植物根系中根的相关参数检测方案(根系监测系统)

智能文字提取功能测试中

EcoTech易科泰生态技术乡易科泰生 态技术有限限公司Ecotech Science and Technology Ltd. 根系与根际生态学研究技术 根系作为生态系统联通地上与地下过程的关键结构功能系统，在生态学、作物育种与栽培等研究中日益引起高度重视和关注。本文特就国际上根系与根际生态学研究领域的先进技术方法及仪器设备择要介绍于此，，以供有关研究参考。详细情况可联系易科泰生态技术公司Ecolab生态实验室：eco-lab@eco-tech. com.cn 或 info@eco-lab.cn，有关资料下载可登陆：www.eco-tech.com.cn。 一、微根窗技术与 BTC-100 根系生态观测系统 根际生态系统-从基因到生态系统水平 自上世纪八十年代后，随着美国 Bartz 公司研制生产出专业商业化微根窗根系生态观测仪器，微根窗技术 (Minirhizotron)得以广泛使用并成为目前根系动态研究的主要技术手段。 BTC-100根系生态监测系统是基于 Minirhizotron 技术的经典根系监测设备，由美国 Bartz 公司设计生产。国际上80%以上的利用 Minirhizotron 技术发表的根系研究论文，都是采用 Bartz 公司的 BTC-2或 BTC-100(BTC-2的升级版)，发表刊物包括： Agriculture，Ecosystems and Environment； Plant， Cell andEnvironment； Journal of Arid Environments； TreePhysiology； HortScience； Environmental and ExperimentalBotany； Journal ofEcology； Agricultural and ForestMeteorology； Crop Science； EcologicalMonographs；PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America)； Plant Root； AgromomyJournal； Climate Change； Journal of Experimental Botany；Journal of Plant Research； Annals of Botany； NewPhytologist； Global Change Biology； Ecosystems； Science；Plant Soil； Soil Science Society of America Journal；Restoration Ecology 等等。中国科学院生态系统研究网络(CERN)及农业部学科群建建项目等，均于2013批量招标采购了 BTC-100，以全面采用国际通用的BTC-100 根系生态监测技术，用于长期监测森林、草原、湿地、农业等不同植被类型根系动态。易科泰生态技术公司收集了约200多篇采用 BTC 根系生态监测系统发表的论文，可供大家下载交流。 BTC-100根系生态监测系统采用 NTSC 制式彩色摄像头，可放大15-100倍，具防水性能，加上特制的精确定位功能，，可以明察秋毫、精确定位跟踪观测研究微细根(小于2mm)及菌根和根 瘤的密度、生长、周转等动态，成为国际学术界公认的通用根系监测仪器(“The most commonly usedMR(Minrhizotron) systems are produced by Bartz Technology Corporation”——引自 Eshel， A. &Beeckman， T. Plant Roots： The Hidden half. 4th edition. CRC Press， New York，USA.2013)。 BTC-100根系分析软件一般采用加拿大 Regent 公司的 WinRHIZO Tron MF， 在经费不足的情况下，还可选配针对 BTC-100 开发的 RootFly 微根窗析系分析软件(易科泰公司可免费提供)。 2009 2010- Fig.2 Seasonal shifting was observed in the surface layer of aPinus sylvestris L. forest peatland in southern Finland that wasdrained in 1970. Minirhizotron images were collected with theBTC-100x minirhizotron video microscope (Bartz TechnologyCorporation， Carpinteria， CA， USA)， and were pieced togetherin vertical columns representing the peat profile on each of tensampling dates from May， 2009 to June， 2010 (images from unpublished work by T. Sarjala). Images are shown here to adepth of ~11 cm. As indicated by the appearance of the sameroots in different minirhizotron images over time， peat initiallyshifted downward between image collection dates in October，2009 and May， 2010 (i.e.， over winter). Peat continued tosubside throughout the summer of 2010， but began to shiftupward on the last two sampling dates of 2010 (see arrows) 除 BTC-100 外， Bartz 公司还开发了 BTC-Borescope版，便携性更强，价格适中，适合于购买BTC-100经费不足的客户。BTC-Borescope 特别适用于温室或实验室内使用，其定位性能等不如经典的 BTC-100。 二、RhizoTron 根窗生态观测系统 RhizoTron 根窗生态观测系统由根窗式小型蒸渗仪及根系扫描观测系统组成，用于根系 表型分析(根系结构与生长)、根际生态学研究、植物生理生态研究、作物栽培育种研究土壤污染生态学与土壤生态修复等，其主要功能特 10 cm 1乡 点如下： 1) 大范围观测研究根系结构、生长动态，标准配置根窗为21x30cm， 特别适用于从种子萌发到生长不同阶段的根系结构与生长动态观测分析 2) 可同时监测土壤温度和水分动态及电导，并通过土壤空隙水取样和渗漏水取样进行土壤化学分析(可选配 MicroMac1000 土壤化学在线监测) 3可监测土壤 C02 及土壤02动态45 可通过根窗扫描观测土壤动物活动状态(如蚯蚓活动轨迹等) 通过空白对照，可观测分析根际微生物活性并根据 SIR 底物诱导呼吸法评估测定土壤微生物生物量(需选配 Soillab 实验室土壤呼吸测量系统)及根际呼吸 6) 可通过选配 Monitoring FluorPen 叶绿素荧光监测模块或 FluorCam 叶绿素荧光技术研究检测植物叶绿素荧光特征与胁迫生理等(参见下图：除草剂对作物根系影响及 FluorCam 叶绿素荧光成像参数变化)。 ck 易科泰生态技术公司 Ecolab 实验室还可根据客户需求，提供“客户定制式”根窗观测系统及小型根系观测蒸渗仪等，，以满足实验室或野外根系在线观测等需求及不同预算需求。 三、呼吸测量技术与 ET-FMS 便携式根际呼吸测量系统 根际呼吸测量技术包括土壤呼吸测量与根系呼吸测量。ET-FMS 便携式根际呼吸测量系统由主机系统和呼吸室组成，，主机系统内置高精度co2 分析仪、02分析仪、水汽分析仪、气体抽样单元、数据采集器、Baseline 单元等，呼吸室有原位呼吸测量室(in-situ chamber)和离体呼吸测量室 (ex-situ chamber)，原位呼吸室用 于原位土壤呼吸测量和根际呼吸测量，离体呼吸室用于纯根系呼吸测量和纯土壤呼吸测量等，根系呼吸测量不仅可以反映土壤呼吸和碳排放中根系的贡献率，还可以反映根系活力。ET-FMS 主要功能特点为： 高精度、高稳定性、高解析度全方位测量根际呼吸各组分 配置灵活、多功能，既可在野外利用呼吸室技术 (Chamber technique)原位开放式或封闭式测量土壤呼吸、根际呼吸或野外离体测量各组分等，又可在实验室内进行离体土壤呼吸和根系呼吸测量及控制实验等 √ 可测量分析土壤呼吸、根际呼吸各组分及其相互关系和环境关系，测量参数包括原位单位面积土壤呼吸、根际呼吸等，及单位重量土壤总呼吸、纯根系呼吸、根际微生物呼吸、土壤动物呼吸、各组分耗氧率和呼吸商等，包括其它环境参数如气温、土壤温度、土壤水分等 √ 可选配气路转换器进行多通道测量 上图： Naoki Makita (2009)等利用离体封闭式测量法，将不同直径细根在封闭式呼吸室内对根系直径与呼吸强度的关系进行测量研究。左图为从细根(小于2mm)到粗根的呼吸强度，植物根系呼吸主要发生在细根；右图为栎树细根直径与呼吸强度的关系 (Tree Physiology， 2009) 四、土壤呼吸与根系动态观测系统 土壤中植物细根占地球生态系统年净初级生产力的 33%(Gill and Jackson，2000)，尽管对菌根生产力还缺乏了解，但可以肯定的是，植物细根及菌根 CO2的排放对全球碳平衡具有非常重要的意义。截至目前为止，科学家对调节细根及菌根碳库动态的机理过程还缺乏了解。微根窗技术已成为研究植物根系乃至菌根动态的有力工具，但很少有研究将植物根系及菌根动态与生态系统通量如土壤碳通量结合观测分析。 美国加利福尼亚大学保护生物学研 究中心Rodrigo Vargas 教授(2008)，在圣哈辛托山保护区利用BTC-100微根窗根系观测技术及土壤剖面 C02梯度观测技术(SCG)，组成土壤呼吸与根系观测站，就土壤水分、细根动态、土壤呼呼进行综合观测研究，结果表明，利用 BTC-100 微根窗技术持续观测细根动态极为重要，观测到细根长度变化每天每平方米达 40cm，，而菌根长度变化每天每平方米超过 100cm；细根和菌根的动态变化会影响到土壤呼吸的季节性变化和日变化；土壤 CO2的生产是根系及微生物的生物量的函数，但土壤呼吸又依赖于土壤的扩散包括温度及土壤水分的影响；综合运用BTC-100 微根窗技术和土壤呼吸测量技术(包括剖面 C02观测技术和呼吸室测量技术)可以帮助我们全面理解和深入解析植物根系与菌根对全球碳循环的贡献(Allen et al.， 2007). 上图：细根长度(上图空心蓝点)、菌根长度(上图实心红点)及土壤呼吸动态变化；下图：土壤温度与土壤体积含水量的动态变化 (DOY 为 Day of year) 易科泰生态技术公司为土壤呼吸与根系观测提供全套系统解决方案，为 Rodrigo Vargas教授安装使用的全套系统配置组成，包括 BTC-100 根系观测系统、SCG-3 土壤剖面 CO2 观测系统(可选配原位土壤剖面02梯度监测模块)及ACE 全自动土壤呼吸监测系统，可监测记录根系动态、TRIME-PICO 土壤剖面水分及温度、土壤剖面 C02 浓度、土壤剖面02浓度(选配)、土壤呼吸(C02通量)，及空气温湿度、太阳辐射、降雨量等气象参数。 五、蒸渗仪技术与 Soiltron-Rhizo 根系生态观测蒸渗仪 根系是根际生态学的主要研究对象，也是地下生态学的关键要素。根系研究主要采用微根窗技术(MiniRhizotron)，特别是美国 Bartz 公司生产的 BTC 微根窗根系观测系统，成为微根窗技术研究根系的经典仪器设备。单纯采用微根窗技术研究植物根系时，透明维根管一般采用纵向(一般成45度角度)插入土壤剖面的办法，这种纵向安插法容易造成根系沿维根管生长，从而造成误差。通过与蒸渗仪技术结合，维根管可以水平安装——相当于在土壤剖面不同深度设置一个根系观测样带，不仅可以避免纵向安装造成的偏差，还可以对根系进行三维动态观测分析，结合蒸渗仪土壤剖面水分、温度等监测技术，可以全面分析根系时空动态及其影响因子、胁迫响应等，成为地下生态学、根际生态学等研究的重要手段 查尔斯特大学根系蒸渗仪站，右图为不同深度根系生长情况 SoilTron-Rhizo 根系生态观测蒸渗仪全面吸收了德国蒸渗仪技术和美国 BTC微根窗技术，系统由 SoilTron 主体结构(标准配置有 Rhizo-50 和 Rhizo-80 两种型号，直径分别为 50cm 和 80cm)、微根窗根系成像观测单元、传感器及数据采集系统组成，传感器及数据采集系统由欧洲生产，微根管成像系统由美国生产。系统主要技术特点及性能指标如下： 1.蒸渗仪主体由 Rhizo-50 和Rhizo-80 两种规格型号供选配：Rhizo-50底面积2000cm，标配高度 100cm，蒸渗仪不锈钢柱体厚度3mm；Rhizo-80底面积5000 cm(直径80cm)，标配高度150cm选配，蒸渗仪不锈钢柱体厚度 4mm 2.Rhizo-50标准配置4层维根管根系观测，及相应4层土壤水分和土壤温度监测； Rihzo-80 标准配置5层维根管根系观测，及相应5层土壤水分和土壤温度监测；可选配土壤张力计监测 3.TRIME PICO 32 智能土壤水分温度传感器， TDR 技术，高精度、高稳定 4.微根窗根系成像观测系统标准配置测管长度22”(用于Rhizo-50) 或 28”(用于Rhizo-80)，图像有效像素H Efarsyo mFo2cmusmilntgo x V：768 x 494 pixels， 525线，30帧/秒 Infinity oD.Purael eyB oovtea sHcaoipskeBailt-in CCD Camer5R0otMaitrerso rV eTwu be5J..38标配RootFly微根窗专业根系 N ei BnightWhiteterec分析软件分析微根窗图片中 LED Lighbt根系的长度、直径、根系颜色、根系生长率和死亡率等；可选 配 WinRhizo 根系分析软件 6.可选配 BTC-100 根系观测系统，具备15-100倍放大功能和精确定位手柄等(具体参数指标参见相关资料) 7. 16 通道数据采集器(可选配32通道)，16比特分辨率，可存储220000组带时间戳的数据(数据可存储1年以上)，测量间隔3秒至4小时可调，数据平均间隔3秒至4小时， 支持 GSM/GPRS/Internet 远程数据传输； 8.专业数据下载分析软件，可进行数据下载、数据在线观测、柱状图、数据修复、统计分析(如每小时平均、每日平均、总计、最小值、最大值、数据相关分析、回归分析)与图表展示及系统设置等； 9. GPRS 无线数据传输功能，打开专业软件界面后，只要连接上网即可随时下载浏览数据； 六、EMS-HB根系液流监测技术 水分运输是根系的重要功能之一， EMS-HB根系液流监测系统采用 SHB (Stem heatbalance) 加热技术和 THB (Tissue heat balance) 加热技术，结合TRIME-PICO 土壤水分温度智能传感器，全面监测根系液流及其与土壤水分等环境因素的动态关系。 SHB 传感器由两半柱体组成包裹式加热和测量装置，根茎杆外部加热，高精确度、高稳定性、高分辨率，能量需求与液流量成比例，能耗低，平均能耗0.3~0.4W；发热能量(mW)通过软件换算成茎流值，温度传感器为特制T型热电偶0.6mm探针，恒定温差2K 或 4K，包括用于直径6-12mm根茎杆的液流传感器和用于 10-20mm 根茎杆的液流传感器。 THB采用茎干内部加热技术，利用电极间流经木质部的电流直接加热植物组织，高精确度、高稳定性、高分辨率，能量需求与液流量成比例，能耗低，平均能耗 0.3~0.4W；发热能量(mW)通过软件换算成茎流值，温度传感器为特制热电偶探针，恒定温差1K，用于树干直径12cm以上的液流监测 根系研究液流传感器及土壤水分传感器安装方案示意图 北京市海淀区中关村东路恒兴大厦， 邮编： Http： //www.eco-tech.com.cnTel.： + Fax： + Email： sales@eco-tech.com.cn info@eco-tech.com.cn BTC­-100根系生态监测系统是基于Minirhizotron技术的经典根系监测设备，由美国Bartz公司设计生产。国际上80%以上的利用Minirhizotron技术发表的根系研究论文，都是采用Bartz公司的BTC-2或BTC-100（BTC-2的升级版），发表刊物包括：Agriculture, Ecosystems and Environment；Plant, Cell and Environment；Journal of Arid Environments；Tree Physiology；HortScience；Environmental and Experimental Botany；Journal of Ecology；Agricultural and Forest Meteorology；Crop Science；Ecological Monographs；PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)；Plant Root；Agromomy Journal；Climate Change；Journal of Experimental Botany；Journal of Plant Research；Annals of Botany；New Phytologist；Global Change Biology；Ecosystems；Science；Plant Soil；Soil Science Society of America Journal；Restoration Ecology等等。中国科学院生态系统研究网络（CERN）及农业部学科群建设项目等，均于2013批量招标采购了BTC-100，以全面采用国际通用的BTC-100根系生态监测技术，用于长期监测森林、草原、湿地、农业等不同植被类型根系动态。易科泰生态技术公司收集了约200多篇采用BTC根系生态监测系统发表的论文，可供大家下载交流。