全 文 ：稻茬麦根系构型的定向分型分析∗
陈信信　 丁启朔∗∗　 李毅念　 薛金林　 陆明洲　 邱　 威
（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）
摘　 要　 为探索稻茬麦根构型的方向性，使用田间数字化仪实现稻茬麦根系的数值化，将根
系数据导入 Ｐｒｏ⁃Ｅ重构出根系的空间状态图，然后将根构型每隔 １０°进行各向投影，计算根系
构型在 １８个维度的分形维数与分形丰度．结果表明： 小麦苗期根构型在各维度的分形特征具
有较强的规律性，表明根系在土体中的分布具有明显的方向性．在苗期到返青期，根构型在 １８
个维度的分形指标波动性大，表明这一时期内根系生长处于持续的动态变化过程．在拔节期，
根构型在各维度的分形再次呈现出一定的规律性，表明根系在土体中的分布重新表现出明显
的方向性．该研究方法可以精准描述和分析植物根系在田间环境中的分布状况．
关键词　 稻茬麦根系； 根构型； 周向分布； 投影面分形分析
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０６－１７１１－０７　 中图分类号　 Ｓ１５４．４　 文献标识码　 Ａ
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｒａｃｔａｌ ｏｆ ｐｏｓｔ⁃ｐａｄｄｙ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ． ＣＨＥＮ Ｘｉｎ⁃ｘｉｎ１， ＤＩＮＧ Ｑｉ⁃ｓｈｕｏ， ＬＩ
Ｙｉ⁃ｎｉａｎ， ＸＵＥ Ｊｉｎ⁃ｌｉｎ， ＬＵ Ｍｉｎｇ⁃ｚｈｏｕ， ＱＩＵ Ｗｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ／ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００３１， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（６）： １７１１－１７１７．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｃｒｏｐ ｒｏｏｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ， ａ ｆｉｅｌｄ ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ ｗａｓ
ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｏｓｔ⁃ｐａｄｄｙ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ． Ｔｈｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｄａｔａ ｗａｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ Ｐｒｏ⁃Ｅ， ｉｎ
ｗｈｉｃｈ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｐｌａｎｅｓ ｅａｃｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ
ｉｎ １０° ａｐａｒｔ． Ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｃｔａｌ ａｂｕｎｄａｎｃｅ ｏｆ ｒｏｏｔ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｌｌ ｔｈｅ １８ ｐｌａｎｅｓ ｗｅｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ， ｒｅｖｅａｌｉｎｇ ａ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ
ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｐｏｓｔ⁃ｐａｄｄｙ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ． Ｆｒｏｍ ｓｅｅｄｌｉｎｇ
ｔｏ ｔｕｒｎｉｎｇ ｇｒｅｅｎ ｓｔａｇｅ， ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ １８ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ， ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇ ａ
ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｒｏｏｔ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ． Ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｈｏｗｅｖｅｒ， ｆｒａｃｔａｌ ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ
ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｒｅｓｕｍｅｄ ｉｔｓ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｅａｃｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｒｅｃｏ⁃
ｖｅｒｅｄ ｉｔｓ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉｓｔｉｎｃｔｎｅｓｓ． Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｉｅｌｄ
ｓｔａｔｅ ｒｏｏｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｓｔ⁃ｐａｄｄｙ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ； ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ； ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ； ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｕｒ⁃
ｆａｃｅ ｆｒａｃｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．
∗国家自然科学基金项目（４１３７１２３８）和江苏优势学科建设项目
（ＰＡＰＤ）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｑｓｄｉｎｇ＠ ｎｊａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４⁃０９⁃２２收稿，２０１５⁃０３⁃１２接受．
　 　 近年来，以农田信息获取、农田信息管理、决策
分析及决策的田间实施为内容、以合理施肥、补水、
合理的种床处理以达到节本高效、优质高产和保护
环境为目的的精准农业技术［１］成为研究的主要方
向．根构型是作物整个根系的空间形态［２］直接影响
着植物对土壤中养分、水分的吸收以及对植物地上
部分的支撑状况［３］ ．植物根系的优化有利于其高产
和优质栽培［４］，这使得大田作物生产的数字化、信
息化以及根系分布的准确描述成为一项重要工作．
根构型作为重要的农学和生态学指标［５］，是根
系功能特征的主要影响因子［６］ ．根构型对于植物的
生存、生长、产量构成能力至关重要，因为根构型影
响到作物的关键生理过程，如营养水分吸收、根的锚
定以及植物内部与外部间的竞争［７］ ．目前，根构型的
实现方法主要包括：特殊培养基下根构型的无损检
测与图像重构［８－１１］；借助计算机模拟技术［１２－１３］；基
于数字化仪的田间根系构型的重构技术［１４］ ．
针对田间作物根系构型的定量问题，解决当前
根构型定量研究面临以下瓶颈问题：１）大田根际土
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ６月　 第 ２６卷　 第 ６期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊｕｎ． ２０１５， ２６（６）： １７１１－１７１７
壤的孔隙、杂物、土壤水等带来的噪声，使得田间土
壤无法满足扫描设备对根系基质的要求，限制了无
损检测对田间作物的应用；２）计算机模拟中的前沿
领域涉及基于生理生态过程的植株三维形态结构及
空间构型建成模拟模型，是服务于精确农业管理的
重要技术途径［１５］，但是模拟模型与真实发生机理的
差异性仍然无法弥补；３）基于田间根构型数字化仪
的重构技术虽然实现了根土模拟，但对小麦根系构
型的定量参数分析仍然不能满足根系 ３⁃Ｄ分析的要
求［１４，１６］ ．根系 ３⁃Ｄ构型的参数指标很多，包括根长、
分枝夹角、根系深度、根系宽度、宽深比以及根系在
不同深层土体空间的生物量分布等［３，１７－１８］，然而这
些指标均无法定量描述田间根系在土壤中向各个方
向的伸展状况．陈信信等［１９］研究发现，在根系生长
的纵深方向，根构型在相邻 ９０°的 ２ 个投影面投影
并进行分型维计算，发现其分布状况有差异．然而，
深入探讨根构型分布各向异性的研究较少．
本研究以稻茬麦根系为研究对象，使用自主设
计制作的专用“根系构型数字化仪”测试根系的空
间拓扑数据，使用 Ｐｒｏ⁃Ｅ 造型软件实现根系的可视
化重构［１４］，然后将根系构型每隔 １０°进行投影，得出
根系构型的空间周向投影图，并结合分型理论计算
出根系构型在 １８个投影面的分形维数与分形丰度，
以其在 １８个面的投影分型维特征来描述根系的三
维空间分布状况，进而描述根系在土体空间中探索
各个方向的能力．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 稻茬麦种植与处理
小麦种植地点位于南京农业大学江浦农场，试
验地为黄棕壤质，多年稻麦轮作发育而成的水稻土，
有机质 ６．４９ ｇ·ｋｇ－１，全氮 ０．８８ ｇ·ｋｇ－１，速效氮 １２
ｍｇ · ｋｇ－１， 速效磷 １５ ｍｇ · ｋｇ－１， 速效钾 １４０
ｍｇ·ｋｇ－１，ｐＨ ７．６，前茬为水稻．小麦品种为宁麦 １６，
小区面积 ２ ｍ×６ ｍ，３ 次重复．２０１０ 年 １１ 月中旬播
种，水稻收获后清除地表秸秆，免耕种植，均匀精密
播种，株距和行距均为 ５ ｃｍ，取田头碎土盖籽，播前
施磷酸二铵 ３７５ ｋｇ·ｈｍ－２，尿素 ９０ ｋｇ·ｈｍ－２，氯化
钾 ３７５ ｋｇ·ｈｍ－２，小麦田间管理同于大田，自然雨
养，不设灌溉，小区管理同于当地常规管理．
自小麦播种日起，每隔 １４ ｄ 取样一次， ２０１０ 年
１２月至 ２０１１年 ３月下旬，共取样 ９ 次，依据小子样
理论［２０］，至第 ９８天每次取回 ６ 个根系样品，为保证
数据获得的时效性，第 １１２天开始每次取样 ３ 株．因
南方水稻土黏性重，犁底层位置在土层 １０ ｃｍ附近，
根据经验制作直径 １６０ ｍｍ、高 ２００ ｍｍ 的取样筒，
取样时选择地上部长势相近的植株，将取样筒的中
心置于所取植株的对中位置，然后用手锤均匀用力
将样筒打入土层，最后将取样筒连同植株和土壤一
同取出带回实验室检测．
１􀆰 ２　 根系构型可视化
沿用陈信信等［１４］和韩秋萍等［１６］的方法，使用
自主设计制作的专用根系构型数字化仪测试根系空
间拓扑数据．测试时将田间取出的根土样品置于数
字化仪上，按 ３～５ ｍｍ 厚度用尖针分层挑拨并测试
暴露出的各根系主轴（即初生根）的空间坐标，至上
而下逐层清理测试，直至完整获取一株小麦的主轴
根系构型数据，然后将实测数据导入 Ｐｒｏ⁃Ｅ 平台进
行根系 ３⁃Ｄ拓扑构型可视化重构．由于根构型数字
化仪仍是半自动化产品，而小麦根系是须根系且次
生根较多，为保证根系数据的时效性，只测量根系初
生根的数据，不同时间节点处稻茬麦根系构型动态
见图 １．
　 　 从图 １可以看出，在生长初期根系很浅，多集中
于 ０ ～ １０ ｃｍ 土层，生长中后期根系迅速发展，根量
增加，根系向深层土层中伸展，由于根系的生长，不
同时间节点的整株小麦根系构型变异性较大，而影
响根系生长的因素很多，即使在同一时间节点，根系
构型的变异性也很大．因而，以此角度说明根系在土
壤中的生长状况是不够全面的．
将每次取样的样本在各个面的分型维指标进行
均值化（图 ２），发现每一时间段根系的生长规律大
致相同但生长速率不同．这一数据粗略地显示出根
图 １　 各时期小麦根系的 ３Ｄ动态
Ｆｉｇ．１　 ３Ｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｐｅｒｉｏｄ．
２１７１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ２　 各时期小麦根系的分型维指标动态
Ｆｉｇ．２　 Ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｐｅｒｉｏｄ．
Ⅰ： 分形维数 Ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ； Ⅱ： 分形丰度 Ｆｒａｃｔａｌ ａｂｕｎｄａｎｃｅ．下
同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
系在土壤中的扩展能力随时间的增长而有所提高，
在宏观角度反映出根系生长的动态变化，无法全面
细致地描述出根系沿各个方向搜索土壤的能力．从
图 １可以看出，根系在第 ８４天根量与根的纵向拓展
均增加，但根系在此时间的分形维数下降（图 ２），第
１２６天根系生长在整个取样时期达到最盛（图 １），
而此时根系的分形丰度比第 １１２ 天有所下降（图
２），这表明根系构型的描述需要更为精准的定量方
法来对这些现象加以解释．
１􀆰 ３　 单株小麦根系的周向分布定量
取试验样品中的一株小麦根系，展示其空间构型
（图 ３），按其纵向生长方向，以 １０°为划分间隔实现 １８
个投影平面对根系生长空间的划分（图 ４）．然后分别
将根系构型向 １８个投影面投影、展开（图 ５）．
将根构型的１８个投影面分型维指标数值进行
图 ３　 单株小麦根系构型可视化
Ｆｉｇ．３　 Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．
图 ４　 单株小麦根系构型纵向分割投影面
Ｆｉｇ．４　 Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒ⁃
ｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．
相关分析发现，两指标变化趋势的相关系数达 ９８％
左右．单株小麦根系在各时间节点所有根系构型的
空间动态变化状况见图 ６，本文只使用分形维数这
一指标，列每次取样所有根系样品的构型周向变化
动态图，进行详细的阐释．
图 ５　 根系纵向生长的周向展开图
Ｆｉｇ．５　 Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ｏｎ ｅａｃｈ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．
Ｐ⁃Ｐ： 投影面 Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ．
３１７１６期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 陈信信等： 稻茬麦根系构型的定向分型分析　 　 　 　
图 ６　 单株小麦根构型的周向分型维指标动态变化
Ｆｉｇ．６　 Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉ⁃
ｔｅｃｔｕｒｅ．
　 　 为了进一步探究量化根系在土壤中各个方向的
分布情况，将根系构型每隔 １０°进行投影，结合分形
理论，计算出根系构型在各投影面的分形维数与分
形丰度，以根系在 １８个面的分布状况来描述根系在
土壤中的空间分布．从所有的样品中选取一株样品
进行数据重构（图 ５），然后以左视图面为起点，以
１０°为角度间隔，做出 １８个投影面，计算稻茬麦根系
构型在每个投影面上的分型维信息，分别对每个投
影面的 ２⁃Ｄ 构型图进行网格分割，使用不同边长 ｒ
的正方形网格 （ ｒ 分别为 ２． ５、 ５、 １０、 ２０、 ４０、８０
ｍｍ）分割小麦根系，进而统计出小麦根系所截交的
方格数目 Ｎ，并以 ｌｇＮ为纵坐标，ｌｇｒ 为横坐标，按公
式进行拟合，拟合线斜率的绝对值即为根系二维分
形维数 Ｆ，ｌｇＫ为二维分形丰度［２１］ ．
ｌｇＮ＝ －Ｆ·ｌｇｒ＋ｌｇＫ
式中：Ｎ为小麦根系截交的方格数目；ｒ 为根系构型
图网格化的尺度；Ｆ 为根系构型分形维数；ｌｇＫ 为分
形丰度．
２　 结果与分析
从图 ５可以看出，根系在土体空间中的分布不是
均匀一致的，但是对各时间节点多个根系样品在 １８
个投影面的分型维指标进行差异性检验，结果表明，
在置信区间内，根构型分型维指标没有差异性．这表
明 １８个投影面都反映根系纵深方向的生长分布．不
过对于单株小麦根系而言，１８ 个投影面上的分型维
指标数值仍然表现出明显差异，进一步表明根系并不
均匀分布于土体空间，而造成这一状况的原因可能有
多个方面，如作物地下竞争环境的不均匀性，土壤理
化状态的空间变异性，或者水肥供应的空间方向性，
种子自身的品种特性等．要揭示此类过程机理尚需更
为精准的试验设计和庞大的数据量来支撑．
图 ７　 出苗期小麦根构型的周向动态变化
Ｆｉｇ．７ 　 Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｔ
ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ．
１～６： 根系样品 Ｒｏｏｔ ｓａｍｐｌｅｓ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
　 　 从图 ７可以看出，苗期 ６ 株小麦根构型的周向
分布具有很强的规律性，即投影面的角度在一定范
围内时，根系在此投影面的分形维数基本上维持在
一个稳定状态，而在这个范围之外，根系在投影面的
分形维数基本上维持在另一个稳定状态；根系在土
体空间中的一定范围之内拓展能力强，在此范围之
外，根系拓展能力较弱．这表明在小麦出苗期（１４
ｄ），根系在土壤中的分布具有方向性，可能是因为
根系此时主要分布于 ０～１０ ｃｍ土层，根系生长受光
照与表层土温度的影响较大，根系在生长初期，根构
型的分布主要与种质资源和外界环境有关．
　 　 根系在出苗期至返青期，总根长会维持在基本
稳定的状态，小麦虽然在该时期能够维持一定的根
系总量，但是仍然发生显著的动态变化，不断有新根
长出也有老根的死亡［１４］ ．而此阶段的根构型在土体
中的周向动态分布也可以说明根系生长的这一特
点，在 ２８～７０ ｄ，根系构型在各投影面上的分形维数
由初期的波动幅度较大到后期的较为平缓（图 ８）．
表明在此阶段根构型并不稳定，可能是由于新根的
长出与老根的死亡会使根系在此阶段处于一种不断
打破初期根构型而建立新的根构型的动态状况．
　 　 随着时间的变化根系会迎来一次生长高峰，不仅
根量增加，根系向更深一层土层中扩展．在返青期至
分蘖期根系的周向分布渐渐显示出一些规律性（图
９Ａ），这表明在此阶段根系分布再次开始具有一些方
向性．但是根系生长主要是水肥分布、土壤孔隙、土壤
的机械阻力以及外界环境等综合作用的结果，方向性
出现的主要原因仍需要进一步探讨．而在此时间段根
系构型的空间分布差异性，可能是根构型分布在维持
原有构型的基础上进一步拓展的结果．
４１７１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ８　 出苗期至返青期小麦根构型的周向动态变化
Ｆｉｇ．８　 Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｔｏ ｔｕｒｎｉｎｇ ｇｒｅｅｎ．
图 ９　 返青期至分蘖期（Ａ）和分蘖期至拔节期（Ｂ）小麦根构型的周向动态变化
Ｆｉｇ．９　 Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｒｏｏｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｕｒｎｉｎｇ ｇｒｅｅｎ ａｎｄ ｔｉｌｌｅｒｉｎｇ （Ａ）， ｔｉｌｌｅｒｉｎｇ ｔｏ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ （Ｂ）．
　 　 在根系生长的分蘖期至拔节期，根系构型特征
会逐步稳定，规律性越来越明显（图 ９Ｂ），即根系分
布具有明显的方向性．这可能是由于免耕处理土壤
营养集中于表层，随着时间的推移，下层土壤黏性
重，孔隙度变小，穿透阻力变大，不利于根系下扎生
长，根系构型分布主要受到温度、光照强度的影响，
使之生长具有较明显的方向性．
３　 讨　 　 论
根构型是指植物根系在生长介质中的空间位置
与分布［９］，植物生长的关键因素是光的数量和质量
以及土壤中水分和养分的有效性，而根构型作为吸
收水分、养分以及分配碳源的主要器官，体现着植物
生产力的重要作用［２２－２３］ ．
５１７１６期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 陈信信等： 稻茬麦根系构型的定向分型分析　 　 　 　
近年来，小麦根系研究的一个重要内容是构建
根系的合理构型，以期通过揭示耕作措施［２４］及水肥
处理［２５－２８］来描述不同生态环境条件下小麦根系的
构型及其时空动态，建立基于小麦根系构型优化的
最优水肥利用策略．
由于根系生长在不透明介质中，难以进行准确、
便捷的原位观测，以致根系形态结构的研究远远落
后于地上部研究［２９－３０］ ．２０世纪 ８０ 年代后期起，基于
植物根系定性观察和定量研究，并借助于计算机图
形学技术的根系空间分布特征的研究慢慢兴起．
Ｄｉｇｇｌｅ［１２］于 １９８８年建立了第一个模拟根系结构的
三维模型“ＲＯＯＴＭＡＰ”，模型可以模拟根系的年龄、
位置和根段取向．冯斌等［３１］利用分形理论建立了植
物根系分形度量的计算机模型，实现了对植物根系
生长发育形态的计算机模拟．罗锡文等［８］和向子云
等［９］运用 ＣＴ扫描、核磁共振成像的方法实现了特
殊基质下苗期植物根系构型的原位无损可视化．谈
峰等［１０］构建了基于形态特征参数的小麦根系三维
形态模型，实现了小麦根系的生长可视化．Ｂｅｎｊａｍｉｎ
等［３２］研究发现，不同营养元素的供给量对植物根构
型的形成与构型特征具有重要的影响．这是根系研
究的巨大进步，然而针对田间生产环境下的植物根
系构型特征的精准定量依然需要深入研究．
目前，针对大田生产环境的小麦根系构型研究
所用的一个主要指标是不同土层深度的小麦根系生
物量．该指标虽然能够表征小麦根系在土壤空间的
分布信息，但是无法准确反映根系在三维土体空间
中的状态．陈信信等［１４］和韩秋萍［１６］的研究提供了一
种实现田间作物根系真实可视化的方法．陈信信
等［１９］研究表明，根系在纵向生长方向上相邻 ９０°平
面上的生长是有差异的，说明根系在土壤中的分布
是不均匀的，但没有详细描述定量出根构型的周向
生长动态状况．
本研究基于数字化仪的田间稻茬麦根系构型可
视化，动态展示并精准量化了各生长阶段稻茬麦根
构型与根系在其周向投影面的变化特征．从稻茬麦
根构型的变化可以看出根系生长不是均匀一致的，
从其周向投影面的分布特征可以看出田间稻茬麦根
系构型的空间分布差异性较大，个体间与单株小麦
探索各个方向的能力主要是各种复杂环境综合作用
的结果，要弄清楚根系构型形成的影响因素，可结合
控制变量的方法进行分析研究，探索田间土壤理化
状态空间变异、水肥要素分布的不均匀及动态变化
等影响根的生态环境因子是如何决定根构型的形
成，探究根构型的拓扑分布与根系其他形态指标的
关联．而实施这些研究方案的前提是实现根构型的
精准定量．
４　 结　 　 论
基于田间根系构型数字化仪和 Ｐｒｏ⁃Ｅ 造型技术
实现的根系可视化重构，直观真实地展示了田间稻
茬麦根系构型分布，将根构型向每隔 １０°做出的投
影面进行投影，并计算此投影面的分型维，以此为指
标定量化描述根系构型的空间分布．
针对稻茬麦根构型的周向分布研究可以发现，
在不同的生长阶段，稻茬麦根系对各个方向的探索
具有明显的特征，且其周向分布特征随着时间的变
化遵循“构型稳定－构型波动性大－构型稳定”的
特点．
本研究方法精准地探讨了根系不同时期的构型
分布特征，实现了根构型变化的时空动态分析．但是
本研究只展示了免耕处理下一种小麦品种的根系空
间分布规律，而关于水肥、光照、耕作措施、种质资源
等因素是如何影响根系的周向分布特点仍需要进一
步研究．
参考文献
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Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ， ２０１３， １６３： １６１－１７９
作者简介　 陈信信，女，１９８８ 年生，博士研究生．主要从事数
字作物应用技术研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｎｇｙｉｎｙｕ＠ １６３．ｃｏｍ
责任编辑　 孙　 菊
７１７１６期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 陈信信等： 稻茬麦根系构型的定向分型分析