微根窗管的安装、微根窗图象的收集及微根窗数据的利用等几个方面进行了概述。阐述了在微根窗使用和操作过程中需要注意的几个问题,微根窗管与土壤之间的良好接触是获得高质量微根窗图像数据的前提和基础;图象收集的频率依赖于测定和计算的根系参数,如果想得到根系现存量、生产力、更新和寿命的信息,必须避免采样间隔时间过长。

微根窗图像中根系的自动分割方法

植物根系的生长状况可以反映该地区的气候以及土壤特性,根系的发达与否也能够反应整株植物的健康情况。研究根系的生态参数是研究根系生长状况的基础,目前对于微根窗图像的处理都是通过人工手动方式实现的,费时费力。提出了一种微根窗图像根系的自动分割方法,使用基于脊线检测的方法获取微根窗图像中根系的中心线,计算中心线上所有像素点的方向,采用改进的定向局部对比度方法检测出中心线两侧的根系像素得到分割后的图像。实验结果表明,与传统分割方法相比,方法具有良好的分割效果。

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。

黑麦草细根动态分布特征及其与矿区复垦土壤性质的关系

为揭示矿区生态修复过程中黑麦草与土壤间的相互作用机制,利用微根窗技术观测0~30 cm复垦土层中一年生黑麦草细根的根长密度、根系直径、根表面积及其随季节的动态变化,分析根系参数与根际、非根际土壤性质的关系。结果表明:根系参数均随土壤深度增加而减小,根系主要分布在0~10 cm土层,不同土层中根长密度均随春秋季节变化而增加。10~30 cm土层中,根系直径随春秋季节变化而降低,根表面积随春秋季节变化而增大。0~10 cm土层中根系直径、根表面积随春秋季节变化先增加后降低,6月份根系直径最大,7月份根表面积达到峰值。根系参数与根际、非根际土壤中有机质含量、总氮和酶活性等存在不同程度的相关性,反映了细根功能的季节性差异。

施肥和刈割处理模拟放牧对西北针茅生长的影响

放牧是天然草地最主要的利用方式,其对于草地的影响主要是采食、践踏和排泄作用。不同畜种具有不同的牧食行为,对于草地的影响也不同。为了研究牛羊混合放牧对于西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii)草原建群种的影响,本研究设置了对照、添加牛粪+刈割(模拟牛单牧)、添加羊粪+不刈割(模拟羊单牧)、添加牛粪+羊粪+刈割(模拟牛羊混牧)4种处理,在6-12月季测定了西北针茅的生长参数。结果发现在模拟牛羊混牧处理下,西北针茅的植株高度较高,分蘖数适中,而根系生产量相对较小。综上所述,牛羊混合放牧有利于提高西北针茅草原草地生产力的可能性较大;动态观测发现不同处理下西北针茅的根系生产主要发生在生长季,根系的死亡主要发生在非生长季。

大气CO_(2)浓度升高对高、低响应水稻品种根系生长的影响——FACE研究

大气CO_(2)浓度([CO_(2)])升高是未来气候变化的主要特征之一,研究表明高[CO_(2)]会提高水稻产量,且水稻两个亚型(籼稻和粳稻)的产量增幅存在很大的差异。然而,目前还不明确这种基因型的响应差异是否与其根系的生长响应差异有关。本试验依托自由大气[CO_(2)]升高研究平台(free air CO_(2)enrichment,FACE),以低产量响应品种粳稻(Oryza sativa L.japonica)武运粳23和高产量响应品种籼稻(Oryza sativa L.indica)扬稻6号为试验材料,设置高[CO_(2)](590μmol/mol)和对照(390μmol/mol)处理。使用微根窗法连续动态检测两种水稻的根系生长状况,进一步计算根系周转率指标。结果表明:高[CO_(2)]显著促进了两个品种的水稻根系生长,其根系长度、表面积和体积相对于对照平均增加了120%、106%和98%;两个品种间,高[CO_(2)]处理使武运粳23的根系周转率显著下降,降幅达66%;扬稻6号的根系周转率则上升了约18%;高[CO_(2)]处理下的武运粳23的根系增量主要分布在浅层(32%升至56%),而扬稻6号的根系在深层的分布从12%增加至20%。结合已有产量响应及氮素吸收结果,我们认为相较于根长等根系形态指标,水稻根系的周转率与深层根系分布比例可能是不同基因型水稻品种的产量对高[CO_(2)]响应存在明显差异的主要原因。

梯度增温对高寒草甸群落根系动态的影响

根系作为连接植物与土壤的动态界面,对植物生长、发育及繁殖具有重要意义。本文主要基于微根窗技术,原位追踪高寒草甸根系生长,探讨了气候变暖对各根系性状指标季节性的动态变化及在土层中垂直分配的影响。结果表明:(1)模拟增温(A、B、C)整体促进生长季旺期根系的生长,高度增温(D)下根系生长的高峰期比对照提前了2个月,高度增温(D)对根系长度在生长季初期影响较大,在生长季末期对低度增温响应较为敏感;(2)高度增温(D)促进根系表面积在生长季前期的增加,低度增温处理在生长季末期影响增强,增温有提前根系直径增长高峰期的趋势,高度增温对根系直径的变化起抑制作用,但均不显著;(3)模拟增温减少了根系生长量在生长季前期的积累,促进了其在生长季后期的积累,且高度增温(D)处理下显著增加生长季前期的根系生长量分配,抑制了根系生长量在生长季后期的积累,导致显著提前了根系生长的高峰期,改变了根系在生长季的分配模式。