根系生長模擬及相關(guān)研究進(jìn)展課件

1、根系生長模擬及相關(guān)研究進(jìn)展主要內(nèi)容 根系生長模擬研究進(jìn)展1 存在的問題與難點(diǎn)2 研究趨勢及展望31.根系生長模擬研究進(jìn)展作物主要從土壤獲取水分、養(yǎng)分，而其獲取能力一方面取決于根系的長度和表面積，另一方面取決于根系的空間分布，它決定了根系獲取水分、養(yǎng)分的空間范圍和與相鄰植株根系的資源競爭能力。研究了解根系的構(gòu)型分布和動(dòng)態(tài)建成規(guī)律、以及根系與土壤關(guān)系等對(duì)于作物生理、作物生態(tài)等學(xué)科方向的研究具有重要價(jià)值。根系的生長模擬是虛擬作物研究的重要內(nèi)容，相對(duì)與地上部的研究，根系也是研究的難點(diǎn)。 1.根系生長模擬研究進(jìn)展ROOTMAP模型第一個(gè)明確地從三維剖面考慮根構(gòu)型的模型是“ROOTMAP” ，它應(yīng)用有關(guān)根

2、齡、位置和根節(jié)作為根伸長速率的函數(shù)和分枝強(qiáng)度的函數(shù)，并將它作為和溫度有關(guān)的變量，但是這個(gè)模型沒有考慮形態(tài)學(xué)參數(shù)，如根節(jié)的半徑及生長。 ROOTMAP1.根系生長模擬研究進(jìn)展使用三維數(shù)字化儀測量玉米主根空間位置1.根系生長模擬研究進(jìn)展L-系統(tǒng)生成簡單的圖形以L-系統(tǒng)方法為基礎(chǔ)的研究本質(zhì)是一種字符重寫系統(tǒng)或形式語言方法，L-系統(tǒng)的確定需要公理或初始字符串，分枝角度規(guī)則和產(chǎn)生式規(guī)則。利用L-系統(tǒng)的特點(diǎn)可以模擬較為逼真的根系造型。S.Chuai-Areel等利用L-系統(tǒng)開發(fā)出一套植物莖和根系形態(tài)的模擬系統(tǒng);國內(nèi)的研究如鄧旭陽、周淑秋等對(duì)玉米根系造型方面進(jìn)行了研究，取得了很好的造型模擬效果；馮斌、楊培嶺

3、用L-系統(tǒng)方法對(duì)冬小麥根系進(jìn)行了模擬研究。 1.根系生長模擬研究進(jìn)展加拿大Calgary大學(xué) 1.根系生長模擬研究進(jìn)展S. Chuai-Aree等，德國海德堡大學(xué)（2004）.1.根系生長模擬研究進(jìn)展S. Chuai-Aree等模型系統(tǒng)界面根系生長發(fā)育基本單元(a)、由基本單元構(gòu)成的根軸(b)、由根軸構(gòu)成的根系(c) 示意圖1.根系生長模擬研究進(jìn)展1.根系生長模擬研究進(jìn)展根系構(gòu)型模型(張吳平，2004)2.存在的問題與難點(diǎn)環(huán)境條件與根系生長相互關(guān)系的描述L-系統(tǒng)因?yàn)樽陨淼木窒扌砸M復(fù)雜條件下的根系生長勢必增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使研究愈加復(fù)雜而難以理解和發(fā)展。GreenLab模型目前只是假設(shè)

4、根系生長在有著均一性特點(diǎn)的土壤環(huán)境中，即理想化條件下的根系生長。環(huán)境條件與根系生長的相互作用很復(fù)雜，要準(zhǔn)確模擬環(huán)境條件對(duì)根系生長產(chǎn)生的影響還較為困難。更多的研究偏重與造型的模擬。2.存在的問題與難點(diǎn)根系形態(tài)數(shù)據(jù)的獲取由于植物根系隱藏土壤中，很難對(duì)其進(jìn)行直接的觀察，是個(gè)“黑色系統(tǒng)”，技術(shù)手段的缺乏使根系研究較為落后。使用根箱培養(yǎng)、水培、氣培或沙培等方法雖然便于根系的清洗，但是畢竟與大田的生長存在差異。非破壞性的方法如同位素示蹤法操作上較為復(fù)雜而且存在輻射危害而且數(shù)據(jù)指標(biāo)與數(shù)量有限。近年來，一些新的技術(shù)手段與成果如WinRHIZO、DT-SCAN以及CI-400/600等新型的根系分析系統(tǒng)結(jié)合其配

5、套軟硬件可以進(jìn)行從洗根和之后的分析工作，大大加快了數(shù)據(jù)獲取的效率。以上方法大多需要洗根操作，根系的空間分布信息難以獲取甚至無法觀測。為了能對(duì)根系進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)觀測，國內(nèi)外研究人員已嘗試MRI（Magnetic Resonance Imaging即核磁共振成像）和XCT（X-Ray Computerized Tomography即X射線斷層造影術(shù)）等方法。根系分析系統(tǒng)WinRHIZO嚴(yán)小龍等XCT根系掃描，圖像處理軟件方法MIP（最大密度投影）。 2.存在的問題與難點(diǎn)根冠耦合研究許多研究是將冠層與根系分開考慮的，而對(duì)地上部與根系的耦合研究還較少。由于植物生長是地上部與地下部的協(xié)同生長，植株對(duì)逆境的適應(yīng)是通過冠層與根系的協(xié)同作用得以實(shí)現(xiàn)的。干旱時(shí)，根系通過向深處生長以獲取地下水，冠層葉片亦通過卷曲等措施減少植物的水分蒸騰；濕潤時(shí)，根系通過發(fā)生側(cè)生根或支根，加強(qiáng)對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，葉片的蒸騰也處于無脅迫狀態(tài)。Prusinkiewicz（1997）等利用植物體冠層與根系通過物質(zhì)流實(shí)現(xiàn)平衡生長的原理，構(gòu)建了冠層與根系耦合生長的模型。但上述模型對(duì)耦合機(jī)制的生理生態(tài)影響未作深入分析。根冠耦合的生理生態(tài)機(jī)制將涉及土壤中的水