基于微根管法的亚热带常绿阔叶林细根直径分布、空间变异与取样数量估计

采用微根管法,在福建省三明米槠天然常绿阔叶林内布设96根微根管,分析细根形态特征随细根直径的变化及其空间变异,并估计细根变量所需的取样数量。结果表明:1)微根管法观测的细根直径较小,88%的根数量其直径≤0.5 mm,>1 mm的根数量仅占3%;2)细根的根长和体积随根直径分布的特点不一致:≤1mm的根其根长占总根长的95%,而体积只占总根体积的50%;3)Shapiro-Wilk检验表明,细根根长密度和根体积密度在不同土层均是非正态分布,且均呈右偏分布;4)蒙特卡罗统计模拟分析表明:在95%置信水平、80%估计精度要求下,微根管法测定细根根长密度时需要的取样量达79个;而测定类似条件下细根体积密度所要求的取样量则远超出本研究的最大采样量(96个)。传统的微根管法仅能观测到直径较小的根,在估计细根参数时易因取样体积不足导致估计不准确,在今后的研究中,应扩大微根管的观测范围或采用根窗法。

微根管法监测膜下滴灌棉花根系生长动态

为了精细监测膜下滴灌条件下棉花(Gossypium hirsutum L.)细根生长形态,于2014年在巴州灌溉试验站开展大田试验,采用微根管法原位监测棉花根系生长,并与传统网格法作对比。分析棉花根系生长动态,构建微根管法测定的形态参数与网格法所测定形态参数的回归模型。结果表明:花期到吐絮期,利用微根管监测10~20 cm处根系生长得到的棉花根长更新速率为1.844 mm/d,期间棉花老根不断死亡和分解。微根管法与网格法测得的根系深度为50 cm,根长密度随着深度增加先增大后减少,根长密度在20~30 cm处最大。两种方法监测得的根长密度具有较好的线性相关,由微根管法测得的剖面根长密度,可通过线性回归方程换算得到实际的体积根长密度。利用微根管法能可靠地监测棉花根系的生长动态变化,今后的研究可进一步加大微根管监测范围和频率,精细监测细根生长全过程,通过构建根系生长模型分析膜下滴灌条件下棉花根系生长时空动态。

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。

基于CP-DeepLabv3+的玉米根系图像分割

利用微根管技术可以直接监测植物根系动态生长,并获取清晰根系图像,但土壤环境复杂、颗粒不均匀、细根数量多,图像分割时容易造成根系不连续,将土壤背景误认为根系。针对以上问题,提出了CP-DeepLabv3+算法进行图像分割。该算法引入坐标注意力机制(coordinate attention, CA),更精确地获得分割目标信息,使得分割目标边缘更加连续;在ASPP特征提取模块加入条纹池化(strip pooling,SP)分支,避免在相距较远的位置之间建立不必要的连接,提高图像分割精度。利用CP-DeepLabv3+算法对玉米根系数据集进行测试,结果显示,平均交并比(mean intersection over union,MIoU)值为82.95%,平均像素精确度(mean pixel accuracy,MPA)值为92.47%,相比于原始DeepLabv3+模型分别提高了3.69%、4.44%,表明该算法可有效分割玉米根系,对图像特征提取具有实际意义。

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。

氮磷配施对高寒草甸植物根系特征的影响

植物根系是固定和支撑植物体的重要器官,是草地生态系统重要的碳库之一。分析植物不同直径大小根系在不同浓度氮磷配施下的形态特征和生理功能,有利于了解高寒草甸植物根系生长特征、碳分配格局和养分循环。本研究在川西北高寒草甸采用微根管技术原位监测4个氮(N)、磷(P)梯度(CK:0 g·m^(-2);NP10:N 5 g·m^(-2)+P 5 g·m^(-2);NP_(2)0:N 10 g·m^(-2)+P 10 g·m^(-2);NP_(30):N 15 g·m^(-2)+P 15 g·m^(-2))根系动态(现存量、生产量、死亡量和周转率)的变化特征及其与环境因子间的相互关系。结果表明:1)土层间根系总现存量差异显著,0~10 cm土层施肥(NP10、NP20、NP30)显著降低了直径≤0.3 mm根系现存量,且NP30显著降低了总根系和直径>0.3 mm根系现存量;10~20cm土层NP20总根系和直径>0.3 mm根系现存量显著高于其他处理(P<0.05)。2)土层间根系总生产量和死亡量差异显著,0~10 cm土层,直径≤0.3 mm根系生产量和死亡量在处理间无显著差异,直径>0.3 mm根系在NP30死亡量显著增加;10~20 cm土层,直径≤0.3 mm根系生产量和死亡量在施肥处理下显著低于CK,直径>0.3 mm根系生产量和死亡量均在NP20、NP30显著高于CK(P<0.05)。3)土层及处理间根系周转速率无显著差异,但整体上直径≤0.3 mm根系周转速率高于直径>0.3 mm根系。4)结构方程模型进一步表明:根系现存量和生产量受土壤养分[全碳(TC);全氮(TN)]和根系直径大小的直接影响,土壤养分对根系周转率有正效应。综上:氮磷配施梯度对地下总根系现存量和死亡量影响显著,低、中氮磷(NP10、NP20)配施会降低植物对直径≤0.3 mm根系生物量的分配,投入更多的资源促进直径>0.3 mm根系的生长;高施肥(NP30)会使植物减少各直径大小根系生物量的分配,增加其死亡量,从而降低根系碳的积累。

高寒草甸植被细根生产和周转的比较研究

植物根系是陆地生态系统重要的碳汇和养分库,细根周转过程是陆地生态系统地下部分碳氮循环的核心环节,在陆地生态系统如何响应全球变化中起着关键作用。在全球变化敏感地区之一的青藏高原,对该地区的主要植被类型矮嵩草草甸同时采用根钻法、内生长袋法和微根管法3种观测方法研究细根生产和周转速率,并探讨了极差法、积分法、矩阵法和Kaplan-Meier法等数据处理方法对计算值的影响。研究结果显示:在估算细根净初级生产力时,根钻法宜采用积分法,内生长袋法宜选用矩阵法;由此进一步以最大细根生物量为基础,根钻法和内生长袋法估测的细根年周转速率分别为0.36 a-1和0.52 a-1,内生长袋法的估算结果是根钻法的1.44倍。对于微根管法,将其观测得到的细根长度转换为单位面积的生物量值后,采用积分法计算出细根周转速率为0.84 a-1,远高于传统方法的估算结果;若采用Kaplan-Meier生存分析方法,则计算出的细根周转速率更高达3.41 a-1。

温度升高对长江口芦苇湿地细根形态和生长的影响

全球变暖对滨海湿地植物细根的影响目前尚不十分清楚。以长江口崇明东滩芦苇(Phragmites australis)湿地为对象,利用开顶式生长箱法进行模拟升温。于2019年5—10月,结合微根管法和根钻法,对0—40 cm土层细根(直径≤2 mm芦苇须根)的总根长、总表面积、比根长、比表面积、平均直径和生物量等指标开展连续观测,并计算其净生长速率和周转速率,分析气温升高对芦苇湿地细根形态特征和生长动态的影响。结果表明:在整个生长季,升温显著提高了0—40 cm土层细根的总根长、总表面积和总生物量,且主要表现在0—20 cm土层,而对比根长、比表面积无显著影响。升温显著增强了0—40 cm土层细根的净生长速率,且使其季节变异性加大。升温显著提高了10—40 cm土层细根的周转速率,但在0—10 cm土层影响不显著。总之,升温显著提高了芦苇湿地细根的总量和生长速率,改变其在土壤中的垂直分布格局,但对其水分和养分吸收效率无显著影响。升温使细根周转速率加快,同时使参与周转的细根总量增加,导致各土层特别是0—20 cm土层根源有机碳输入显著增加,这可能会深刻影响芦苇湿地的土壤碳平衡。

4种间作模式下牧草根系特性及其碳、氮代谢特征研究

为探究间作对牧草根系生长特性和碳、氮代谢特征的影响,通过田间试验,以紫花苜蓿、小黑麦、燕麦、玉米、甜高粱5种单作模式为参照,对紫花苜蓿/小黑麦、紫花苜蓿/燕麦、紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱4种间作模式进行了研究,采用目前先进的微根管观测系统并结合计算机成像技术对紫花苜蓿和4种禾本科牧草单作及间作下根系的生长状况进行了原位观测,并且对4种间作模式下碳、氮代谢关键酶及产物进行了研究。结果表明,无论单作还是间作,根系参数与碳、氮代谢各指标均呈正相关关系,其中根长、根表面积均与核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)和硝酸还原酶(NR)活性呈极显著正相关(P<0.01),与蔗糖磷酸合成酶(SPS)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性呈显著正相关(P<0.05),表明根系特性与碳、氮代谢具有一致性;4种间作模式下禾本科牧草的根长、根表面积等根系参数明显优化,而紫花苜蓿根系特性与单作相比表现不一,与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿其根系特性受到了明显地抑制(显著低于单作),表现为竞争弱势,而与小黑麦和燕麦间作的紫花苜蓿则未受影响;4种间作模式下禾本科牧草功能叶RuBPCase和NR活性与单作比均显著性增加,而紫花苜蓿功能叶RuBPCase和NR活性与单作相比趋势不尽相同,与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿其RuBPCase和NR活性显著低于单作,而与小黑麦和燕麦间作的紫花苜蓿则差异不显著。由此可见,供试牧草根系特性和碳、氮代谢特征表现趋势一致;在4种间作模式下根系特性和碳、氮代谢特征均表现为禾本科牧草优于豆科牧草;紫花苜蓿/小黑麦和紫花苜蓿/燕麦这2种间作模式下综合表现最佳。

川西北高原3种禾本科牧草根系特征比较研究

探究3种栽培牧草根系特征的差异,对维系川西北退化高寒草地地下生态系统结构和功能意义重大。本研究采用微根管原位监测与室内分析相结合的方法对紫羊茅、垂穂披碱草及老芒麦单播人工草地的根系特征及其土壤环境进行比较分析。结果表明:1)3种栽培牧草根系生长存在明显的季节节律,5-7月为生长高峰期,7-8月为现存高峰期,8-9月为死亡高峰期。2)3种栽培牧草根系现存量均随土层显著降低,其中老芒麦的根系现存量显著高于紫羊茅和垂穂披碱草(P<0.05);紫羊茅根系生产量和死亡量最高,根系净生长速率最低。3)紫羊茅的根系周转率显著高于老芒麦和垂穂披碱草,且随土层加深而显著增加(P<0.05)。4)结构方程模型(SEM)显示,牧草种类和土层深度不仅直接影响根系特征,而且通过改变土壤化学计量比和土壤理化性质,间接影响根尖数和根系动态特征,进而影响根系周转。综上所述,3种栽培牧草在根系生长与资源获取方面存在明显差异性。紫羊茅采取缩短根系寿命,加快根系周转的生长策略以保证营养吸收效率,而垂穂披碱草和老芒麦采取增加根系产量,以及延长根系寿命的策略减缓根系周转,并通过降低根系的碳消耗而增加了其碳汇功能以适应高寒环境。

不同氮素添加量对大兴安岭冻土区泥炭地植物细根形态的影响模拟研究

为探讨氮素营养环境变化对冻土区泥炭地植物细根形态的影响,在大兴安岭泥炭地开展了不同浓度氮素添加模拟试验,添加量分别为0 g N m^(-2) a^(-1)(CK)、6 g N m^(-2) a^(-1)(N1)、12 g N m^(-2) a^(-1)(N2)和24 g N m^(-2) a^(-1)(N3)。在2020年8月和9月,利用微根管技术观测泥炭地不同深度(0-20 cm、20-40 cm)土壤中的植物细根形态,应用WinRHIZO图像分析软件分析根系特征。结果表明,在表层土壤(0-20 cm)中植物细根的总根长、总表面积、总体积和根长密度随施氮量增加而增加,其中8月份N3处理下细根总根长、总表面积、总体积和根长密度显著高于其他处理(P<0.05),N2处理下细根总表面积、总体积显著高于对照组和N1处理;9月份N3处理下细根总根长和根长密度显著高于对照组,总表面积和总体积显著高于对照组和N1处理。说明高浓度氮素添加在一定程度上缓解了植物氮素限制,能够显著促进表层土壤(0-20 cm)中植物细根的生长,但对亚表层土壤(20-40 cm)中细根的影响幅度小于表层土壤。

氮磷添加对高寒草甸植物群落根系特征的影响

全球变化背景下,持续的氮沉降加速了陆地生态系统的磷循环,进而引发了生态系统中潜在的磷限制,因此研究氮磷耦合对于植物应对环境变化导致的养分限制至关重要。以川西北高寒草甸为研究对象,通过微根管原位监测与室内分析相结合的方法探讨了青藏高原高寒草甸植物根系动态变化特征对不同梯度氮磷添加的响应机制及其与土壤理化特性间的相互关系。结果显示:氮磷(NP)添加增加了表层(0~10 cm)土壤全磷、速效磷以及速效氮含量,整体上降低了土壤pH和C∶P,但对土壤全氮和有机碳含量影响微弱;氮磷添加不仅延长了根系寿命,还使得表层根系现存量提高了8.79(NP_(20))和13.21 mm·cm^(-3)(NP_(30)),生产量、死亡量分别提高了3.17(NP_(30))和2.92 mm·cm^(-3)(NP_(30)),但深层(10~20 cm)根系现存量降低了8.85(NP_(10)和5.37 mm·cm^(-3)(NP_(30)),生产量降低了1.63(NP_(10))和1.43 mm·cm^(-3)(NP_(20)),死亡量降低了2.14(NP_(10))和1.78 mm·cm^(-3)(NP_(30));另外,根系生产量、死亡量及现存量与土壤速效养分的相关性总体上达到了极显著水平(P<0.01)。综上可知,氮磷添加通过改变土壤可利用性氮磷含量,不仅使得植物根系分布浅层化,而且以延长根系寿命的方式减缓了根系周转,进而减少了根系对碳的消耗,增强了其碳汇功能,从而改变了高寒草甸生态系统的碳分配格局。

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。

3种多年生禾本科牧草不同径级根系特征比较

根系是植物吸收营养元素和水分的重要器官,可以维持和提高土壤质量,对退化高寒草甸的恢复演替起到重要作用.以3种多年生禾本科牧草(紫羊茅(Festuca rubra)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(Elymus sibiricus))单播草地作为研究对象,采用微根管技术对不同径级根系特征(现存量、生产量、死亡量、周转和寿命)的变化以及群落特征和土壤理化性质进行比较分析.结果表明:(1)3种牧草的总根系现存量和生产量均随着土层的增加而减少,总根系死亡量、周转及寿命在土层间无显著差异(P>0.05).(2)紫羊茅表层土壤1级根系周转分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦42.56%和45.29%;2级根系现存量、生产量和死亡量分别显著大于垂穗披碱草144.51、17.85和2.72 g/m^(2)及老芒麦155.31、17.57和2.06 g/m^(2),而1级根系现存量及生产量则分别显著小于垂穗披碱草72.68和5.12 g/m^(2).(3)紫羊茅群落盖度分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦群落盖度36.43%和142.77%,且群落生物量分别显著大于其他两种牧草67.70和116.52 g/m^(2).(4)老芒麦草地表层土壤碳磷比分别显著高于紫羊茅和垂穗披碱草49.27%和35.84%,而老芒麦草地深层土壤碳磷比则分别显著低于其他两种牧草37.83%和32.42%.(5)结构方程模型显示,牧草种类和土层深度通过影响土壤全氮含量间接影响不同径级根系的生产量和周转,进而影响不同径级根系现存量.综上所述,3种牧草的根系分配和形态特征之间具有明显的差异,且对土壤养分的利用效率也不相同;根据牧草对土壤养分资源的利用及根系分配特征,建植紫羊茅和老芒麦混播人工草地可能更有利于退化高寒草甸植物群落和土壤的恢复.

氮肥添加对川西北高寒草甸植物群落根系动态的影响

该文以川西北高寒草甸为研究对象,采用微根管法研究了不同施氮(N)水平下高寒草甸植物群落根系现存量、生产量、死亡量和周转率的变化及其与土壤理化性质的相互关系。结果表明:N添加显著增加了土壤速效氮(AN)含量,降低了土壤p H值,但是对土壤有机质(SOM)和全氮(TN)含量无显著影响。在0–10 cm土层,平均根系现存量和累积根系生产量无显著变化,累积根系死亡量在N10处理下显著降低了206.1 g·m^(–2),根系周转率在N30处理下显著提高了17%;在10–20 cm土层,N添加处理的平均根系现存量和累积根系生产量分别显著降低了195.3和142.3 g·m^(–2)(N10)、235.8和212.1 g·m^(–2)(N20)、198.0和204.4g·m^(–2)(N30),累积根系死亡量和周转率无显著变化。此外,累积根系生产量、死亡量和周转率与AN含量相关性较大,而平均根系现存量与SOM、AN和TN含量相关性较大。综上所述,N添加对高寒草甸的影响主要通过改变土壤可利用N含量,进而影响根系的动态特征、空间分布格局和周转以及碳分配特征。