水曲柳

1 引言根际是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物质和能量交换的结点，根系生产和周转直接影响陆地生态系统碳和氮的生物地球化学循环。自1904年德国科学家Lorenz Hiltner提出根际这一概念后，相关研究方兴未艾。但由于受土壤不可观测性的限制，传统的研究方法如挖掘法、剖面法、盆栽法及土柱法仍在大量使用，陆地生态系统根际微生态学的研究进展缓慢，因此寻找并建立新的根际微生态研究方法就显得至关重要。近年来随着光学和电子学技术的提升，特别是微根窗法(Minirhizo tron)的应用，使根际微生态研究得到了较快的发展。当前，这是唯一可多个时间段内原位重复观测根系的方法，其最大优点是在不干扰细根生长过程的前提下，原位长期连续观测并记录细根从出生到死亡的消长变化动态。这种测量方法是非破坏性的，是传统的研究方法不可替代的。因此，在国外，微根窗技术目前被广泛应用于森林、果园、草地、沙漠和农业生态系统等植物根系动态及其功能的研究中。2 观测系统设计2.1 目标AZ-B0201根际微生态观测系统通过可视化微根窗技术对根系生长和形态因子进行非破坏性的长期连续定位观测，结合专业的根系分析软件，能够将根系相关数据定量化，包括根的长度、面积、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量等等，实现探索植物细根生长和消亡动态及其周转规律、研究植物根系拓扑结构的目标。同时测量根区土壤理化指标和监测土壤水温等环境因子，揭示植物根系消长动态与环境因子间的关系。2.2 观测点布设在待研究地区选择群落结构明显、优势种典型、地势平坦、土壤层足够深厚的区域，设置观测样地。选择标准木，在根部按照45°角安装微根管。通常一个观测样地安装12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。在每标准木安装的微根管周围安装1～3根1m或者1.5m观测管，同时检测土壤水分和温度参数。2.3 数据采集频率微根管安装好，应在其与土壤间达到平衡后再开始采集数据，平衡时间从几周到几个月或一年乃至更长的时间不等。众多研究表明，通常情况下7个月后开始采集图像比较合适。数据采集根据环境条件、植物生长周期不同，使用不同的采集间隔期，范围从每1周、每2周到每4周或每6～16周。一般生长季节至少每2周取1次图像，冬天可以降低采样频率或取消。每根观测管可由下到上或由上到下依次采集图像，每管每次取图像数量不少于30个。2.4 观测内容根系形态因子：根的长度、单位面积根长密度、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量、平均直径、投影面积、表面积、根体积、分类数量、每个直径类的根尖数量、细根生长量、细根死亡量和细根周转。根际水盐指标：土壤水分、土壤温度。土壤理化指标：根际土壤全氮、土壤全磷、土壤有效磷、土壤全硼、土壤钙离子、土壤氯离子、土壤硝酸盐和亚硝酸盐、土壤碳酸盐。2.5 观测系统组成和技术指标AZ-B0201根际微生态观测系统由手动土壤取样套件、土壤水分温度测量单元和根系形态因子观测单元共同组成。3 数据处理3.1 根系根长密度和根系面积密度在微根管图像中测量根的长度，通过总根长除以观察的整个管面积获得根系单位面积根长密度RLD（mmcm-2或cmcm-2）。根系表面积的计算可用观察到的根长乘以根直径。同样，以单位面积图片中观察到的根系表面积可得到单位面积根面积密度（mm2cm-2或 cm2cm-2）。3.2 细根生长与死亡RLDP和RLDM分别表示细根生长量和细根死亡量。假设根系在两次相邻采样间隔期内的生长与死亡速率一致的前提下，以单位管面积上根系根长的增加与减少来表示相邻两次采样间隔期内根系的生长与死亡，然后除以间隔时间，得到细根生长RLDP和死亡RLDM。式中：RLDP ——间隔期内根系生长量，mmcm-2d-1；RLDM ——间隔期内根系死亡量，mmcm-2d-1；RLDn ——第n次观测到的根系根长密度值，mmcm-2；RLDn+1 ——第（n+1）次观测到的根系根长密度值，mmcm-2；T ——相邻两次采样间隔时间，d。3.3 根系生长死亡量、现存量和周转计算1）根系年生长量为一年内所有次采样得到的根系根长净增加值（包括所有出现的新根长与以前存在的根系长度净增加值）；根系年死亡量为一年内所有次采样中根系长度的消失（包括存在根的死亡以及由于根系的脱落或昆虫的取食引起根长的减少值）；根系年生长量与年死亡量的单位也以每年单位管面积内的单位根长来表示（mmcm-2a-1）。2）根系现存量以每次观测到的单位面积活根系长度来表示。3）根系周转估计采用以下3种方法进行估计。① 年根系生长量与年根系平均现存量之比。② 年根系死亡量与年根系平均现存量之比。③ 年根系生长量与年根系最大现存量之比。4 应用案例4.1 植物对营养元素的竞争性利用（Science，2010）James F.、Cahill Jr.等利用AZ-B0201根际微生态观测系统对关键营养元素不同利用策略下的植物根系生长状况进行了为期8周的观测。研究结果显示，在没有竞争植物的条件下，无论关键营养物质在植物周围分布态势如何，植物的根系分布及平均直径不受影响（A、B、C）。当有竞争植物存在时，那么植物根系的分布状况、平均直径则取决于关键营养元素与植物之间的相对距离（D、E、F）。图中红条是植物甲的平均根系直径，蓝条是植物乙的平均根系直径，阴影是关键营养元素所处位置示意（如果存在的话）。4.2 氮肥对水曲柳和落叶松细根寿命的影响（植物生态学报，2009）采用微根管技术研究氮肥对水曲柳和落叶松细根生长、衰老和死亡的影响，探讨两树种细根寿命与氮有效性之间的相关关系。结果表明，林地施氮肥后，两树种细根数量都呈减少趋势， 细根总体直径增加， 分枝程度降低； 氮肥使水曲柳细根存活率提高，细根中位值寿命延长，而落叶松细根存活率对氮肥反应不敏感； 施氮肥对细根寿命的延长效应主要体现在直径较小的一级根、表层，根系和春夏季新生的细根，表明氮肥对高生理活性的细根影响较强。

XST-LiDARNet原位生态激光雷达产品概述：地球陆地表面约有55%区域由森林自然资源(30%)和草地自然资源(25%)覆盖，在全球碳循环和气候调节中起重要的作用，开展森林和草地自然资源植被长势变化尤为重要。由于激光雷达采用主动光学技术，瞬间发射高能量脉冲信号，具有较大的穿透深度，能够探测植被冠层表层以下的信息。激光雷达不仅能够提取植被冠层的生态参数，还可以从点云数据中重建植被三维场景，通过激光雷达技术开展植被生长变化监测，能够更好表征植被生态系统不同时期的供给能力。传统的激光雷达技术存在诸多问题，比如高成本、低效的数据采集、无法做到兼顾高时空分辨率、无法有效捕捉植被短期动态变化、多时相离散数据不能有效匹配等。基于以上实际需求，XST-LiDARNet原位生态激光雷达系统在植被监中，能够完全解决以上问题，可以持续性扫描目标区域、更精确反应植被动态、保持观测连续、时间分辨率可达到小时、数据原位观测，无需考虑点云几何位置配准问题、有效利用时序信息、准确捕捉植被生长变化。软件系统：通过自主研发的智能计算模块，在获取LiDAR采集到的二进制结构数据的同时，我们采用了边缘计算的模式对数据进行了一系列预处理，包括转为标准点云格式，以及坐标系变换、噪声滤波、地面滤波以及相应的高程归一化等步骤，最终得到时序冠层点云数据。技术参数：激光波长905nm可测参数三维点云数据、冠层高度、覆盖度、叶面积体密度、多层叶面积指数回波探测模式单次和首次回波人眼安全级别Class1(IEC60825-1:2014)建议扫描速率1次/天测距量（@100klx）150m@10%反射率测距随机误差（1σ）＜2cm@20m（80%反射率）测距系统误差＜±3cm@20m视场角水平120°，竖直25°角度随机误差＜0.1°点云输出452000点/秒工作环境温度-40℃-85℃雷达防护级别IP67运行功耗额定12W；启动26W；最大低温加热功率40W；供电电压：9~18V数据处理软件系统内置数据在线处理程序工作模式 全天候全自动应用案例：草地监测&bull 试验区：内蒙草原&bull 典型草原：羊草、克氏针茅、细叶葱等&bull 实验数据：2021.05.21-2021.09.15森林监测&bull 试验区：清原森林生态系统观测研究站&bull 典型次生林：胡桃楸、水曲柳和色木槭等&bull 实验数据：2021.08.01-2021.12.11

用途：BTC-100X根系生长动态监测系统是利用微根管（Minirhizotron，又称微根窗）技术用于非破坏性监测分析根系动态的仪器技术，它是一种非破坏性、定点直接观察和研究植物根系的方法，其优点是在不干扰细根生长过程的前提下，能连续监测单个细根从出生到死亡的变化过程，也能记录细根乃至根毛和菌根的生长、生产和物候等特征，是估计生态系统地下C分配和N平衡研究的有效方法，结合所提供根系分析软件，能够将根系相关数据定量化，包括根的长度、面积、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量等等。还可以根据用户需求监测土壤水分状况，从而研究根系所在区域内溶质运移及水分胁迫所引起的生理变化，广泛运用于苗木培养、作物生长模型研究、根系病理分析、昆虫行为生态等领域。工作原理：BTC-100X根系生长动态监测系统利用微根管技术，整套系统由成像头、控制模块、手柄、光源、微根管等部件组成。将成像头伸入埋设在根系周围的微根管内，通过控制模块进行根系图像抓取成像，然后使用预装在电脑上的专业根系分析软件系统对混合图像进行分析，从而跟踪了解其生长过程。 基本组成 控制模块 手柄 带光源的成像头分析软件技术参数：监测分析参数细根长、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，可用于监测分析根毛及菌根生理生态和动态。成像头NTSC制式彩色成像头（可选PAL制式），防水性能设计，高分辨率，带白光光源。每个视频帧看到管壁的面积为长12.5毫米×宽18毫米。放大功能100倍光源标准白光光源，可选紫外光源，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成像。控制模块功能控制系统含电源开关，控制成像头的光学放大缩小开关，紫外光源的开关，成像焦距的微调开关。手柄1.2~2.2米伸缩式手柄供电12V可充电电池，可连续工作约8小时。连接电缆长度4.8米微根管尺寸直径51毫米×长度1.8米，可定制其他长度观测管。应用文献：1. 白文明、程维信、李凌浩，微根窗技术及其在植物根系研究中的应用。生态学报，2005，25（11）：3076-3081.2. 李俊英、王孟本、史建伟，应用微根管法测定细根指标方法评述。生态学杂志，2007，26（11）：1842-1848.3. 邱俊、谷加存、姜红英等，樟子松人工林细根寿命估计及影响因子研究。植物生态学报，2010，34（9）：1066-1074.4. 宋森、谷加存、全先奎等，水曲柳和兴安落叶松人工林细根分解研究。植物生态学报，2008，32（6）：1227-1237.5. 于水强、王政权、史建伟等，氮肥对水曲柳和落叶松细根寿命的影响。应用生态学报，2009，20（10）：2332-2338.6. A.L.Kalyn， K.C.J.Van Rees. Contribution of fine roots to ecosystem biomass and net primary production in black spruce， aspen， and jack pine forests in Saskatchewan. Agricultural and Forest Meteorology， 2006， 140:236-243.7. C. E. Wells， D. M. Glenn， and D. M. Eissenstat. Soil insects alter fine root demography in peach(prunus persica). Plant， Cell and Environment， 2002， 25: 431-439.8. Carolyn S. Wilcox， Joseph W. Ferguson， George C.J. Fernandez， etc. Fine root growth dynamics of four Mojave Desert shrubs as related to soil moisture and microsite. Journal of Arid Environments， 2004， 56:129-148.9. Christel C.Kern， Alexander L. Friend， Jane M.Johnson， etc. Fine root dynamics in a developing Populus deltoides plantation. Tree Physiology， 2004， 24:651-660.10. Colleen M. Iversen， Joanne Ledford and Richard J. Norby. CO2 enrichment increases carbon and nitrogen input from fine roots in a deciduous forest. New Phytologist， 2008， 179: 837-847.11. D.G.Milchunas， J.A.Morgan， A.R.Mosiers， etc. Root dynamics and demography in shortgrass steppe under elevated CO2， and comments on minirhizotron methodology. Glogal Change Biology， 2005， 11:1837-1855.12. James F.Cahill Jr.， Gordon G. McNickle， Joshua J.Haag， etc. Plant Integrate Information about Nutrients and Neighbors. Science， 2010， 328: 1657.13. Jinmin Fu and Peter H. Dernoeden. Creeping Bentgrass Putting Green Turf Responses to Two Summer Irrigation Practices: Rooting and Soil Temperature. Crop Scinece， 2009， Vol. 49: 1063-1070.14. John S. King， Timothy J. Albaugh， H. Lee Allen， etc. Below-ground carbon input to soil is controlled by nutrient availability and fine root dynamics in loblolly pine. New Phytologist， 2002， 154: 389-398.15. Laurent Misson， Alexander Gershenson， Jianwu Tang， etc. Influences of canopy photosynthesis and summer rain pulses on root dynamics and soil respiration in a young ponderosa pine forest. Tree Physilogy， 2006， 26:833-844.16. Michael F. Allen. Mycorrhizal Fungi: Highways for Water and Nutrients in Arid Soils. Vadose Zone Journal， 2007， 6(2): 291-29717. Seth G. Pritchard， Hugo H. Rogers， Micheal A Davis etc. The influence of elevated atmospheric CO2 on fine root dynamics in an intact temperate forest. Global Change Biology， 2001， 7: 829-837.18. Weixin Cheng， David C.Coleman and James E.Box Jr. Measuring root turnover using the minirhizotron technique. Agriculture， Ecosystems and Environment， 1991， 34:261-267.