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作物根系构型三维探测与重建方法研究进展 总被引：5，自引：1，他引：4
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。 相似文献
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小麦是全球最重要的粮食作物之一,干旱是影响其生长发育最重要的非生物胁迫因子。根系作为作物获取水分和养分的重要器官,直接决定了作物对土壤水分的利用效率。近年来,越来越多的研究表明,根系构型在植物干旱胁迫响应中发挥了重要功能。本文综述了目前根系构型在调控小麦抗旱性方面的研究进展。首先概述了根向性生长,特别是根向重力性生长对植物根系结构的塑造作用,重点总结了目前挖掘到参与根系向重力性生长的相关基因及其分子调控机制,并阐述了根向性生长调控的根系构型是如何介导小麦对干旱胁迫的适应。除了根向性生长,根系的发育过程也参与了对植物根系构型的调控,并决定植物对干旱胁迫的适应能力,因此,本文进一步综述了在干旱胁迫条件下小麦如何通过调控根系发育来改变根系形态,包括增加根长、调控侧根数量和根毛密度等,来增强小麦对土壤水分的吸收和对干旱环境的适应;同时,系统总结了干旱胁迫条件下参与调控作物（尤其是小麦）根系发育的相关基因。此外,根系作为植物地下部分,其构型的解析一直是本领域研究难点,阻碍了对根系结构与植物耐旱性关系的进一步解析,因此,本文也归纳了目前可用于小麦根系二维结构和三维结构表型分析的技术。这些技术可测量... 相似文献
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为明确水稻根系在土壤中的空间分布特性,应用"根箱法"进行试验,获取水稻根系坐标数据,分析根系生长随水稻生育进程的变化规律,采用植物模拟技术,建立了水稻根系三维形态模型,包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、不定根位置的确定、不定根生长方向的确定等。根据水稻根系几何形态参数,采用Visual C++及Open GL标准图形库,对水稻根系的三维形态结构进行重构,使系统生成更加逼真的水稻根系图像。结果表明该模型对水稻根系形态结构动态生长具有较好的预测效果,同时也可为其他作物根系的可视化研究提供参考。 相似文献
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基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析 总被引：2，自引：0，他引：2
【目的】构建一套由硬件和软件集成且完整而适用的虚拟植物根系技术,定量描述稻茬田冬小麦根系的三维几何构型特征。【方法】自主设计制作“根系构型数字化仪”,该数字化仪为纯机械结构,分别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂,回转臂与滑动臂都配有标尺,且3者的组合运动能保证测头在3D范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按3-5 mm厚度逐层清除并进行根系构型数字化,从而测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,实现小麦根系实体构型的数字化。将实测的小麦根系构型数据导入Pro-E软件平台,利用软件的3D造型技术完成小麦根系构型的虚拟重构,实现计算机虚拟根系与实体根系的一致性。利用软件的分析工具对虚拟重构的小麦根系构型进行计算分析,定量小麦不同时期根系的三维空间构型、根系的土体空间搜寻能力、根系总长以及根系平均增长率等指标的变化,通过不同的指标反映田间土壤环境下真实小麦根系构型的时空动态。【结果】植物根系构型数字化仪能够提供＜1 mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染、抗干扰能力强,对工作环境要求不高,可满足作物根系三维空间几何构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系三维空间几何构型重构技术也便于根系构型的深度计算与分析。冬小麦的根系构型分析结果表明,该虚拟根系技术能够直观展示小麦生长期不同时间节点的根系构型状态特征及土体空间搜寻动态,根系构型图可以反映各时期小麦根系在土体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大,越冬期小麦根系很浅,在返青及分蘖旺期小麦的根系迅速向深层土层中伸展,拔节期根系爆发迅速。【结论】由软硬件单元组构的虚拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系动态空间行为指标等作物根际生理生态行为的技术保障,其不仅直观展示了水稻土条件下冬小麦根系空间几何构型在不同时期的空间拓展状况,也能够定量根系构型的动态,因此能够满足作物根系三维空间几何构型分析的实用要求。 相似文献
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磷是植物生长发育不可缺少的大量元素之一,参与了植物的能量转移、代谢调节、蛋白质激活等多种细胞活动。磷素供应不足将导致植物生长受阻,产量受制,开展磷高效利用育种已成为世界性的研究热点之一。本文从根系形态和构型变化、叶片形态特性以及碳水化合物分配格局等方面入手,对低磷胁迫下植物的形态适应性变化进行综述,指出了当前研究中存在的主要问题,并对今后的研究进行了展望。 相似文献
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杨树根系形态、分布、动态特征及其吸水特性 总被引：1，自引：1，他引：0
席本野 《北京林业大学学报》2019,41(12):37-49
根系是连接植物与土壤的纽带,也是植物吸收水养资源的器官,在树木生理生活中发挥着至关重要的作用。杨树在我国北方被广泛栽植,其木材产量占我国总木材产量的30%。因此,了解杨树根系的各种特点有助于深入认识其生存和生长机制,以及在各种环境下的生态适应策略,从而为杨树林地高效经营管理技术的优化、林分质量和产量的双提升提供理论基础。本文基于已有研究,对杨树根系形态、分布、动态特征以及吸水特性等内容及部分研究方法进行了综述。首先,本文总结了已有研究中采用的各种根系分级方法,指出其各自的不足与可取之处,并提出更适合杨树根系分级的方法。其次,对现有研究中发现的各种杨树根系构型、形态、分布以及生长动态等特征进行了归纳总结,探讨了各种特征产生的原因以及对杨树根系吸收效率产生的影响。然后,总结了杨树根系在各种条件下的吸水特性与机制,并在最后提出了现有杨树根系研究的不足以及今后的发展方向。 相似文献
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数字植物研究进展:植物形态结构三维数字化 总被引：17，自引：1，他引：16
数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法,通过多学科交叉合作,研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分,近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度,或者从植物根系和地上部等不同视角,围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模,以及三维植物模型真实感展现等需要,开展了更深入的研究。在组织尺度方面,随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟,使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能,并被越来越多的研究者采用,成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面,由于植物的根普遍生长在土壤里,观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测,但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据,且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损(原位)、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面,基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径,研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面,如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点,虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案,但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意,有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。 相似文献
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在水土防治中采用植物根系固定土壤的措施,引入基于MATLAB的数字图像处理技术,为植物根系固土机制的研究提供根系和土壤等的形态特征参数。对比Sobel、Prewitt、Roberts、LoG、Canny 5种边缘检测器的效果,对比基于梯度的边缘信息改进全局阈值处理方法和Otsu方法进行最佳全局阈值处理的效果,确定Canny边缘检测器和Otsu阈值处理方法相结合的最优算法。该数字图像处理技术可为植物根系固土机制的研究提供可靠的分析手段。 相似文献
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毛白杨根系分布的研究 总被引：13，自引：1，他引：13
对沙地上不同年龄毛白杨人工林的根系，从形态、数量和分布密度３个方面进行了调查研究。结果表明，其根系为水平斜生复合根型，１４ａ生林木根系的分布深度可达４．５ｍ，水平根幅达８ｍ左右。以重量划分７，９，１４ａ生林分的根系，分别集中在０￣６０ｃｍ、０￣１００ｃｍ和０￣１００ｃｍ土层内，占根系总重的８６％以上，树木周围２．０ｍ范围内根系的重量占总根量的８０％以上。以根系长度衡量，整个林地内根系分布较均匀，０ 相似文献
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喀斯特地区植物根系对土壤元素迁移的影响 总被引：3，自引：0，他引：3
采用土柱淋滤试验,研究了乔木、灌木和草本的根系对土壤中钾、氮、钙元素迁移强度的影响.结果表明,不同植物根系对钾、氮、钙元素的迁移都有一定的活化效力,灌木与乔木的根系对钾、氮、钙元素迁移的活化效力比较接近,而草本的活化效力较弱;不同植被根系在土层(H)0≤H<10 cm中活化效力较弱,在土层10 cm≤H＜30 cm中活... 相似文献
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宽窄行栽植模式下三倍体毛白杨吸水根系的空间分布与模拟 总被引：2，自引：0，他引：2
研究三倍体毛白杨Populus tomentosa吸水根系空间分布特征是建立三倍体毛白杨根系吸水模型的基础。采用根钻法对宽窄行栽植模式下毛白杨吸水根系的空间分布特征进行了研究。结果表明：垂直方向上,宽、窄行内的吸水根系均在0 ～ 60 cm递减,但在60 ～ 80 cm又有小幅度增加;且根系主要分布区域都在0 ～ 20 cm土层内,根长密度分别达到0.080 cm·cm-3和0.074 cm·cm-3,约占各自系统总根量的44.14%和48.71%;相同水平方向0 ～ 100 cm范围内宽行各土层的根长密度较窄行相应土层均有大幅度增加,增加量分别为35.45%,36.76%,71.67%和72.27%。水平方向上,宽行20 ～ 200 cm内毛白杨根长密度呈指数递减分布;吸水根系主要集中分布在20～80 cm内,该区域总根长密度为0.250 cm·cm-3,约占系统总根量的49.20%;窄行内吸水根系的水平分布不规律,各土层不同带距间根长密度差异不显著。对窄行拟合了一维根长密度分布函数,决定系数为0.288;对宽行拟合了二维根长密度分布函数,复相关系数达到0.538。研究结果将为进一步探索毛白杨速生丰产林根区的土壤水分动态以及土壤?鄄植物?鄄大气连续体（SPAC）系统中的水分传输机制提供基础资料和理论支持。图5表2参12 相似文献
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离体根呼吸研究及其在原位根呼吸测量中的应用 总被引：1，自引：0，他引：1
运用动态根箱方法,室内测量了马尾松和黄果厚壳桂离体根呼吸随离体时间的变化和在不同CO2浓度下根呼吸速率,并用根离体法在野外测量了鼎湖山针阔叶混交林根呼吸速率。结果表明,根离体后呼吸速率迅速下降,离体30 min后根呼吸速率为未离体时的50%左右,细根呼吸速率高于粗根,且下降速率高于粗根;CO2体积浓度在2 500×10-6条件下离体根呼吸速率为在400×10-6浓度下的33%左右。鼎湖山针阔叶混交林根呼吸速率雨季高于旱季,分别为(127±50)、(84±21)mg.m-2.h-1,主要与温度、土壤含水量和植物生长季节有关。 相似文献
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贡嘎山森林生态系统根系固土力学机制研究 总被引：43，自引：7，他引：43
为探索森林生态系统树木根系固土力学机制,对长江上游贡嘎山森林生态系统不同演替阶段主要树种进行了根系抗拉试验.结果表明:各树种根系在受拉情况下,峨眉冷杉(Abies fabri)、冬瓜杨(Populus purdomii)根系为典型的弹性断裂,而杜鹃根系为脆性断裂. 但各树种根系在断裂或完全拔出之前,根系变形量、最大形变率依次均为冬瓜杨＞杜鹃＞峨眉冷杉. 由于各树种根系形态特性及生物学的特性,在弹性形变范围内根系的弹性模量并不是一个常量,随根径的增加而增加. 根系的抗拉强度与根表面积、根径成正相关,即随着树木年龄的增长,其固持土壤的能力也不断增强. 由于冬瓜杨、杜鹃根系的抗拉阻力较峨眉冷杉强,该地区处于演替初期和中期的冬瓜杨、杜鹃和峨眉冷杉等树种形成的混交林的水土保持功能优于演替顶极群落的峨眉冷杉成过熟林. 相似文献
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【目的】研究宿根甘蔗黄化幼苗根系活力及其营养特性,探明宿根甘蔗幼苗黄化与根系吸收矿质元素能力的关系。【方法】在宿根蔗幼苗黄化发生严重的蔗区采集宿根黄化苗、相邻地块宿根正常苗和新植蔗苗的根系样品,测定根系活力及根系N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、Mg、B、S等营养元素含量。【结果】黄化苗根系活力极显著低于宿根正常苗根系和新植蔗苗根系;黄化苗根系N含量略高于宿根正常苗根系,但低于新植蔗苗根系;黄化苗根系P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、Mg、B、S等元素含量均极显著低于宿根正常苗根系和新植蔗苗根系,新植蔗苗根系矿质元素含量最高。【结论】宿根蔗黄化苗根系活力微弱,矿质元素含量不足,营养贫乏,不能从土壤吸收矿质元素。 相似文献
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林木根系单根的生物力学特性 总被引：1，自引：0，他引：1
以黄土高原半干旱区17年生的刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林和17年生的侧柏(Platycladus orientalis)人工林为对象,通过单根拉伸试验研究了根系的抗拉强度和杨氏模量.结果表明,刺槐根与侧柏根的生物力学特性表现出显著的尺度效应.根系的抗拉强度与杨氏模量都随直径的增大而减小,且刺槐根的强度约是侧柏根的2倍. 相似文献
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树木细根具有高度空间异质性,确定合理的细根取样策略是林木细根研究的前提。通过在福建省三明米槠天然常绿阔叶林内随机钻取96个土芯,分析细根生物量和形态特征的空间变异特征,并估计各指标所需的取样数量。结果表明:(1)随着径级增加,细根各指标变异系数增大,相应的取样数量增加;(2)随着土壤深度增加,单位面积细根生物量变异程度和相应的取样数量均增加。在置信水平为95%、精度为80%的条件下,直径为0-1 mm和1-2 mm的细根,分别采集16和42个样品可以满足测定单位面积细根生物量,采集17和31个样品可以满足测定单位面积细根长度,采集25和33个样品可以满足测定单位面积细根表面积。Shapiro-Wilk检验表明,除表层土壤0-1 mm细根单位面积生物量符合正态分布外,其余细根生物量和形态指标数据均不符合正态分布。研究结果为亚热带常绿阔叶林细根的合理取样提供了科学依据。 相似文献
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红锥切根育苗试验研究 总被引：8，自引：0，他引：8
通过红锥切根、沾灰育苗试验，分析成苗率、苗高、地径、主根、须根及枝、叶等一系列苗木数量、质量性状的差异。结果表明：切根能使红锥苗木主根变短，侧根部位提高，根系发达，苗木地径和苗高明显增加，生长旺盛。但切根也在一定程度上降低了成苗率。 相似文献