AZR-100 微根管根系生态监测系统

一、应用

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，这是唯壹可多个时间段内原位重复观测根系的方法，其*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。

二、原理

AZR-100利用微根管技术，由一个插入土壤中的微根窗管、摄像头、标定手柄、图像采集系统等组成。将摄像头伸入埋设在根系周围的透明管内，通过图像采集系统进行图像抓取根系照相，然后借助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。

三、特点

• 600*800像素高精度高清摄像头

• 图像采集系统，便携性强，方便野外试验

• 20*16mm拍照视野，减少图片拍摄和处理工作量

• 图像拼接显示，确保相邻图片间无缝连接

• 电池可供连续使用20h以上

• 白色光源与紫外光源可选，可分析死亡根系

• 专业图像分析软件，可多幅图片同时分析

四、基本系统组成

高精度照相系统

图像捕获系统（包括：摄像头控制软件，图片管理软件，安装在便携式手提箱中的野外控制系统）

• 紫外光源系统(内置)

• 定位手柄系统

• 便携式仪器箱

• 根管(含防水盖)及安装工具

• 标尺系统及打孔工具

• 专用图像分析软件

• 蓄电池和充电器

五、技术指标

1. I-CAP图像抓取系统：采集器，12英寸显示屏，控制器可以遥控摄像头白光水平及聚焦，控制平台含电源开关，控制摄像头的光学放大缩小开关，UV紫外光源的开关，成像焦距的微调开关；图像抓取系统集成于野外工作箱上，整套系统可配备背带箱，摄像头配备圆筒便携箱；图像采集软件（带加密狗）；

2. NTSC制式彩色摄像头，分辨率800*600；20*16mm拍照视野，防水性能设计，超高解析度，放大倍数可达100倍，带可调节强度白光系统可以使摄像头深入土壤深层, 具管道清洁器, UV紫外光源系统照明系统，从而在白光和UV光之间切换，可辨别死根和活根，UV光源与测量同步使用；

3. 电源：12伏便携充电电池可使用20小时；4.5米连接线：除摄像头与控制器连接线外，可根据需求加长； 

4. 2.2米套筒式标定手柄：通过控制摄像头深度和转动以准确定位图片；

5. 紫外光源系统：紫外光源的为双侧照明模式，以提高光源的稳定性, 以辨别活体和死体的组成部分, 与主系统同步测量使用；

6.定位手柄：2.2米套筒式，带定位孔，定位孔位于微根管上，可以将定位手柄固定在微根管上，定位孔的直径可任意定制大小，每个定位孔标有刻度，以13.5mm为步进,通过引索杆定位，将摄像头准确定位在同一位置，拍摄不同时间下的根系图片，研究细根生长及周转；

7. 专业植物根系数据分析软件。可监测分析参数：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等; 可以以交互方式方便地分析根系，该软件一次分析一帧图像;操作者需要在不同图像间手动跟踪所需分析的根，软件在屏幕上显示根的形态信息;用于可以根据需要编辑各个根部;在屏幕上通过图形方式显示根长度分布、面积、体积、根尖数量等，将它们作为根直径的函数;软件可以提供根长度、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等;测量结果可以显示在屏幕上，同时提供分析数据的文件;程序可以自动检索并分析此前在相同地点拍摄的图像;除了以上分析功能，该软件能够使用户处理时间-空间上的连续性，将多幅图像拼接;对于不同时间相同位置的图像进行分析时，同时加载以前的分析信息;拼接的多帧图像中的内容可以一起分析;对于一帧图像进行分析所得的信息，可以复制到与其连续的图像上从而节约分析时间等多种功能；

8. 测管：测管直径50mm，长1800mm，可根据实际需求定制。

9. 环境温度: 3〜40℃; 相对湿度: 5%-95%；

10. 工作电压: 充电电池：7 Ahr/12V 铅酸电池；充电器：220 V AC @ 4.5 A。

六、数据处理

6.1 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（mm•cm-2或cm•cm-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（mm2•cm-2或 cm2•cm-2）。

6.2 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，mm•cm^-2•d^-1；

         RLDM   ——间隔期内根系死亡量，mm•cm^-2•d^-1；

         RLDn  ——第n次观测到的根系根长密度值，mm•cm^-2；

         RLDn+1  ——第（n+1）次观测到的根系根长密度值，mm•cm^-2；

         T  ——相邻两次采样间隔时间，d。

6.3 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（mm•cm^-2•a^-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*大现存量之比。

6.4 土壤水分温度盐分及土壤溶液中养分离子等环境因子

土壤水温盐、土壤溶液中养分离子等环境因子的数据可导入到生态参数科学计算软件中。此软件是北京华益瑞科技有限公司集合近十年服务生态研究领域的经验，自行研发设计的专业生态环境采集、计算软件。该软件可采集全球*先进的水、土、气、生物观测设备的数据，计算生态环境研究的专业参数, 并有多种计算功能可选，用户也可输入自制模型或计算公式。