专利名称：一种原位根系动态研究的方法
技术领域：
本发明涉及一种原位根系动态研究的方法。
技术背景根系是植物体重要的有机器官，它不仅具有吸收养分和水分的功能，同时根系 的生产和周转直接影响着陆地生态系统中碳、氮的生物地球化学循环。虽然，根系 在陆地生态系统中占有十分重要的地位，但是由于根系生活在土壤中，我们很难掌 握根系的真实生长状况，所以根系研究方法一直是限制根系生态学发展的瓶颈。因 此，根系研究方法的探索始终是根系生态学者努力的一个重要方面。目前，可视的研究根系动态的方法主要有根窗法(Head G C. Shedding of ro ots[M]. In Shedding of Plant Parts. (Kozlowski T Ed.). New York: Academ ic Press, 2003: 237-293)和微根管法，它们能在多个时间段内原位重复对根系 进行观测。但是，根窗法在图像获取上还仍然停留在用醋酸纸等材料在根窗上进行 描绘，这样不仅工作量大、而且获得的图像准确性也差。微根管法是目前研究根系 动态比较常用的方法，然而它最主要的缺点是价格昂贵、观测的每幅图像面积小， 一般2-3 cm2。至今尚未见更好的根系动态研究方法，这严重地限制了根系生态学 的发展。 发明内容本发明的目的是提供一种原位根系动态研究的方法。本发明所提供的原位根系动态研究的方法是按照根窗法在植物根系部分制作 根窗，获取不同时间的根窗图片，保存图片，然后用计算机图像处理分析软件对图 片进行定量分析。其中，所述计算机图像处理分析软件为Mapinfo professional (5.0)版本软 件；所述获取根窗图片的方法为数码相机拍摄或扫描仪扫描。本发明的原位根系动态研究的方法具有如下的优点解决了根窗图像获取和分 析的数字化问题；使用数码照相机获得的根系数字照片，不仅精确度高、清晰，还 可以在计算上直接进行根系描绘和测量，大大减少了繁重的工作量、提高了准确度;使用密封后普通的扫描仪埋在地下直接对根系进行扫描，更加方便、快捷，所获得3的根系图像更大、清晰度更高；密封后的扫描仪可以忍受的温度范围+30—-30°C， 使用年限最少为5年。安装一个玻璃根窗或扫描仪的成本为400元人民币，而购买 一套微根管设备所需费用为4万美圆，价格低廉、操作简单，易于广泛使用。本发明的原位根系动态研究的方法都能获得较大面积的根系观测图片并且价 格成本低廉和操作简单，更容易推广和普及，对推动我国根系生态学的发展将起到 积极的作用。
图1为用数码照相机所获得的根系图像。图2为用Mapinfo软件数字化图1根系图像的过程。图3为用扫描仪所获得的根系图像。图4为用Mapinfo软件数字化图3根系图像的过程。图5为实验模拟增温和增雨对克氏针茅草原植物群落根系生长和死亡季节动态 的影响。
具体实施方式
下述实施例中如无特殊说明所用方法均为常规方法，所用试剂均可从商业途径获 得。实施例l、数码相机法研究根系动态一、 玻璃根窗的制作和安装草原植物群落根系90%以上都分布在土壤中0-30 cm土层，选取厚度0.4 cm、 长20cm、高35cm的玻璃片，为了便于观察和分析，在玻璃片上用磨砂标记10 cm X10 cra的小方格(图l)，标记的面积IO cmX30 cm，并在靠近地面的一端，紧 靠玻璃片边缘。安装时先用铁板沿土壤表面垂直方向铲出一个平面，然后将一侧的 土取走，去除杂物，使玻璃片与土壤剖面紧密接触后，在玻璃片两侧用铁棍卡住， 最后将土回填。安装4-6月后，植物根系从土壤剖面长出，可以从玻璃片上观察到 根系的生长情况。为防止光线和雨水影响根系生长，玻璃片上缘在地表以下lcm左 右，并且在上缘加盖一个厚0. 5 ram、宽1.5 cm、长20cm的黑色铁片。二、 玻璃根窗图像获取用一架Canon (型号G5)数码相机对根系生长情况进行观察，在照相时先将根 窗一侧的土挖开，然后用干净的纸将玻璃窗擦干净，将照相机镜头垂直对准玻璃根 窗后照相，照完像后将土回填。每次照相过程中，获得的根系照片真实地记录了土壤表层IO cmX30 cm的根系生长和死亡情况。每幅照片观测的面积为100 cm2 (图 1)。
三、根窗图像数字化
将获得的根系照片在计算机上用Mapinfo professional (5.0)软件进行编辑、 处理。在M邻info的"打开表"菜单中，找到所要编辑的照片，将文件类型定义为 删格图像，对删格图像进行配准，配准系数为0.009。配准后，在"新建表"菜单 中"添加到当前地图窗口"选项创建一个新表(图层)，在"新表结构"选项中创 建字段信息，标注取样时间、根长、根号等信息(图2)。在"地图"菜单的"图 层控制"选项中确定当前处理的图层。在这个图层上利用"绘图工具"选项就可以 对根系进行描绘和测量。在对根系描绘、测量前，先描绘、测量小方格一边的长度 以进行校准(图2，显示的长度单位为km，实际是100 mm)，若测量的边长不是 10.00cra，重新调整校准系数，调准后对根系进行描绘、测量，描绘的根系长度可 以精确到0.01 mm。对于接下来的取样照片，配准后原位叠加到当前工作窗口，保 证不同时间段的图像中每一个根系相对位置不变，对每一条根继续进行描绘、测量。 通过这种方式就会获得从第一次采样开始的一个连续的根系数据集。
通过比较相邻两次取样时间间隔内根系长度和数量的变化，就可以计算出根系 的生长和死亡的量。
以内蒙古克氏针茅(5^'ps^yhw7)草原为研究对象，研究了模拟增温和增 雨对克氏针茅草原植物群落根系生长和死亡的影响。
通过分析发现克氏针茅草原植物群落根系生长和死亡具有明显的季节模式，实验增 温和增雨没有改变这种季节模式。但是湿润(2006)和干旱(2007)年份的根系动 态季节模式却有显著的不同，在湿润年份根系生产和死亡具有两个明显的高峰，而 在干旱年份的生长季却只出现了一个峰值(图5)。图5中C:对照，W:增温，P: 增雨，WP:既增温又增雨。
实施例2、扫描仪法研究根系动态
一、扫描仪的密封和安装
将普通办公扫描仪(BenQ 5000S)用有机玻璃板密封，确保不透气、不透水。 密封时将数据线和电源线与扫描仪相连的一端和扫描仪一起密封，与计算机相连的 一端留在外面用封口袋包好。安装时在实验小区内先用铁板沿土壤表面垂直方向f产 出一个平面，然后将一侧的土取走，去除杂物，将扫描仪扫描的一面与未扰动一侧的土壤剖面紧密接触后将土回填紧实，将用封口袋包好的与计算机相连时數据线口 和电源线口留在地面。扫描仪扫描面的上缘应在地表以下lcm左右。
二、 扫描仪图像获取
扫描仪埋在地下4-6个月后，植物根系从土壤剖面长出，就可以用扫描仪记录 根系的生长情况。每次观测时将笔记本电脑和留在地面的扫描仪数据线接口连接， 扫描仪设定成原稿、彩色、600X600 dpi后进行扫描，扫描获得的根系图像为表层 29.4 cmX21.3 cm土壤中的根系(图3)。
三、 图像数字化
将扫描仪获得的根系图片在计算机上用Mapinfo professional (5.0)软件进 行编辑、处理。在Mapinfo的"打开表"菜单中，找到所要编辑的照片，将文件类 型定义为删格图像，对删格图像进行配准，配准系数为O. 0191和0.0264。配准后， 在"新建表"菜单中"添加到当前地图窗口"选项创建一个新表(图层)，在"新 表结构"选项中创建字段信息，标注取样时间、根长、根号等信息(图4)。在"地 图"菜单的"图层控制"选项中确定当前处理的图层。在这个图层上利用"绘图工 具"选项就可以对根系进行描绘和测量。在对根系描绘、测量前，先描绘、测量小 方格一边的长度以进行校准(图4，显示的长度单位为km，实际是100ram)，若测 量的边长不是21.3 cm，重新调整校准系数，调准后对根系进行描绘、测量，描绘 的根系长度可以精确到0.01 mm。对于接下来的取样照片，配准后原位叠加到当前 工作窗口，保证不同时间段的图像中每一个根系相对位置不变，对每一条根继续进 行描绘、测量。通过这种方式就会获得从第一次采样开始的一个连续的根系数据集。
通过比较相邻两次取样时间间隔内根系长度和数量的变化，就可以计算出根系 的生长和死亡的量。
权利要求
1、一种原位根系动态研究的方法，是按照根窗法，在植物根系部分制作根窗，获取不同时间的根窗图片，保存图片，然后用计算机图像处理分析软件对图片进行定量分析。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述计算机图像处理分析软件为 Mapinfo professional (5.0)版本软件。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述获取根窗图片的方法为 数码相机拍摄或扫描仪扫描。
全文摘要
本发明公开一种原位根系动态研究的方法。该方法是按照根窗法在植物根系部分制作根窗，获取不同时间的根窗图片，保存图片，然后用计算机图像处理分析软件对图片进行定量分析。所述计算机图像处理分析软件为Mapinfo professional(5.0)版本软件。所述获取根窗图片的方法为数码相机拍摄或扫描仪扫描。本发明的原位根系动态研究的方法都能获得较大面积的根系观测图片并且价格成本低廉和操作简单，更容易推广和普及，对推动我国根系生态学的发展将起到积极的作用。
文档编号G06T1/00GK101574044SQ20091008654
公开日2009年11月11日 申请日期2009年6月5日 优先权日2009年6月5日
发明者宋世环, 白文明, 程维信, 高英志 申请人:中国科学院植物研究所