一种土壤中根系体积的快速测定方法技术

本发明专利技术属于植物根系测定技术领域，具体涉及一种土壤中根系体积的快速测定方法，包括如下步骤：步骤一、获得包括根系及土壤的待测样本；步骤二、待测样本置入测量盒内，测定样本电容和电阻等电性参数；步骤三、用电性参数和根系体积建立根系体积与电性参数的关系式；步骤四、将电性参数代入步骤三所建立的关系式，计算获得到根系体积。本发明专利技术首次推导出根土二元介质的介电系数方程并对计算过程进行了简化，通过高频下测得的土壤和根系的电性参数，即可快速计算获得根系体积，避免了根系清洗过程，相比传统洗根测定方式极大地提升了测定效率。相比传统洗根测定方式极大地提升了测定效率。相比传统洗根测定方式极大地提升了测定效率。

【技术实现步骤摘要】
一种土壤中根系体积的快速测定方法


[0001]本专利技术属于植物根系测定
，具体涉及一种土壤中根系体积的快速测定方法。

技术介绍

[0002]根系直接影响植物地上部分的表现，对根系的深入认识将有助于理解植物的整体表现，因此，根系研究越来越重要。目前，为了获得根系长度、体积、表面积等形态参数，常用做法通常包括几个步骤：对取土获得的样本进行清洗；将样本中的土壤等杂质洗去；对根系特征进行测量。这种方式虽可直观获得根系数据，但是该操作过程费时费力、难以快速测量大批量的样本。

技术实现思路

[0003]为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种根系体积的快速测定方法，可以避免费时费力的根系清洗过程，通过高频下测得的根系和根生长介质的介电常数和电导率，即可快速计算获得根系的体积参数。
[0004]本专利技术采用的具体技术方案是：
[0005]一种土壤中根系体积的快速测定方法，包括如下步骤，
[0006]步骤一、获得包括根系及土壤的待测样本；
[0007]步骤二、待测样本置入测量盒内，测定样本电性参数；
[0008]步骤三、用电性参数和根系体积数据建立根系体积与电性参数的关系式；
[0009]步骤四、将电性参数代入步骤三所建立的关系式，计算获得根系体积。
[0010]所述步骤三中，通过电性参数计算得根系的体积，电性参数包括电容、电导率，计算式为：
[0011][0012]所述的式(12)的推导方法为，基于根系与土壤之间的界面极化机制的性质可表示为下式：
[0013][0014]式(1)中，
[0015]ε
mi*
为非均匀体系的复介电常数；
[0016]ε
m*
为介质的复介电常数；
[0017]ε
i*
为介质中介电球的复介电常数；
[0018]Φ为球形分散体的体积分数。
[0019][0020]式(2)为复介电常数的通用表达式。其中，ε
*
为复介电常数；j为虚数单位；ε为实部，k/(ωε0)为虚部；ε0是真空介电常数；k为电导率；ω为角频率；ω＝2πf；f为频率。将式(2)带入式(1)，将实部分离得到公式(3)：
[0021][0022]式(3)中，ε(ω)为介电常数实部；ε
∞
为高频条件下介电常数的极限，具体表达为式(4)左半部分；Δε为介电常数的增加，具体表达为式(5)左半部分；τ为弛豫时间，具体表达为式(6)左半部分；考虑到根土系统中根系所占体积分数Φ远远小于1，因此，(Φ
±
1)乘以任意一个参数γ，均可简化为γ(Φ
±
1)≈γ。
[0023]其中：ε
∞
，Δε，τ可分别由(4)、(5)和(6)右半部分计算求得：
[0024][0025][0026][0027]式(5)和(6)中，k
m
为介质电导率；k
i
为介电球电导率。为了简化表达，使用三个系数进行替代：
[0028]a＝ε
m
k
i
‑
ε
i
k
m
ꢀꢀ
(7)
[0029]b＝2ε
m
+ε
i
ꢀꢀ
(8)
[0030]c＝2k
m
+k
i
ꢀꢀ
(9)
[0031]把式(4)～(9)带入到式(3)，可得式(10)：
[0032][0033]由上式(10)可知，在非均一分散体系内，整个体系的介电常数与分散体的体积分数呈线性正相关。假设一个由细胞构成的介电球，其电导率与介质电导率没有数量级的差异，在β驰豫频率范围内，生物组织的介电常数(约104～105)远大于常见的生长介质(如土壤、水等)的介电常数(约10～200)，即ε
m
远远小于ε
i
，因此a≈
‑
ε
i
k
m
、b≈ε
i
。
[0034]因此，在β驰豫频率范围内，介质的介电常数与体积分数的关系可近似为式(11)：
[0035][0036]根据权利要求3所述的一种土壤中根系体积的快速测定方法，其特征在于：将介电
球换成根系，将介质换成土壤，可得样本的土壤电容与根系体积之间的关系(12)：
[0037][0038]式(12)中，EC为土壤电容；RV表示根系体积；d表示电极间的距离；EC
m
表示没有根系时的土壤电容。
[0039]所述步骤一中，取土获得待测样本的方法为：预先选定待测植株，根据测量盒截面挖掘待测植株周边土壤，取出包裹有植株根系的柱状土样，根据测量盒高度，将土样沿高度方向等分为待测的块状样本。
[0040]所述步骤二中，待测的块状样本置入测量盒中，浇水，使测量盒内的块状样本土壤水分达到饱和，通过在测量盒内对侧设置的电极测得块状样本的电容和电阻，其中电阻可用于计算电导率。
[0041]本专利技术的有益效果是：
[0042]本专利技术推导出了根土二元介质的介电系数方程，有效简化了计算过程，通过高频下测得的土壤和根系电容、电阻参数，即可快速计算获得根系的体积。相比传统测定方式，省略了对根系的清洗过程，极大地提升了测定效率。
附图说明
[0043]图1为根系介电常数、不同介质的介电常数和介质中根系介电常数随频率的变化，阴影部分表示频率范围为30～100kHz；
[0044]图2为基于介质介电常数、根系介电常数、介质电导率和根系电导率计算的电容值与实测电容值之间的误差随频率的变化；
[0045]图3为根系体积和介质电容的相关性随频率的变化；
[0046]图4为田间不同土层取得土样的电容与根系体积之间的关系和使用土壤电容估算的根系体积与实测根系体积之间的关系；
[0047]图5盆栽条件下校准前土壤电容与根系体积的关系和基于土壤电阻校准后利用模型估算的根系体积与实测根系体积的关系。
具体实施方式
[0048]下面结合附图及具体实施实例对本专利技术作进一步说明。
[0049]本专利技术为一种根系体积快速测定方法，包括如下步骤：
[0050]步骤一、获得包括根系及土壤的待测样本；
[0051]步骤二、待测样本置入测量盒内，测定样本电容和电阻等电性参数；
[0052]步骤三、用电性参数和根系体积数据建立根系体积与电性参数的关系式；
[0053]步骤四、将电性参数代入步骤三所建立的关系式，计算获得根系体积。
[0054]所述步骤三中，通过电性参数计算得根系的体积，电性参数包括电容、电导率，介电常数通过电容计算获得，电导率通过电阻计算获得，计算式为：
[0055][0056]所述的式(12)的推导方法为，基于根系与土壤之间的界面极化机制的性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土壤中根系体积的快速测定方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、获得包括根系及土壤的待测样本；步骤二、待测样本置入测量盒内，测定样本电性参数；步骤三、利用电性参数和根系体积数据，建立根系体积与电性参数的关系式；步骤四、将电性参数代入步骤三所建立的关系式，计算获得根系体积。2.根据权利要求1所述的一种土壤中根系体积的快速测定方法，其特征在于：所述步骤三中，通过电性参数计算得根系的体积，电性参数包括电容、电导率，计算式为：3.根据权利要求2所述的一种土壤中根系体积的快速测定方法，其特征在于：所述的式(12)的推导方法为，基于根系与根系生长介质之间的界面极化机制的性质可表示为下式(1)：式(1)中，ε
mi*
为非均匀体系的复介电常数；ε
m*
为介质的复介电常数；ε
i*
为介质中介电球的复介电常数；Φ为球形分散体的体积分数；式(2)为复介电常数的通用表达式；其中，ε
*
为复介电常数；j为虚数单位；ε为实部；k/(ωε0)为虚部；ε0是真空介电常数；k为电导率；ω为角频率；ω＝2πf；f为频率；将式(2)带入式(1)，将实部分离得到公式(3)：式(3)中，ε(ω)为介电常数实部；ε
∞
为高频条件下介电常数的极限，具体表达为式(4)左半部分；Δε为介电常数的增加，具体表达为式(5)左半部分；τ为弛豫时间，具体表达为式(6)左半部分；考虑到根土系统中根系所占体积分数Φ远远小于1，因此，(Φ
±
1)乘以任意一个参数γ，均可简化为γ(Φ
±
1)≈γ；其中：ε
∞
，Δε，τ可分别由(4)、(5)和(6)右半部分计算求得：，Δε，τ可分别由(4)、(5)和(6)右半部分计算求得：
式(5)和(6)中，k
m
为介质电导率；k
i
为介电球电导率；...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷慧杰，刘秀位，
申请(专利权)人：中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，
类型：发明
国别省市：