基于CI-600的茶樹根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

劉爍玲 胡煜 王衛(wèi)星 孫道宗

摘要 [目的]研究茶樹根系的生長(zhǎng)規(guī)律。[方法]設(shè)計(jì)了基于CI-600的茶樹根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采用微根管法監(jiān)測(cè)茶樹根系形態(tài)的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，花花草草監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)土壤水分，希瑪手持式溫濕度計(jì)記錄環(huán)境溫度，并結(jié)合Office Excel和SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋找茶樹根系生長(zhǎng)的最佳土壤水分含量和環(huán)境溫度條件。[結(jié)果]茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積和根體積均與15%～35%的土壤水分存在高度正相關(guān)關(guān)系。茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積和根體積增長(zhǎng)最有利的環(huán)境溫度在20～27 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍時(shí)，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積與環(huán)境溫度均呈顯著正相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍時(shí)，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積與環(huán)境溫度建立的線性回歸模型的擬合度均很好，有明顯的因果關(guān)系。[結(jié)論]該研究為茶樹的溫室培育環(huán)境設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 茶樹;CI-600;環(huán)境溫度;根數(shù)量;根長(zhǎng)度;根面積;根體積

中圖分類號(hào) S-126? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）12-0216-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.057

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Root Growth Monitoring Experiment of Tea Tree Based on CI 600

LIU Shuo ling， HU Yu， WANG Wei xing et al

（College of Electronic Engineering and Artificial Intelligence， South China Agricultural University， Guangzhou，Guangdong 510642）

Abstract [Objective] To study the growth law of tea tree root system.[Method]This paper designed the tea tree root growth monitoring experiment based on CI 600. The micro root canal method was used to monitor the growth data of the root morphology of the tea tree. The flower and grass monitor detected soil moisture， and the Xima handheld thermometer and hygrometer recorded the environmental temperature，and combined with Office Excel and SPSS 25.0 for data analysis， to find the best soil moisture content and environmental temperature conditions for tea tree root growth.[Result]The root number， root length， root area and root volume of tea trees were highly positively correlated with soil moisture within the range of 15%-35%.The most favorable environmental temperature for the growth of the root number，root length，root area and root volume of tea tree was 20 - 27 ℃.When the environmental temperature was within a certain range， the root number， root length， root area and root volume of tea tree were significantly positively correlated with the environmental temperature.When the environmental temperature was within a certain range， the linear regression model of the root number， root length， root area and root volume of tea tree were well fitted with the environmental temperature， and there was an obvious causal relationship. [Conclusion] This research provides certain data support and theoretical basis for the design of tea greenhouse cultivation environment.

Key words Tea tree;CI 600;Environmental temperature;Root number;Root length;Root area;Root volume

根系具有吸收水分及無(wú)機(jī)鹽、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等作用[1]，對(duì)茶樹的生長(zhǎng)發(fā)育尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，水分充足有助于根系生物量的積累和根系形態(tài)的構(gòu)建[2]，且根系的生長(zhǎng)與環(huán)境溫度間有明顯的相關(guān)關(guān)系[3]。因此，探究茶樹根系生長(zhǎng)的最佳土壤水分含量和環(huán)境溫度條件，對(duì)茶樹生產(chǎn)管理具有重要意義。

在國(guó)外，20世紀(jì)30年代就已有相關(guān)人員開始進(jìn)行關(guān)于植物根系監(jiān)測(cè)的非破壞性方法研究。微根管法是無(wú)損觀測(cè)根系生長(zhǎng)發(fā)育的較好方法，目前，此方法已被廣泛用于森林[4-5]、草地[6-8]、農(nóng)作物[9-10]等根系研究中。Torrion等[11]采用插入微型根管的成像裝置，以30°成排的角度，原位評(píng)估根尖發(fā)育和地上部物候的季節(jié)性進(jìn)程。Garré等[12]采用微根管觀測(cè)大麥根系生長(zhǎng)，得到了相關(guān)根系生長(zhǎng)模型參數(shù)，構(gòu)建并改進(jìn)了大麥 3D 根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型;Taylor 等[9]監(jiān)測(cè)火炬松細(xì)根的分布與實(shí)際直徑，分析得到微根管監(jiān)測(cè)管壁可視剖面的實(shí)際觀測(cè)深度。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)來(lái)說開始得比較晚，早期的還是用比較傳統(tǒng)的根鉆法或者挖掘法[13]進(jìn)行，不過后期也開始慢慢引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)儀器進(jìn)行非破壞性的根系監(jiān)測(cè)研究。陳吉虎等[14]利用分形幾何學(xué)研究水分條件對(duì)銀葉椴根系分形系數(shù)的影響和根活力變化對(duì)分形的影響。為茶樹的育種栽培和提高水資源的利用效率，王家順等[15]采用盆栽種植茶樹并通過人工控制水分的方式，結(jié)果顯示，隨著干旱的持續(xù)，茶樹根直徑逐漸減少，根皮層細(xì)胞也因此而損傷;呂杰等[16]應(yīng)用非損傷微測(cè)技術(shù)測(cè)量植物根部?jī)綦x子流量用以研究植物根系生長(zhǎng)發(fā)育;姜慧敏等[17]以黃花苜蓿為試驗(yàn)對(duì)象，采用CI-600植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其不同生長(zhǎng)季的根系進(jìn)行圖像掃描，研究根系形態(tài)特征變化。為研究土壤水分與草本植物根系分布特征的關(guān)系，沈凡[18]以河道護(hù)坡植物為試驗(yàn)材料，采用烘干法測(cè)定土壤水分的含量，植被根長(zhǎng)密度和根長(zhǎng)度則用網(wǎng)格紙測(cè)定。為探討邊坡植被的復(fù)綠過程植物根系的生長(zhǎng)，洪文俊等[19]借助CI-600植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)出根系的形態(tài)參數(shù)，結(jié)果顯示，土壤緊實(shí)度受根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況影響;根系長(zhǎng)度、表面積、投影面積、體積和直徑之間總體上呈正相關(guān)。

此次試驗(yàn)是基于CI-600植物根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)茶樹根系的形態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合其他環(huán)境檢測(cè)傳感器測(cè)到的土壤水分、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析軟件Office Excel和SPSS 25.0去尋找茶樹根系生長(zhǎng)最佳土壤水分含量和環(huán)境溫度條件，以期為茶樹的溫室培育環(huán)境設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)環(huán)境概況

試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程南樓頂層天臺(tái)（23°15′N、113°34′E），海拔較低，為43 m。該地的氣候特征是海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候和降水周期性變化，年平均降水量約為1 710 mm，年平均氣溫在21 ℃左右，全年溫差較小。緯度較低，光熱充足，氣候非常適合植物生長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)對(duì)象為山茶科山茶屬多年生常綠木本植物茶樹。試驗(yàn)開始時(shí)間是2020年3月2日，取16棵生長(zhǎng)狀況大致相同的小茶樹作為研究對(duì)象，并將茶樹按每4棵為一組分成4組栽種在容積為22 L的塑料桶中。在放栽培土入塑料桶時(shí)，應(yīng)先放到塑料桶1/3位置，然后把長(zhǎng)度為100 cm、內(nèi)徑為6.36 cm的有機(jī)玻璃材質(zhì)的微根管安裝在桶的中央附近，最后把2棵茶樹的根系緊挨微根管管壁并填滿栽培土。當(dāng)完成所有茶樹的栽種后，需在每根微根管的周圍澆少量的水使得土壤和管壁更加貼近，便于日后對(duì)根系觀察。將栽種好的4組茶樹放于可以遮擋雨水的位置進(jìn)行7 d干旱處理以便讓茶樹可以更好成活，并把微根管的上端口用蓋子密封好，避免粉塵和水蒸氣進(jìn)入，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

經(jīng)過7 d干旱處理，每組茶樹的土壤水分已經(jīng)下降到不超過15%，設(shè)置水分梯度為10%，分別給每組茶樹注入不同的土壤水分同時(shí)用花花草草監(jiān)測(cè)儀測(cè)量土壤水分的含量，將4組茶樹的土壤水分控制在15%、25%、35%、45%，按順序排列并作出標(biāo)記。3月9日開始數(shù)據(jù)采集，每2 d采集一次，一共19組采集數(shù)據(jù)，時(shí)間為3月9日—4月16日，每次采集時(shí)間固定在當(dāng)天09：00—11：00。試驗(yàn)采用CI-600植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)每一組茶樹的根系進(jìn)行監(jiān)測(cè)，花花草草監(jiān)測(cè)儀記錄土壤水分的含量，手持溫濕度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度。

1.3 數(shù)據(jù)采集

茶樹的根系生長(zhǎng)采用CI-600植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件程序構(gòu)成，分別為CI-600 Root Scanne（硬件掃描儀）、CI-600 In-Situ Root Imager（掃描軟件）和CI-690 RootSnap（圖像分析軟件）組成，如圖1所示。

360°旋轉(zhuǎn)式光電耦合圓柱形掃描儀，可以無(wú)損壞性地掃描土壤和茶樹的根系形態(tài)數(shù)據(jù)。如圖2，觀測(cè)時(shí)，掃描儀和筆記本電腦由USB線連接，將掃描儀放入微根管內(nèi)，用CI-600 In-Situ Root Imager軟件運(yùn)行掃描儀，用可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的連接桿將掃描儀下放至根系位置進(jìn)行掃描，把掃描得到的根系、土壤的剖面圖保存在電腦。然后利用專業(yè)的根系分析軟件CI-690 RootSnap分析計(jì)算出根系的長(zhǎng)度、面積、體積、根數(shù)量等根系的形態(tài)參數(shù)。

此外還測(cè)量了土壤濕度和空氣溫濕度數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將試驗(yàn)所得的根系的圖像導(dǎo)入系統(tǒng)配套專業(yè)的根系分析軟件CI-690 RootSnap，并使用標(biāo)點(diǎn)形式對(duì)根系進(jìn)行標(biāo)注，軟件就會(huì)根據(jù)標(biāo)注生成根系的量化數(shù)據(jù)，如圖3所示，導(dǎo)出文件就得到根系長(zhǎng)度、體積、面積和根數(shù)量的數(shù)據(jù)。結(jié)合試驗(yàn)得到的土壤水分和溫度數(shù)據(jù)一并整理為Office Excel表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分條件下茶樹根系形態(tài)參數(shù)變化分析

將整理得到的土壤水分和根系各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)表格，分別在4種土壤水分條件下，求出根系各項(xiàng)參數(shù)在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段的總增幅，如表1所示;求出根系各項(xiàng)參數(shù)在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段的總增量，結(jié)合土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)借助SPSS 25.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表1可知，土壤水分含量在35%條件下，茶樹根系各項(xiàng)參數(shù)在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段的總增幅最大，其次是土壤水分含量在25%的茶樹。而當(dāng)土壤水分含量在45%條件下，茶樹根系各項(xiàng)參數(shù)的總增幅均降低。由此可得，土壤水分在15%～35%，土壤水分的增加可以促進(jìn)茶樹根系各項(xiàng)參數(shù)的增長(zhǎng)，存在明顯的正相關(guān)性。而水分過多會(huì)影響茶樹根系的生長(zhǎng)。

土壤水分含量在15%～35%與茶樹各形態(tài)參數(shù)總增量之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤水分含量與茶樹根體積的總增量相關(guān)性顯著（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為0.998;與根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積的總增量之間也高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都分別為0.945、0.979、0.997。總體情況分析，土壤水分與茶樹根系的生長(zhǎng)呈正相關(guān)。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)茶樹根系形態(tài)參數(shù)的影響

將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和茶樹根系形態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)按照不同土壤水分分別整理，畫出各根系形態(tài)參數(shù)增量隨環(huán)境溫度變化的散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)確定適合根系生長(zhǎng)的環(huán)境溫度范圍;利用SPSS 25.0先進(jìn)行環(huán)境溫度與根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積的相關(guān)性分析，再通過線性回歸分析確定環(huán)境溫度與根系形態(tài)參數(shù)的因果關(guān)系，并將分析的結(jié)果整理為表格。

2.2.1 環(huán)境溫度與根系形態(tài)參數(shù)變化。

從圖4可以看出，適合茶樹根系生長(zhǎng)的環(huán)境溫度在20～27 ℃，該范圍散點(diǎn)較密集且增量較大，表明在此溫度范圍根系生長(zhǎng)得快。溫度過高或過低根系形態(tài)參數(shù)的增量大多數(shù)較小，而且散點(diǎn)相對(duì)稀疏，根系生長(zhǎng)受到抑制，甚至出現(xiàn)根系生長(zhǎng)停滯的情況。

2.2.2 環(huán)境溫度和根系形態(tài)參數(shù)的相關(guān)性。

由表2可知，不同土壤水分條件下，環(huán)境溫度與茶樹根系形態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上且均呈顯著正相關(guān)（P<0.01），說明環(huán)境溫度與茶樹根系的生長(zhǎng)高度相關(guān)。

所以，可以進(jìn)行線性回歸分析進(jìn)一步研究其中的因果關(guān)系，其中，環(huán)境溫度作為自變量，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積作為因變量。

2.2.3 不同土壤水分條件下環(huán)境溫度與根系形態(tài)參數(shù)的回歸分析。

由表3～6可知，以不同土壤水分為前提，環(huán)境溫度和茶樹根系形態(tài)參數(shù)建立的線性回歸模型的系數(shù)都為正，即為正比例關(guān)系;并且大多數(shù)決定系數(shù)（R2）都大于0.7，整體擬合度較高。

當(dāng)土壤水分為15%，根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積和根體積的DW統(tǒng)計(jì)量分別為1.570、1.469、1.422、1.441，可以判斷進(jìn)行回歸分析的各組數(shù)據(jù)之間有輕微的自相關(guān)，總體獨(dú)立性較強(qiáng)，說明數(shù)據(jù)可靠性較高。當(dāng)土壤水分為25%，DW統(tǒng)計(jì)量卻均比土壤水分為15%時(shí)要低，依次是1.312、1.462、1.390、1.253，所以分析的數(shù)據(jù)自相關(guān)性稍強(qiáng)，可靠性也下降。當(dāng)土壤水分為35%，環(huán)境溫度與根面積回歸模型的決定系數(shù)（R2）僅為0.676，顯然偏低，線性回歸模型的擬合效果比另外三者差，此外，其DW統(tǒng)計(jì)量為0.902，自相關(guān)性較強(qiáng)，所建立的回歸模型的可靠性較弱;環(huán)境溫度與其他3個(gè)形態(tài)參數(shù)的模型的決定系數(shù)都在0.750以上，擬合效果很好且聯(lián)系密切，DW統(tǒng)計(jì)量也都大于1.450，數(shù)據(jù)獨(dú)立性較好，回歸模型的可靠性較強(qiáng)。當(dāng)土壤水分為45%，根系4個(gè)形態(tài)參數(shù)模型的決定系數(shù)分別是0.691、0.797、0.757、0.733，除了環(huán)境溫度與根數(shù)量的模型擬合度稍低，其他的擬合度都較高;DW統(tǒng)計(jì)量只有環(huán)境溫度與根長(zhǎng)度這一組樣本數(shù)據(jù)較高，為1.503，其余的分別是1.229、1.230、1.227;總體而言，土壤水分含量45%的這一組茶樹的環(huán)境溫度與根系各參數(shù)形成的樣本數(shù)據(jù)獨(dú)立性偏弱，可靠性不強(qiáng)。

綜合以上環(huán)境溫度與茶樹根系形態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析和線性回歸分析，在不同土壤水分含量情況下和環(huán)境溫度一定范圍內(nèi)，環(huán)境溫度與根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積均呈顯著正相關(guān)。根據(jù)不同土壤水分為前提，環(huán)境溫度和茶樹根系形態(tài)參數(shù)建立的線性回歸模型，可知環(huán)境溫度對(duì)根系的生長(zhǎng)影響有很明確的因果關(guān)系。

3 結(jié)論

該研究采用CI-600監(jiān)測(cè)茶樹根系形態(tài)的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，花花草草監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)土壤水分，希瑪手持式溫濕度計(jì)記錄環(huán)境溫度，并結(jié)合Office Excel和SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析土壤水分和環(huán)境溫度與茶樹根系形態(tài)參數(shù)之間的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積和根體積均與在15%～35%的土壤水分存在高度正相關(guān);適合茶樹根系生長(zhǎng)的環(huán)境溫度是20～27 ℃，在此范圍外，根系生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，生長(zhǎng)逐漸緩慢;當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍時(shí)，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積均與環(huán)境溫度呈顯著正相關(guān);當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍時(shí)，茶樹的根數(shù)量、根長(zhǎng)度、根面積、根體積與環(huán)境溫度建立的線性回歸模型的擬合度整體均較高，有明顯的因果關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 周美珠.茶樹根系生長(zhǎng)特性與茶園改土技術(shù)[J].福建茶葉，2003（2）：31-32.

[2] 趙國(guó)靖.黃土丘陵區(qū)兩鄉(xiāng)土草混播下根系形態(tài)特征及其對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[3] 戰(zhàn)昊.白樺根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及其與溫度關(guān)系研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[4] TIERNEY G L，F(xiàn)AHEY T J.Fine root turnover in a northern hardwood forest：A direct comparison of the radiocarbon and minirhizotron methods[J].Canadian journal of forest research，2002，32（9）：1692-1697.

[5] TIERNEY G L，F(xiàn)AHEY T J.Evaluating minirhizotron estimates of fine root longevity and production in the forest floor of a temperate broadleaf forest[J].Plant and soil，2001，229（2）：167-176.

[6] BALOGIANNI V G，WILSON S D，F(xiàn)ARRELL R E，et al.Rapid root decomposition decouples root length from increased soil C following grassland invasion[J].Ecosystems，2015，18（8）：1307-1318.

[7]

ARNONE J A III，ZALLER J G.Earthworm effects on native grassland root system dynamics under natural and increased rainfall[J].Frontiers in plant science，2014，5：1-8.

[8] BONIN C，F(xiàn)LORES J，LAL R，et al.Root characteristics of perennial warm season grasslands managed for grazing and biomass production[J].Agronomy，2013，3（3）：508-523.

[9] TAYLOR B N，BEIDLER K V，STRAND A E，et al.Improved scaling of minirhizotron data using an empirically derived depth of field and correcting for the underestimation of root diameters[J].Plant and soil，2014，374（1/2）：941-948.

[10] GRAY S B，STRELLNER R S，PUTHUVAL K K，et al.Minirhizotron imaging reveals that nodulation of field grown soybean is enhanced by free air CO2 enrichment only when combined with drought stress[J].Functional plant biology，2013，40（2）：137-147.

[11] TORRION J A，SETIYONO T D，CASSMAN K G，et al.Soybean root development relative to vegetative and reproductive phenology[J].Agronomy journal，2012，104（6）：1702-1709.

[12] GARR S，PAGS L，LALOY E，et al.Parameterizing a dynamic architectural model of the root system of spring barley from minirhizotron data[J].Vadose zone journal，2012，11（4）：1325-1339.

[13] 張宇清，朱清科，齊實(shí)，等.梯田埂坎立地植物根系分布特征及其對(duì)土壤水分的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（3）：500-506.

[14] 陳吉虎，余新曉，有祥亮，等.不同水分條件下銀葉椴根系的分形特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4（2）：71-74.

[15] 王家順，李志友.干旱脅迫對(duì)茶樹根系形態(tài)特征的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（9）：55-57.

[16] 呂杰，苗璐，蔡蕊，等.非損傷微測(cè)技術(shù)在植物根系生長(zhǎng)發(fā)育研究中的應(yīng)用[J].生物技術(shù)，2013，23（1）：89-93.

[17] 姜慧敏，寶音陶格濤.黃花苜蓿根系生長(zhǎng)特征研究[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2014，36（1）：53-57.

[18] 沈凡.河道護(hù)坡植物根系分布特征與土壤水分的關(guān)系研究[J].現(xiàn)代園藝，2016（9）：6-7.

[19] 洪文俊，鄭美揚(yáng)，涂津鵬，等.新建高速公路邊坡植物根系生長(zhǎng)特征研究[J].公路，2018，63（3）：227-230.