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土壤水分对膨大根系探地雷达估算的影响及相关方法和建议

土壤水分对膨大根系探地雷达估算的影响及相关方法和建议

  • 分类:植物表型资讯
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2021-10-10 06:10
  • 访问量:

【概要描述】探地雷达可以用来估计膨大的根系质量。湿润的土壤可以提高探地雷达数据的预测质量,但在整个研究地点和期间,含水量需要是均匀的。确定最佳的土壤含水量将需要进一步研究。

土壤水分对膨大根系探地雷达估算的影响及相关方法和建议

【概要描述】探地雷达可以用来估计膨大的根系质量。湿润的土壤可以提高探地雷达数据的预测质量,但在整个研究地点和期间,含水量需要是均匀的。确定最佳的土壤含水量将需要进一步研究。

  • 分类:植物表型资讯
  • 作者:PhenoTrait
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  • 发布时间:2021-10-10 06:10
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      随着研究人员寻求了解地下生产力和育种者努力选择根部性状,根部表型方法越来越重要。对于马铃薯和木薯等块根和块茎作物来说,有效的非破坏性根部表型方法还不存在。木薯是整个热带地区自给农户广泛种植的热带作物,是世界上第四大主食作物,但在研究方面却很落后。它的生长周期很长,有时超过12个月。早熟是育种者的一个主要目标,但由于缺乏非破坏性的产量估计方法,选择早熟的能力受到了阻碍。探地雷达(ground penetrating radar,GPR)是一种有可能帮助选择膨大根的工具,但标准方法还没有开发出来。在本研究中,描述了一个可在野外使用的探地雷达系统,该系统更适合于通过使用空气发射天线阵列来估计膨大的根部质量。

 

  由于大小和形状相似,萝卜被认为是合适的示范根。根系被水平放置在坑(图1)中,并被排列成最大的相邻根系之间的角度,以模仿木薯的根系生长。每个小区的根的数量在1到5之间变化,以增加小区质量的变化和根的方向的变化(图2)

 

  图1 研究是在用沙质壤土堆砌的大型高床中进行的。小区被仔细测量并用绳子标记。

 

  图2 在空间允许的情况下,根水平放置以最大限度地增加相邻根之间的角度。包含1到5根的地块。

 

  Campbell Scientific CS655土壤水分传感器(Logan, Utah, USA)被放置在第一个和最后一个地块的两个深度:5厘米和20厘米。探地雷达系统使用的雷达传感器是由IDS Georadar(Pisa, Italy)制造的实验性负载偶极阵列,该阵列由4个发射器和4个接收器交替组成,每个接收器与相邻的天线间隔4厘米,如图3。天线是宽频的,中心频率为1.8GHz。雷达在18纳秒内捕获512个样本,每1厘米就有一个脉冲,由一个编码器轮测量。通道配置将每个天线与其直接相邻的天线配对,总共有7个通道,每个通道偏移4厘米。阵列是空中发射的,安装在一个四轮小车上,小车横跨地块,将天线外壳的底部放在离地表39厘米处(图4)。

 

  图3 天线阵由4个发射天线和4个接收天线组成,平均间隔4cm。7个扫描通道将每个天线与其相邻天线配对。Tx为发射天线,Rx为接收天线,Ch为信道配对。

 

  图4 天线车有4个轮子,横跨在地块上。天线阵悬挂在中间,一侧有一根塑料杆表示天线阵的中心在地面上的位置。

 

  使用GPR Studio 1.0版(Crop Phenomics LLC, College Station, TX, USA)处理数据,这是一个为探地雷达数据的定量分析开发的Python软件库。该软件利用公布的数据处理库和定制的GPR分析专用函数。处理流程如图5。

 

  图5 数据处理工作流程的第1阶段。

 

  在五个灌溉处理中,结果如图6,有三个发现探地雷达数据和萝卜根部质量之间存在明显的相关性。相关性强度随着土壤含水量的增加和地块间土壤含水量变化的减少而提高。皮尔逊相关系数(R)从0.53-0.79不等。这是第一个显示湿土的数据质量比干土更好的研究。它在证明电介质均匀性对估计根部质量的重要性方面是新颖的。

 

  图6 5个处理的相关回归。阴影区域表示基于10,000次迭代的引导测试的95%置信区间。请注意,θ代表体积含水量(volumetric water content,VWC)。虽然未灌溉处理的VWC变化最小,但灌溉4处理的相关性最强,表明湿润土壤与干燥土壤的噪音可能减少。灌溉1具有最高的VWC变异,以及最弱的相关性,相关性最弱。

 

  总之,探地雷达可以用来估计膨大的根系质量。湿润的土壤可以提高探地雷达数据的预测质量,但在整个研究地点和期间,含水量需要是均匀的。确定最佳的土壤含水量将需要进一步研究。

 

  来源:Brody L Teare, Henry Ruiz, Afolabi Agbona, Matthew Wolfe, Iliyanna Dobreva, Tyler Adams, Michael Selvaraj, Dirk B Hays. Effect of Soil Water on GPR Estimation of Bulked Roots, Methods, and Suggestions. Plant Methods. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-907807/v1

 

  编辑:王春颖

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