根系中BTC 根系动态监测系统应用检测方案(根系监测系统)

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Scientia Horticulturae 148 (2012)169-176 易科泰生态技术 BTC根系动态监测系统在根窖中的应用 北京易科泰生态技术有限公司 ECOTECH ECOLOGICAL TECHNOLOGY LTD 引言 根系作为植物的重要组成部分，在生产中起到核心作用。根系对植物水分和矿物质营养的吸收以及产生细胞分裂素等物质，对植物地上部分的生长有着重要的影响。多年来科研人员对于陆地生态系统的地上部分，已经进行了相当深入的研究，而对于它的地下部分，则依然了解甚少。 植物根系的研究可以追溯到18世纪20年代，欧洲的科学家对根利用土壤范围的探讨，此后研究的发展非常的缓慢。从科学角度对根系的研究始于19世纪，当时主要研究植物根毛的形成、根的生长、无机养分的吸收及与根形成有关的激素。1990年代后期以来，伴随着全球生态学研究的深入，一个新兴的生态学领域，地下生态学(belowground ecology)开始形成并得到了快速发展。 地下生态学从不同学科层次探索地下部分的结构、功能、过程以及与地上部分的关系，并特别关注其对全球变化的响应。它的研究对象包括植物根系、地下动物和土壤微生物，根系研究的生态学意义重大，发展至今，出现了许多的研究测定方法，直接测定方法包括挖掘法、根钻法、根窖法、土柱法、剖面法、玻璃壁法、微根管法、生长袋法等，间接方法有氮平衡法、生态系统碳平衡法、碳通量法、淀粉含量法、同位素示踪法、非生物变量相关法等。 国内外对于根系研究的出版著作很多，中国科学院新疆生态与地理研究所曾凡江研究员根据对多年生植物骆驼刺的长期研究，出版了《骆驼刺根系生态学》，华南农业大学蔡昆争 教授主编的《作物根系生理生态学》，山西农业大学杨秀云教授出版的《华北落叶松细根生态学研究》，著作中对根系的研究均采用了多样的测定方法，国外的《Root Methods》一书，更是收录的多种根系研究方法及其成果。 作为近年来快速发展起来的根系微根窗技术，下文着重介绍了微根窗技术原理和特点，根窖的原理和特点，以及两者结合一起的应用案例，意在为根系研究提供更多的技术理论支持。 BTC 根系动态观测系统采用微根管 (Minirhizotron，又称微根窗)技术，这是一种非破坏性、定点直接观察和研究植物根系的方法，其最大优点是在不干扰细根生长过程的前提下，可以用来连续跟踪监测细根从出生到死亡的生长过程，也能记录下细根乃至根毛和菌根的生产和物候等特征，揭示土壤环境下的生态系统多样性。采用微根窗技术是估计生态系统地下 C分配和N平衡研究的有效方法，对于研究植物根系的动态生长变化，细根的周转速率，评价植物碳汇贡献有着十分重要的意义。 该系统由 BTC-100 高精度微根管照相系统、I-CAP图像抓取系统、定位手柄 (Indexing handle)系统和根系分析软件四部分组成。工作时将摄像头伸入埋设在根系周围的透明管内，运用摄像技术观察沿沿壁生长的根系，定位图像后，通过 I-CAP图像抓取系统对细根进行拍照，保存图像，然后借助专业根系分析软件(WinRhizo Tron MF) 系统对混合图像进行分析，从而跟踪了解其生长过程。其主要特点如下： 1、可监测分析根的参数：细根长、细根直径、细根面积、细根总长、细根总面积、细 根平均直径、细根数量及生物量、细根寿命、细根周转率等，其100倍高倍放大功能，，可用于监测分析菌根生理生态及根毛动态。 2、摄像头： NTSC 制式彩色摄像头，防水性能设计，超高解析度，带可调节强度白光系统。摄像头深入土壤深层拍摄，每个视频帧看到管壁的面积为 12.5mmX18mm (LXW)。 大扑捉图像，调节最近焦距，可放学放大的最大的倍数接近100倍，较好的识别细根，根毛，甚至是菌丝。 4、可以选配 UV 紫外光源，厂家出厂时内置在摄像镜头框的两侧，周围是4个小灯泡，提供白炽灯光源。UV 紫外光源以帮助识别活的细根或新萌发的根，或对荧光标记进行识别的照射成像。 5、I-CAP图像抓取系统，用于调节摄像头，放大缩小焦距，打开白炽灯光源或 紫外光等。图像采集软件预装，带加密狗，防止任意拷贝，配备14英寸笔记本电脑，控制平台含电源开关，控制开关，UV 紫外灯开关，以及成像焦距微调开关。 6、标定手柄：2.2米套筒式，带定位孔，每个定位孔标有刻度，通过引索杆定位，将摄 像头准确定位在同一位置，拍摄不同时间下的根系图片，研究细根生长及周转。 7、野外采用 12V便携可充电蓄电池供电，充满电的情况下，蓄电池可持续使用8小时。含电池背包，便于携带电池。 8、采用透明 PVC材质的微根管，标准测管的直径为50mm， 长1800mm， 也可以根据用户的需要定制1m长的微根观测管。 小贴士： BTC-100根系动态观测系统由美国 Bartz 公司生产制造， Bartz 公司是最早研制生产根系观测系统的专业公司，全球第一套微根窗根系观测系统就是由公司创始人设计开发，在当时还没有电脑的情况下，使用黑白电视充当了根系观测的视频屏幕。 二、国内 BTC 根系动态观测系统用户集锦 图- 图二 图三 图四 图五 图一、应用生态研究所长白山生态定位站(2014) 图二、中科院植物研究所(2013) 图三、农科院内蒙古草原研究所(2010) 图四、农科院新乡灌溉所(2008) 图五、中国农业大学资环所(2012) 三、根窖系统的设计与使用 我国早在60年代，就开始利用根窖来研究根的生长，根窖系统有圆柱体和长方体设计。早期的根窖系统，是在根窖的一面，镶嵌透明的玻璃板，中间填满土，使玻璃面与土壤密合不留空隙，玻璃板面用一些保温材料挡住，起保温，遮光作用，窖顶盖遮雨棚，窖底和其他 面用砖砌成密封，观察面可以设计成1mX1m(长X宽)，如新疆农业大学林学与园艺学院的根窖(朱小虎，2009)。随着微根窗技术的发展，将微根管结合根窖使用，很好的解决了根系观测位置受限的局限性，单一的根窖无法观测到主根区域内的根的发育生长状况这一重要问题。 上图是一典型的微根窗根窖系统，单个的根窖地表面可设计成50cmX50cm，或 1mX1m，或 1.5mX1.5m，多个根窖并排如上图Ⅰ，图Ⅱ是其地下部分，根窖的高度3m，底下设排水室，图II是单个根根内部图，5层微根管离地面的距离分别为-20、-60、-100、-150和-200cm。根槽每层均有4根平行且对称分布在树体两侧的微根管，两根微根管水平间隔为37.5cm，图Ⅳ是安装完微根管后的墙面图。 左图是一典型的圆柱形根窖系统，直径为3m，高度约有5m，底部设排水室，根窖的一面留有50cmX50cm的正方形窗口，并排5个，便于取土样。微根管从柱体管壁依次螺旋状排列，如图Ⅷ所示。 (图片来源 中国农大根窖) 四、微根窗技术结合根窖应用发表的文献 国内根窖的利用大多数是用来研究果树，由于我国的苹果产量占世界的50%以上，苹果树种植面积大，苹果树的根系周转有助于地下碳封存，对于陆地生态系统的碳循环起到重要作用，以下几篇文献都是利用根窖和 BTC 根系动态观测系统，围绕苹果树的细根的发生和周转动态做的研究。 oPEN O ACCESS Freely available online PLoS one Carbon Sequestration by Fruit Trees- Chinese AppleOrchards as an Example Ting Wul， Yi Wang1， Changjiang Yu1， Rawee Chiarawipal， Xinzhong Zhang， Zhenhai Han *，Lianhai Wu2* 1College of Agronomy and Biotechnology， China Agricultural University， Beijing， China， 2 Rothamsted Research， North Wyke， Okehampton， United Kingdom Apple production systems are an important component inthe Chinese agricultural sector with 1.99 million haplantation. The orchards in China could play an importantrole in the carbon (C) cycle of terrestrial ecosystems andcontribute to C sequestration. The carbon sequestrationcapabilityiiin apple orchardsswassanalyzed】 throughidentifying a set of potential assessment factors and theirweighting factors determined by a field model study andliterature. The dynamics of the net C sink in appleorchards in China was estimated based on the appleorchard inventory data from 1990s and the capabilityanalysis. The field study showed that the trees reachedthe peak of C sequestration capability when they were 18years old， and then the capability began to decline withage. Carbon emission derived from management practiceswould not be compensated through C storage in appletrees before reaching the mature stage. The net C sink inapple orchards in China ranged from 14 to 32 Tg C， and Cstorage in biomass from 230 to 475 Tg C between 1990and 2010. The estimated net C sequestration in Chineseapple orchards from 1990 to 2010 was equal to 4.5% ofthe total net C sink in the terrestrial ecosystems in China.Therefore， apple production systems can be potentially considered as C sinks excluding the energy associated with fruit production in addition to providefruits. Contents lists available at SciVerse ScienceDirect Scientia Horticulturae ELSEVIER journal homepage： www.elsevier.com/locate/scihorti Impact of rootstock and interstems on fine root survivorship and seasonalvariation in apple Changwei Hou， Li Ma， Feixiong Luo， Yi Wang， Xinzhong Zhang， Zhenhai Han* Institute for Horticultural Plants， China Agricultural University， 2 Yuanmingyuan West Road， Haidian District， Beijing 100193， PR China Abstract： Both the production and longevity of fine roots have great impacts on the growth anddevelopment of fruit trees. To determine whether different dwarfing rootstocks and interstemscould affect fine root longevity， root diameter， and peak-production season， minirhizotrons wereused to examine root production， senescence， and mortality over two years in six apple (Malusdomestica Borkh.) rootstock/interstem combinations. Fine root longevity was significantlyaffected by diameter， season of born and rootstock/interstem combinations. Fine roots on threedwarfing rootstock combinations， Dwarfing-Red IFuji/M9， Dwarfing-RedFuji/SH40， andDwarfing-Red Fuji/Malus xiaojinensis， had smaller diameters and shorter lifespans than the Vigorous-Red Fuji/Baleng CCrabcombination. Insertion of a dwarfinginterstem in the Red Fuji/M9/BalengCrab and Red Fuji/SH40/Baleng Crabcombinations did not significantlychange the diameter or longevity offine roots. The dwarfing rootstockcombination Dwarfing-Red Fuji/SH40did not have an autumn peak likeothers. The lifespan of fine rootsdiffered significantly among seasons.Fine roots produced in autumn hadlonger lifespans regardless of rootstock/interstem combination. Keywords： Malus domestica Borkh， Dwarfing rootstock， Fine root， Minirhizotron 北方园艺2013(16)：13~17 试验研究· 不同类型砧木对“红富士”苹果地下及地上部分生长的影响 马 丽1.2，娄喜艳3 摘要： 以八棱海棠实生砧、M9和 SH40矮化自根砧、或 M9 和 SH40中间砧(八棱海棠作基砧)为砧木，分别与“红富士”苹果嫁接，利用根系观测系统，研究了不同砧木苹果根系生长状况，并分析了其与地上部生长的相关性。结果表明：年平均根长密度、表面积密度、体积密度、根条数密度均表现为“红富士”/八棱海棠>“红富士”/SH40/八棱海棠>“红富士”/M9/八棱海棠>“红富士”/M9>“红富士”/SH40。在接穗和乔砧八棱之间加入矮化中间砧，使根长密度减小，但仍然高于矮化自根砧。与“红富士”/八棱海棠相比， M9 和 SH40作中间砧或基砧均使树体变小。相关性分析表明，累积枝条长度、干径、短枝数量和长枝数量均可作为判断根系特征的重要指标，其中长枝数量和累积枝条长度可作为判断多项根系性状的重要指标。 关键词：苹果树；根系生长；营养生长；相关性 园艺学报2014，41(8)：1525-1534 http： //www. ahs. ac. cn Acta Horticulturae Sinica E-mail： yuanyixuebao@126.com 不同砧木苹果树细根周转动态的研究 罗飞雄，侯常伟，马 丽，吴婷，王 忆，张新忠，韩振海 (中国农业大学农学与生物技术学院园艺植物研究所，北京100193) 摘要： 为了分析不同砧木苹果树细根的发生和周转动态，连续4年通过微根管技术研究不同砧木的5年生‘富士’苹果砧穗组合细根中的活根根长密度与死根根长密度的动态变化，以及细根年周转率和季节周转率。结果表明，乔砧树富士/八棱海棠的活根根长密度最大，矮化中间砧富士/M9/八棱海棠和富士/SH40/八棱海棠次之，矮化自根砧富士/M9、富士/SH40和富士/小金海棠最小，所有砧穗组合的活根根长密度随着树龄的增加而逐年减小。所有砧穗组合在夏秋季出现细根发生和死亡高峰期，乔砧树富士/八棱海棠的细根发生高峰期的活根根长密度和死根根长密度均最大。细根年周转率和季节周转率年度间差异大，矮化自根砧树细根的年周转率高于乔砧树。矮化自根砧和矮化中间砧树体 ARLD 低于乔砧树体可能与其致矮性相关。 关键词：苹果；砧木；细根；周转率；矮化 致谢 本快讯由北京易科泰生态技术有限公司技术部的李康工程师所撰撰，文中使用的图片，均出自工程师现场培训时所拍的照片。文中引用的文献和案例，由互联网检索而来，在此需要特别感谢中国农大的韩振海老师，张新忠老师为根窖根系研究做出的努力! 由于作者水平所限，难免有不详尽之处，如有错误的地方，请与易科泰公司技术部联系!邮箱： support@eco-tech.com.cn BTC 根系动态观测系统采用微根管（Minirhizotron，又称微根窗）技术，这是一种非破坏性、定点直接观察和研究植物根系的方法，其最大优点是在不干扰细根生长过程的前提下，可以用来连续跟踪监测细根从出生到死亡的生长过程，也能记录下细根乃至根毛和菌根的生产和物候等特征，揭示土壤环境下的生态系统多样性。采用微根窗技术是估计生态系统地下C 分配和 N 平衡研究的有效方法，对于研究植物根系的动态生长变化，细根的周转速率，评价植物碳汇贡献有着十分重要的意义。