中科院-土壤新技術(shù)-第四講課件

第二章：土壤學(xué)研究新技術(shù)與新方法各論

第一節(jié)：土壤學(xué)研究信息獲取新技術(shù)與方法第二節(jié)：土壤學(xué)原位取樣新技術(shù)與方法第三節(jié)：土壤學(xué)研究原位觀測(cè)技術(shù)與方法一、根系研究法（一）根系的田間觀測(cè)法現(xiàn)有的根系觀測(cè)方法，需要先進(jìn)行破壞性取樣，使根系與土壤分離開來；然后進(jìn)行人工測(cè)量，或借助于專用儀器逐項(xiàng)對(duì)有關(guān)形態(tài)參數(shù)(多數(shù)是平面數(shù)據(jù))進(jìn)行人工輔助測(cè)量，整個(gè)取樣和測(cè)量過程既耗時(shí)費(fèi)力、又存在較大誤差，很難實(shí)現(xiàn)根系的原位取樣和準(zhǔn)確測(cè)量，容易出現(xiàn)移位、有斷根和水分逸失等問題。少數(shù)幾種非損傷性方法，包括同位素示蹤法、地下根室及微根室的研究等，盡管不需要破壞性取樣，避免了耗時(shí)費(fèi)力的取樣程序，但只能獲得一些有限的原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，難以獲得完整、準(zhǔn)確的三維形態(tài)數(shù)據(jù)6、多層螺旋CT原位觀測(cè)植物根系技術(shù)（1）特點(diǎn)：原位、快速、準(zhǔn)確、無損（2）原理與方法簡(jiǎn)介：德國西門子系統(tǒng)醫(yī)療集團(tuán)研制的Sensation4多層面螺旋CT作為根系樣品的掃描設(shè)備。對(duì)試驗(yàn)樣品按隨機(jī)順序上機(jī)掃描，采集到的原始圖像數(shù)據(jù)傳送到配套的圖形工作站，利用西門子醫(yī)用影像處理系統(tǒng)(syngo2002A—R1.O)進(jìn)行圖像處理，分別采用最大密度投影(MIP)、表面遮蓋成像(SSD)、容積再現(xiàn)(VRT)和多平面重構(gòu)(MPR)等三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)根系樣品的立體顯示，并對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行定性評(píng)判和定量分析成像方案(方法)的影響對(duì)同一根系，有的成像方案能夠清晰地顯示出細(xì)微根系，而有的只能顯示出主根的輪廓，很難分辨介質(zhì)環(huán)境和根系的邊界?，F(xiàn)有的醫(yī)用CT成像方案難以實(shí)現(xiàn)根系與介質(zhì)環(huán)境的徹底分離，顯示出完全只有根系的三維影像。三維重建圖像中出現(xiàn)的大大小小的白色斑點(diǎn)，實(shí)際上是介質(zhì)中密度與相應(yīng)根系密度極為接近的成分，利用醫(yī)用CT成像方案難以將其與根系影像徹底分割、完全去除。為此，有必要針對(duì)根系這一有著特殊形態(tài)結(jié)構(gòu)的植物組織器官，研究適宜的圖像分割與三維重建算法，以獲得更加清晰的影像。最大密度投影(a----MIP)、表面遮蓋成像(b----SSD)容積再現(xiàn)(c---VRT)、多平面重構(gòu)(d----MPR)介質(zhì)因素的影響不同生長(zhǎng)介質(zhì)成像質(zhì)量的對(duì)比(a)有機(jī)土(b)細(xì)砂有機(jī)土樣品的成像質(zhì)量較好，紅壤、細(xì)砂較差有機(jī)土與細(xì)砂中根系成像質(zhì)量差異主要原因是由于介質(zhì)密度不同造成圖像對(duì)比度不同。評(píng)價(jià)CT圖像質(zhì)量最重要的參數(shù)，對(duì)比度主要是由于不同密度的物質(zhì)對(duì)X射線衰減程度的差異引起的。a中大豆根系與有機(jī)土的密度比為1：0.36，圖b中大豆根系與細(xì)砂的密度比僅為1：1.06。正是由于大豆根系與細(xì)砂介質(zhì)問的密度非常接近，才使得圖像難以有效分割，這是造成成像質(zhì)量差的主要原因根系因素的影響在相同的成像技術(shù)條件和生長(zhǎng)介質(zhì)條件下，對(duì)比不同植物根系的成像效果，3種樣品中榕樹苗根系成像質(zhì)量較好，大豆根系和西紅柿根系的成像質(zhì)量則較差。不同根系成像質(zhì)量差異的原因除了根系密度不同造成根系與介質(zhì)密度對(duì)比的差異外，可能與根系的組成成分也有關(guān)系。7、微根窗技術(shù)（Minirhizotron)在植物根系研究中的應(yīng)用植物根系對(duì)固定植株和獲得水分和養(yǎng)分起重要作用,但是土壤不可觀測(cè)性的限制,給根系生態(tài)學(xué)的研究帶來一定的困難。因此,找到原位觀察根系生長(zhǎng)的方法對(duì)研究根系生態(tài)學(xué)就顯得尤為重要。BatesGH(1937)首次提出微根窗概念,微根窗就成為了解根系形成和功能的一個(gè)常用工具。目前微根窗技術(shù)被認(rèn)為是研究根系生態(tài)學(xué)最有前途的方法。特別是改進(jìn)的微根窗技術(shù)（UpchurchDRetal.,1983;ChengWetal.1990）。UpchurchDR,RitchieJR.Rootobservationsusingavideorecordingsysteminminirhizotrons.AgronomyJournal,1983,75:1009～1015.ChengW,ColemanDC,BoxJE.Rootdynamics,productionanddistributioninagroecosystemsontheGeorgiaPiedmontusingminirhizotrons.JournalofAppliedEcology,1990,27:592～604.早期的微根窗研究比較簡(jiǎn)單,收集到的數(shù)據(jù)量少,隨著光學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展,從微根窗收集到的數(shù)據(jù)和信息量大幅度增加,使微根窗技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前,一個(gè)典型的微根窗系統(tǒng)是由一個(gè)插入土壤中的微根窗管、攝像機(jī)、標(biāo)定手柄、控制器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成(VameraliTetal.1999;PatenaG,2000;JohnsonMGetal.,2001)(2)微根窗管的組成與安裝微根窗管組成：微根窗管是微根窗系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,一般是透明的玻璃或塑料管。管子的形狀通常是圓形的(BrownDA,etal.,1987),但也有方形管(VanNoordwijkMetal.,1985);膨脹管(GijsmanAJetal.,1991)或加壓管(MerrillSDetal.,1992)也通常被使用。微根窗管一般由樹脂玻璃、丁酸鹽纖維素(CAB)、聚碳酸脂、丙烯酸樹脂和玻璃制成。對(duì)材料的選擇基于成本和實(shí)用性。微根窗管必須是密封的,地上部是絕緣的,并將其涂成黑色以減少管子的熱量傳導(dǎo),同時(shí)蓋上不透光的蓋,避免光的射入影響根系生長(zhǎng)（LevanMAetal.,1987）。傳統(tǒng)的安裝方法通常是用鉆鉆一個(gè)深度和大小與微根窗管直徑相符的孔,然后將管子插入孔中。這種簡(jiǎn)單的安裝方法一般效果都很好（KattererT.,etal.,1995;WeberEPetal.,1996;JoslinJDetal.,1999)。有些研究采用雙步驟安裝方法,即先用一個(gè)直徑略小于微根窗管直徑的螺旋鉆移出大部分的土壤,之后用一個(gè)錐形鉆頭切出最終符合管直徑大小要求的孔,并在插入管子之前用圓形的細(xì)金屬刷子在孔內(nèi)刷出條紋(BoxJEetal.,1989;FrancoJAetal.,1997)。土壤類型影響微根窗管安裝方法的采用,在質(zhì)地較重的土壤、含有石塊的土壤或松散無結(jié)構(gòu)的沙土上用傳統(tǒng)方法安裝微根窗管有一定的問題(HendrickRLetl.,1996).解決辦法：PhillipsDL(2000)等使用氣壓巖石鉆孔機(jī)安裝微根窗管,很好地解決在質(zhì)地較重的土壤、含有石塊的土壤或松散無結(jié)構(gòu)的沙土中用傳統(tǒng)方法安裝微根窗管存在的問題。WilcoxCS等(2004)應(yīng)用氣壓巖石鉆孔機(jī)在莫哈韋沙漠安裝微根窗管研究了四種沙漠灌木根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和土壤水分的關(guān)系。安裝角度：微根窗管安裝的角度范圍比較大,可水平、垂直或成22°角、30°角、35°角、45°角、60°角等非垂直角度放置在土壤中。成角度放置的微根窗管在獲得有關(guān)根系垂直分布方面的信息要優(yōu)于水平放置的微根窗管,并且在野外安裝時(shí),成角度放置的微根窗管比水平放置的微根窗管更易安裝(JohnsonMGetal.,2001)。根據(jù)文獻(xiàn)資料分析,微根窗管安裝大多數(shù)是與垂直方向成30°或45°角。在2005年以前資料調(diào)查表明，41%研究中采用45°角，25.6%采用30°角。微根窗管的安裝角度可能影響根系的生長(zhǎng)(BraggPLetal.,1983),但關(guān)于這方面的報(bào)道非常少。微根窗圖象的采集微根窗圖象采集一般是使用微根窗系統(tǒng)的攝像機(jī)把圖象收集到錄像（WilconCSetal.,2004;HendrickRLetal.,1992).采樣位置控制：為了確保在微根窗管上同一地點(diǎn)重復(fù)取樣,通常在微根窗管上刻上標(biāo)記或使用帶有刻標(biāo)定位的自動(dòng)手柄（WeberEP,etal.1996；JoslinJD,etal.,1999；WilcoxCS,etal.,2004;HendrickRLetal.,1992;KloeppelBD,etal.,1995;MajdiH,etal.,2004;HanssonAG,etal.,1994;FergusonJG,etal.,1989;JohnsonMG,1998)采樣頻率：微根窗圖象采集的頻率依賴于測(cè)定的根系參數(shù),圖象采集的時(shí)間間隔有1周、2周、4周或更長(zhǎng)時(shí)間6～16周的都有（HendrickRLetal.,1993;JoslinJD,etal.,1998;TingeyDT,etal.,1996;ThomasSMetal.,1999;ForbesPJetal.,1997)一般在冬季采樣次數(shù)減少(AertsR,etal.,1992)或不采樣(HendrickRLetal.,1992;KloeppelBD,etal.,1995)。微根窗圖象采集頻率對(duì)計(jì)算根系生長(zhǎng)和死亡的準(zhǔn)確性影響很大,因?yàn)樵谖⒏安蓸娱g隔期內(nèi)常常出現(xiàn)根系形成和死亡,所以較長(zhǎng)的采樣間隔會(huì)低估根系的生長(zhǎng)和死亡率(HendrickRLetal.1996;JohnsonMG,etal.,2001;TingeyDTetal.,2003)DubachMetal.,(1995)評(píng)價(jià)了采樣頻率對(duì)根系形成和死亡數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性估計(jì)的影響,他們?cè)O(shè)置了從1到8周不同的采樣間隔,得出紫花苜蓿(MedicagosativaL.)在2周或3周的采樣間隔內(nèi)計(jì)算的根系周轉(zhuǎn)率的準(zhǔn)確率為97%;采樣的時(shí)間間隔為8周時(shí),計(jì)算的根系周轉(zhuǎn)率的準(zhǔn)確率只有75%(與采樣間隔1周相比)。比較相同的采樣時(shí)間對(duì)紫花苜蓿和百脈根(LotuscorniculatusL.)根系死亡率的影響,發(fā)現(xiàn)采樣間隔同為8周時(shí)對(duì)紫花苜蓿根系死亡率的估計(jì)少25%,而對(duì)百脈根根系死亡率的估計(jì)只少113%以下,原因是百脈根根系存活時(shí)間比紫花苜蓿長(zhǎng),因此不同植物種類有不同的適宜采樣時(shí)間間隔(DubachMetal.,1995)JohnsonMG等(2001)為評(píng)價(jià)采樣間隔對(duì)根系生產(chǎn)力和死亡的影響,1997年在美國俄勒岡州研究了花旗松(Pseudotsugamenziesii(Mirb.))的根系生產(chǎn)力。指出當(dāng)采樣間隔增加到4周時(shí),對(duì)根系生產(chǎn)力的估計(jì)大約比采樣間隔為2周時(shí)降低28%,當(dāng)采樣間隔進(jìn)一步增加到8周時(shí),對(duì)根系生產(chǎn)力的估計(jì)大約降低54%。根系死亡率顯示出同樣的趨勢(shì),另外采樣時(shí)間間隔對(duì)根的數(shù)量變化影響不如根長(zhǎng)敏感.（3）微根窗數(shù)據(jù)的解析與利用微根窗圖象中獲得根系數(shù)據(jù)和信息解析工具：從微根窗圖象中獲得根系數(shù)據(jù)和信息或者將微根窗圖象數(shù)字化通常采用兩種方法。一種用手工描繪（ChengWetal.,1990;LópezBetal.,2001)另一種是使用計(jì)算機(jī)軟件,目前使用比較多的軟件有美國杜克大學(xué)生產(chǎn)的“RooTracker”根系分析軟件(WilcoxCS,2004;MajdiH,etal.,2004;

ArnoneJAetal.2000)和美國密歇根州州立大學(xué)生產(chǎn)的“ROOTS”根系分析軟件(WestJB,etal.2004;HendrickRLetal.,1992;BurtonAJetal.,2000;DilustroJJ,etal.,2002)微根窗數(shù)據(jù)的利用在微根窗圖象中可以得到根的出生、死亡以及根系數(shù)量和根系長(zhǎng)度等信息,也可以根據(jù)總微根窗畫面面積來確定總根長(zhǎng),二維空間觀測(cè)數(shù)據(jù)能反映區(qū)域根長(zhǎng)密度(cm/cm-2)。利用觀測(cè)的根長(zhǎng)和直徑乘積計(jì)算根面積,可以計(jì)算根面積密度(cm2/cm-2)（JohnsonDW.，etal.,1995）。根系數(shù)量對(duì)采樣間隔不敏感,所以一些研究利用根系數(shù)量來評(píng)價(jià)根系生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)(ReynoldsJF,etal.,1999;FitterAH,etal.,1998;RytterRMEtal.,1998)。但是利用根系數(shù)量來估計(jì)根系生產(chǎn)力和死亡率時(shí),其值一般都偏低,因?yàn)樗茨苷f明根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和現(xiàn)有根系的長(zhǎng)度損失(JohnsonMG,etal.,2001)。利用根系長(zhǎng)度可以較好確定根系生產(chǎn)和死亡,但必須注意確保采樣間隔足夠短。JohnsonMG等(2001)報(bào)道采樣間隔在2周以內(nèi)可以保障對(duì)根系生產(chǎn)力和死亡率估計(jì)的準(zhǔn)確性。（4）優(yōu)缺點(diǎn)微根窗的主要優(yōu)勢(shì)之一是可以追蹤單個(gè)根的生長(zhǎng)和死亡,因此可以很容易估算每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)根系的生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)率（Hendri