桶栽棉花根系構(gòu)型的分形特征分析

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1、灌溉排水學(xué)報(bào)２０１５年４月第３４卷第４期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章編號(hào)：１６７２－３３１７（２０１５）０４－００７５－０５桶栽棉花根系構(gòu)型的分形特征分析陳紹民，李明思，高超，趙宇龍，郝忠文（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子８３２００３）摘要：通過(guò)桶栽試驗(yàn)，利用分形理論研究了棉花根系構(gòu)型隨生育階段的變化特征。結(jié)果表明，蕾期—花期，棉花整體根系構(gòu)型與側(cè)根構(gòu)型的計(jì)盒維數(shù)都逐步增大，根系分布空間逐步趨向連續(xù)空間；雖然側(cè)根構(gòu)型的計(jì)盒維數(shù)（１．０９１～１．４２１）始終小于整根構(gòu)

2、型的計(jì)盒維數(shù)（１．３３０～１．４６８），但其在后期的增加速度比整根構(gòu)型的相應(yīng)值大；直至進(jìn)入花期，側(cè)根構(gòu)型計(jì)盒維數(shù)接近整根構(gòu)型計(jì)盒維數(shù)，說(shuō)明棉花后期以側(cè)根生長(zhǎng)為主。根系分形豐度值的變化規(guī)律與計(jì)盒維數(shù)類(lèi)似，花期的側(cè)根構(gòu)型豐度值（４．１１１３）基本接近整根構(gòu)型的豐度值（４．１８９），表明花期的棉花根系分布形式基本不變化，而二級(jí)和三級(jí)側(cè)根的空間占有能力仍很強(qiáng)，使根系密度增加。關(guān)鍵詞：棉花；根系構(gòu)型；分形理論；計(jì)盒維數(shù)；桶栽試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào)：Ｓ５６２；Ｓ３１４文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ

3、．２０１５．０４．０１６陳紹民，李明思，高超，等．桶栽棉花根系構(gòu)型的分形特征分析［Ｊ］．灌溉排水學(xué)報(bào)，２０１５，３４（４）：７５－７９．０引言對(duì)于局部灌溉技術(shù)來(lái)說(shuō)，作物根系構(gòu)型是合理設(shè)計(jì)土壤有效濕潤(rùn)范圍的重要依據(jù)。雖然作物根系構(gòu)型［１］較為復(fù)雜，數(shù)學(xué)描述較為困難，但其在一定尺度范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)自相似結(jié)構(gòu)特征，可用分形維數(shù)反映根系［２］分支狀況，確定根系分形特征。Ｔａｔｓｕｍｉ等較早提出運(yùn)用計(jì)盒維數(shù)法對(duì)植物根系形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分形［３－５］分析，自此計(jì)盒維數(shù)在根系描述方面得到了普遍運(yùn)用。研究表明，分形維數(shù)直接反映

4、了根系在時(shí)間、空間［６］［７］和土壤環(huán)境影響下發(fā)育程度的差異；分形維數(shù)的變化與植物根系深度和土壤含水率變化相關(guān)；不同水分［８］處理對(duì)根系分形維數(shù)的影響較大。現(xiàn)有基于分形理論的作物根系構(gòu)型研究大多集中于須根系的作物根系，而關(guān)于直根系作物根系分形方面的研究鮮見(jiàn)。為此，通過(guò)桶栽試驗(yàn)，初步探討直根系作物———棉花不同生育階段（苗期、蕾期、花期）的根系構(gòu)型，并計(jì)算根系構(gòu)型（主根與側(cè)根）的計(jì)盒維數(shù)，對(duì)認(rèn)識(shí)棉花在不同生育階段中的根系構(gòu)型的分形特征具有重要意義。１材料與方法１．１試驗(yàn)材料桶栽試驗(yàn)于２０１４年５—８月在石河子大

5、學(xué)水利建筑工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行（８６°０３′２７″Ｅ，４４°１８′２５″Ｎ，海拔４５１ｍ）。供試棉花品種“新陸早４８號(hào)”，試驗(yàn)用桶規(guī)格為（頂部?jī)?nèi)經(jīng)×底部?jī)?nèi)徑×高）：４５ｃｍ×３５ｃｍ×５３ｃｍ（苗期和蕾期）、４８ｃｍ×３７ｃｍ×５５ｃｍ（花期），每桶種植１株棉花。每個(gè)生育階段設(shè)４個(gè)重復(fù)，共有１２個(gè)桶。苗期、蕾期、花期棉花灌水量分別為１、２、３Ｌ／（次·桶）。為避免水分快速沿桶壁下滲，在土壤表層埋入直徑為３０ｃｍ的防水紙圈，埋深為５ｃｍ。降水過(guò)程中對(duì)棉花采取避雨措施，以保證水分處理的有效性。１．２測(cè)試方法為了減

6、小對(duì)根系的破壞，在距棉株１５ｃｍ處沿深度方向每１０ｃｍ?。眰€(gè)土樣，采用烘干法測(cè)定剖面土壤收稿日期：２０１４－１１－０７基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（５１０６９０１２）作者簡(jiǎn)介：陳紹民（１９８９－），男，四川蓬溪人。碩士研究生，主要從事灌溉原理與技術(shù)應(yīng)用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｍｉｎ＿ｌｙ２４＠１２６．ｃｏｍ通訊作者：李明思（１９６５－），男。教授，主要從事灌溉原理與技術(shù)應(yīng)用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｅｅｍｉｎｃｅ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ７５水分。采用沖洗法和雙向切片法分別獲得整根構(gòu)型和根系分布參數(shù)。采用沖洗法時(shí)，

7、將桶自上而下切開(kāi)若干小口，清水細(xì)流沖洗，以避免根系遭到水力破壞；土壤隨水流走后獲得棉花整根，測(cè)量主根和側(cè)根長(zhǎng)度，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量主根和側(cè)根直徑，采用量角器測(cè)量深度方向的側(cè)根與主根之間的夾角。采用雙向切片法時(shí)，在水平方向上以棉株為中心，按１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ的樣方在水平和深度方向取樣，直至桶邊。揀出根樣后，沖洗干凈，然后鋪在有尺度的紙上拍照，用Ｒ２Ｖ軟件將根系圖像矢量化，用ＯｆｆｉｃｅＡｃｃｅｓｓ２００３處理矢量化結(jié)果文件并計(jì)算出根長(zhǎng)。將獲得的整根和側(cè)根展開(kāi)放置于白色背景上，用數(shù)字照相機(jī)（ＳＯＮＹＤＳＣ

8、－Ｈ５０）采集根系的原始圖像，再利用圖像處理軟件（ＡＣＤＳｅｅ．１５）獲得合適像素的數(shù)字圖像，在ＭＡＴＬＡＢ仿真平臺(tái)上將圖像二值化并計(jì)算其計(jì)盒維數(shù)。１．３計(jì)盒維數(shù)計(jì)算依據(jù)構(gòu)造直徑為δ的盒子，用不同直徑的盒子去完全覆蓋研究對(duì)象Ｆ，Ｆ所截的盒子數(shù)為Ｎδ（Ｆ）。則計(jì)盒維數(shù)被定義為：ｌｏｇＮδ（Ｆ）ｄｉｍＤ（Ｆ）＝ｌｉｍ。（１）δ→０－ｌｏｇδｋｋ的像素，選用合適的閾圖像二值化像素時(shí)，首先將彩色圖像變?yōu)榛叶?/p>