一、應用

根際是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面，也是物質和能量交換的結點，根系生產和周轉直接影響陸地生態系統碳和氮的生物地球化學循環。自1904年德國科學家Lorenz Hiltner提出根際這一概念后，相關研究方興未艾。但由于受土壤不可觀測性的限制，傳統的研究方法如挖掘法、剖面法、盆栽法及土柱法仍在大量使用，陸地生態系統根際微生態學的研究進展緩慢，因此尋找并建立新的根際微生態研究方法就顯得至關重要。

近年來隨著光學和電子學技術的提升，特別是微根窗法(Minirhizo tron)的應用，使根際微生態研究得到了較快的發展。當前，這是唯壹可多個時間段內原位重復觀測根系的方法，其*大優點是在不干擾細根生長過程的前提下，原位長期連續觀測并記錄細根從出生到死亡的消長變化動態。這種測量方法是非破壞性的，是傳統的研究方法不可替代的。因此，在國外，微根窗技術目前被廣泛應用于森林、果園、草地、沙漠和農業生態系統等植物根系動態及其功能的研究中。

二、原理

AZR-100利用微根管技術，由一個插入土壤中的微根窗管、攝像頭、標定手柄、圖像采集系統等組成。將攝像頭伸入埋設在根系周圍的透明管內，通過圖像采集系統進行圖像抓取根系照相，然后借助專業根系分析軟件系統對混合圖像進行分析，從而跟蹤了解其生長過程。

三、特點

• 600*800像素高精度高清攝像頭

• 圖像采集系統，便攜性強，方便野外試驗

• 20*16mm拍照視野，減少圖片拍攝和處理工作量

• 圖像拼接顯示，確保相鄰圖片間無縫連接

• 電池可供連續使用20h以上

• 白色光源與紫外光源可選，可分析死亡根系

• 專業圖像分析軟件，可多幅圖片同時分析

四、基本系統組成

高精度照相系統

圖像捕獲系統（包括：攝像頭控制軟件，圖片管理軟件，安裝在便攜式手提箱中的野外控制系統）

• 紫外光源系統(內置)

• 定位手柄系統

• 便攜式儀器箱

• 根管(含防水蓋)及安裝工具

• 標尺系統及打孔工具

• 專用圖像分析軟件

• 蓄電池和充電器

五、技術指標

1. I-CAP圖像抓取系統：采集器，12英寸顯示屏，控制器可以遙控攝像頭白光水平及聚焦，控制平臺含電源開關，控制攝像頭的光學放大縮小開關，UV紫外光源的開關，成像焦距的微調開關；圖像抓取系統集成于野外工作箱上，整套系統可配備背帶箱，攝像頭配備圓筒便攜箱；圖像采集軟件（帶加密狗）；

2. NTSC制式彩色攝像頭，分辨率800*600；20*16mm拍照視野，防水性能設計，超高解析度，放大倍數可達100倍，帶可調節強度白光系統可以使攝像頭深入土壤深層, 具管道清潔器, UV紫外光源系統照明系統，從而在白光和UV光之間切換，可辨別死根和活根，UV光源與測量同步使用；

3. 電源：12伏便攜充電電池可使用20小時；4.5米連接線：除攝像頭與控制器連接線外，可根據需求加長； 

4. 2.2米套筒式標定手柄：通過控制攝像頭深度和轉動以準確定位圖片；

5. 紫外光源系統：紫外光源的為雙側照明模式，以提高光源的穩定性, 以辨別活體和死體的組成部分, 與主系統同步測量使用；

6.定位手柄：2.2米套筒式，帶定位孔，定位孔位于微根管上，可以將定位手柄固定在微根管上，定位孔的直徑可任意定制大小，每個定位孔標有刻度，以13.5mm為步進,通過引索桿定位，將攝像頭準確定位在同一位置，拍攝不同時間下的根系圖片，研究細根生長及周轉；

7. 專業植物根系數據分析軟件。可監測分析參數：細根長、細根直徑、細根面積、細根總長、細根總面積、細根平均直徑、細根數量及生物量、細根壽命、細根周轉率等，其100倍高倍放大功能，可用于監測分析根毛及菌根生理生態和動態等; 可以以交互方式方便地分析根系，該軟件一次分析一幀圖像;操作者需要在不同圖像間手動跟蹤所需分析的根，軟件在屏幕上顯示根的形態信息;用于可以根據需要編輯各個根部;在屏幕上通過圖形方式顯示根長度分布、面積、體積、根尖數量等，將它們作為根直徑的函數;軟件可以提供根長度、平均直徑、投影面積、表面積、根體積、分類數量、每個直徑類的根尖數量等;測量結果可以顯示在屏幕上，同時提供分析數據的文件;程序可以自動檢索并分析此前在相同地點拍攝的圖像;除了以上分析功能，該軟件能夠使用戶處理時間-空間上的連續性，將多幅圖像拼接;對于不同時間相同位置的圖像進行分析時，同時加載以前的分析信息;拼接的多幀圖像中的內容可以一起分析;對于一幀圖像進行分析所得的信息，可以復制到與其連續的圖像上從而節約分析時間等多種功能；

8. 測管：測管直徑50mm，長1800mm，可根據實際需求定制。

9. 環境溫度: 3?40℃; 相對濕度: 5%-95%；

10. 工作電壓: 充電電池：7 Ahr/12V 鉛酸電池；充電器：220 V AC @ 4.5 A。

六、數據處理

6.1 根系根長密度和根系面積密度

在微根管圖像中測量根的長度，通過總根長除以觀察的整個管面積獲得根系單位面積根長密度RLD（mm?cm-2或cm?cm-2）。根系表面積的計算可用觀察到的根長乘以根直徑。同樣，以單位面積圖片中觀察到的根系表面積可得到單位面積根面積密度（mm2?cm-2或 cm2?cm-2）。

6.2 細根生長與死亡

RLDP和RLDM分別表示細根生長量和細根死亡量。假設根系在兩次相鄰采樣間隔期內的生長與死亡速率一致的前提下，以單位管面積上根系根長的增加與減少來表示相鄰兩次采樣間隔期內根系的生長與死亡，然后除以間隔時間，得到細根生長RLDP和死亡RLDM。

式中：RLDP  ——間隔期內根系生長量，mm?cm^-2?d^-1；

         RLDM   ——間隔期內根系死亡量，mm?cm^-2?d^-1；

         RLDn  ——第n次觀測到的根系根長密度值，mm?cm^-2；

         RLDn+1  ——第（n+1）次觀測到的根系根長密度值，mm?cm^-2；

         T  ——相鄰兩次采樣間隔時間，d。

6.3 根系生長死亡量、現存量和周轉計算

1）根系年生長量為一年內所有次采樣得到的根系根長凈增加值（包括所有出現的新根長與以前存在的根系長度凈增加值）；根系年死亡量為一年內所有次采樣中根系長度的消失（包括存在根的死亡以及由于根系的脫落或昆蟲的取食引起根長的減少值）；根系年生長量與年死亡量的單位也以每年單位管面積內的單位根長來表示（mm?cm^-2?a^-1）。         

2）根系現存量以每次觀測到的單位面積活根系長度來表示。

3）根系周轉估計采用以下3種方法進行估計。

① 年根系生長量與年根系平均現存量之比。

② 年根系死亡量與年根系平均現存量之比。

③ 年根系生長量與年根系*大現存量之比。

6.4 土壤水分溫度鹽分及土壤溶液中養分離子等環境因子

土壤水溫鹽、土壤溶液中養分離子等環境因子的數據可導入到生態參數科學計算軟件中。此軟件是北京華益瑞科技有限公司集合近十年服務生態研究領域的經驗，自行研發設計的專業生態環境采集、計算軟件。該軟件可采集全球*先進的水、土、氣、生物觀測設備的數據，計算生態環境研究的專業參數, 并有多種計算功能可選，用戶也可輸入自制模型或計算公式。