桶栽棉花根系构型的分形特征分析

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1、灌溉排水学报２０１５年４月第３４卷第４期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）０４－００７５－０５桶栽棉花根系构型的分形特征分析陈绍民，李明思，高超，赵宇龙，郝忠文（石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子８３２００３）摘要：通过桶栽试验，利用分形理论研究了棉花根系构型随生育阶段的变化特征。结果表明，蕾期—花期，棉花整体根系构型与侧根构型的计盒维数都逐步增大，根系分布空间逐步趋向连续空间；虽然侧根构型的计盒维数（１．０９１～１．４２１）始终小于整根构

2、型的计盒维数（１．３３０～１．４６８），但其在后期的增加速度比整根构型的相应值大；直至进入花期，侧根构型计盒维数接近整根构型计盒维数，说明棉花后期以侧根生长为主。根系分形丰度值的变化规律与计盒维数类似，花期的侧根构型丰度值（４．１１１３）基本接近整根构型的丰度值（４．１８９），表明花期的棉花根系分布形式基本不变化，而二级和三级侧根的空间占有能力仍很强，使根系密度增加。关键词：棉花；根系构型；分形理论；计盒维数；桶栽试验中图分类号：Ｓ５６２；Ｓ３１４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ

3、．２０１５．０４．０１６陈绍民，李明思，高超，等．桶栽棉花根系构型的分形特征分析［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（４）：７５－７９．０引言对于局部灌溉技术来说，作物根系构型是合理设计土壤有效湿润范围的重要依据。虽然作物根系构型［１］较为复杂，数学描述较为困难，但其在一定尺度范围内具有统计自相似结构特征，可用分形维数反映根系［２］分支状况，确定根系分形特征。Ｔａｔｓｕｍｉ等较早提出运用计盒维数法对植物根系形态结构特征进行分形［３－５］分析，自此计盒维数在根系描述方面得到了普遍运用。研究表明，分形维数直接反映

4、了根系在时间、空间［６］［７］和土壤环境影响下发育程度的差异；分形维数的变化与植物根系深度和土壤含水率变化相关；不同水分［８］处理对根系分形维数的影响较大。现有基于分形理论的作物根系构型研究大多集中于须根系的作物根系，而关于直根系作物根系分形方面的研究鲜见。为此，通过桶栽试验，初步探讨直根系作物———棉花不同生育阶段（苗期、蕾期、花期）的根系构型，并计算根系构型（主根与侧根）的计盒维数，对认识棉花在不同生育阶段中的根系构型的分形特征具有重要意义。１材料与方法１．１试验材料桶栽试验于２０１４年５—８月在石河子大

5、学水利建筑工程学院实验中心进行（８６°０３′２７″Ｅ，４４°１８′２５″Ｎ，海拔４５１ｍ）。供试棉花品种“新陆早４８号”，试验用桶规格为（顶部内经×底部内径×高）：４５ｃｍ×３５ｃｍ×５３ｃｍ（苗期和蕾期）、４８ｃｍ×３７ｃｍ×５５ｃｍ（花期），每桶种植１株棉花。每个生育阶段设４个重复，共有１２个桶。苗期、蕾期、花期棉花灌水量分别为１、２、３Ｌ／（次·桶）。为避免水分快速沿桶壁下渗，在土壤表层埋入直径为３０ｃｍ的防水纸圈，埋深为５ｃｍ。降水过程中对棉花采取避雨措施，以保证水分处理的有效性。１．２测试方法为了减

6、小对根系的破坏，在距棉株１５ｃｍ处沿深度方向每１０ｃｍ取１个土样，采用烘干法测定剖面土壤收稿日期：２０１４－１１－０７基金项目：国家自然科学基金项目（５１０６９０１２）作者简介：陈绍民（１９８９－），男，四川蓬溪人。硕士研究生，主要从事灌溉原理与技术应用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｍｉｎ＿ｌｙ２４＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：李明思（１９６５－），男。教授，主要从事灌溉原理与技术应用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｅｍｉｎｃｅ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ７５水分。采用冲洗法和双向切片法分别获得整根构型和根系分布参数。采用冲洗法时，

7、将桶自上而下切开若干小口，清水细流冲洗，以避免根系遭到水力破坏；土壤随水流走后获得棉花整根，测量主根和侧根长度，采用游标卡尺测量主根和侧根直径，采用量角器测量深度方向的侧根与主根之间的夹角。采用双向切片法时，在水平方向上以棉株为中心，按１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ的样方在水平和深度方向取样，直至桶边。拣出根样后，冲洗干净，然后铺在有尺度的纸上拍照，用Ｒ２Ｖ软件将根系图像矢量化，用ＯｆｆｉｃｅＡｃｃｅｓｓ２００３处理矢量化结果文件并计算出根长。将获得的整根和侧根展开放置于白色背景上，用数字照相机（ＳＯＮＹＤＳＣ

8、－Ｈ５０）采集根系的原始图像，再利用图像处理软件（ＡＣＤＳｅｅ．１５）获得合适像素的数字图像，在ＭＡＴＬＡＢ仿真平台上将图像二值化并计算其计盒维数。１．３计盒维数计算依据构造直径为δ的盒子，用不同直径的盒子去完全覆盖研究对象Ｆ，Ｆ所截的盒子数为Ｎδ（Ｆ）。则计盒维数被定义为：ｌｏｇＮδ（Ｆ）ｄｉｍＤ（Ｆ）＝ｌｉｍ。（１）δ→０－ｌｏｇδｋｋ的像素，选用合适的阈图像二值化像素时，首先将彩色图像变为灰度