大田群体小麦根系构型3D拓扑表型的参数化

厉 翔， 丁启朔， 陈信信， 何瑞银， 汪小旵， 李 佩

(南京农业大学工学院/江苏省智能化农业装备重点实验室，江苏 南京 210031)

作物根系是水分和养分的主要吸收器官，根际状态影响营养物质的吸收，决定地上部生物量、产量和品质的形成[1-3]。作物根系生长受大田环境及耕作栽培措施的影响，如水肥运筹[4-7]、地膜残留量[8]、品种[9]，密度[10-11]等。然而对于分蘖类作物而言，在大田环境且群体条件下，对邻株个体间的交互关系、地下部土壤空间资源的争夺等发生机制以及作物地下部生理生态过程对群体(茎蘖)动态的反馈机制等依然认识不足。

作物根系的塑性是作物为了更好地从土壤中获得养分的生物进化结果，根系的塑性反应令根系在土壤空间中发生形态变化[12]，以一定的空间拓扑角度取向形成特定的根系构型(RSA)[13]。因此，作物根系构型的拓扑塑性不仅是大田作物群体地下部的个体生理行为，也是不同耕作栽培措施下各类群体条件决定的株间交互的生态历程表象。作物根系构型影响作物产量[13]，因此通过合理配置作物群体根系构型并巧妙利用作物群体的株间竞争(交互机制)是指导耕作栽培和群体构建策略的科学依据[14]，不过田间作物的根系构型研究困难重重[15-16]。

目前众多的作物根系构型高通量表型分析工具主要针对温室、水培设计[17]，一方面相关研究脱离了大田群体条件下的作物根系构型生态环境，因此研究过程缺少接触真实生理生态过程的机会，另一方面，其所提供的表型测试与定量技术本身也较难应用于田间群体的生理生态及作物-环境互作等领域的研究。

近年来涉及作物群体条件及个体间关系的研究较多，作物光竞争[18]、种间竞争力[19]、种植密度[11,20]、种植方式[21-22]等都有报道。不过，多数此类作物生理生态的定量研究基于群体的生物量、株高、茎蘖数等宏观指标，缺乏针对个体、甚至是器官层面对作物地下部生理生态过程、发生机制和效应的研究。

鉴于大田作物地下部高通量表型技术的重要性和复杂性，近年来基于大田作物个体根系构型的测试、模型化和表型分析得到了突破[16,23-26]。此类新型工具的技术特征表现为从根系结构的可视化评估[16]，到田间原位的玉米根系构型测试和模型化[26]以及稻茬麦的根系构型动态定量[13]和环境因子对稻茬麦根系构型的影响分析[25]。

考虑到大田环境及群体条件下作物根际生理生态所涉及到的根际塑性、株间交互与根系构型拓扑变异等诸多重要研究领域，本研究拟在现有的作物根系构型及其拓扑表型技术研发成果[27]的基础上专门开展根系构型的3D拓扑表型指标化设计及其针对性应用，通过精确播种技术实现大田环境下免耕稻茬麦的群体一致性控制，获取相对稳定的稻茬麦地下部群体生态条件和根系构型拓扑塑性反应，进而基于现有稻茬麦根系构型数字化、Pro-E模型化的技术基础，进一步设计拓扑表型的性状参数，探究稻茬麦根系构型拓扑表型指标及其在定量条播小麦根系构型塑性方面应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验小区位于江苏省南京市六合区，地处北纬32°11′～32°27′，东经118°34′～119°03′。六合区属亚热带季风气候，气候温和，四季分明，雨水适量，年平均气温15.8 ℃，全年日照总时数为2 008 h，年降水量1 048.6 mm，其中63.9%的降水集中在5-9月(汛期)。本地以稻麦轮作为主，小麦播种期在10-11月。试验地耕层(0～20 cm)土壤情况如表1所示。

表1 供试土壤性质

1.2 试验设计

试验材料选用宁麦13，分别于2015年11月中旬、2017年11月中旬播种(2016年连续阴雨错过冬前播种期)。鉴于精确的栽培技术控制是获得田间小麦一致的群体条件和相对稳定的农艺性状的前提，田间小区用等孔距栅条精播板进行单粒精播，田间小区设置为3 m×5 m，3次重复，随机区组设计，播种前清除地表残留秸秆，播种籽粒间距为1.5 cm，播种行距为20.0 cm[28]。播前施磷酸二铵375 kg/hm2、尿素90 kg/hm2、氯化钾375 kg/hm2, 播后取碎土盖籽。小麦田间管理同大田，不灌溉[13]。试验田周边设计0.5 m保护行，小区周边开0.3 m排水沟用于防涝。

1.3 小麦根系构型的数字化和Pro-E模型构建

使用陈信信等[13]和韩秋萍等[29]的单株小麦根系3D构型测试方法，分别于幼苗期、分蘖期、拔节期对稻茬麦进行根系群体取样测试。使用长、宽、高为300 mm×200 mm×300 mm的矩形样桶取样。取样时，将内壁涂有黄油的样桶放置于待取样本处，调整样桶位置使待取样本置于样桶中心位置，将木块放置于样桶边缘，然后用锤子均匀用力将样桶打入土层，用铁锹将样桶掘出，连同植株群体及土壤带回实验室进行根系数据的测量，通过根系构型数字化仪获取根系数据，测试过程为尽量避免取样时样桶对土壤的挤压及保证根系的完整性，仅对样桶中间100 mm范围内的样本进行测试。应用Microsoft Excel 2016进行数据的坐标转换。

进一步将实测单株根系构型拓扑数据导入Pro-E软件进行实体根系构型拓扑模型的构建，然后按照各株的相对位置顺序重新将群体根系构型样本组装起来，获得小麦群体根系Pro-E模型，如图1所示，其中一种颜色的线条代表一株小麦的根系。

图1 稻茬麦群体根系Pro-E模型Fig.1 Pro-E model of root in rice stubble wheat

1.4 稻茬麦根系构型3D拓扑的表型指标设计

当前已有诸多指标用于定量作物的根系构型，如总根长、分枝数量、根表面积、根系扎根深度、根系拓展宽度、根系夹角、宽深比、根系拓扑深度等[30]，但多数指标难于针对作物根系构型的3D拓扑塑性、拓扑空间变异性进行定量分析。

鉴于根系构型的拓扑表型及其参数化是解读作物地下部生理生态过程的关键，而且，从所得的小麦群体根系构型模型图(图1)可以看出，多数单株根系构型表现出明显的空间姿态取向或根系构型拓扑的拓展方向性。为此，本研究拟为所得群体根系构型Pro-E模型设计一个关键的拓扑表型指标——侧位根长比。

侧位根长比(SRLR)定义为群体条件单株根系构型的两象限分割区域内各象限包含的根系拓扑总长占该株总根长的比例。SRLR的测量操作如图2所示，在群体条件下稻茬麦根系构型模型向地表平面投影，设计一个经过种子位(根系基点)且垂直于行向的横向基准面作为分割面，将所得单株根系构型投影的2D拓扑进一步分割为Z1和Z2 2个区域。进而利用Pro-E软件的计算功能对各区域中的根系长度进行统计分析，获取各区域内根系构型拓扑的长度比例(SRLR)：

SRLR=TRLi/TRL

(1)

式中：SRLR为侧位根长比；TRLi为第i区域内的根系拓扑总长；TRL为该株根系的总长。

图2 群体条件下分割区域示意图Fig.2 Schematic diagram of segmented area under group condition

2 结果与分析

2.1 稻茬麦单株总根长动态

2个年度的稻茬麦单株总根长具有基本一致的变化趋势(图3)，11月至次年1月的田间气温较低，但稻茬麦根系在越冬期间仍然能够缓慢增长。1月份之后气温逐渐回暖，分蘖期至拔节期稻茬麦根系呈现快速增长趋势。

作物根系的指标多达数十个，作为最基本对比目的，本研究仅从实测根系构型模型中提取了总根长，总根长指标的年度间及不同生理期的对比虽表达了宏观的根际变化趋势，但此类宏观指标并不能够反映出大田环境及群体条件下个体株间的交互行为、竞争和塑性以及个体根系构型的3D拓扑空间变异等过程、发生机制和效应。

图3 稻茬麦单株根系总根长动态Fig.3 Dynamics of total root length per plant in rice stubble wheat

2.2 稻茬麦的侧位根长比动态

图4显示了2个年度毗邻的6株小麦侧位根长比在3个生育期内的动态变化。图4显示，多数植株的根系在两侧区域的分布并不均匀，且表现出协同交替错位的现象，即前一株的根系构型拓扑在Z1侧优势发展时(SRLR>0.5)，在Z1侧的邻株在该侧的侧位根长比更倾向于低于平均值0.5。这一邻株间根系构型拓扑在侧向发展的交错现象是否具有普遍性目前尚难定论，一方面的困难来自田间试验及原状根系构型3D拓扑数字化及模型化操作过程仍较为繁琐，所得样本空间较小。另一方面，所得的6株植株的根系构型也并不是完全准确地符合这一特征。但至少，本研究设计的侧位根长比可以作为一个新的拓扑表型指标，且具有表达群体内株间交互(竞争、规避、互助等)机制及效应解析的关键表型指标。

2个作物季的幼苗期两区域内的侧位根长比波动较大，反映到拓扑表型方面则是侧位根长比更大的波动范围。幼苗期稻茬麦根系较短，生长速率较慢，扎根能力较弱，根系集中在浅土层。再者，该阶段的根系构型拓展范围较小，播种的1.5 cm种子间距必然进一步加剧株间的土壤空间资源争夺，相互排挤并获取优势的侧方位土壤空间资源显得尤为重要，因此这一时期的根系竞争必然较为剧烈。再加上本拓扑表型指标的计算是一个相对量，因此更能够体现侧位根长比在这一生育期的大范围波动状况。

分蘖期天气回暖，小麦根系快速生长，总根长增加，个体植株的根系构型向深土层发展，随着植株个体的增大，植株对于土壤资源的可争夺空间范围增大，缓解了竞争激烈程度，因此，2个年度都能够表现为该时期侧位根长比指标波动范围的相对压缩。

拔节期小麦的根系数量激增，根长增长较快，土壤表层养分耗竭和根系的向地性导致根系向深层土壤搜索生长。因此，环境、生物和非生物等效应的综合影响使得该时期的侧位根长比反而呈现出最小的波动。表明，大田群体条件下稻茬麦个体植株间的地下部生理生态过程和主导机制非常复杂，但基于侧位根长比等拓扑表型指标的解析有可能提供一个独到的技术路径，用于捕捉个体植株的根系构型及邻株间的交互行为，这也为开拓土壤空间资源的根际优化利用机理提供一个可靠的技术手段。

其中每条线段代表1株小麦，Z1表示第1株小麦的Z1分割区域；Z2(Z1)表示共同生长区域，既为第n株的Z2分割区域，又为第n+1株的Z1分割区域；Z2表示最后1株小麦的Z2分割区域；具体分割方法如图2所示。图4 2015-2016年、2017-2018年稻茬麦群体根系侧位根长比动态Fig.4 Dynamics of side root length ratio of rice stubble wheat population in 2015-2016 and 2017-2018

2个作物季3个生育期的试验分析结果表明，合理的种植技术有可能成为大田作物有效的群体生态设计及根系构型塑性调控策略，调控小麦的根系生态条件和株间交互过程，进而促进群体内个体间合理的土壤空间资源分配，最终有望推进群体内个体的均衡发展。基于这一理念，近年来相关学者已从生产实践中领悟和摸索出可靠的结论，如空间立体匀播理论及技术[31-33]。

3 结 论

基于根系构型Pro-E模型设计出定量作物根系构型拓扑塑性的关键表型参数——侧位根长比，该参数捕捉到等株距条播稻茬麦邻株根系构型表现出拓扑错位规避的现象。

稻茬麦在不同生理期的根系构型塑性表现不尽相同，幼苗期、分蘖期、拔节期的侧位根长比变化程度逐步下降。

稻茬麦大田群体地下部生理生态的高通量表型技术应具备的一些基本技术特征包括：非破坏性原状根系构型数字化、根系构型模型化(Pro-E)、根系构型模型的表型指标化以及结合群体作物地下部生理生态专用设计的根系构型拓扑表型指标。拓扑表型指标的设计要基于大田环境、群体条件、耕作栽培、水肥运筹等要素对作物根系的土体空间搜寻利用的影响机制和效应。