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| 1 | 作物根系构型三维探测与重建方法研究进展显示文摘根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。 | 温维亮 郭新宇 赵春江 王传宇 肖伯祥 | 2015 | 中国农业科学2015，48，3： | 24 |
| 2 | 小麦根系三维形态建模及可视化显示文摘作物三维形态建模和可视化技术是数字植物研究的重要组成部分,本文旨在构建基于形态特征参数的小麦根系三维形态模型,并实现小麦根系生长的可视化.基于小麦根系生长的可视化技术框架,首先构建了小麦根轴的三维显示模型,包括根轴生长模型、分枝几何模型和根轴曲线模型;然后结合根系拓扑结构,确定相应的图元,利用根系形态模型输出的形态特征参数,对整个小麦根系进行三维重构;最后基于OpenGL图形平台,综合纹理映射、光照渲染、碰撞检测等真实感处理手段,实现了小麦根系生长的三维可视化表达.结果表明:模型输出的根系真实感较强,能较好地实现不同品种、水分和氮素条件下小麦根系的三维可视化表达.研究结果为进一步建立完整的可视化小麦生长系统奠定了技术基础. | 谈峰 汤亮 胡军成 姜海燕 曹卫星 朱艳 | 2011 | 应用生态学报2011，22，1： | 15 |
| 3 | 模拟石漠化异质生境中桑树的生长和叶绿素荧光特性显示文摘模拟石漠化生境不同的土壤水肥条件,设置H(水分差异)、F(肥力差异)、HF(水肥差异)和CK组(对照)4个异质处理组,观察桑树根系在石漠化异质生境中的生长情况,探讨其根系活动对地上部分的生长及叶绿素荧光特性的影响。结果表明:桑树根系在土壤异质条件中具有明显的向水性和向肥性,但在干旱少水的条件下根系未有向肥性;H和HF组桑树根系发生了明显的向性运动,以此获得充足的水分,而F和CK组桑树的根系无向水性和向肥性运动,以致长期处于干旱条件中,但未发现死亡现象;各处理组地上和地下部分的总体生长情况以HF组最好,其次是H、F和CK组明显较差;F和CK组叶片的光合色素含量、最大光化学效率(Fv/Fm)、有效光化学效率(F'v/F'm)、电子传递速率(ETR)、实际光化学效率(ΦPSII)和光化学猝灭系数(q P)等参数均显著低于HF和H组,且前两者NPQ值较高。可见,在石漠化异质生境中,水分是制约桑树存活及生长的关键因子,但桑树根系能够通过向性生长,获得充足的水分和营养以维持良好的生长。 | 黄小辉 冯大兰 刘芸 朱恒星 陈道静 耿养会 | 2016 | 北京林业大学学报2016，38，10： | 7 |
| 4 | 根系对土壤机械压力影响的模拟试验显示文摘为了研究根系对土壤机械压力的大小、分布和影响因素以及各个因素与其相互关系,该研究采用自制的压力测量装置,测定并分析了不同模拟根系对不同体积质量土壤产生的机械压力及其影响因素。试验结果表明:模拟根系对土壤机械压力与根系直径呈极显著(p<0.01)幂函数关系,随着直径增加,根系对土壤的机械压力增加;随着土壤体积质量增加和土层深度增加,根系对土壤机械压力增加;当植株受到风力作用时,随着风力变大,根系对土壤机械压力呈递增变化。模拟研究表明,根系生长可以对土壤产生机械压力,地表风力等扰动力量也可以传递到根系并引起这种机械压力的变化,这种压力可能会对土壤结构和物理行为产生影响,需要进一步深入研究。尽管该文是通过模拟根系进行模拟生长试验,仍然对研究根系生物力学有指导意义。 | 宋自影 王飞 胡林 穆兴民 康绍忠 | 2011 | 农业工程学报2011，27，11： | 7 |
| 5 | 基于容器分区处理探究黑麦草生长对喀斯特不同土壤生境和水分的响应显示文摘为了探究不同水分条件下喀斯特地区分布不均、厚薄不一土壤小生境对禾本科草本植物生长的影响,用3种不同深度的容器(对照深度CK,深土D和浅土S)两两组合为6种复合容器(CK-CK、CK-S、CK-D、D-D、S-D和S-S)以实现容器分区,研究了黑麦草的根系生长、生物量积累及其分配特征。结果表明:1)在水分充足(W0)条件下,组合了浅土容器和深土容器的处理中,黑麦草的根系生长(根长、根直径、根表面积和根生物量)均低于对照容器(CK-CK),且有浅土容器的组合处理(S-S,S-D,CK-S)受抑制程度大于有深土容器的组合处理(CK-D,D-D);当水分含量降低后,即中水(W1)和低水(W2)条件下,有深土容器的组合[D-D和(或)CK-D]根系生长与对照相比显著增加,而有浅土容器的组合[S-S和(或)CK-S]根系生长与对照相比显著降低。2)对比同一处理不同容器分区中黑麦草生长指标发现,在水分充足情况下,深土容器和浅土容器均会抑制植物生长,而当水分减少,S区根系生长被严重抑制,但D区根系增长优势明显。3)水分充足条件下,根冠比未受到显著影响;当水分降低时,组合了深土容器的处理根冠比均有升高的趋势,组合了浅土容器的处理根冠比有降低趋势。由此可见,不同土壤生境带来的物理空间限制会影响植物根系生长和生物量积累与分配,但水分的减少会改变根系生长及生物量积累对不同土壤生境的响应:在水分充足时,土壤物理空间是影响根系生长和生物量积累与分配的主要因子,黑麦草主要发展浅层根系。而当水分减少时,黑麦草根系在浅层土壤中无法获取供给生长代谢活动的足量水分,更倾向于将有限的有机物分配给根,通过根系伸长、表面积和体积增大、直径增粗等策略加强水分吸收,从而增强对干旱的抗逆性,提高对土壤和水分异质性的适应。 | 宋海燕 张静 李素慧 梁千慧 李若溪 陶建平 刘锦春 | 2019 | 生态学报2019，39，10： | 6 |
| 6 | 玉米初生根向水性诱导优化试验研究显示文摘为了研究湿度梯度对根系向水性反应的影响,采用Takahashi and Scott于1993年创建的方法,设置以下3个试验:1)向水性诱导物不同倾斜角试验;2)根系距向水性诱导物不同距离试验;3)根尖距底部饱和K2CO3溶液不同距离试验。同时,还研究了根长和根系延伸速率对根系向水性弯曲的影响。结果表明,用饱和K2CO3溶液控制湿度时根系的向水性弯曲度明显大于纯水。随着诱导物倾斜角的增大,向水性弯曲增强。与距诱导物3 mm和6 mm相比,根系直接接触诱导物时表现出最大的向水性反应。与根尖距底部盐溶液6 cm相比,相距4 cm时向水性弯曲度增大,这些与根尖周围的湿度梯度增大有关。当根长为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm时,短根比长根表现出更大的向水性反应,这可能与其较慢的延伸速率为根系对湿度梯度的反应提供了更充足的时间有关。为了验证这个假说,用相同长度的根系、通过控制不同温度进行试验,结果表明根系的向水性弯曲随温度升高而降低。可见,玉米初生根的向水性反应受环境和根系发育阶段两方面影响。当根系相距诱导物较近、根系周围的湿度梯度较大时,根系向水性反应更强。而且,具有较小延伸速率根系的向水性反应更大。考虑到干旱条件下根系伸长慢、且土壤中湿度梯度大,因而可以认为干旱条件下根系的向水性生长在玉米吸收水分中有重要作用。同时,对根系向水性诱导方法的优化有助于其生理机制的进一步研究。 | 胡田田 牛晓丽 漆栋良 Wu Yajun | 2015 | 生态学报2015，35，6： | 4 |
| 7 | 植物根系模拟进展显示文摘为了构建高精度的植物根系模拟模型,进而提高陆面过程模型的模拟精度和提高农业气象防灾减灾的能力,归纳了根系的统计模型、形态可视化模型和机理模型发展,分析了根长、根密度、根生物量和根表面积等根系指标的模拟模型,展望了根系模型发展趋势。认为由于根系研究的不易性,目前根系模型发展还主要停留在根系指标与非环境因素(如时间、土层深度)的统计拟合关系,随着现代化地下根系观测系统的发展,根系生长与多环境因子的定量关系模型成为将来根系模拟的重要方向,环境因子对根系生理生态的影响机制是根系模型发展的关键。 | 许常华 李荣平 祁红彦 刘晶淼 谢艳兵 贾庆宇 | 2014 | 中国农学通报2014，30，18： | 3 |
| 8 | 大田不同播种间距单株小麦根长密度动态研究显示文摘【目的】为探明单粒精播种植方式种间距对小麦根系的土层分布影响,构建了基于根系数字化仪实测根系3D拓扑结构数据下MATLAB分割分析复合型小麦根长密度(RLD)定量技术,获取大田条件不同种间距单株稻茬麦RLD在不同土层的分布特征和相对根长密度(NRLD)分布模型。【方法】选用宁麦13为试验材料,采用免耕等距单粒线播法,分别于2020和2021年进行稻茬小麦的免耕种植试验,设置单粒精播种间距1.5、3.0、4.5、6.7、9.0 cm共5个处理(JT1.5、JT3、JT4.5、JT6.7、JT9),行距20 cm。RLD分析采用根系构型数字化仪实测根系3D拓扑结构配合Pro-E软件数字重构,辅以MATLAB实现基于“空间voxel元技术”的根系生长空间3 cm^(3)精细分割和定量分析,跟踪各土层RLD分布动态和NRLD模型。【结果】不同处理的单株稻茬麦根长密度随土层深度的增加而逐步减小,0—9 cm土层深度内分布的稻茬麦根系达总根量95%以上,超过9 cm土层深度小麦根系急剧减小;单株小麦根系扩展面积随土层深度的增加先增加后减小,根构型以种子位作为中心点向四周拓展,且表现出明显的拓展方向性和约束性。群体稻茬麦RLD随种间距增加先增加后减小,且在JT4.5最大;RLD扩展面积随种间距的增大而不断增加,最大可达22972 mm^(2)。过高与过低的群体都造成不良的根构型影响,适宜的播种密度才能创建最佳的根系3D分布,实现土壤空间资源的高效利用。经归一化处理后0—20 cm土层NRLD分布同时符合三次多项式和指数模型,两模型的拟合效果均极好(R2>0.99,RMSE<0.1),但指数模型更符合随土层深度的RLD特征实际。【结论】融合根系数字化仪实测根系3D拓扑结构与MATLAB分割分析的复合型小麦根长密度定量技术实现了单粒精播稻茬麦不同种间距的单株及群体双尺度的根长密度分布动态的定量描述,所得结果可为今后开展小麦精确耕种、水肥精准运筹、根构型调控等研究提供方法学借鉴。 | 孙启滨 王建楠 李毅念 何瑞银 丁启朔 | 2023 | 中国农业科学2023，56，8： | 2 |
| 9 | 施肥方式对烤烟根系生长发育及原烟产质量的影响显示文摘为了明确烤烟不同施肥方式的应用效果,本文以烤烟品种粤烟97为材料,设计基肥穴施、中间条施、双侧条施和不施肥等4种施肥方式处理,研究施肥方式对烤烟根系生长和烟叶产量、品质的影响。结果表明,与不施肥相比,3种施肥方式均不同程度促进了不同生育期的烟株和根系生长。其中,中间条施显著提高了大田烟株旺长前期的株高,平均提高7.4 cm;与穴施相比,中间条施和双侧条施显著增加烟株叶组织和整株干物质积累;中间条施烟株根系区域内根长、根重皆显著大于穴施,其中根长是基肥穴施的4倍,而根重是基肥穴施的9倍多;与穴施相比,中间条施原烟的均价增加2.35元·kg^(-1),每667 m^(2)产值增加600.27元,中上等烟比例增加7.24百分点,而双侧条施处理则对原烟的各经济性状无显著影响。本研究表明,中间条施的施肥方式主要是通过改善烟株根系生长发育环境,协同促进烟株地上、地下部生长发育,最终改善烟叶品质和经济效益。 | 黄跃鹏 罗福命 田俊岭 宗钊辉 刘兰 曾涛 郭鸿雁 王军 | 2022 | 浙江农业科学2022，63，3： | 2 |
| 10 | 植物生长条件下土壤水分与养分资源动态分布的模拟研究显示文摘借助根系功能-结构机理模型,在动态描述根系空间生长发育的基础上,采用根系空间吸水速率函数耦合三维土壤水动力学模型,描述根系吸收条件下土壤水分的时空分布;以根个体为中心,采用扩散方式,描述了由于根系吸收土壤中磷元素而引起的土壤中有效磷分布的动态变化。通过小麦苗期根系结构与生物量的动态观测试验,获取了根系生长参数,利用文献资料获取了土壤水分运移参数、土壤有效磷扩散参数。在设定的灌溉与蒸散情景下,模拟了根长密度与根系吸收速率在三维空间的动态分布、根系吸水条件下土壤水分三维时空变化以及根系吸收磷元素的条件下土壤中有效磷的亏缺区域变化过程。模拟结果显示,根系-土壤系统能够实时地模拟根系生长下土壤环境资源的动态变化。 | 张吴平 荆耀栋 毕如田 冀美蓉 | 2012 | 山西农业大学学报(自然科学版)2012，32，6： | 1 |
| 11 | 基于WinRHIZO的川中紫色土坡地冬小麦根系生长发育显示文摘【目的】研究川中丘陵区紫色土坡地上,小麦根系对于不同景观位置的响应及不同景观位置小麦根系力学和生物特点,为川中丘陵区坡地上小麦种植方式改进与推广提供理论依据。【方法】在川中丘陵区12°紫色土坡地上,选取不同耕作模式下不同景观位置(分别距离坡顶0、5、10、15、20 m)的小麦根系样品,采用WinRHIZO测定小麦根系的拓扑指数、根系面积、覆盖面积、单位土体根系长度、抗拉强度等小麦根系生物指标。【结果】机械耕作小麦根系拓扑指数均值为0.947,传统耕作为0.948;两种耕作模式下小麦均在坡顶与坡趾处达到内部数和外部数最大值;顺坡方向上,传统耕作组中不同坡位小麦根系T_(i)保持,0.966~0.915,机械耕作组中不同坡位小麦根系T_(i)保持在0.954~0.935;q a与q b传统耕作组均大于机械耕作组。>0.3 mm根系的抗拉力、断裂距离是0~0.3 mm根系的2倍,为6 N、3.5 mm;不同景观位置小麦根系根系表面积最大值为3.95 cm^(2)、覆盖面积最大值为12.5 cm^(2)、单位土体根长最大值为44.5 cm、小麦体积最大值为0.235 cm^(3),均在坡肩以下达到最大。【结论】本研究有助于进一步了解川中丘陵区紫色土坡地上小麦的生长发育特征,改进川中丘陵区紫色土坡地上的作物种植、管理技术。 | 柯尊嵩 冯波 李帆 | 2021 | 西南农业学报2021，34，11： | 0 |
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