基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析

关键词：根系构型数字化仪；虚拟植物根系技术；根系构型；冬小麦
Measurement and Analysis of 3D Wheat Root System Architecture with a Virtual Plant Tool Kit
CHEN Xin-xin1, DING Qi-shuo1,2, DING Wei-min1, TIAN Yong-chao2, ZHU Yan2, CAO Wei-xing2
Abstract: 【Objective】 A consistent and useful system for virtual crop root system simulation was constructed with integrated hardware and software, and applied to quantify post-paddy wheat RSA. 【Method】 A crop RSA digitizer was designed and fabricated in a purely mechanical manner. The digitizer was constructed with a leveled rotating beam, a cross slider and a vertical
(1College of Engineering, Nanjing Agricultural University / Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment of Jiangsu Province, Nanjing 210031; 2National Engineering and Technology for Information Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)
中国农业科学
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slider. All the beam and sliders were calibrated with rulers. The coordinated movements of the three moving parts allows the measuring tip to access any possible point within the 3D root-soil volume. Root zone soil sample, installed on the platform of the digitizer, was stripped in layers, each in 3-5 mm thickness. The positions of the exposed roots were digitized. This laminated treatment continued until the whole RSA was digitized. Collected RSA data was then transferred to Pro-E, where the virtual RSA was reconstructed. As the data set used for RSA reconstruction came directly from undisturbed field-grown crop, the reconstructed virtual RSA was able to represent the actual RSA state and the dynamical process of RSA in situ. The virtual RSA was then analyzed with tools supplied in the Pro-E, where the 3D RSA parameters were calculated, such as soil exploration ability of root system, root total length and mean root elongation rate, etc. Wheat RSA dynamics was also quantified with these parameters. 【Result】 Being easy to operate, suitable for dusting environment and highly stable under noisy conditions, the proposed RSA digitizer provides a measurement resolution of <1 mm and can be used as a satisfactory tool for RSA measurement. Pro-E provides a means of realizing the virtual RSA, and also an in-depth computation of RSA parameters. Results shown that the proposed virtual RSA method was able to illustrate structural characteristics and soil exploitation abilities of root system in each stage of wheat seedling development, as well as the root-colonized soil depth and circumferential root expanding dynamics. High heterogeneity of RSA was observed in each wheat seedling stage. Wheat root was confined in shallow soil layers in winter, but rapidly expanded to deeper layers in standing and tillering stages. More rapid development of root was observed in the shooting stage. 【Conclusion】 The proposed virtual RSA, integrated with hardware and software, is a technical solution for accurate quantification of root system dynamics, root-soil relation, root topology and the dynamics of soil space exploration. This tool kit provides a solution for RSA quantification in each post-paddy wheat seedling stage, thus illustrating the dynamics of wheat RSAs and satisfying the practical needs for crop RSA study.
（1 南京农业大学工学院/江苏省智能化农业装备重点实验室，南京 210031；2 南京农业大学国家信息农业工程技术中心，南京 210095）
摘要：【 目 的 】 构 建 一 套 由 硬 件 和 软 件 集 成 且 完 整 而 适 用 的 虚 拟 植 物 根 系 技 术 ， 定 量 描 述 稻 茬 田 冬 小 麦 根 系 的 三 维 几 何 构 型 特 征 。【 方 法 】自 主 设 计 制 作“ 根 系 构 型 数 字 化 仪 ”，该 数 字 化 仪 为 纯 机 械 结 构 ，分 别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂，回转臂与滑动臂都配有标尺，且 3 者的组合 运动能保证测头在 3D 范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按 3—5 mm 厚度逐层 清 除 并 进 行 根 系 构 型 数 字 化 ，从 而 测 取 田 间 小 麦 根 系 的 真 实 空 间 拓 扑 数 据 ，实 现 小 麦 根 系 实 体 构 型 的 数 字 化。将实测的小麦根系构型数据导入 Pro-E 软件平台，利用软件的 3D 造型技术完成小麦根系构型的虚拟 重 构 ，实 现 计 算 机 虚 拟 根 系 与 实 体 根 系 的 一 致 性 。利 用 软 件 的 分 析 工 具 对 虚 拟 重 构 的 小 麦 根 系 构 型 进 行 计 算 分 析 ，定 量 小 麦 不 同 时 期 根 系 的 三 维 空 间 构 型 、根 系 的 土 体 空 间 搜 寻 能 力 、根 系 总 长 以 及 根 系 平 均 增 长 率 等 指 标 的 变 化 ， 通 过 不 同 的 指 标 反 映 田 间 土 壤 环 境 下 真 实 小 麦 根 系 构 型 的 时 空 动 态 。【 结 果 】 植 物 根 系 构型数字化仪能够提供＜1 mm 的测试分辨率，操作使用方便，耐污染、抗干扰能力强，对工作环境要求 不高，可满足作物根系三维空间几何构型测试要求，而使用 Pro-E 的小麦根系三维空间几何构型重构技术 也 便 于 根 系 构 型 的 深 度 计 算 与 分 析 。冬 小 麦 的 根 系 构 型 分 析 结 果 表 明 ，该 虚 拟 根 系 技 术 能 够 直 观 展 示 小 麦 生 长 期 不 同 时 间 节 点 的 根 系 构 型 状 态 特 征 及 土 体 空 间 搜 寻 动 态 ，根 系 构 型 图 可 以 反 映 各 时 期 小 麦 根 系 在 土 体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大，越冬期小 麦根系很浅，在返 青 及 分 蘖 旺 期 小 麦 的 根 系 迅 速 向 深 层 土 层 中 伸 展 ， 拔 节 期 根 系 爆 发 迅 速 。【 结 论 】 由 软 硬 件 单 元 组 构 的 虚 拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系 动 态 空 间 行 为 指 标 等 作 物 根 际 生 理 生 态 行 为 的 技 术 保 障 ，其 不 仅 直 观 展 示 了 水 稻 土 条 件 下 冬 小 麦 根 系 空 间 几 何 构 型 在 不 同 时 期 的 空 间 拓 展 状 况 ，也 能 够 定 量 根 系 构 型 的 动 态 ，因 此 能 够 满 足 作 物 根 系 三 维 空 间 几 何 构 型 分 析 的 实 用 要 求。