根系生长模拟及相关研究进展学习教案.pptx

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1、会计学1根系生长模拟根系生长模拟(mn)及相关研究进展及相关研究进展第一页，共25页。主要主要(zhyo)内内容容 根系生长模拟研究进展根系生长模拟研究进展1 存在的问题与难点存在的问题与难点存在的问题与难点存在的问题与难点2 研究趋势及展望研究趋势及展望研究趋势及展望研究趋势及展望3第1页/共24页第二页，共25页。1.根系根系(gnx)生长模拟研究进展生长模拟研究进展n n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、度和表面积，另一方面取决于根系的

2、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。养分的空间范围和与相邻植株根系的资源竞争能力。n n研究了解研究了解(lioji)(lioji)根系的构型分布和动态建成规律、以及根系与土壤关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。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。n n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。系也是研究的难点。第2页/共24页第三页，共25页。1.根系根系(gnx)

3、生长模拟研究进展生长模拟研究进展n nROOTMAPROOTMAP模型模型n n第一个明确地从三维剖面考虑根构型第一个明确地从三维剖面考虑根构型的模型是的模型是“ROOTMAP”“ROOTMAP”，它应用有关，它应用有关根龄、位置和根节作为根伸长速率的根龄、位置和根节作为根伸长速率的函数和分枝强度的函数，并将它作为函数和分枝强度的函数，并将它作为和温度和温度(wnd)(wnd)有关的变量，但是这有关的变量，但是这个模型没有考虑形态学参数，如根节个模型没有考虑形态学参数，如根节的半径及生长。的半径及生长。第3页/共24页第四页，共25页。ROOTMAP第4页/共24页第五页，共25页。1.根系生

4、长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展n n三维重建三维重建n n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(tzhng)(tzhng)位置的空间坐标然后在计算机上重建根系的空间分布。位置的空间坐标然后在计算机上重建根系的空间分布。n n例如：例如：PagesPages等等(1989)(1989)提出了玉米根系的构型模型，他根据实际观察，运用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；了几何和运动的原则模拟根的伸展；BerntsonBerntson等等(1994)

5、(1994)对土壤中挖出的根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。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。第5页/共24页第六页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展n n使用三维数字化仪测使用三维数字化仪测量玉米主根空间量玉米主根空间(kngjin)(kngjin)位置位置第6页/共24页第七页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展L-L-系统生成简单系统生成简单系统生成简单系统生成简单(jindn)(jindn)的图形的图形的图形的图形n n以以

6、L-L-系统方法为基础的研究系统方法为基础的研究n n本质本质(bnzh)(bnzh)是一种字符重写系统或形式是一种字符重写系统或形式语言方法，语言方法，L-L-系统的确定需要公理或初始字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。利用符串，分枝角度规则和产生式规则。利用L-L-系统的特点可以模拟较为逼真的根系造型。系统的特点可以模拟较为逼真的根系造型。n nS.Chuai-AreelS.Chuai-Areel等利用等利用L-L-系统开发出一套植物系统开发出一套植物茎和根系形态的模拟系统茎和根系形态的模拟系统;n n国内的研究如邓旭阳、周淑秋等对玉米根国内的研究如邓旭阳、周淑秋等

7、对玉米根系造型方面进行了研究，取得了很好的造型系造型方面进行了研究，取得了很好的造型模拟效果；冯斌、杨培岭用模拟效果；冯斌、杨培岭用L-L-系统方法对冬系统方法对冬小麦根系进行了模拟研究。小麦根系进行了模拟研究。第7页/共24页第八页，共25页。1.根系根系(gnx)生长模拟研究进展生长模拟研究进展n nLynchLynch等人建立了等人建立了SimRootSimRoot根系根系模型，该模型能模拟模型，该模型能模拟(mn)(mn)根系根系直径变化，模拟直径变化，模拟(mn)(mn)了大豆根了大豆根系结构与根系周围土壤磷吸收的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关系，评估了不

8、同根系形态结构的资源利用效率，但该模型还不的资源利用效率，但该模型还不能够反映土壤的局部状况的影响、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。与相邻根系的相互作用与竞争等。第8页/共24页第九页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展加拿大加拿大CalgaryCalgary大学大学(dxu)(dxu)第9页/共24页第十页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展S.Chuai-AreeS.Chuai-Aree等，等，等，等，德国海德堡大学德国海德堡大学德国海德堡大学德国海德堡大学(dxu)(dxu)（20

9、042004）.第10页/共24页第十一页，共25页。1.根系根系(gnx)生长模拟研究进展生长模拟研究进展S.Chuai-AreeS.Chuai-Aree等模型等模型等模型等模型(mxng)(mxng)系统界面系统界面系统界面系统界面第11页/共24页第十二页，共25页。1.根系根系(gnx)生长模拟研究进展生长模拟研究进展n nGreenLabGreenLab模型模型n nGreenLabGreenLab模型是模型是AMAPAMAP模型在原有的基础模型在原有的基础(jch)(jch)上进一步开发新一代虚拟植上进一步开发新一代虚拟植物模型，自物模型，自19981998年起，中科院自动化研究所

10、、中国农业大学与法国农业发展国年起，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。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。n n模型以根系基本生长单元为基础模型以根系基本生长单元为基础(jch)(jch)，模拟了根系的拓扑结构；根据不，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(库库)对植株地上对植株地上部分配给根系的生物量部分配给根系的生物量(源源)的竞争，实现了生物量在根系中的分配；根据异速的竞争，实现了生物量在根系

11、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长。最后，根据根个体空间伸展规则与空间VoxelVoxel元（土壤空间的立体划分为元（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。土壤体积单元）技术，实现了棉花根系的空间结构的虚拟。n n张吴平等采用张吴平等采用GreenLabGreenLab的原理研究构建棉花、玉米、小麦的根系模型。的原理研究构建棉花、玉米、小麦的根系模型。第12页/共24页第十三页，共25页。n n根系根系

12、根系根系(gnx)(gnx)生长发育基本单元生长发育基本单元生长发育基本单元生长发育基本单元(a)(a)、由基本单元构成的根轴、由基本单元构成的根轴、由基本单元构成的根轴、由基本单元构成的根轴(b)(b)、由根轴构成的根、由根轴构成的根、由根轴构成的根、由根轴构成的根系系系系(gnx)(c)(gnx)(c)示意图示意图示意图示意图1.1.1.1.根系根系根系根系(gnx)(gnx)(gnx)(gnx)生长模拟研究进展生长模拟研究进展生长模拟研究进展生长模拟研究进展第13页/共24页第十四页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展根系根系根系根系(gnx)(g

13、nx)构型模型构型模型构型模型构型模型(张吴平，张吴平，张吴平，张吴平，2004)2004)第14页/共24页第十五页，共25页。1.根系生长根系生长(shngzhng)模拟研模拟研究进展究进展小麦小麦小麦小麦(xiomi)(xiomi)(xiomi)(xiomi)根系形态结构与生物量累积的动态根系形态结构与生物量累积的动态根系形态结构与生物量累积的动态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，模拟结果及根系的可视化图（张吴平，模拟结果及根系的可视化图（张吴平，模拟结果及根系的可视化图（张吴平，2006200620062006）第15页/共24页第十六页，共25页。2.存

14、在存在(cnzi)的问题与难点的问题与难点n n环境条件与根系生长相互关系的描述环境条件与根系生长相互关系的描述n nL-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，使研究整个系统的复杂程度，使研究(ynji)(ynji)愈加复杂而难以理解和发愈加复杂而难以理解和发展。展。n nGreenLabGreenLab模型目前只是假设根系生长在有着均一性特点的土壤环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。境中，即理想化条件下的根系生长。n n环境条件与根系生长的相互作用很复杂

15、，要准确模拟环境条件对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。更多的研究根系生长产生的影响还较为困难。更多的研究(ynji)(ynji)偏重与造偏重与造型的模拟。型的模拟。第16页/共24页第十七页，共25页。2.存在存在(cnzi)的问题与难点的问题与难点n n根系形态数据的获取根系形态数据的获取n n由于植物根系隐藏土壤中，很难对其进行直接的观察，是个由于植物根系隐藏土壤中，很难对其进行直接的观察，是个“黑色系统黑色系统”，技术手段的缺乏使根系研究较为落后。技术手段的缺乏使根系研究较为落后。n n使用根箱培养、水培、气培或沙培等方法虽然便于根系

16、的清洗，但是毕竟与使用根箱培养、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。存在辐射危害而且数据指标与数量有限。n n近年来，一些新的技术手段与成果如近年来，一些新的技术手段与成果如WinRHIZOWinRHIZO、DT-SCANDT-SCAN以及以及CI-400/600CI-400/600等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，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

17、作，大大加快了数据获取的效率。以上方法大多需要洗根操作，根系的空间分布大大加快了数据获取的效率。以上方法大多需要洗根操作，根系的空间分布信息难以获取甚至无法观测。信息难以获取甚至无法观测。n n为了为了(wi le)(wi le)能对根系进行原位动态观测，国内外研究人员已尝试能对根系进行原位动态观测，国内外研究人员已尝试MRIMRI（Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging即核磁共振成像）和即核磁共振成像）和XCTXCT（X-Ray X-Ray Computerized TomographyComputerized Tomogra

18、phy即即X X射线断层造影术）等方法。射线断层造影术）等方法。第17页/共24页第十八页，共25页。根系分析根系分析根系分析根系分析(fnx)(fnx)系统系统系统系统WinRHIZOWinRHIZO第18页/共24页第十九页，共25页。vv严小龙等严小龙等严小龙等严小龙等XCTXCTXCTXCT根系扫描，图像处理软件根系扫描，图像处理软件根系扫描，图像处理软件根系扫描，图像处理软件(run jin)(run jin)(run jin)(run jin)方法方法方法方法MIPMIPMIPMIP（最大密度投影）。（最大密度投影）。（最大密度投影）。（最大密度投影）。第19页/共24页第二十页，

19、共25页。2.存在存在(cnzi)的问题与难点的问题与难点n n根冠耦合研究根冠耦合研究n n许多研究是将冠层与根系分开考虑的，而对地上部与根系的耦合研究还较少。由许多研究是将冠层与根系分开考虑的，而对地上部与根系的耦合研究还较少。由于植物生长是地上部与地下部的协同生长，植株对逆境的适应是通过冠层与根系于植物生长是地上部与地下部的协同生长，植株对逆境的适应是通过冠层与根系的协同作用得以实现的。干旱时，根系通过向深处生长以获取地下水，冠层叶片的协同作用得以实现的。干旱时，根系通过向深处生长以获取地下水，冠层叶片亦通过卷曲亦通过卷曲(jun q)(jun q)等措施减少植物的水分蒸腾；湿润时，根系

20、通过发生侧生根等措施减少植物的水分蒸腾；湿润时，根系通过发生侧生根或支根，加强对水分和养分的吸收，叶片的蒸腾也处于无胁迫状态。或支根，加强对水分和养分的吸收，叶片的蒸腾也处于无胁迫状态。n nPrusinkiewiczPrusinkiewicz（19971997）等利用植物体冠层与根系通过物质流实现平衡生长的原理，）等利用植物体冠层与根系通过物质流实现平衡生长的原理，构建了冠层与根系耦合生长的模型。但上述模型对耦合机制的生理生态影响未作构建了冠层与根系耦合生长的模型。但上述模型对耦合机制的生理生态影响未作深入分析。根冠耦合的生理生态机制将涉及土壤中的水分和养分迁移运转、土壤深入分析。根冠耦合的

21、生理生态机制将涉及土壤中的水分和养分迁移运转、土壤与根系的养分与水分交换、植物体的水分运输、冠层与大气的水分交换等一系列与根系的养分与水分交换、植物体的水分运输、冠层与大气的水分交换等一系列过程。过程。n n根冠耦合研究是必然方向。根冠耦合研究是必然方向。第20页/共24页第二十一页，共25页。L-系统对与根系统对与根冠冠(n un)耦合的研究，耦合的研究，Hanan(1996)。第21页/共24页第二十二页，共25页。3.研究趋势研究趋势(qsh)及展望及展望n n信息获取手段和数据的可靠性、精确度日益提高，针对地下根系的原位信息获取手段和数据的可靠性、精确度日益提高，针对地下根系的原位观测

22、技术已经开始发展，新技术新方法的应用一定会改变根系研究滞后观测技术已经开始发展，新技术新方法的应用一定会改变根系研究滞后的情况，加快其研究步伐；的情况，加快其研究步伐；n n根系的研究必然涉及土壤水份、养分的动态变化，一些研究已经考虑结根系的研究必然涉及土壤水份、养分的动态变化，一些研究已经考虑结合土壤水份、养分动态模拟模型，从而使根系的生长模拟具有更好的机合土壤水份、养分动态模拟模型，从而使根系的生长模拟具有更好的机理性；理性；n n作物生理生态学的研究成果可以加深对根系生理生态的理解，而模型也作物生理生态学的研究成果可以加深对根系生理生态的理解，而模型也可以为作物生理生态学研究提供如模拟试

23、验等的辅助作用；可以为作物生理生态学研究提供如模拟试验等的辅助作用；n n作物品种的株型特征受到内在作物品种的株型特征受到内在(nizi)(nizi)的遗传基因的控制，同时根系与的遗传基因的控制，同时根系与地上部的形态建成过程有着密切的联系和相关性。将来结合作物遗传学、地上部的形态建成过程有着密切的联系和相关性。将来结合作物遗传学、生物信息学的研究成果利用，可以对作物株型改良或田间试验起到促进生物信息学的研究成果利用，可以对作物株型改良或田间试验起到促进作用。作用。第22页/共24页第二十三页，共25页。谢谢谢谢(xi xie)第23页/共24页第二十四页，共25页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第24页/共24页第二十五页，共25页。