技术领域

本发明涉及根系构架指数领域，特别是涉及一种根系构架指数确定方法及系统。

背景技术

根系与土壤通过网络连接、根土粘结和生物化学作用形成根土复合体，对植被恢复和有效发挥水土保持功能，提高生态效益极为重要。在干旱等不利生境下的植被建造中，根系能通过弯曲缠绕、减少分支能力、增加连接长度、调节自身周转时间等方式来适应和维持植物群落的稳定性，表现出较宽的生态学变幅。因此，在植被恢复特定环境下，地下部根系系统的相互匹配，是未来植物群落合理结构形成和有效发挥作用的关键。

对于单一植被类型，根系构型，即同一植物根系中不同级别的根在生长介质中的相互连接情况和空间分布，是一个重要的表征指标。目前在根系构型定量化表征的研究中，侧重于根系密度、根长密度、有效根密度、根比表面积密度等数量指标，也有研究采用了根系拓扑指数、连接长度、分支率等空间指标，并引入根系水平分布均匀特征和根系弯曲特点来描述根系形态和分布；比较新颖的是有学者引入Amoeba图形法，通过根径、根深和根长三个指标对根系构型整体定量，这在一定程度上是根系定量表征研究的一种大胆尝试和进步，但其仍局限在单一植被类型。针对两种或两种以上的植被重建模式，不同植物根系之间通过分支连结的方式，与土壤极易形成根系的“根砼”构架，其在坡面土体稳定性方面显得尤为重要，但根系构型的概念不能很好地表征这种结构特征和功能。如何将根系形态特征、数量特征和空间连接特征指标有效融合起来，全面表征根系构架性状，形成可以量化的根系构架指数等参数显得极为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种根系构架指数确定方法及系统，从植物根系形态、数量和空间连接特征三个维度，引入Amoeba图形法，建立“根系构架指数”，为植被群落建造与生态建设成效评估提供科学参考。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种根系构架指数确定方法，包括：

基于根系质量密度确定根系构架作用系数；所述根系构架作用系数用于表征根系形态作用大小；

基于抗冲实验确定根系密度；所述根系密度用于反映植被群落根系的数量特征；

基于Amoeba图形法计算根系构架度；

基于环刀法测定土壤容重；所述土壤容重用于反映土壤结构性质；

根据所述根系构架作用系数、所述根系密度、所述根系构架度以及所述土壤容重确定根系构架指数。

可选的，所述基于根系质量密度确定根系构架作用系数，具体包括：

以时间为横坐标，根系密度为纵坐标形成直线；

拟合所述直线的斜率，所述斜率为根系构架作用系数。

可选的，所述基于抗冲实验确定根系密度，具体包括：

将做完抗冲试验的含根土壤样品在筛网上反复冲洗，将土壤中所有的根系洗出，置入80℃烘箱中，烘干至恒定质量，再分别对所有的根系称质量并记录；根系密度的计算公式如下：

式中：Rd—根系密度；M—烘干根系质量；V—采样器体积。

可选的，所述基于Amoeba图形法计算根系构架度，具体包括：

基于科学性、有效性和实用性三个原则，选择根径、根长和最大根深建立三维坐标系；

连接所述三维坐标系上的点，形成Amoeba图；

根据所述Amoeba图计算根系构架度。

可选的，所述根系构架度的计算公式如下：

式中，S—根系构架度，a—平均根径，b—总根长，h—最大根深。

可选的，所述土壤容重计算公式如下：

式中，ρ—土壤容重，m—烘干土重量，v—环刀容积，为100cm3。

可选的，所述根系构架指数计算公式如下：

式中，RFI—根系构架指数，α—根系构架作用系数，Rd—根系密度，S—根系构架度，ρ—土壤容重。

本发明还提供了一种根系构架指数确定系统，包括：

根系构架作用系数确定模块，用于基于根系质量密度确定根系构架作用系数；所述根系构架作用系数用于表征根系形态作用大小；

根系密度确定模块，用于基于抗冲实验确定根系密度；所述根系密度用于反映植被群落根系的数量特征；

根基构架度确定模块，用于基于Amoeba图形法计算根系构架度；

土壤容重测定模块，用于基于环刀法测定土壤容重；所述土壤容重用于反映土壤结构性质；

根系构架指数确定模块，用于根据所述根系构架作用系数、所述根系密度、所述根系构架度以及所述土壤容重确定根系构架指数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于根系质量密度确定根系构架作用系数；基于抗冲实验确定根系密度；基于Amoeba图形法计算根系构架度；基于环刀法测定土壤容重；根据所述根系构架作用系数、所述根系密度、所述根系构架度以及所述土壤容重确定根系构架指数。本发明基于科学性、有效性和实用性三个原则，从植物根系形态、数量和空间连接特征三个维度，引入Amoeba图形法，建立“根系构架指数”，为植被群落建造与生态建设成效评估提供科学参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例根系构架指数确定方法的流程图；

图2为本发明Amoeba图；

图3为本发明刺槐林地根系构架指数和土壤侵蚀量的示意图；

图4为本发明实施例根系构架指数确定系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种根系构架指数确定方法及系统，从植物根系形态、数量和空间连接特征三个维度，引入Amoeba图形法，建立“根系构架指数”，为植被群落建造与生态建设成效评估提供科学参考。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种根系构架指数确定方法包括以下步骤：

步骤101：基于根系质量密度确定根系构架作用系数；所述根系构架作用系数用于表征根系形态作用大小。

不同形态植被根系的生长特征存在差异，致使其构架水平和稳定性有所不同。本发明采用根系构架作用系数(α)来表征根系形态作用大小(即根系构架配置水平)，其取值依据是基于根系质量密度是研究植被根系最基本和最重要的参数之一，其大小是以时间(年)为横坐标，根系密度为纵坐标形成的拟合直线的斜率，无量纲。

步骤102：基于抗冲实验确定根系密度；所述根系密度用于反映植被群落根系的数量特征。

根系密度用于反映植被群落根系的数量特征。根系生物量的获取是将做完抗冲试验的含根土壤样品在筛网上反复冲洗，将土壤中所有的根系洗出，置入80℃烘箱中，烘干至恒定质量(g)，再分别称其质量并记录。根系密度用Rd(rootdensity)表示，计算采用公式(1)：

式中：Rd—根系密度(kg/m3)；M—烘干根系质量(kg)；V—采样器体积(m3)。

步骤103：基于Amoeba图形法计算根系构架度。

基于科学性、有效性和实用性三个原则，选择根径、根长和最大根深3个指标建立三维坐标系，x、y、z轴分别代表平均根径、总根长和最大根深，连接三点形成Amoeba体积图(如图2所示)，即为根系构架度(S)，用于表征根系的空间连接特征。由于根系构架度是借助Amoeba图形法计算获取的，其过程具有数学意义，但不存在物理意义，故视为无量纲。其表达式为：

式中，S—根系构架度(无量纲)；a—平均根径(cm)；b—总根长(cm)；h—最大根深(cm)。

步骤104：基于环刀法测定土壤容重；所述土壤容重用于反映土壤结构性质。

基于科学性、代表性和易获取性，本发明土壤结构性质指标选取了土壤容重。土壤容重采用环刀法测定。其表达式为：

式中，ρ—土壤容重(g/cm3)；m—烘干土重量(g)；v—环刀容积，通常为100cm3。

步骤105：根据所述根系构架作用系数、所述根系密度、所述根系构架度以及所述土壤容重确定根系构架指数。

通过上述分析，量化根系构架应在一定土壤结构性质基础上从根系形态、数量和空间连接特征三个维度系统考虑。因此，根系构架指数(RFI，％)的表达式为：

式中，α—根系构架作用系数(无量纲)；Rd—根系密度(kg/m3)；S—根系构架度(无量纲)；ρ—土壤容重(g/cm3)。

其中，草本根系按根茎直径计算，乔(灌)木按采样点实际根径计算，当根系形态包括两类及以上时，其根径取其平均值。最大根系深度的取值依据是基于细沟和浅沟侵蚀是黄土高原坡地的主要侵蚀形式，侵蚀深度以≤60cm为主，以及研究区植被根系主要分布在土壤表层0-60cm两方面因素，从根系抗侵蚀角度，认为当根系深度≤60cm时，最大根系深度按实际取值，>60cm时，最大根系深度取值60cm。

图3是与本发明相近的不同林龄的刺槐根系构架指数和土壤侵蚀量的变化特征。其中，农地(谷子、糜子)为对照，根系参数来自4年和11年的刺槐林。土壤侵蚀量为1980-1989年刺槐幼林(1-6年)和成林(7-15年)样地观测数据的平均值。由图3可以看出，从根系抗侵蚀角度出发，随着根系构架指数的增加，植被根系在地下三维空间上形成的“根砼”构架与土壤形成根土复合体，强化了土壤抗侵蚀能力，致使土壤侵蚀量显著下降。可见，从地下根系相互匹配角度构建的根系构架指数有助于评价植被恢复及其水土保持功效，进一步为区域生态系统功能评价提供参考。

如图4所示，本发明还提供了一种根系构架指数确定系统，包括：

根系构架作用系数确定模块401，用于基于根系质量密度确定根系构架作用系数；所述根系构架作用系数用于表征根系形态作用大小。

根系密度确定模块402，用于基于抗冲实验确定根系密度；所述根系密度用于反映植被群落根系的数量特征。

根基构架度确定模块403，用于基于Amoeba图形法计算根系构架度。

土壤容重测定模块404，用于基于环刀法测定土壤容重；所述土壤容重用于反映土壤结构性质。

根系构架指数确定模块405，用于根据所述根系构架作用系数、所述根系密度、所述根系构架度以及所述土壤容重确定根系构架指数。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。