PMT-Root720 根系生长监测系统

一、植物根系原位监测意义

粮食安全

固沙工程

土壤污染

这些都与植物的根系研究有着密切的关系!

根系对植物起着支撑作用，是植物的吸水器官，吸盐器官，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。但是，由于根系是大多数陆地生态系统“隐藏的一半”，对它进行准确取样、测定、观察存在一定困难。长期以来，对根系的研究主要还是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。《Nature》杂志于2004年6月出版了一本专辑认为“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下生态学的研究难度之大。所以，根系研究方法的选择，相对于对地上部分而言对研究结果具有更大的影响。

当前，关于植物地上部分的研究已经开展了很长的时间，而且在各个领域均有一定得研究成果，可是地下部分的研究缺相对少之又少，亟待人们去探索发现科。以果树研究为例，自2000年以来，发表的有关果树的文献总共有119765篇，其中有119250篇是研究果树地上部分的，而仅有515篇文献是研究果树地下部分的。可见，地下部分的研究，如同一面大幕刚刚被掀开一角，其中的精彩与奥秘还鲜为人知。随着科技的进步，这一领域必将吸引越来越多的研究人员参与进来，并探究挖掘其无限的魅力。

一切与植物有关的研究都离不开对根系的研究。包括种子的萌发过程中根系的生长情况，资源植物根系与环境的适应的关系，胁迫情况下植物根系的调控、响应机制，花卉、药材的根系表型等研究。

1.根系研究意义

植物根系不但起着固定植株的作用，承担着吸收水分和养分的重要功能，还能合成某些重要的生命物质，对植物根系的研究一直是学者们的研究热点。

如何加强根系吸水强度、提高根系水分传导能力，为发展可持续农业、解决水资源供需矛盾提供科学依据，是当前和未来实现节水农业的基础。植物根系从土壤吸收养分离子的过程，是一个既复杂又重要的问题。它受许多土壤因素的影响，也受植物生理活动的制约以及环境条件的控制。只有了解它们之间的关系，进行一定的调节，才能有效地促进植物生长发育。因此，了解植物根系结构，研究植物根系分布特征，明确土壤水分。养分状况对植物根系水分、养分传导的影响，掌握植物根系吸收水分、养分特性，从而为不同类型的农田、草地林地等选择最佳的灌水时期和灌水方式、提高植物根系水分利用效率提供依据。

但是，由于根系生长在地下，一旦离开土壤必然造成根系损失，这是当前学者们对根系开展研究面临的最大障碍。根系原位检测系统是经典根系研究方法的重要突破，也是开展长期生态定位研究的理想方法。根系原位检测系统能够在自然状态下，获得植物根系的动态信息，为研究者提供可信赖的研究资料。进而，为科学研究提供更加精确的数据支持，推动科研项目的顺利展开。

 2.测量方法综述

1）挖掘法，这种方法简单易行，直观性强，应用广泛但是对根系的损伤特别大，据统计约30%的根系在清洗过程中脱落，降低了实际测量的精度和可靠性，而且使同一作物生长全程观测无法实现。

2）钻土芯法，取样迅速简便、覆盖面积大，对土壤和环境破坏性相对较轻，但是取样后需进行各种处理，且过程繁杂。

3）网袋法，优点是可以直接在大田里进行试验操作，所获取的根系样本具有较好的普遍性和代表性，但是采样过程比较复杂，需要消耗的人力物力较大。

4）分根移位法，便于清楚地观察分离出的根系，能分期分时研究根系的数量变化，可以获得准确的根系信息。但是缺乏自然环境的试验条件，对水肥等条件依赖较大，操作费时费力。

5）同位素研究根系，灵敏度高，测定方便，可以区分活根与死根，但是根系在显影板上平放时分布不均、交叉过多会降低测量的准确性。

6）植株注射法，通常适用于一年生作物，但是不能反映根系在特定时间内从土壤剖面吸取营养物质的能力，而且应用不当会对环境造成污染。

7）容器法，生长条件易于控制，能迅速获得相关的特殊研究资料，是禾本科作物的重要研究手段，但是缺乏自然环境的试验条件，容器壁处根系密集，影响根系生长。

8）雾培法，既可得到完整根系又可充分利用营养液，但是目前使用范围不大。

9）水培法，可用于进行各种元素不同浓度或缺素试验，但是适宜水生作物如水稻的研究，其他作物不是特别适合。

10）微根管系统，微根管是一种破坏性较小，定点原位野外观察细根生长动态状况的方法，利用微根管方法可以在多个时段对根系进行原位重复观测，克服了仅依靠对根系进行物理取样所带来的诸多缺陷。其最大优点是对根系的观测研究是非破坏性的，在不影响根系生长过程的前提下，长期监测某个根系片断或单个根系生长发育的变化趋势；实时追踪记录同一根系的生长、死亡动态和物候等特征，而且省时、省工、省力。

3.主要应用

1）农作物，如小麦根系与土壤水分的关系；物候观测；产量与根系的关系；合理施肥；根系与营养胁迫等。

2）草地，如草地的生产力研究；如何科学进行草地管理；可持续牧业；草坪的管理；牧草根系特征与地理气候因子的关系等。

3）森林生态系统，如树木的根系形态；根系发生、生长、衰老和死亡的动态监测；生态系统的物质循环与能量流动；根系呼吸及其影响因子等。

4）菌根，如菌根对根系构型的影响；对根际土壤的生态效应；根系分泌物的作用；菌根对植物根系的影响等。

5）根系病害，如蔬菜根系病害的预防与防治；烟草根系与土壤病害的关系；烟草中烟碱的合成与根系的关系等。

6）园林，如园林植物的栽培；珍稀树木的保护；植物的引种驯化；植物生长调节剂对树木根系的影响等。

7）环境保护，如荒漠植物的根系构型；生态适应策略；护坡灌木的根系力学特征；植物根系的护坡抗蚀效应等。

此外，在植物生理、生态、环境、地学、病虫害防治等学科中，做根系的相关研究均会涉及根系监测的应用。

二、仪器介绍

1.系统介绍

植物根系原位检测系统摒弃了传统挖掘清洗根系的研究方法，而采用观察窗，在原位利用光电原理进行监测，实现了无损获取真实根系参数的目的，为科学研究工作带来极大便利。

使用方式是在野外或温室中，在被研究的植物或作物周围用根钻打下直径70mm的探孔，将透明的防水根管伸入到土壤中，将仪器放入根管中，就可以扫描获取根管管壁上的根系图像。扫描完成后仪器可以取出带走，根管保留留在野外，以供下次采集图像，用来对比分析植物根系的动态生长情况。根管为一端密封一端开口的透明防水抗紫外线红口管，型号为RootTube-70。根管开口端有防水密封胶冒，在不采集图像时可以有效防止雨淋和浸泡时根管进水。根管埋设好后不会对植物根系的生长和土壤的水势造成影响，不影响其他参数的测试，例如测量土壤蒸腾、水势、温度、水分等参数。油松根图像和放大200倍的海沙图像依然很清晰。

2.技术指标

用于特色蔬菜和花卉作物原位非破坏性长期观测根系形态和生长动态，并结合专业根系分析软件对根系生长进行原位、定量观测分析。 

技术参数

l ★主机工作原理：柱型设计的自动旋转光电耦合主机，可对根系和土壤状态进行不变形（实物：图像=1：1）的线性数据获取；

l ★测量头：要求可调节图像获取传感器与根管内壁的距离，动态调整焦距，获取清晰的根系图片；

l ★光学分辨率：100、300、600、1200DPI四种；

l ★微根管尺寸：内径5.0cm，外径6.0cm，长度可定制；

l ★主机探头尺寸：直径5cm，重量500g；

l 打孔工具：套筒型钻头、配置T型把手、60cm和120cm扩展杆；

l 扫描速度：在1200DPI模式下，扫描速度为5～10s；

l 软件放大分辨率：19200*19200像素；

l 图像像素：9600*9600像素（1200DPI）；

l 工作环境：0℃～50℃,相对湿度0～100%RH（没有水汽凝结）；

l 图像获取角度：360度无死角；

l 图像色彩模式：彩色；

l 数据传输：USB；

l 数据存储：直接存贮到采集终端，可实时查看获取的原始图像；

l 工作方式：连接笔记本电脑工作；

l 探杆：总长2米，要求可拆卸分节式，方便携带；

l 测量方式：可定点、定位连续监测；

l 画面尺寸： 一次获取数据尺寸（非拼接）：21cm×18cm；

l 数据浏览载体：笔记本、台式机等有USB接口的设备；

l 充电电压：笔记本电压；

l 电源：要求采集终端直接供电；

软件参数：

图像获取控制软件：

l 操控根系生长监测系统主机，并实时设置根系图像参数；

l ▲校准方式：可实时校准，也可选择加载已存储的校准文件；

l ▲可在软件中实时选择切换100、300、600、1200DPI等不同分辨率，获取根系图像；

l 分区获取图像：可设置从起始位置至360°任意区间，获取根系图像；

l 自动循环成像：可选择不同时间间隔，自动循环获取根系图像；

l 图像存储格式：可选择JPG、TIFF、PNG、BMP四种；

l 图像保存命名方式：存储根系图像时，须按照ICAP命名规则，实时记录实验项目、研究人员的姓名、观测的根管号、扫描窗口号和测量时期等信息，兼容图像分析软件，可直接按照文件名称调取图像进行时空拼接及分析；

基于触屏技术图像分析软件：

l ▲兼容触屏电脑，可使用手指在根图上划过选择根系（新型方式），并可使用鼠标点击选择根(传统方式)，自动拟合根生长的轨迹及直径，包括调整根系轨迹弧度，根系角度研究，手指控制放大缩小图像等；

l 可自动测量根的长度、直径、表面积、体积，以及不同直径的根的长度、表面积、体积等参数。根据图像进行根系总生物量估算；

l 文件存储为EXCEL格式

l ▲该软件不需要Ukey装置即可安装在多台电脑上使用；

时空动态分析软件：

l 可将不同图层（深度）、时期的图片进行拼接并进行整体分析（时空变化）；

l 图像处理：可以移动分析区域里单个根或所有根系；可以改变显示信息的颜色；可以给图片、根系和片段添加注释；

l 测量指标：根长、表面积、投影面积、体积、平均直径和数目等；

l 可跟踪所感兴趣根系部位，分析根长、平均直径、投影面积、根表面积、 根体积、根系分类数、每种直径分类的根尖数时空变化（时间，季节，深度）等参数；

可依据根系直径的分级信息，根据自定义的根系直径区间，统计根长、根表面积、投影面积、根体积等参数；

4.配置清单

l 植物根系生长监测系统主机1套；

l 分节式探杆1套；

l 校准管1个；

l 仪器箱1套；

l 打孔工具1套；

l 国产1米微根管 30根；

l 野外数据采集终端1套；

l 根系图像获取控制软件1套；

l 基于触屏技术图像分析软件1套；

  l 根系时空动态分析系统1套（含Ukey1个）；

5.服务 

（1）我公司组建有一批过硬的维修服务人员，对出现的任何问题都能在最快的时间内进行响应，进行维修和更换。

（2）产品交付一周内，我公司售后服务部的工作人员会根据客户的联系方式，进行电话跟踪咨询，直到客户满意为止。

（3）所有有关于产品质量投诉，在24小时内经予答复，并根据投诉的情况确定处理措施，进行维修和更换。

（4）产品设备及所有配套产品保证期1年，保质期内有关于产品质量引发的费用，由我公司承担。

（5）保质期内由于贵方的使用不当，或者是自然环境造成的我方免费提供维修，维修所用的材料和配件均只收成本价。

（6）保修期内上门免费服务，保修期外，终身维修，用户只按出厂价承担维修所需配件费用。超出保修期的产品，我公司承诺终身检测和维护。

（7）售后服务更有7×24小时随时响应服务和免费电话技术支持，保证买方能及时与卖方技术支持人员取得联系。现场支持时，当设备发生故障时，我公司技术人员在事发48小时内赶到项目现场进行技术支持，及时将设备恢复正常功能运行。

（8）产品验收时，我们会组织培训人员现场培训（操作、维护等）。每年定期举办根系研究方面的培训，保证老师您的学生始终可以熟练操作和分析，即使每年有新学生参与到项目中，但您的项目不会因为人员的变化而受到影响。除了培训，软件的使用还有视频教程，确保您项目能如期保质保量的进行。 

6.更多服务

培训：免费上门培训。

技术咨询：随时免费提供。

维护或维修：长期提供校准和检修服务。

三、客户群体

1.典型用户

    已在中国科学院、中国农业科学院、东北林业大学、中国林业科学研究院、西北农林科技大学、西南大学、成都师范学院、福建农科院、华中农业大学等多所高校和研究所的农业生态学、湿地保护、植物保护、植物科学等多个专业的科学研究和学生培养教育中应用。

    部分用户名单：

中国科学院地理所

北京园林科学研究院

西南大学

吉林省农业科学院

中国科学院大学

中国农业科学院

中国农业大学

山东农业大学

河南省农业科学院

南京林业大学

中国林业科学研究院

华中农业大学

安徽农业大学

福建省农业科学院

长春师范大学

北京市农林科学院

东北林业大学

成都师范学院

西藏那曲草原站

长江师范学院

北京植物园

西北农林科技大学

呼伦贝尔市林业科学研究所

福建鼎天农业科技有限公司

新疆农垦科学院

 ……

 随着根系研究的不断延伸，我们的客户也在持续增加中。

典型用户：