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。

玉米根系分泌物改变酚酸类物质对花生种子发芽及病原菌的化感作用

为进一步探索玉米花生间作缓解花生连作障碍的机理,通过收集玉米根系分泌物,外源添加到酚酸类化感物质处理的花生种子及病原菌培养基中的方法,研究玉米根系分泌物对3种酚酸类化感物质及其混合物化感作用的影响。结果表明,2种浓度(0.75 mmol/L和1.5 mmol/L)的肉桂酸、邻苯二甲酸、对羟基苯甲酸及其混合物,对花生胚芽生长和根腐镰孢菌及炭疽菌2种病原菌起化感抑制作用。玉米根系分泌物对花生种子发芽起促进作用,对花生根腐镰孢菌和炭疽菌主要起抑制作用。添加玉米根系分泌物后,减轻了3种酚酸类化感物质及其混合物对花生种子发芽的化感抑制作用,低浓度处理下化感指数降低了60.10%~88.11%;增强了其对根腐镰孢菌的化感抑制作用,高浓度处理下化感指数增加了28.00%~46.55%;改变了对羟基苯甲酸和3种酚酸类化感物质混合物对炭疽菌的化感效应方向,由促进作用转变为抑制作用。玉米根系分泌物可以减轻花生连作障碍中自毒酚酸物质对种子萌发的化感抑制作用、增强其对土壤中病原菌的化感抑制作用,为玉米花生间作缓解花生连作障碍提供了依据,有利于粮油作物综合产能的协同提升。

玉米根系离散元模型建立及仿真参数标定研究

为研究秸秆饲料收获机工作时玉米根土复合体受力变化情况,利用离散元法建立了整根玉米根系颗粒粘结模型。根据玉米根系物理特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding颗粒接触模型;为准确获取离散元仿真参数,采用根系剪切试验与离散元仿真相结合的方法,对离散元参数进行标定。以根系峰值剪切力为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验与Box-Behnken试验,得到最优仿真参数,即颗粒间剪切模量为6.6MPa、粘结刚度为1.139×10^(6)N/m^(3)、极限应力为1.1885MPa。结果表明:仿真值与实际值相对误差为2.12%,仿真标定结果真实可信。最终,根据根系实际尺寸,采用颗粒快速填充方法建立整根玉米根系模型,旨在为后续秸秆饲料收获机械离散元仿真提供参考依据。

分根交替渗透胁迫与脱落酸对玉米根系生长和蒸腾效率的影响

用 Hoagland溶液培养玉米幼苗 ,研究分根交替胁迫对玉米根系生长和叶片蒸腾效率的影响 ,实验证明 :当一半根系处于高水势 ,另一半根系处于低水势 ,并在一定时间间隔内交替 ,4～ 5天后受胁迫一半根系能够形成大量侧根使根总量和总长度超过未受胁迫的对照 ,当 1/2根受胁迫时 ,这部分根系内源 ABA含量明显增加 ,与气孔导度下降显著相关 ,分根区胁迫后 ,根吸水受限制 ,蒸腾效率提高 ;外源 ABA处理和渗透胁迫能够引起气孔导度下降 ,证明根系所形成的内源 ABA和吸收的外源ABA都能够控制气孔导度 .

不同质地土壤对玉米根系生长动态的影响

采用池栽方式对轻壤土、中壤土和轻粘土上玉米根系状况进行了研究。结果表明,3种质地土壤对玉米根系的形态、分布、生长具有很大影响。玉米根系弯曲度、平均根径的大小均为轻粘土>中壤土>轻壤土,轻壤土中玉米根系上部有更多的支根但下部支根较少;拔节期,玉米根系的垂直和水平分布在轻壤土中范围最广,轻粘土中最小。大喇叭口期之后3种质地土壤玉米根系的分布范围无明显差异。轻壤土、中壤土、轻粘土随着土壤中物理性粘粒的增加,根量在上层土壤中所占的比例加大。轻壤土中玉米根系生长表现为“早发早衰”,拔节期前,根系生长速率大于中壤土和轻粘土,吐丝期根量达到最大值,之后开始衰老。轻粘土玉米的根系则呈现出“晚发晚衰”,拔节期前根系生长缓慢,灌浆期根量才达到最大值,灌浆至成熟期根系衰老的速率远小于轻壤土和中壤土。中壤土中根系在玉米整个生育期平均生长速率和根量的最大值显著高于轻壤土和轻粘土。

基于交互式骨架模型的玉米根系三维可视化研究

植物根系可视化交互设计对于提高虚拟植物生长研究整体水平意义重大。该文提出一种植物根系逐部位交互式精确设计方法,并在玉米根系建模中予以应用。通过分析玉米根系结构特征并建立其拓扑结构,采用交互式骨架模型确定其整体结构,设计密度函数确定分支数量和分布,利用模板技术衍生相似部位,利用带参数随机L系统产生一级侧根及根毛,对玉米根系各组成部位逐个精确建模,然后拼接形成完整的玉米根系。本系统综合可视化设计多种方法,交互性、真实感都比较好,既可展现玉米根系各组成部分细微特征,又可表现玉米根系整体特征。本系统研究和设计方法具有一定通用性,对其它可用轴线表示其拓扑结构的相似植物可视化建模也有一定借鉴意义。

氮肥施用对紫色土-玉米根系系统N_2O排放的影响

通过不同施氮水平与不同氮肥品种2个田间试验，结合静态箱-气相色谱法研究了川中丘陵区2005年5—9月石灰性紫色土-玉米根系系统的N2O排放变化．结果表明：1）施用氮肥显著地增加了N2O排放，在3个施氮水平下（0、150和250kg·hm^-2），N2O排放总量分别为0．88、2．19和2．52kg·hm^-2；施氮量越高，N2O排放量也越高．当施氮量超过一定水平后，施肥量高低对N2O排放总量的影响并不显著．由氮肥施用引起的N2O排放量占施氮量的0．87％（150kg·hm^2）和0．66％（250kg·hm^-2）．2）氮肥品种显著影响N20排放，尿素（酰胺态氮肥）和硫酸铵（铵态氮肥）处理的N20排放量分别为2．09和1．80kg·hm^-2，显著高于硝酸钾（硝态氮肥）处理（1．27kg·hm^2），三者排放量分别占施氮量的0．80％、0．60％和0．27％．3）降雨是玉米生长季N2O排放的主要影响因子，而无机氮则是影响N2O排放的主要限制因子．

秸秆集中深还田两年后对土壤主要性状及玉米根系的影响

采用翻转犁开沟的方式,在秋收后将秸秆集中深还田,探讨该模式实施两年后对土壤主要理化性质及玉米根系的影响。结果表明,随着秸秆还田量的增加,各层次土壤容重较CK处理降低了2.42%～10.67%;土壤含水量较CK处理增加了3.99%～14.68%;土壤有机质及全氮含量较CK处理均有显著提高,提高幅度分别为4.34%～97.97%、1.53%～44.36%;玉米根系总根长、总根表面积、总根体积以及平均根系直径均大于CK处理,以12 000 kg.hm^-2处理效果最为显著。综上,秸秆集中深还田对降低土壤容重,提高土壤蓄水量、有机质和氮素含量,促进根系生长效应明显。

不同含盐基质对膜下滴灌玉米根系生长及根区水盐含量的影响

针对干旱灌区水资源紧张、土壤次生盐渍化现象严重的现实,在相同灌溉定额下设计不同的盐分梯度,进行干旱灌区膜下滴灌对玉米根系生长及根区盐分运移的影响试验研究,其结果表明：当膜下滴灌灌水量为0.2776m^3·m^-2时,对土壤电导率在1.575ds·m^-1以内的盐碱地均可进行玉米生产;膜下滴灌可有效抑制土壤盐分上移,在0—40cm土层内盐分下移明显,QY1、QY2、QY3三个处理平均比对照含盐量减少7.0%、9.5%和23%,在40—60cm内盐分积累最高;膜下滴灌可使0—40cm土层内形成淡化脱盐区,这有利于玉米根系的发育,54%～91%的玉米根系分布在此范围内;膜下滴灌比大水漫灌节水67%,且技术体系成熟,材料国产化,成本降低,完全可以在干旱灌区大面积推广应用。

不同土壤类型玉米根系生长发育动态研究

采取盆栽与大田试验相结合的方法 ,研究了潮土与砂姜黑土两种土壤类型玉米根系生长发育的动态变化。结果表明 :潮土玉米根系在前期生长发育较好 ,长度、干重及活力较高 ,后期衰减时间较早 ,但幅度较小 ,根系主要集中分布于 0～ 2 0cm土层 ,下扎较浅 ,深层根量较少 ;砂姜黑土玉米根系在中后期生长发育较好 ,且根系长度、干重及活力增降幅度较大 ,整个根系在土壤中分布较均 ,下扎较深 。

膜下滴灌不同灌水定额对玉米根系生长的影响

玉米根系的分布特征受多种因素的制约,其中影响最大的有土壤水分和生育期阶段等,通过分析不同灌水处理条件下,不同生育期,土壤深度与根长密度和根重密度的关系,研究膜下滴灌玉米各生育期根系在不同灌水定额处理下的分布规律,利用大田代表植株挖根试验得到的实测数据进行根长密度和根重密度计算。结果表明:根长在表层土壤中,随着水分的胁迫减轻,呈现增大趋势,深层反之,而且最大根深出现在80cm处,在大喇叭期,处理1在20cm土层根长密度最小(77.27mm/cm3),处理9最大(143.31mm/cm3),在40cm土层,处理8的根长密度最小(16.11mm/cm3),处理1最大(24.89mm/cm3)。根重密度与根长密度的规律基本一致,水分胁迫能促进根系向下伸长,在玉米拔节期,处理1在20cm以上土层根干重仅占总根干重的67.9%,而处理9在20cm则达到了90.2%。随着生育期的推进,表层根重密度随灌水量增大而增大,在大喇叭期,处理1的根重密度为8.16×10-4 g/cm3,处理7为2.358×10-3 g/cm3。水分胁迫使得根系深扎吸取水分来补偿亏缺,并且根变得较细较小,这说明根系自身会做出水分适应性环境调整,以达到重要机制的平衡。

石灰抑制重金属铅影响玉米根系效应的研究

采用盆栽试验,研究了在施用石灰改良条件下,重金属铅污染对玉米根系生长的影响。结果表明,重金属铅通过破坏根尖细胞超微结构来抑制植物根系对养分的吸收。通过石灰处理的土壤提高了铅污染土壤的pH值,降低了铅的活动性,抑制了玉米根尖细胞对铅的吸收,降低了重金属铅对玉米根尖细胞的危害。

玉米根系几何造型研究

通过对玉米根系形态建成过程根系的结构、生长及分布特点和规律观测研究,构建了描述玉米根系形态变化的数学模型。结合粒子系统和计算机图形学技术,在计算机上实现了玉米根系生长的三维显示。其结果和实际的玉米根系的生长发育过程基本一致,为农学研究者提供了一个可视化的根系模型。本模型结构简单、可交互、真实感强,可以较好地虚拟玉米根系的生长过程。

玉米根系的拉伸特性研究

对玉米品种豫单5766和浚单18根系的拉伸特性进行了测试,测取了供试材料不同直径根系的最大拉力及抗拉强度,分析了玉米根系的拉伸特性。研究表明:在根系受拉后的初始阶段,拉力变形线为直线,外皮破裂后,拉力变形线为曲线,其变形属于非线性变形。玉米根系的抗拉强度不仅与品种有关,还与直径的大小有关,不同品种的抗拉强度不同,同一品种直径越大抗拉强度越小。

水分胁迫对玉米根系AsA-GSH循环及H_2O_2含量的影响

以“鲁玉14”、“掖单13”2个不同抗旱性玉米品种为材料,研究不同浓度聚乙二醇-6000(PEG-6000)处理下根系抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环中关键酶和抗氧化剂的变化及其对过氧化氢(H_2O_2)含量的影响结果表明,谷胱甘肽还原酶(GR)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性及谷胱甘肽(GSH)含量变化为当聚乙二醇溶液浓度低于100g/kg时,随水分胁迫的增强而上升,当聚乙二醇溶液浓度高于150g/kg时,随水分胁迫的增强而下降。抗坏血酸(AsA)含量随水分胁迫的增加而持续下降,H_2O_2含量随水分胁迫的加剧而增加。聚乙二醇溶液浓度为150～250g/kg处理下H_2O_2含量的增加与抗氧化酶活性、抗氧化剂含量的下降呈显著正相关。2品种比较,抗旱性强的品种具有较强的抗氧化能力。

中耕深松对土壤蓄水及玉米根系生长的影响

为研究中耕深松对土壤蓄水及玉米根系生长和产量的影响,应用沈阳农业大学工程学院研制的1HS-1.2型中耕深松机,在位于阜新县他本镇马蹄营子村的国家"863"项目试验基地进行了玉米中耕深松试验,通过深松前后土壤含水量变化及玉米长势的对比,研究了中耕深松对不同时期土壤含水量以及玉米根系生长发育和玉米产量的影响程度。结果表明:中耕深松后土壤的水分含量比未深松土壤的水分含量明显增加,中耕深松后玉米根系的根长明显大于未深松根系的根长,中耕深松后玉米的产量每公顷增加幅度为21%。

升压和降压过程玉米根系水分传输的比较

利用压力室连续测定了升压过程和降压过程玉米根系的水流量和导水率。结果表明降压过程测得的根系水流量和导水率显著大于升压过程的 ,并且前者的起始压小于后者。根据根的复合运输模型 ,这种差异可能是由于升压和降压过程中质外体运输途径的细胞壁空间充水程度不同造成的。其生理意义在于使植物高蒸腾后仍维持高导水率 。

饱和铵贮库施肥对玉米根系空间分布和氮素吸收的影响

采用根箱栽培研究饱和铵贮库（nitrogen depot with saturated ammonium,NDSA）施肥法对玉米根系空间分布和氮素吸收的影响.结果表明：饱和铵贮库施肥显著促进了玉米根系及地上部的生长,其根和地上部鲜质量分别增加了18%和37%;饱和铵贮库施肥法能使玉米根系围绕施肥点形成根球＂,其根系主要集中在离施肥中心点6~8 cm的土体中;饱和铵贮库施肥的玉米根、茎、叶的氮吸收量分别比常规施肥高43%、30%、31%,氮肥表观利用率提高了15%;饱和铵贮库施肥处理离施肥中心点6~8 cm土体中的铵态氮含量比常规施肥高出2倍以上,而硝态氮含量则减少1倍以上,表明饱和铵贮库施肥法可有效抑制铵态氮向硝态氮的转化.由此可见,饱和铵贮库施肥通过诱导根系生长、改变根系在土壤中的空间分布及构型,最终形成根球,并对铵的硝化进行有效抑制是其减少土壤氮素损失,大幅提高植物氮素利用率,促进植株生长的一个重要机制.

细胞相容性溶质对水分胁迫下玉米根系SOD活性的促进作用

分别用脯氨酸、甜菜碱、蔗糖、甘露醇饲喂玉米根系 ,PEG- 60 0 0模拟水分胁迫 ,测定外源相容性溶质对根系 SOD活性的影响。结果表明 ,4种溶质对水分胁迫下玉米 SOD活性有不同程度的促进作用 ,其大小顺序为 :甘露醇 >蔗糖 >甜菜碱 >脯氨酸。饲喂植株 MDA含量明显降低 ,降低程度的大小顺序同 SOD活性一致。胁迫过程中 SOD活性与 MDA含量呈极显著负相关 ,有力地说明了 SOD在干旱胁迫下对活性氧的清除和对细胞膜结构的保护作用。细胞相容性物质可促进保护酶活性升高 ,提高植物的干旱适应性。