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基于CP-DeepLabv3+的玉米根系图像分割

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中国农业科技导报 2024年第3期26卷 110-116页

作者：赵亚凤王孟雪王德帅王冬冬李园胡峻峰东北林业大学信息与计算机工程学院哈尔滨150000 东北林业大学机电工程学院哈尔滨150000

利用微根管技术可以直接监测植物根系动态生长,并获取清晰根系图像,但土壤环境复杂、颗粒不均匀、细根数量多,图像分割时容易造成根系不连续,将土壤背景误认为根系。针对以上问题,提出了CP-DeepLabv3+算法进行图像分割。该算法引入坐标... 详细信息

利用微根管技术可以直接监测植物根系动态生长,并获取清晰根系图像,但土壤环境复杂、颗粒不均匀、细根数量多,图像分割时容易造成根系不连续,将土壤背景误认为根系。针对以上问题,提出了CP-DeepLabv3+算法进行图像分割。该算法引入坐标注意力机制(coordinate attention, CA),更精确地获得分割目标信息,使得分割目标边缘更加连续;在ASPP特征提取模块加入条纹池化(strip pooling,SP)分支,避免在相距较远的位置之间建立不必要的连接,提高图像分割精度。利用CP-DeepLabv3+算法对玉米根系数据集进行测试,结果显示,平均交并比(mean intersection over union,MIoU)值为82.95%,平均像素精确度(mean pixel accuracy,MPA)值为92.47%,相比于原始DeepLabv3+模型分别提高了3.69%、4.44%,表明该算法可有效分割玉米根系,对图像特征提取具有实际意义。

关键词：玉米根系微根管法原位监测 CP-DeepLabv3+

微根管和根箱法在亚热带细根寿命研究中的应用

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亚热带资源与环境学报 2024年第2期19卷 9-14页

作者：熊德成黄锦学陈仕东杨智杰福建师范大学地理研究所福州350117 福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站福建三明365002

由于研究方法的限制,植物细根寿命的准确估算仍较为困难,因此寻求一种准确的研究方法对细根寿命进行研究显得十分重要。微根管法和根箱法能够在不干扰细根生命过程的前提下连续观测植物细根动态,是一种非破坏性观测方法,被较多地应用于... 详细信息

由于研究方法的限制,植物细根寿命的准确估算仍较为困难,因此寻求一种准确的研究方法对细根寿命进行研究显得十分重要。微根管法和根箱法能够在不干扰细根生命过程的前提下连续观测植物细根动态,是一种非破坏性观测方法,被较多地应用于野外观测。结合课题组多年来运用微根管技术和根箱技术研究中亚热带代表性植物细根寿命的实例,对微根管法和根箱法的具体应用进行了介绍和分析,主要包括两种方法的具体实验设计、图片采集及分析、数据处理等,以期为促进对森林生产力和碳源汇控制机理的理解提供借鉴。

关键词：细根寿命微根管法根箱法延时摄影高频自动观测

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3种多年生禾本科牧草不同径级根系特征比较

应用与环境生物学报 2023年第5期29卷 1100-1108页

作者：乔福生王长庭宋小艳毛军西南民族大学青藏高原研究院成都610041

根系是植物吸收营养元素和水分的重要器官,可以维持和提高土壤质量,对退化高寒草甸的恢复演替起到重要作用.以3种多年生禾本科牧草(紫羊茅(Festuca rubra)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(Elymus sibiricus))单播草地作为研究对象... 详细信息

根系是植物吸收营养元素和水分的重要器官,可以维持和提高土壤质量,对退化高寒草甸的恢复演替起到重要作用.以3种多年生禾本科牧草(紫羊茅(Festuca rubra)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(Elymus sibiricus))单播草地作为研究对象,采用微根管技术对不同径级根系特征(现存量、生产量、死亡量、周转和寿命)的变化以及群落特征和土壤理化性质进行比较分析.结果表明:(1)3种牧草的总根系现存量和生产量均随着土层的增加而减少,总根系死亡量、周转及寿命在土层间无显著差异(P>0.05).(2)紫羊茅表层土壤1级根系周转分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦42.56%和45.29%;2级根系现存量、生产量和死亡量分别显著大于垂穗披碱草144.51、17.85和2.72 g/m^(2)及老芒麦155.31、17.57和2.06 g/m^(2),而1级根系现存量及生产量则分别显著小于垂穗披碱草72.68和5.12 g/m^(2).(3)紫羊茅群落盖度分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦群落盖度36.43%和142.77%,且群落生物量分别显著大于其他两种牧草67.70和116.52 g/m^(2).(4)老芒麦草地表层土壤碳磷比分别显著高于紫羊茅和垂穗披碱草49.27%和35.84%,而老芒麦草地深层土壤碳磷比则分别显著低于其他两种牧草37.83%和32.42%.(5)结构方程模型显示,牧草种类和土层深度通过影响土壤全氮含量间接影响不同径级根系的生产量和周转,进而影响不同径级根系现存量.综上所述,3种牧草的根系分配和形态特征之间具有明显的差异,且对土壤养分的利用效率也不相同;根据牧草对土壤养分资源的利用及根系分配特征,建植紫羊茅和老芒麦混播人工草地可能更有利于退化高寒草甸植物群落和土壤的恢复.

关键词：人工草地根系直径根系生产动态微根管法退化草地养分利用

温度升高对长江口芦苇湿地细根形态和生长的影响

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生态学报 2022年第9期42卷 3581-3595页

作者：丁一仲启铖张桂莲王开运郑思俊王小玲何晶李德志上海市园林科学规划研究院城市困难立地生态园林国家林业和草原局重点实验室上海城市困难立地绿化工程技术研究中心上海200232 华东师范大学生态与环境科学学院上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室上海200241

全球变暖对滨海湿地植物细根的影响目前尚不十分清楚。以长江口崇明东滩芦苇(Phragmites australis)湿地为对象,利用开顶式生长箱法进行模拟升温。于2019年5—10月,结合微根管法和根钻法,对0—40 cm土层细根(直径≤2 mm芦苇须根)的总根... 详细信息

全球变暖对滨海湿地植物细根的影响目前尚不十分清楚。以长江口崇明东滩芦苇(Phragmites australis)湿地为对象,利用开顶式生长箱法进行模拟升温。于2019年5—10月,结合微根管法和根钻法,对0—40 cm土层细根(直径≤2 mm芦苇须根)的总根长、总表面积、比根长、比表面积、平均直径和生物量等指标开展连续观测,并计算其净生长速率和周转速率,分析气温升高对芦苇湿地细根形态特征和生长动态的影响。结果表明:在整个生长季,升温显著提高了0—40 cm土层细根的总根长、总表面积和总生物量,且主要表现在0—20 cm土层,而对比根长、比表面积无显著影响。升温显著增强了0—40 cm土层细根的净生长速率,且使其季节变异性加大。升温显著提高了10—40 cm土层细根的周转速率,但在0—10 cm土层影响不显著。总之,升温显著提高了芦苇湿地细根的总量和生长速率,改变其在土壤中的垂直分布格局,但对其水分和养分吸收效率无显著影响。升温使细根周转速率加快,同时使参与周转的细根总量增加,导致各土层特别是0—20 cm土层根源有机碳输入显著增加,这可能会深刻影响芦苇湿地的土壤碳平衡。

关键词：全球变暖滨海湿地细根微根管法根源有机碳

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氮磷配施对高寒草甸植物根系特征的影响

草业学报 2023年第7期32卷 160-174页

作者：廖小琴王长庭刘丹唐国毛军西南民族大学青藏高原研究院四川成都610041

植物根系是固定和支撑植物体的重要器官,是草地生态系统重要的碳库之一。分析植物不同直径大小根系在不同浓度氮磷配施下的形态特征和生理功能,有利于了解高寒草甸植物根系生长特征、碳分配格局和养分循环。本研究在川西北高寒草甸采用... 详细信息

植物根系是固定和支撑植物体的重要器官,是草地生态系统重要的碳库之一。分析植物不同直径大小根系在不同浓度氮磷配施下的形态特征和生理功能,有利于了解高寒草甸植物根系生长特征、碳分配格局和养分循环。本研究在川西北高寒草甸采用微根管技术原位监测4个氮(N)、磷(P)梯度(CK:0 g·m^(-2);NP10:N 5 g·m^(-2)+P 5 g·m^(-2);NP_(2)0:N 10 g·m^(-2)+P 10 g·m^(-2);NP_(30):N 15 g·m^(-2)+P 15 g·m^(-2))根系动态(现存量、生产量、死亡量和周转率)的变化特征及其与环境因子间的相互关系。结果表明:1)土层间根系总现存量差异显著,0~10 cm土层施肥(NP10、NP20、NP30)显著降低了直径≤0.3 mm根系现存量,且NP30显著降低了总根系和直径>0.3 mm根系现存量;10~20cm土层NP20总根系和直径>0.3 mm根系现存量显著高于其他处理(P0.3 mm根系在NP30死亡量显著增加;10~20 cm土层,直径≤0.3 mm根系生产量和死亡量在施肥处理下显著低于CK,直径>0.3 mm根系生产量和死亡量均在NP20、NP30显著高于CK(P0.3 mm根系。4)结构方程模型进一步表明:根系现存量和生产量受土壤养分[全碳(TC);全氮(TN)]和根系直径大小的直接影响,土壤养分对根系周转率有正效应。综上:氮磷配施梯度对地下总根系现存量和死亡量影响显著,低、中氮磷(NP10、NP20)配施会降低植物对直径≤0.3 mm根系生物量的分配,投入更多的资源促进直径>0.3 mm根系的生长;高施肥(NP30)会使植物减少各直径大小根系生物量的分配,增加其死亡量,从而降低根系碳的积累。

关键词：氮磷配施根系直径大小根系特征微根管法高寒草甸

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3种多年生禾本科牧草不同径级根系特征

应用与环境生物学报 2023年

作者：乔福生王长庭宋小艳毛军西南民族大学青藏高原研究院

根系是植物吸收营养元素和水分的重要器官，可以维持和提高土壤质量，对退化高寒草甸的恢复演替起到重要作用。本研究以3种多年生禾本科牧草(紫羊茅(Festuca rubra)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(Elymus sibiricus))单播草地作... 详细信息

根系是植物吸收营养元素和水分的重要器官，可以维持和提高土壤质量，对退化高寒草甸的恢复演替起到重要作用。本研究以3种多年生禾本科牧草(紫羊茅(Festuca rubra)、垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(Elymus sibiricus))单播草地作为研究对象，采用微根管技术对不同径级根系特征(现存量、生产量、死亡量、周转和寿命)的变化以及群落特征和土壤理化性质进行比较分析。结果表明：1)3种牧草的总根系现存量和生产量均随着土层的增加而减少，总根系死亡量、周转及寿命在土层间无显著差异(P > 0.05)。2)紫羊茅表层土壤1级根系周转分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦42.56%和45.29%；2级根系现存量、生产量和死亡量分别显著大于垂穗披碱草144.51、17.85 和2.72 g/m2及老芒麦155.31、17.57和2.06 g/m2，而1级根系现存量及生产量则分别显著小于垂穗披碱草72.68和5.12 g/m2。3)紫羊茅群落盖度分别显著大于垂穗披碱草和老芒麦群落盖度36.43%和142.77%，且群落生物量分别显著大于其他两种牧草67.70和116.52 g/m2。4)老芒麦草地表层土壤碳磷比分别显著高于紫羊茅和垂穗披碱草49.27%和35.84%，而老芒麦草地深层土壤碳磷比则分别显著低于其他两种牧草37.83%和32.42%。5)结构方程模型显示，牧草种类和土层深度通过影响土壤全氮含量间接影响不同径级根系的生产量和周转，进而影响不同径级根系现存量。综上所述，3种牧草的根系分配和形态特征之间具有明显的差异，且对土壤养分的利用效率也不相同；根据牧草对土壤养分资源的利用及根系分配特征，建植紫羊茅和老芒麦混播人工草地可能更有利于退化高寒草甸植物群落和土壤的恢复。(图5 表3 参60)

关键词：人工草地根系直径根系生产动态微根管法退化草地养分利用

春玉米根系图像语义分割最佳分辨率和概率阈值研究

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同方期刊数据库

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核农学报 2023年第8期37卷 1690-1699页

作者：赵先丽蔡福李荣平王笑影谢艳兵温日红贾庆宇中国气象局沈阳大气环境研究所辽宁沈阳110166

为了探究根系图像不同概率阈值和分辨率对根系形态参数的影响,以微根管法观测的春玉米(Zea mays L.)抽雄期40 cm深度根系为例,采用降分辨率方法模拟扫描仪获取不同分辨率图像,基于深度学习U-Net语义分割方法建立的iRoot⁃V02根系自动识... 详细信息

为了探究根系图像不同概率阈值和分辨率对根系形态参数的影响,以微根管法观测的春玉米(Zea mays L.)抽雄期40 cm深度根系为例,采用降分辨率方法模拟扫描仪获取不同分辨率图像,基于深度学习U-Net语义分割方法建立的iRoot⁃V02根系自动识别软件对不同分辨率根系图像的根长、表面积、体积、直径、根尖数等形态参数进行识别,采用二阶导数方法获取根系与背景的分割阈值拐点,并探讨不同概率阈值对春玉米根系形态参数的影响。结果表明,春玉米抽雄期40 cm深度总根系形态参数(根总长、根总表面积、根总体积、根平均直径、根尖数)和分级根系形态参数(根长、根表面积、根体积)随概率阈值增大呈逐渐减小的趋势,根系形态参数在概率阈值5~20之间的变化幅度较大,在概率阈值25之后趋于稳定;通过曲线拐点方法分析确定,根总长曲线拐点出现在概率阈值25或30处。随着根系图像分辨率的减小,根总长和根尖数呈减小的趋势,而根总表面积和根总体积呈先增大后减小的趋势,根平均直径呈增大的趋势。通过对春玉米抽雄期40 cm深度不同概率阈值根系总的和分级形态参数分析,确定春玉米根系图像识别适宜的概率阈值为25或30;在图像数量较少时采用图像原始分辨率300 dpi分析为宜,图像数量较多时采用215 dpi分辨率为宜。本研究可为春玉米和其他作物根系形态参数的定量研究提供参考。

关键词：春玉米语义分割微根管法二值化根系形态参数

基于微根管法和土芯法的亚热带常绿阔叶林细根取样策略研究

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基于微根管法和土芯法的亚热带常绿阔叶林细根取样策略研究

作者：黄超超福建师范大学

学位级别：硕士

细根（＜2 mm）周转是森林生态系统养分循环和能量流动的重要组成部分,细根周转的科学准确估计一直是地下生态学研究的热点和难点问题之一,而确定合理的细根取样策略则是细根周转估计的重要前提。通过在福建省三明米槠（Castanopsis car... 详细信息

细根（＜2 mm）周转是森林生态系统养分循环和能量流动的重要组成部分,细根周转的科学准确估计一直是地下生态学研究的热点和难点问题之一,而确定合理的细根取样策略则是细根周转估计的重要前提。通过在福建省三明米槠（Castanopsis carlesii）天然常绿阔叶林内随机钻取96个土芯和布设96个微根管,分析细根生物量和形态特征的空间变异和直径分布,并对细根取样数量进行估计,以期为森林细根取样提供参考。结果表明:（1）在大的取样数量下,Shapiro-Wilk检验表明,只有土芯法中0-1 mm细根的生物量密度符合正态分布,而其它均不符合正态分布。（2）亚热带常绿阔叶林细根存在高度的空间异质性现象,各变量在不同土层、不同径级均表现出中等变异性或强变异性;对于相同的变量,微根管法比土芯法观测的细根变异更大。（3）根长、根表面积和根体积的直径分布不一致:直径较小的根其根长和根表面积占总根长和总根表面积的大部分,而其根体积只占总根体积的小部分。（4）微根管法和土芯法所观测的细根群体不匹配,相比于土芯法,微根管法观测的细根直径偏小。（5）经蒙特卡罗方法研究结果表明,取样55个可满足微根管法测定细根根长密度要求（90%置信水平,80%估计精度）,取样45、55个可分别满足土芯法测定细根生物量密度和细根根长密度要求（90%置信水平,90%估计精度）。以往大部分研究中细根取样数量严重偏少,在今后的研究中,应加大细根的取样数量,或采用观测范围更大的微根管法或根窗法来提高对细根观测的准确性。本研究结果为亚热带常绿阔叶林细根的合理取样提供了科学依据。

关键词：细根微根管法土芯法空间异质性取样数量常绿阔叶林亚热带

4种间作模式下牧草根系特性及其碳、氮代谢特征研究

同方学位论文库评论

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草业学报 2019年第9期28卷 45-54页

作者：蔺芳刘晓静童长春吴勇甘肃农业大学草业学院甘肃兰州730070 新乡学院生命科学技术学院河南新乡453000

为探究间作对牧草根系生长特性和碳、氮代谢特征的影响,通过田间试验,以紫花苜蓿、小黑麦、燕麦、玉米、甜高粱5种单作模式为参照,对紫花苜蓿/小黑麦、紫花苜蓿/燕麦、紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱4种间作模式进行了研究,采用目前先... 详细信息

为探究间作对牧草根系生长特性和碳、氮代谢特征的影响,通过田间试验,以紫花苜蓿、小黑麦、燕麦、玉米、甜高粱5种单作模式为参照,对紫花苜蓿/小黑麦、紫花苜蓿/燕麦、紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱4种间作模式进行了研究,采用目前先进的微根管观测系统并结合计算机成像技术对紫花苜蓿和4种禾本科牧草单作及间作下根系的生长状况进行了原位观测,并且对4种间作模式下碳、氮代谢关键酶及产物进行了研究。结果表明,无论单作还是间作,根系参数与碳、氮代谢各指标均呈正相关关系,其中根长、根表面积均与核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)和硝酸还原酶(NR)活性呈极显著正相关(P<0.01),与蔗糖磷酸合成酶(SPS)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性呈显著正相关(P<0.05),表明根系特性与碳、氮代谢具有一致性;4种间作模式下禾本科牧草的根长、根表面积等根系参数明显优化,而紫花苜蓿根系特性与单作相比表现不一,与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿其根系特性受到了明显地抑制(显著低于单作),表现为竞争弱势,而与小黑麦和燕麦间作的紫花苜蓿则未受影响;4种间作模式下禾本科牧草功能叶RuBPCase和NR活性与单作比均显著性增加,而紫花苜蓿功能叶RuBPCase和NR活性与单作相比趋势不尽相同,与玉米和甜高粱间作的紫花苜蓿其RuBPCase和NR活性显著低于单作,而与小黑麦和燕麦间作的紫花苜蓿则差异不显著。由此可见,供试牧草根系特性和碳、氮代谢特征表现趋势一致;在4种间作模式下根系特性和碳、氮代谢特征均表现为禾本科牧草优于豆科牧草;紫花苜蓿/小黑麦和紫花苜蓿/燕麦这2种间作模式下综合表现最佳。

关键词：间作模式微根管法根系特性碳代谢氮代谢