基于Pro_E 的土壤结构与小麦幼苗期根系关系模拟与分析

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中国农业科学 2010,43(22): Scientia Agricultura Sinica

基于Pro/E的土壤结构与小麦幼苗期根系关系模拟与分析

韩秋萍，丁启朔

1

1，2

，潘根兴，丁为民，周裕辉

211

（1南京农业大学工学院，南京 210031；2南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095）

摘要：【目的】探讨一种不仅可以对作物根系进行3D重构的技术手段，而且实现对根系及土壤结构各指标以及二者相互关系的计算方法，从而为根土系统的研究提供一种通用且兼备造型和计算分析功能的技术路径。【方法】运用Pro/E软件的造型功能对实测小麦根系的空间坐标数据进行3D重构，计算表征小麦根系与土壤结构关系的指标，进而使用这些指标分析比较旋耕和免耕两种耕作处理下的根土关系动态变化。【结果】在各监测期内免耕处理的小麦根系总长大于旋耕处理，不过在播后的28 d之内免耕处理的根系水平夹角显著高于旋耕处理，这一关系又在播后42—70 d消失。免耕的根系主轴扩展土体体积总大于旋耕，而且二者的包络土体体积和单位根系长度有效土体体积也具有同样的特征。在小麦生长的前56 d内包络土体体积和单位根系长度的有效土体体积呈现增长的趋势，而在56—70 d这两个参数值急剧下降。【结论】Pro/E开发平台能够提供丰富的3D根土系统造型及计算分析功能。根系水平夹角、根系主轴扩展土体体积、根系包络土体体积、单位根系长度有效土体体积是表征根土关系的描述指标。运用这些指标可以对耕作引起的土壤结构状态，以及耕后土壤结构与小麦根系关系的动力学演变过程进行跟踪和定量。

关键词：Pro/E造型；小麦根系；土壤结构；动力过程

Modeling and Analyzing the Relationship Between Soil

Structure and Wheat Seedling Root with Pro/E

HAN Qiu-ping1 , DING Qi-shuo1,2, PAN Gen-xing2, DING Wei-min1, ZHOU Yu-hui1

(1College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031; 2Institute of Resources, Ecosystem and Environment of

Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)

Abstract: 【Objective】 A 3D modeling technique was investigated for both topological reconstruction of crop root and the computation of relative criteria of the crop root and soil structures and their correlations. So that a general-purpose technical approach was provided for the modeling and analyzing the demand in the soil-root system studies. 【Method】 The measured wheat root data was reconstructed into 3D models in Pro/E platform, then the calculation of related criteria to quantify wheat root and soil structure was performed. The result was then used to quantify the dynamical change of the root-soil system for different tillage treatments including no-tillage and rotary-tillage. 【Result】 In each monitoring period total wheat root length in no-tillage was longer than that in rotary-tillage. Whereas the horizontal angle of the no-tillage treated wheat root was higher than that of the rotary-tillage in the first 28 days after sowing. During the following 42-70 days the two angles turned into the same level. Root-axis-expanded soil volume from no-tillage was always larger than that in rotary-tillage. This trend was also true for enveloping soil volumes and effective soil volumes for unit root lengths. In the first 56 d period the enveloping soil volumes and the effective soil volumes for unit root lengths exhibited a positive increasing trend, but then were drastically decreased in 56-70 days. 【Conclusion】 Pro/E platform provides powerful functions for 3-D root-soil system modeling and calculating and analyzing. Root length, root-axis-expanded soil volume, enveloping soil volumes and effective soil volumes for unit root lengths are suitable indices for root-soil system quantification. They can be used for monitoring and evaluating tillage-induced soil structure and the dynamics of the soil structure and root interrelationship, which is beneficial to mechanism interpretation of soil tillage and crop establishment. 收稿日期：2010-04-08；接受日期：2010-05-08 基金项目：江苏省博士后基金（0802015B）、国家自然科学基金（50875131）、中国博士后特别基金（200902521）

作者简介：韩秋萍，硕士研究生。E-mail：bingbing.weiwei@http://www.77cn.com.cn。通信作者丁启朔，副教授，博士。E-mail：qsding@http://www.77cn.com.cn

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中 国 农 业 科 学

Key words: Pro/E modeling; wheat root system; soil structure; dynamic process

43卷

0 引言

【研究意义】土壤结构与作物根系不仅相互影响而且与耕作方式等因素相关[1-2]。

田间条件下土壤结构的空间变异性决定了作物根系复杂的生长发育空间形态。植物根系对土壤结构中养分的吸收能力和效率除取决于根系总根长或根体积以外，还与根系在土壤中的分布及其对土体空间的搜索能力密切相关[3]，而根系在土壤中的分布主要表现为根系的构型分布[4]。【前人研究进展】关于小麦根构型分布，已有从不同品种、胁迫（水分、养分或盐碱）等方面的研究[3,5-10]，而对于耕作方式、土壤结构及小麦根系构型三者之间相互关系的定量研究仍很少。土壤结构与小麦根系关系研究的困难不仅体现在作物地下部的生长状态难于实时观测，而且其定量手段缺乏。目前，虚拟植物已成为作物根系研究的一个重要技术手段[11-12]，相关学者提出了各自的植物根系生长计算或仿真模型，如RootMap[13]，

SimRoot[14]，RootTye[15]，分形分析模型[16-21]，功能-结构模型 [22-27]以及交互式模型[28]等。【本研究切入点】但这些模型多局限于根系空间拓扑的几何描述，模型的计算分析功能仍有待开发，而更重要的是大田条件下根土关系指标计算及根土动态过程描述，这也是阐明耕后土壤结构演变过程及土壤结构与作物根系动态变化特征的基础。【拟解决的关键问题】本文探求引入Pro/E工程计算软件对田间实测小麦根系数据进行重构，同时提出表征根土关系的评价指标并基于软件中计算包括根系总长、根系水平夹角、根系主轴扩展土体体积、根系包络土体体积、单位根系长度有效土体体积等根土系统参数，以此对比两种耕作处理下土壤结构对小麦根系发育的影响及其动态过程，从而有利于阐释土壤耕作及作物生长的相关机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为宁麦13号，种子经包衣处理。 1.2 试验地点

田间试验于2009年11月下旬至2010年1月下旬在南京农业大学江浦农场进行，土壤类型是黏性水稻土，含有机质6.49 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，速效氮 12 mg·kg-1，速效磷15 mg·kg-1，速效钾140 mg·kg-1，pH 7.6。前作水稻。

1.3 试验设计

设免耕和旋耕2个处理，每种耕作处理 …… 此处隐藏：14634字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……