基于CI-600的茶树根系生长监测试验

刘烁玲 胡煜 王卫星 孙道宗

摘要 [目的]研究茶树根系的生长规律。[方法]设计了基于CI-600的茶树根系生长监测试验，采用微根管法监测茶树根系形态的生长数据，花花草草监测仪检测土壤水分，希玛手持式温湿度计记录环境温度，并结合Office Excel和SPSS 25.0进行数据分析，寻找茶树根系生长的最佳土壤水分含量和环境温度条件。[结果]茶树的根数量、根长度、根面积和根体积均与15%～35%的土壤水分存在高度正相关关系。茶树的根数量、根长度、根面积和根体积增长最有利的环境温度在20～27 ℃。当环境温度在一定范围时，茶树的根数量、根长度、根面积、根体积与环境温度均呈显著正相关。当环境温度在一定范围时，茶树的根数量、根长度、根面积、根体积与环境温度建立的线性回归模型的拟合度均很好，有明显的因果关系。[结论]该研究为茶树的温室培育环境设计提供一定的数据支撑和理论基础。

关键词 茶树;CI-600;环境温度;根数量;根长度;根面积;根体积

中图分类号 S-126  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）12-0216-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.12.057

开放科学（资源服务）标识码（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机盐、运输、储存等作用[1]，对茶树的生长发育尤为重要。研究发现，水分充足有助于根系生物量的积累和根系形态的构建[2]，且根系的生长与环境温度间有明显的相关关系[3]。因此，探究茶树根系生长的最佳土壤水分含量和环境温度条件，对茶树生产管理具有重要意义。

在国外，20世纪30年代就已有相关人员开始进行关于植物根系监测的非破坏性方法研究。微根管法是无损观测根系生长发育的较好方法，目前，此方法已被广泛用于森林[4-5]、草地[6-8]、农作物[9-10]等根系研究中。Torrion等[11]采用插入微型根管的成像装置，以30°成排的角度，原位评估根尖发育和地上部物候的季节性进程。Garré等[12]采用微根管观测大麦根系生长，得到了相关根系生长模型参数，构建并改进了大麦 3D 根系生长动态模型;Taylor 等[9]监测火炬松细根的分布与实际直径，分析得到微根管监测管壁可视剖面的实际观测深度。国内的研究相对来说开始得比较晚，早期的还是用比较传统的根钻法或者挖掘法[13]进行，不过后期也开始慢慢引进国外的先进仪器进行非破坏性的根系监测研究。陈吉虎等[14]利用分形几何学研究水分条件对银叶椴根系分形系数的影响和根活力变化对分形的影响。为茶树的育种栽培和提高水资源的利用效率，王家顺等[15]采用盆栽种植茶树并通过人工控制水分的方式，结果显示，随着干旱的持续，茶树根直径逐渐减少，根皮层细胞也因此而损伤;吕杰等[16]应用非损伤微测技术测量植物根部净离子流量用以研究植物根系生长发育;姜慧敏等[17]以黄花苜蓿为试验对象，采用CI-600植物根系生长监测系统对其不同生长季的根系进行图像扫描，研究根系形态特征变化。为研究土壤水分与草本植物根系分布特征的关系，沈凡[18]以河道护坡植物为试验材料，采用烘干法测定土壤水分的含量，植被根长密度和根长度则用网格纸测定。为探讨边坡植被的复绿过程植物根系的生长，洪文俊等[19]借助CI-600植物根系生长监测系统测出根系的形态参数，结果显示，土壤紧实度受根系的生长发育状况影响;根系长度、表面积、投影面积、体积和直径之间总体上呈正相关。

此次试验是基于CI-600植物根系监测系统检测茶树根系的形态数据，结合其他环境检测传感器测到的土壤水分、环境温度数据，借助数据分析软件Office Excel和SPSS 25.0去寻找茶树根系生长最佳土壤水分含量和环境温度条件，以期为茶树的温室培育环境设计提供一定的数据支撑和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验环境概况

试验场景设置在华南农业大学工程南楼顶层天台（23°15′N、113°34′E），海拔较低，为43 m。该地的气候特征是海洋性亚热带季风气候，气候和降水周期性变化，年平均降水量约为1 710 mm，年平均气温在21 ℃左右，全年温差较小。纬度较低，光热充足，气候非常适合植物生长。

1.2 试验方案

试验对象为山茶科山茶属多年生常绿木本植物茶树。试验开始时间是2020年3月2日，取16棵生长状况大致相同的小茶树作为研究对象，并将茶树按每4棵为一组分成4组栽种在容积为22 L的塑料桶中。在放栽培土入塑料桶时，应先放到塑料桶1/3位置，然后把长度为100 cm、内径为6.36 cm的有机玻璃材质的微根管安装在桶的中央附近，最后把2棵茶树的根系紧挨微根管管壁并填满栽培土。当完成所有茶树的栽种后，需在每根微根管的周围浇少量的水使得土壤和管壁更加贴近，便于日后对根系观察。将栽种好的4组茶树放于可以遮挡雨水的位置进行7 d干旱处理以便让茶树可以更好成活，并把微根管的上端口用盖子密封好，避免粉尘和水蒸气进入，以确保监测数据的可靠性。

经过7 d干旱处理，每组茶树的土壤水分已经下降到不超过15%，设置水分梯度为10%，分别给每组茶树注入不同的土壤水分同时用花花草草监测仪测量土壤水分的含量，将4组茶树的土壤水分控制在15%、25%、35%、45%，按顺序排列并作出标记。3月9日开始数据采集，每2 d采集一次，一共19组采集数据，时间为3月9日—4月16日，每次采集时间固定在当天09：00—11：00。试验采用CI-600植物根系生长监测系統对每一组茶树的根系进行监测，花花草草监测仪记录土壤水分的含量，手持温湿度计测量环境温度。

1.3 数据采集

茶树的根系生长采用CI-600植物根系生长监测系统进行监测。该系统由硬件设备和软件程序构成，分别为CI-600 Root Scanne（硬件扫描仪）、CI-600 In-Situ Root Imager（扫描软件）和CI-690 RootSnap（图像分析软件）组成，如图1所示。

360°旋转式光电耦合圆柱形扫描仪，可以无损坏性地扫描土壤和茶树的根系形态数据。如图2，观测时，扫描仪和笔记本电脑由USB线连接，将扫描仪放入微根管内，用CI-600 In-Situ Root Imager软件运行扫描仪，用可调节长度的连接杆将扫描仪下放至根系位置进行扫描，把扫描得到的根系、土壤的剖面图保存在电脑。然后利用专业的根系分析软件CI-690 RootSnap分析计算出根系的长度、面积、体积、根数量等根系的形态参数。

此外还测量了土壤湿度和空气温湿度数据。

1.4 数据处理

将试验所得的根系的图像导入系统配套专业的根系分析软件CI-690 RootSnap，并使用标点形式对根系进行标注，软件就会根据标注生成根系的量化数据，如图3所示，导出文件就得到根系长度、体积、面积和根数量的数据。结合试验得到的土壤水分和温度数据一并整理为Office Excel表格。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下茶树根系形态参数变化分析

将整理得到的土壤水分和根系各项形态参数的数据表格，分别在4种土壤水分条件下，求出根系各项参数在整个监测时间段的总增幅，如表1所示;求出根系各项参数在整个监测时间段的总增量，结合土壤水分数据借助SPSS 25.0进行相关性分析。

由表1可知，土壤水分含量在35%条件下，茶树根系各项参数在整个监测时间段的总增幅最大，其次是土壤水分含量在25%的茶树。而当土壤水分含量在45%条件下，茶树根系各项参数的总增幅均降低。由此可得，土壤水分在15%～35%，土壤水分的增加可以促进茶树根系各项参数的增长，存在明显的正相关性。而水分过多会影响茶树根系的生长。

土壤水分含量在15%～35%与茶树各形态参数总增量之间的相关性分析结果表明，土壤水分含量与茶树根体积的总增量相关性显著（P<0.05），相关系数为0.998;与根数量、根长度、根面积的总增量之间也高度相关，相关系数都分别为0.945、0.979、0.997。总体情况分析，土壤水分与茶树根系的生长呈正相关。

2.2 环境温度对茶树根系形态参数的影响

将环境温度数据和茶树根系形态参数的数据按照不同土壤水分分别整理，画出各根系形态参数增量随环境温度变化的散点图，根据散点确定适合根系生长的环境温度范围;利用SPSS 25.0先进行环境温度与根数量、根长度、根面积、根体积的相关性分析，再通过线性回归分析确定环境温度与根系形态参数的因果关系，并将分析的结果整理为表格。

2.2.1 环境温度与根系形态参数变化。

从图4可以看出，适合茶树根系生长的环境温度在20～27 ℃，该范围散点较密集且增量较大，表明在此温度范围根系生长得快。温度过高或过低根系形态参数的增量大多数较小，而且散点相对稀疏，根系生长受到抑制，甚至出现根系生长停滞的情况。

2.2.2 环境温度和根系形态参数的相关性。

由表2可知，不同土壤水分条件下，环境温度与茶树根系形态参数之间的相关系数均在0.8以上且均呈显著正相关（P<0.01），说明环境温度与茶树根系的生长高度相关。

所以，可以进行线性回归分析进一步研究其中的因果关系，其中，环境温度作为自变量，茶树的根数量、根长度、根面积、根体积作为因变量。

2.2.3 不同土壤水分条件下环境温度与根系形态参数的回归分析。

由表3～6可知，以不同土壤水分为前提，环境温度和茶树根系形态参数建立的线性回归模型的系数都为正，即为正比例关系;并且大多数决定系数（R2）都大于0.7，整体拟合度较高。

当土壤水分为15%，根数量、根长度、根面积和根体积的DW统计量分别为1.570、1.469、1.422、1.441，可以判断进行回归分析的各组数据之间有轻微的自相关，总体独立性较强，说明数据可靠性较高。当土壤水分为25%，DW统计量却均比土壤水分为15%时要低，依次是1.312、1.462、1.390、1.253，所以分析的数据自相关性稍强，可靠性也下降。当土壤水分为35%，环境温度与根面积回归模型的决定系数（R2）仅为0.676，显然偏低，线性回归模型的拟合效果比另外三者差，此外，其DW统计量为0.902，自相关性较强，所建立的回归模型的可靠性较弱;环境温度与其他3个形态参数的模型的决定系数都在0.750以上，拟合效果很好且联系密切，DW统计量也都大于1.450，数据独立性较好，回归模型的可靠性较强。当土壤水分为45%，根系4个形态参数模型的决定系数分别是0.691、0.797、0.757、0.733，除了環境温度与根数量的模型拟合度稍低，其他的拟合度都较高;DW统计量只有环境温度与根长度这一组样本数据较高，为1.503，其余的分别是1.229、1.230、1.227;总体而言，土壤水分含量45%的这一组茶树的环境温度与根系各参数形成的样本数据独立性偏弱，可靠性不强。

综合以上环境温度与茶树根系形态参数的相关性分析和线性回归分析，在不同土壤水分含量情况下和环境温度一定范围内，环境温度与根数量、根长度、根面积、根体积均呈显著正相关。根据不同土壤水分为前提，环境温度和茶树根系形态参数建立的线性回归模型，可知环境温度对根系的生长影响有很明确的因果关系。

3 结论

该研究采用CI-600监测茶树根系形态的生长数据，花花草草监测仪检测土壤水分，希玛手持式温湿度计记录环境温度，并结合Office Excel和SPSS 25.0进行数据分析，分析土壤水分和环境温度与茶树根系形态参数之间的变化关系，试验结果表明，茶树的根数量、根长度、根面积和根体积均与在15%～35%的土壤水分存在高度正相关;适合茶树根系生长的环境温度是20～27 ℃，在此范围外，根系生长会受到抑制，生长逐渐缓慢;当环境温度在一定范围时，茶树的根数量、根长度、根面积、根体积均与环境温度呈显著正相关;当环境温度在一定范围时，茶树的根数量、根长度、根面积、根体积与环境温度建立的线性回归模型的拟合度整体均较高，有明显的因果关系。

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