根系生长模拟及相关研究进展.ppt

根系生长模拟及相关研究进展 主要内容 根系生长模拟研究进展 1 存在的问题与难点 2 研究趋势及展望 3 1.根系生长模拟研究进展 作物主要从土壤获取水分、养分，而其获取能力一方面取决于根系的长度和表面积，另一方面取决于根系的空间分布，它决定了根系获取水分、养分的空间范围和与相邻植株根系的资源竞争能力。 研究了解根系的构型分布和动态建成规律、以及根系与土壤关系等对于作物生理、作物生态等学科方向的研究具有重要价值。 根系的生长模拟是虚拟作物研究的重要内容，相对与地上部的研究，根系也是研究的难点。 1.根系生长模拟研究进展 ROOTMAP模型 第一个明确地从三维剖面考虑根构型的模型是“ROOTMAP” ，它应用有关根龄、位置和根节作为根伸长速率的函数和分枝强度的函数，并将它作为和温度有关的变量，但是这个模型没有考虑形态学参数，如根节的半径及生长。 ROOTMAP 1.根系生长模拟研究进展 三维重建 随着三维数字化技术的应用，出现了利用三维数字化仪来获取根系特征位置的空间坐标然后在计算机上重建根系的空间分布。 例如：Pages等(1989)提出了玉米根系的构型模型，他根据实际观察，运用了几何和运动的原则模拟根的伸展；Berntson等(1994)对土壤中挖出的根系进行了数字化并使用经验性的生长规律模拟在挖掘之前根系的自然构型。 1.根系生长模拟研究进展 使用三维数字化仪测量玉米主根空间位置 1.根系生长模拟研究进展 L-系统生成简单的图形 以L-系统方法为基础的研究 本质是一种字符重写系统或形式语言方法，L-系统的确定需要公理或初始字符串，分枝角度规则和产生式规则。利用L-系统的特点可以模拟较为逼真的根系造型。 S.Chuai-Areel等利用L-系统开发出一套植物茎和根系形态的模拟系统; 国内的研究如邓旭阳、周淑秋等对玉米根系造型方面进行了研究，取得了很好的造型模拟效果；冯斌、杨培岭用L-系统方法对冬小麦根系进行了模拟研究。 1.根系生长模拟研究进展 Lynch等人建立了SimRoot根系模型，该模型能模拟根系直径变化，模拟了大豆根系结构与根系周围土壤磷吸收的关系，评估了不同根系形态结构的资源利用效率，但该模型还不能够反映土壤的局部状况的影响、与相邻根系的相互作用与竞争等。 1.根系生长模拟研究进展 加拿大Calgary大学 1.根系生长模拟研究进展 S. Chuai-Aree等， 德国海德堡大学（2004）. 1.根系生长模拟研究进展 S. Chuai-Aree等模型系统界面 1.根系生长模拟研究进展 GreenLab模型 GreenLab模型是AMAP模型在原有的基础上进一步开发新一代虚拟植物模型，自1998年起，中科院自动化研究所、中国农业大学与法国农业发展国际合作研究中心、法国国家计算机科学与控制研究所合作研究开发。 模型以根系基本生长单元为基础，模拟了根系的拓扑结构；根据不同类型的根个体获取生物量能力的不同，通过模拟不同根个体(库)对植株地上部分配给根系的生物量(源)的竞争，实现了生物量在根系中的分配；根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算，从而模拟出根个体的轴向生长、径向生长。最后，根据根个体空间伸展规则与空间Voxel元（土壤空间的立体划分为土壤体积单元）技术，实现了棉花根系的空间结构的虚拟。 张吴平等采用GreenLab的原理研究构建棉花、玉米、小麦的根系模型。 根系生长发育基本单元(a)、由基本单元构成的根轴(b)、由根轴构成的根系(c) 示意图 1.根系生长模拟研究进展 1.根系生长模拟研究进展 根系构型模型(张吴平，2004) 1.根系生长模拟研究进展 小麦根系形态结构与生物量累积的动态模拟结果及根系的可视化图（张吴平，2006） 2.存在的问题与难点 环境条件与根系生长相互关系的描述 L-系统因为自身的局限性要模拟复杂条件下的根系生长势必增加整个系统的复杂程度，使研究愈加复杂而难以理解和发展。 GreenLab模型目前只是假设根系生长在有着均一性特点的土壤环境中，即理想化条件下的根系生长。 环境条件与根系生长的相互作用很复杂，要准确模拟环境条件对根系生长产生的影响还较为困难。更多的研究偏重与造型的模拟。 2.存在的问题与难点 根系形态数据的获取 由于植物根系隐藏土壤中，很难对其进行直接的观察，是个“黑色系统”，技术手段的缺乏使根系研究较为落后。 使用根箱培养、水培、气培或沙培等方法虽然便于根系的清洗，但是毕竟与大田的生长存在差异。非破坏性的方法如同位素示踪法操作上较为复杂而且存在辐射危害而且数据指标与数量有限。 近年来，一些新的技术手段与成果如WinRHIZO、DT-SCAN以及CI-400/600等新型的根系分析系统结合其配套软硬件可以进行从洗根和之后的分析工作，大大