原位动态监测湿地植物根系的方法和设备系统技术方案

本发明专利技术提供了一种原位动态监测湿地植物根系的方法和设备系统，涉及植物生理生态工程技术领域。所述方法包括下述步骤：根据用根系分析软件对建模湿地植物的根系图像进行数字化处理获得的根系参数划分根系等级，并根据根系参数的不同等级进行曲线拟合得出对应的生物量模型；根据用根系分析软件对待测湿地植物的根系图像进行数字化处理获得的根系参数划分根系等级，将该实时参数代入对应等级的生物量模型中获得实时根系生物量。采用本发明专利技术所述的方法对植物根系生物量进行建模和评测，能够克服传统方法连续性差、对植物造成破坏性且操作复杂繁琐等不足，经验证，本发明专利技术所述方法具有准确、高效、简单、便捷，并能实现自动、连续监测等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及植物生理生态工程
，具体涉及一种原位动态监测湿地植物根 系的方法和设备系统。
技术介绍
根系是植物的重要组成部分，为植物新陈代谢摄取各种营养元素，在植物生长发 育过程中起着极为重要的作用。因此，根系生理生态研究已成为当今研究的焦点。根系生 长状况是根系生理生态特征的基础，深入准确地连续测量和分析植物根系生长特征及其参 数，对于深入了解根系生理过程和生态功能等具有重要意义。然而，由于根系生长在地下， 准确取样、测定、观察存在一定困难，根系研究进展缓慢，尤其是湿地植物，它们多生长于水 生或湿生环境中，其根系隐藏在水体或淤泥中，进一步增加了对其研究的难度，从而限制了 对水生植物根系生理生态过程的进一步研究，影响了对湿地植物生态特征和功能的认识及 评价。目前，国际上已将植物根系研究作为前沿性和基础性科研方向开始进行详尽的研究， 目前多集中于陆地植物根系，即主要在森林和草地生态系统中开展此类研究。对植物根系 研究通常采用非野外原位监测和野外原位监测两大类方法，技术相对比较成熟。但是，在对 水生或湿生植物的根茎研究时，通常是从水中或淤泥中采集植物根茎样品，到实验室进行 分析研究，这不仅引起对植物生境的扰动，对样方的破坏性大、误差大，而且水下采样还会 给采样人造成一定的危险。此外，这些方法耗时长、工作量大，从而严重阻碍了根系研究的 深入开展。 目前国外已开始广泛应用植物根系生长监测系统CI-600对植物根系进行原位监 测和研究。通过该系统配置的旋转式360度多层次线性扫描头，可非破坏性的获取根系原 位的生长动态图像，继而借助分析系统对获取的根系图像进行全方位、多层次、多角度分 析，可以获得植物根系的根长、表面积、投影面积、体积、平均根直径和根尖数目等生理生态 参数，同时，还可以监测植物根系的时空生长变化情况。由于该技术对样方所造成的破坏性 小，监测精度高，节省大量人力资源等诸多优点，已成为国际上研究植物根系的重要手段和 关键技术。但是，该技术在进行根系生长监测时，是通过埋设根管，将直立旋转型的线性CCD 扫描头埋入地下，获取土壤、根系剖面图像，监测土壤中活体根系的生长动态。其在监测水 生植物时，根管长度无法满足底泥和不同深度水体中植物根系监测的需要，同时根系生长 监测系统中，其关键仪器CCD扫描头是通过人为安装对根系进行监测，不能实现对底泥中 植物根系和水体中漂浮植物根系的水下观察和自动、连续、实时监测，具有很大的不足和缺 憾。 鉴于根系在植被系统中的重要作用，人们对植被根系进行了大量的研究。随着对 根系研究的深入，研究方法和水平也在不断改进和发展。根系研究方法可以归结为：田间直 接方法，如挖掘法、整段标本法、土钻法、剖面法；直接观察方法，如透明管法包括微型根系 观测管、根系研究室等；间接观察方法，如同位素示踪、稳定示踪物等其它方法，用不同的方 法进行实验得到的结果会存在差异。 目前，国内外对植物根系的动态监测技术可以分为非野外原位监测技术和野外原 位监测技术两大类。其中，非野外原位监测技术主要通过对植物的培养来研究植物根系， 包括盆栽法、气培法、营养液培养法等；但是，非野外原位监测技术脱离了植物所在的生态 系统，通过对植物的培养进行研究，从而改变了原来植物生长的光、温、水、土等无机环境条 件，以及植物间的竞争作用、化感作用、病虫害等有机环境，植物培养的容器还会限制植物 根系的生长与分布，因此，研究所得的结论往往具有较大的不确定性，降低了试验结果的理 论价值和指导意义；同时，此方法还存在人工成本高，耗时长，工作量大，操作步骤繁杂等缺 点。野外原位监测技术保持了植物生长的原始环境和条件，如挖掘法、土钻法、土柱法、剖面 法等，能够克服非野外原位监测技术的缺点和不足，较准确的研究根系的生长及特性，但是 这些传统方法在植物根系采样时对样方具有破坏性，耗费大量的人力和物力，观测延迟等 缺点，使得根系研究进展缓慢。截止目前，国内外对植物根系的研究多集中于森林和草地生 态系统，而对湿地生态系统，尤其是水生植物根系研究甚少。由于水生植物的根系多埋于底 泥中或者隐藏于水中，由于受到研究方法和技术手段的限制，水生植物根系的研究受到更 大的限制。 随着计算机应用技术的发展及图像处理技术的提高，植物根系原位监测技术已开 始大量采用计算机实时监测分析的方法，较多地应用于森林、草原和农田生态系统中，应用 于湿地生态系统中则较少。根据生长环境不同，湿地植物可分为水生、沼生和湿生三类，其 植物根系有的存在于湿地土壤中、河湖底泥中，有的还漂浮于湿地水体中，采用传统的研究 方法无法实现对水下或底泥中根系的实时和连续监测，而且植物采样往往会对湿地水土环 境造成较大的干扰，从而破坏湿地植物生长环境。如果采用当前引进的植物根系生长监测 系统进行原位观测，则可能因观测系统防水性能差而导致无法准确获取数据等，而且现有 技术是通过人力手段操作软件系统实现图像数据一次性存储，当观测人员离开时，则监测 及成像系统也得随之转移，无法实现自动、连续监测。以上这些均使得湿地植物尤其是水生 植物根系的研究工作进展缓慢。
技术实现思路
针对该
存在的上述不足和缺陷，本专利技术通过改进关键仪器设备、调整相 关参数，获得适合水生植物根系研究的原位动态连续监测技术系统，使其适用于水生植物 根系监测的需要，满足研究的精度和技术需求，无须对水生植物进行采样，便可实现在水下 基本无干扰地原位获取水生植物根系生长动态的连续数据，可有效解决水生植物根系研究 数据连续性差以及对植物采样所造成的破坏等关键问题，同时解决由于人员紧张造成的数 据源获取的不完整。本专利技术的技术方案如下： 原位动态监测湿地植物根系的方法，其特征在于，包括下述步骤： (1)获取或构建幂函数形式的根系生物量模型，获取建模湿地植物的根系图像，根 据根系分析软件对湿地植物根系图像进行数字化处理获得的根系参数，并根据所述根系参 数统计划分根系等级，对不同等级的根系参数进行曲线拟合得出对应不同等级根系参数的 生物量模型； ⑵实时扫描获取测量位置处的湿地植物根系图像， ⑶根系图像载入到根系分析软件中进行数字化处理，获得实时根系参数； (4)根据根系参数进行统计，划分实时根系等级； (5)根据实时根系等级选择对应等级的生物量模型，将实时参数代入到所述根系 生物量模型中获得实时根系生物量； 所述实时扫描获取测量位置处的湿地植物根系图像，是采用在试验区预先设定的 测量位置和距离安装根管，将植物根系扫描仪深入已埋置的根管里，其中所述植物根系扫 描仪经由一个标定手柄和一个控制盒控制，用于获取各种角度的根系图像，所述根管前端 对应根系扫描仪摄像头的位置设置有透明窗，根管设计为使其另一端位可以高于水面以上 或者另外一端为可密封的结构。 所述根管的另外一端为可密封的结构指放置所述根系扫描仪之后可以密封的结 构。 所述根系生物量模型是根系生物量与根长的如下公式的模型： Y = pl*h4+p2*h3+p3*h2+p4*h+p5 Y,生物量， h，根长， pl，p2, p3, p4, p5为幂函数拟合系数； 所述根系生物量模型是根系生物量与根系直径的如下公式的模型： Y = pl*d4+p2*d3+p3*d本文档来自技高网...

【技术保护点】
原位动态监测湿地植物根系的方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)获取或构建幂函数形式的根系生物量模型，获取建模湿地植物的根系图像，根据根系分析软件对湿地植物根系图像进行数字化处理获得的根系参数，并根据所述根系参数统计划分根系等级，对不同等级的根系参数进行曲线拟合得出对应不同等级根系参数的生物量模型；(2)实时扫描获取测量位置处的湿地植物根系图像，(3)根系图像载入到根系分析软件中进行数字化处理，获得实时根系参数；(4)根据根系参数进行统计，划分实时根系等级；(5)根据实时根系等级选择对应等级的生物量模型，将实时参数代入到所述根系生物量模型中获得实时根系生物量；所述实时扫描获取测量位置处的湿地植物根系图像，是采用在试验区预先设定的测量位置和距离安装根管，将植物根系扫描仪深入已埋置的根管里，其中所述植物根系扫描仪经由一个标定手柄和一个控制盒控制，用于获取各种角度的根系图像，所述根管前端对应根系扫描仪摄像头的位置设置有透明窗，根管设计为使其另一端位可以高于水面以上或者另外一端为可密封的结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，李胜男，郭嘉，于一雷，宋香静，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院林业新技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11