全 文 ：植物生态学报 2013, 37 (8): 786–792 doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00082
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2013-03-20 接受日期Accepted: 2013-06-04
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: wzh-36@163.com)
运用SmartRoot测量橡胶树细根
刘 季1,2 安 锋2 袁 坤2 陈秋波2 王真辉2*
1海南大学农学院, 海口 570100; 2中国热带农业科学院橡胶研究所, 海南儋州 571737
摘 要 SmartRoot是基于开放源ImageJ的免费根系分析软件, 通过软件分析根系照片可得到细根长度、表面积、体积和平均
根直径等指标。该文以橡胶树(Hevea brasiliensis)细根为例, 探索利用SmartRoot分析细根不同形态特征的可能性。用不同拍
照距离与分析方式的对比确定橡胶树细根适合的研究方法, 用WinRhizo软件分析结果验证结果的准确性。结果表明, 不同拍
摄高度下对应的细根长度、表面积、体积和平均根直径等指标的标准均方根误差(NRMSE)分别为2.87%、15.73%、32.38%和
16.88%; 手动分析与半自动分析相同照片细根长度、表面积、体积和平均根直径等指标的NRMSE分别为3.06%、21.00%、
40.96%和11.64%; 用WinRhizo软件验证SmartRoot分析细根长度、表面积、体积和平均根直径等指标结果NRMSE分别为
5.31%、9.37%、9.61%和5.77%。本研究表明, 在适当方法下, 拍照法结合SmartRoot软件分析测量橡胶树细根细根长度、表
面积、体积和平均根直径等指标有较高的准确度, 可用于橡胶树细根指标的分析。
关键词 细根, 橡胶树, 图像分析, SmartRoot
Application of SmartRoot system for determining morphological parameters of fine roots of
Hevea brasiliensis
LIU Ji1,2, AN Feng2, YUAN Kun2, CHEN Qiu-Bo2, and WANG Zhen-Hui2∗
1College of Agriculture, Hainan University, Haikou 570100, China; and 2Rubber Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural, Danzhou,
Hainan 571737, China
Abstract
Aims Our objective was to examine the possibility of using SmartRoot, free software based on ImageJ, for the
measurement of fine root length, surface area, volume and diameter of Hevea brasiliensis.
Methods Photos were taken at heights of 15 and 40 cm from the fine root samples before the samples were sub-
jected to comparison for accuracy of measurement of fine root length, surface area, volume and diameter of H.
brasiliensis. The same images were analyzed manually and semi-automatically as well. Then the results obtained
from SmartRoot were compared with those from WinRhizo, an expensive, popular, professional software for root
analysis.
Important findings The average normal root mean square errors (NRMSE) between 15 and 40 cm height for fine
root length, surface area, volume and diameter were 2.87%, 15.73%, 32.38% and 16.88%, respectively. In addi-
tion, the NRMSE between manual and semi-automatic analysis for the same morphological parameters were
3.06%, 21.00%, 40.96% and 11.64%, respectively. Furthermore the NRMSE between SmartRoot and WinRhizo on
fine root length, surface area, volume and diameter were 5.31%, 9.37%, 9.61% and 5.77%, respectively, signify-
ing a high consistency between the two software systems. The results indicated that it is feasible to employ the
SmartRoot system for determination of fine-root morphological parameters of H. brasiliensis due to its satisfac-
tory accuracy, reliability, easy operation and time-saving advantages. For better accuracy, photos are recom-
mended to be taken at the height of 15 cm and analyzed with the semi-automatic method.
Key words fine root, Hevea brasiliensis, image analysis, SmartRoot

细根(fine root), 通常被定义为直径≤2 mm的
根 , 其中也包括菌根 (Persson, 1978; 张小全等 ,
2000; 房秋兰和沙丽清, 2005)。细根生物量占根系
总生物量的比例因样本、取样方法以及环境的不同
而不同, 有资料表明其比例为3%–30% (Vogt et al.,
1996)。由于其有巨大的吸收表面积, 生理活性强,
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多数具有菌根侵染, 是树木吸收水分和养分的主要
器官, 是根系中最活跃和最敏感的部分(张小全等,
2000; 林希昊等, 2008)。
以往常用直接法测定根长、染色法测根表面
积、排水法测根体积(Tennant, 1975; Wang & Zhang,
2009)。近年来, 由于新技术的发展, 图像分析方法
较为广泛地应用于根系研究, 并已成为根系形态特
征指标数据获取的重要工具, 相对于传统方法, 图
像分析方法效率更高, 同时具有一定的精度(Zobel,
2008; Wang & Zhang, 2009; 顾东祥等, 2010; Pang et
al., 2011; Tajima & Kato, 2011; Putranto et al.,
2012)。但这些软件大多通过加密授权等方式向用户
开放, 而且价格昂贵, 其中以加拿大Regent公司的
WinRhizo软件应用较为广泛(张小全等, 2000; Wang
& Zhang, 2009; Pang et al., 2011)。SmartRoot是一种
专门为根系测量而开发的、基于ImageJ软件平台的
免费半自动化图像分析软件(Lobet et al., 2011)。而
ImageJ软件是由美国国立卫生研究院(National In-
stitutes of Health, USA)开发的一个开放结构图像处
理和分析软件, 具备许多图像处理和分析功能, 支
持用户自定义插件和宏(白光红等, 2009; 高建昌等,
2011; de Vylder et al., 2012)。运用SmartRoot插件能
把复杂的根系生长和根系结构进行简化, 并通过对
图片的分辨率(dpi, dot per inch, 指的是每英寸中像
素数目, 1英寸= 2.54 cm)进行合理的定量分析, 来
实现对细根长度等指标的估算。该软件可以处理
TIFF、GIF、JPEG、BMP、DICOM、FITS等图像
格式。
研究橡胶树(Hevea brasiliensis)细根生长与周
转, 对提高橡胶树对水分及养分的利用有重要意义
(房秋兰和沙丽清, 2005; 林希昊等, 2008)。采用土
钻法观测橡胶树细根生长与周转, 虽然所获得的细
根样品数量较大, 但同时样品之间差异也较大, 传
统方法难以快速准确地对细根指标进行测量。本文
旨在以橡胶树细根为例, 通过对SmartRoot软件测
量橡胶树细根指标使用方法和准确性的探讨, 确定
该软件用于细根研究的可行性。
1 材料和方法
1.1 试验样地和材料
试验区主要位于海南省儋州市中国热带农业
科学院试验场六队(19°32′ N、109°28′ E), 橡胶林样
地为第二代胶园, 品种为‘热研7-33-97’, 单一人工
群落, 群落结构简单, 采用宽行密植模式, 株行距
为3 m × 7 m, 林下以多年生草本植物及当年生草本
植物居多 , 如弓果黍(Cyrtococcum patens)、巢蕨
(Neottopteris nidus)、叶下珠(Phyllanthus urinaria)、
假臭草(Eupatorium catarium)、地胆草(Elephantopus
scaber)、竹叶草(Oplismenus compositus)等, 极少见
灌木、亚灌木。
用土钻法对橡胶树细根进行取样。样品取回后,
小心将土冲洗干净, 挑选出直径≤2 mm的橡胶树
根作为测量对象。
1.2 不同分析方式和拍摄距离对细根测量结果的
影响
SmartRoot软件描绘细根的模式分为两种: 手
动模式和半自动模式。手动模式是指手动将一条细
根用节点工具描绘出来; 半自动模式是指软件依照
用户指定分析对象, 每次将所指定的那一条细根用
节点工具自动描绘出来。
为验证不同分析方式和拍摄距离对细根测量
结果的影响, 随机选取已清洗出来的细根(n = 39),
分散放置于水平白色背景之上, 添加标尺(已知长
度参照物)后将同一组细根分别在相机高度为15 cm
和 40 cm处垂直拍摄图片 , 所得照片分别用
SmartRoot软件半自动模式估算不同拍摄高度照片
中细根根长、根表面积、根体积、平均根直径等数
据, 用以分析不同拍摄距离对细根测量结果的影
响。将在相机高度为15 cm垂直拍摄的照片用
SmartRoot软件半自动模式和手动模式估算照片中
细根根长、根表面积、根体积、平均根直径等数据,
用以分析不同分析模式对细根测量结果的影响。
1.3 基于SmartRoot软件的细根测量准确性验证
在15 cm垂直高度拍摄添加标尺的细根样品照
片(n = 122), 采用半自动分析方式获取相关数据。
之后将同批样品用WinRhizo Basic软件扫描后分
析。用WinRhizo Basic软件结合扫描仪获取图片时,
选择阈值为默认数值, 图像分辨率为400 dpi。用
WinRhizo Basic软件分析后可得到根长、根表面积、
根体积、平均根直径等数据。将两种软件的相应指
标进行对比, 用以验证SmartRoot软件分析橡胶树
细根的可靠性。
1.4 数据处理
分别用WinRhizo Basic和SmartRoot软件对橡胶
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树细根根长、根表面积、根体积、平均根直径等指
标进行测定。所得结果采用SAS 9.0进行回归分析。
采用均方根误差(root mean square error, RMSE)、标
准均方根误差 (normal root mean squared error,
NRMSE)等统计值进行分析和验证。


2 结果和分析
2.1 不同分析方式与拍摄距离对细根测量结果的
影响
由图1可知, 在手动和半自动模式下, 以Smart-
Root软件分析拍摄高度为15 cm的橡胶树细根照片



图1 手动与半自动模式测得的细根指标比较。
Fig. 1 Comparison of fine root indices measured by manual and semi-automated analysis.

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图2 不同距离的图片测得的细根指标比较。
Fig. 2 Comparison of fine root indices measured by different distance.


所测量的细根长度结果具有较好的一致性 , 其
NRMSE为2.87% (图1A)。测定根表面积与根平均直
径一致性有所下降, 其NRMSE分别为15.73% (图
1B)和16.88% (图1D)。而测定出的根体积结果误差
较大, 其NRMSE为32.38% (图1C)。由此说明, 采用
手动与半自动两种分析方式分析相同图片, 结果受
到较大影响。对于细根长度的测量结果影响较小,
而对根表面积、根体积和平均根直径的影响较大,
可能是由于在图片上手动描绘相关细根时, 在描绘
路径及节点的选择上有所误差, 合理性相对较差,
导致最后估算得到的相关指标差异较大。
由图2可知, 在拍摄高度分别为15 cm和40 cm
条件下以SmartRoot软件分析测定的橡胶树细根长
度结果具有较好的一致性, 其NRMSE为3.06% (图
2A)。测定平均直径一致性有所下降, 其NRMSE为
11.64% (图2D)。而测定出的根表面积和根体积两个
结果误差较大, 其NRMSE分别为21.00% (图2B)和
40.96% (图2C)。由此说明, 采用不同拍摄距离对相
同细根进行拍照时, 对根表面积、根体积和平均根
直径的影响较大, 对细根长度的测量结果影响较
小。当拍摄距离从15 cm增加到40 cm时, 照片中分
辨率由184 dpi降低到109 dpi, 图像分辨率的降低会
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图3 SmartRoot与WinRhizo测得的细根指标比较。
Fig. 3 Comparison of fine root indices measured by SmartRoot and WinRhizo.


使细根指标的估算产生偏差。
2.2 基于SmartRoot软件下的细根测量准确性验证
用SmartRoot和WinRhizo两种软件对122条细根
的分析结果表明(图3), 测量根长、根表面积、根体
积和平均根直径的NRMSE分别为5.31%、9.37%、
9.61%和5.77%, 其R2均大于0.97, 且NRMSE均小于
10%。表明SmartRoot在适当的距离, 采用半自动分
析模式分析橡胶树细根照片所获得的根长、根表面
积、根体积和平均根直径等数据与平板法结合
WinRhizo软件所获得的相关差异较小, 数据有较好
的精度。
3 讨论和结论
对于图像的来源, 平板扫描仪可以获得高质量
的图片, 但获得高像素的图片需要较长的时间, 不
适合大规模图像采集(Pang et al., 2011)。SmartRoot
可用于分析低质量的图像(如相机拍摄的照片), 它
可自动将彩色相片转化为灰度图, 便于将细根与背
景区分开来, 有利于之后的分析。
ImageJ软件在不使用SmartRoot插件时, 可通
过对图像中物体像素的分析估算出物体的长度和
投影面积等指标(白光红等, 2009; 高建昌等, 2011),

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因而可以用于根系长度的估算, 但未见其应用于估
算细根表面积和体积的报道。有研究指出, 在一定
的阈值范围内, 直接使用ImageJ对细根长度有一定
的高估(Tajima & Kato, 2011)。SmartRoot不仅可用
于分析细根的长度与直径, 更可用于对细根表面积
和体积等指标的估算(Lobet et al., 2011)。由于在不
同高度下所拍摄的图片质量不同, 分析所得指标有
较大的差异, 为了保证分析数据的准确性, 所拍摄
图像的像素大小不能大于被测量细根直径的15%,
图片的分辨率越高 , 所得到数据的准确性越高
(Zobel, 2003; Tajima & Kato, 2011)。以直径为1 mm
的细根为例, 当拍摄高度为15 cm时, 照片分辨率
为184 dpi, 每个像素的大小约为0.138 mm, 小于
0.15 mm (1 mm细根直径的15%); 当拍摄高度为40
cm时, 照片分辨率为109 dpi, 每个像素的大小约为
0.233 mm, 大于0.15 mm, 用该图片估算出的细根
指标必然受到影响。所以在尽可能包括标尺和全部
样品的情况下近距离拍摄细根, 以提高图像的分辨
率; 此外细根拍摄时还应注意光线因素, 尽量避免
阴影的干扰(Zobel, 2003)。
SmartRoot分析橡胶树细根, 是基于软件中测
量工具对细根的描绘这一最基础的功能之上, 细根
描绘的准确度决定细根测量的精度。细根描绘是用
一定数量的节点将细根串联起来, 在细根弯曲处增
加节点的数量, 可以提高软件对细根长度估算的准
确性, 而曲率较小的部分可以用较少的节点连接。
在手动模式下, 由于描绘细根所用节点数量及分布
存在较大差异, 导致细根指标估算出现较大的偏
差; 半自动模式可以实现对细根节点描绘的自适
应, 即用适当的节点数量与节点分布描绘细根形
状 , 从而更加准确地估算细根指标(Lobet et al.,
2011)。
根据研究目的及研究对象的不同, 每种对细根
指标测量的方法都有自己的优缺点。本文以橡胶树
细根为例, 采用拍照法结合SmartRoot软件测量橡
胶树细根根长、表面积、体积及平均直径等指标, 成
本较低、方便快捷, 而且与专业软件的结果基本一
致, 具有一定的精度和可靠性, 可用于细根指标的
测定分析。
基金项目 现代农业产业技术体系建设专项资金
(CARS-34-02A)和中央级公益性科研院所基本科研
业务费专项资金(1630022013003)。
参考文献
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特邀编委: 赵长明 责任编辑: 李 敏



























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作者更正

发表在2013年(37卷)第6期583–588的文章“如何写好数据分析和几个相关的统计问题”中, 586页3.4节第一段倒数第二句:
“由于组间方差与组内方差之和是数据(即样本)的总方差, 组间方差的自由度固定, 而组内方差的自由度随实验的重复多寡
而变。”其中的组间方差、组内方差和总方差应为组间平方和、组内平方和与总平方和。特此更正。