劉秀位，谷慧杰,2，韓 潔，姜寒冰,2，段世名,2

基于探地雷達(dá)和電容法的作物根系原位無損測量技術(shù)研究進(jìn)展

劉秀位1，谷慧杰1,2，韓 潔3，姜寒冰1,2，段世名1,2

（1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050022；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 河北科技大學(xué)圖書館，石家莊 050018）

改善根系結(jié)構(gòu)提高作物的抗逆特性是保障糧食安全的有效途徑。但傳統(tǒng)破壞性取樣根系測量方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且破壞了根系的原位狀態(tài)。為滿足栽培和育種對根系信息的需求，亟需發(fā)展原位無損的根系測量方法。因此，該研究綜述了相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以目前能夠在田間應(yīng)用的作物根系原位無損測量技術(shù)-探地雷達(dá)和電容法為例，系統(tǒng)分析總結(jié)了兩者技術(shù)原理、當(dāng)前應(yīng)用情況、存在的關(guān)鍵問題以及未來研究方向等，研究認(rèn)為，提高探地雷達(dá)測量作物根系的精度和證實(shí)電容法測量根系的可行性是未來研究主要的著力點(diǎn)。

根系；原位無損測量；探地雷達(dá)；電容法；土壤水分

0 引 言

世界人口持續(xù)增長需要穩(wěn)定的糧食增長供應(yīng)[1]。小麥矮稈化與高水肥投入共同作用使得糧食產(chǎn)量獲得巨大的提高，但同時(shí)也帶來了生態(tài)環(huán)境問題。提高作物水肥利用效率，尤其是通過改善作物根系提高作物抗逆性是解決糧食短缺問題和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[2]。然而不同于地上部分，根系的不可見性給其測量帶來了極大困難。傳統(tǒng)的根系測量方法（如挖掘法，根鉆法等）雖然可以獲得比較準(zhǔn)確的根系參數(shù)（如根長，根干物質(zhì)等），但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、且破壞性強(qiáng)，難以在田間重復(fù)測量[3-4]。后來開發(fā)的微根管技術(shù)，雖然可以獲得直觀的根系圖像，但其安裝過程中仍然破壞土壤結(jié)構(gòu)，根管周圍的微土壤環(huán)境與實(shí)際大田不同，此法獲得的根系數(shù)據(jù)代表性受到質(zhì)疑[4]。而且大量安裝根管會影響田間栽培管理，因此，微根管技術(shù)并沒被廣泛應(yīng)用。Trachsel等[5]研發(fā)的shovelomics方法是在田間將根系用鐵鍬挖出，經(jīng)過洗根、圖片采集等處理后，利用根系分析軟件或打分板獲取根系屬性的一種高通量根系測量方法，在一定程度上提高了根系參數(shù)獲取效率，但此法仍然是破壞性取樣。為滿足栽培和育種對根系信息高通量的需求，亟需發(fā)展原位無損的根系測量方法。

根系原位無損或低損的測量技術(shù)包括電容法、探地雷達(dá)技術(shù)、X-射線技術(shù)和核磁共振法等，以及通過根系吸收功能間接判定根系分布的技術(shù)，如同位素示蹤技術(shù)、水同位素技術(shù)和土壤水分監(jiān)測技術(shù)等[4,6-11]。核磁共振法目前處于室內(nèi)研發(fā)階段；X-射線技術(shù)發(fā)展較快，尤其是在室內(nèi)條件下的應(yīng)用在逐漸增多，但是由于其輻射較強(qiáng)且價(jià)格昂貴，其在田間直接應(yīng)用的前景較低。探地雷達(dá)和電容法是當(dāng)前在田間直接應(yīng)用的根系原位無損測量技術(shù)。另外，通過監(jiān)測土壤水分變化可很好的反映根系分布[10,12]，目前常用的土壤水分的監(jiān)測方法（中子法、時(shí)域反射法、介電系數(shù)法、烘干法）只能提供點(diǎn)的土壤水分信息[13]，并不能監(jiān)測較大面積（如小區(qū)尺度）土壤水分的變化。而探地雷達(dá)和高密度電阻率成像法（Electrical Resistivity Tomography，ERT）可以快速地獲取土壤水分的空間分布信息[7,13-17]，因此，可以通過探地雷達(dá)和電法（電容法、ERT）直接或間接獲取根系信息。

已有一些文章分別綜述了探地雷達(dá)和電容法在測量根系中的應(yīng)用[9,16,18-22]。然而這些報(bào)道并沒有涉及這兩種技術(shù)在作物根系測量中的比較。探地雷達(dá)以前被廣泛用來測量樹木等植被的粗根系[9]，在田間作物上的應(yīng)用較少[18]，電容法在測量作物根系中的應(yīng)用最多，但是近些年關(guān)于其測定根系的可行性受到質(zhì)疑[23]。本文將根據(jù)目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析總結(jié)：探地雷達(dá)和電容法測量根系的原理；探地雷達(dá)和電容法在測量根系中的應(yīng)用，并就目前研究遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，探討其可行性，簡要論述探地雷達(dá)和電法相關(guān)的通過測量土壤水分的變化間接測量根系分布的研究；探地雷達(dá)和電容法在農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用及展望。

1 測量根系的原理

1.1 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)是一種通過發(fā)射脈沖電磁波探測淺層地下物的一種地球物理技術(shù)，當(dāng)雷達(dá)波通過具有不同電磁性質(zhì)（介電常數(shù)，磁感常數(shù)，電導(dǎo)率）的介質(zhì)時(shí)，一部分電磁波會被反射，被接收器所接收并轉(zhuǎn)化成雷達(dá)圖譜，一部分被折射繼續(xù)向下傳播，還有一部分被吸收[3,9]。研究表明[24-25]一般情況下植物根系的含水量大于土壤含水量，而根系和土壤的介電常數(shù)主要有其水的相對介電常數(shù)決定[9]，所以根系和周圍土壤的介電常數(shù)存在差異，即反射系數(shù)大于0，說明理論上探地雷達(dá)可以探測根系的存在。

探地雷達(dá)對地下目標(biāo)探測范圍呈圓錐形，其能否對目標(biāo)物進(jìn)行探測取決于雷達(dá)分辨率，主要由反射系數(shù)決定[3]。探測分辨率是指雷達(dá)可分辨最小探測目標(biāo)物的尺寸[3]，一般來說高頻率雷達(dá)具有高的分辨率，但探測深度會降低[3,9,18,26-27]。

1.2 電容法

在細(xì)胞水平上，在植物的根外加一定頻率或變頻的交流電源，以此產(chǎn)生變化的電場。變化的電場會使根系細(xì)胞膜極化[11,28]。根系內(nèi)部的水分離子等可以導(dǎo)電，根系外部的皮層等導(dǎo)電性差，而根系周圍的土壤（水分和離子）也可以導(dǎo)電，因此，根系-土壤系統(tǒng)可被看出電容器。電容器電容的大小由電容板的面積和距離決定。在根-土系統(tǒng)中，電容板的面積指的是根系表面積，而兩個(gè)電容板距離主要有根系皮層厚度決定，因此，電容法可以測量植物根系特征[29]。根系被看作是電容器并聯(lián)在一起的，土壤本身也可被看作電容器，且一般認(rèn)為根系電容與介質(zhì)（土壤）形成串聯(lián)電路[29-30]。

2 探地雷達(dá)和電容法在測量根系中的應(yīng)用

2.1 探地雷達(dá)

Guo等[9]全面綜述了探地雷達(dá)在探測粗根系中的應(yīng)用，集中在根系干物質(zhì)、根系直徑、根系表面積及根系三維結(jié)構(gòu)的測量方面。之后[8,13,15-16]探地雷達(dá)技術(shù)測量根系的研究主要集中在提高探測精度、拓寬此技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境條件和探測的植物類型（參見3.1探地雷達(dá)測量根系的影響因素），但缺乏預(yù)測根系模型與探測作物根系的報(bào)道。因此，本部分將主要綜述探地雷達(dá)在根系探測中的常用預(yù)測模型以及在作物根系中的應(yīng)用。

2.1.1 線性模型

自1999年Hruska利用探地雷達(dá)繪制橡樹的根系到目前為止[31]，探地雷達(dá)在植物根系研究中的應(yīng)用已有20多年。在這20多年的研究中對根系生物量、根系直徑上的探測多采用線性預(yù)測模型（表1）。Butonr等[3]首次利用400 、1500 Hz的雷達(dá)天線對不同排水條件、不同埋深的火炬松根系進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在Wakulla土壤（85%～92%的沙土，8%～15%的淤泥和土）中1500 Hz所測高振幅反射面積與根系直徑之間存在顯著的線性正相關(guān)，特別在0～15 cm埋深處雷達(dá)信號與根系直徑的相關(guān)系數(shù)為0.81（=0.000 4）；0～40 cm層次的根系總生物量與高振幅面積顯著正相關(guān)，但與根系反射點(diǎn)的數(shù)量相關(guān)性不顯著。之后學(xué)者相繼利用像素、反射振幅面積、最大振幅、最大這幅面積、振幅時(shí)間、最大振幅時(shí)間、反射強(qiáng)度等參數(shù)與粗根系建立線性預(yù)測模型（表1）。

表1 探地雷達(dá)技術(shù)在測量根系中的應(yīng)用

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注：∑∑和分別表示高振幅時(shí)間，s；高振幅反射面積，m2；最大振幅反射幅時(shí)間，s。

Note: ∑、∑andindicate time of higher amplitude reflection, s; area of higher amplitude reflection, m2; time of maximum amplitude reflection, s, respectively.

2.1.2 非線性模型

與線性模型相比，非線性模型的應(yīng)用比較少。Barton 等[32]利用500、800、1 000 MHz 3種雷達(dá)天線對埋深15～155 cm的桉樹根系進(jìn)行掃描。將3個(gè)高振幅波的零點(diǎn)時(shí)間與根系直徑進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，根直徑與零點(diǎn)時(shí)間之間存在多元非線性回歸關(guān)系，研究還表明，對于直徑為1～8 cm根系，此模型可以提供較為準(zhǔn)確的估計(jì)。Guo等[37]研究發(fā)現(xiàn)，隨著根系含水量和探測頻率的增加，像素和高振幅區(qū)域與根系生物量呈現(xiàn)非線性關(guān)系。在較高的根系含水量下，用像素為指標(biāo)與根系生物量擬合出二次回歸模型，模型預(yù)計(jì)值與實(shí)際根系生物量呈良好的1∶1關(guān)系。

2.1.3 正演模型

無論是線性模型還是非線性模型，其應(yīng)用均受地點(diǎn)、水分條件、物種的限制。因此需要建立由雷達(dá)參數(shù)獲取根系信息的正演模型。gprMAX開源軟件被廣泛應(yīng)用在根系和土壤探測上。Guo等[46]整合根介電常數(shù)和電導(dǎo)率估算模型、土壤介電常數(shù)和電導(dǎo)率估算模型和gprMAX模擬器形成根系探地雷達(dá)信號正演模型。模型需要輸入的參數(shù)為根系直徑、根系含水量、土壤含水量、關(guān)于根系和土壤的電磁波參數(shù)，最后輸出模擬雷達(dá)圖。對此模型的驗(yàn)證試驗(yàn)表明，從模擬雷達(dá)圖中提取出的數(shù)據(jù)與實(shí)測值之間存在非常好的一致性（>0.87，<0.001）。Mihai等[47]對各種條件下的根系介電常數(shù)進(jìn)行了直接測定，用以輔助正演模型的建立。

3種模型中，線性模型應(yīng)用最多，也是應(yīng)用范圍最廣的。線性模型和非線性模型主要通過建立雷達(dá)參數(shù)和根系之間的關(guān)系，進(jìn)而反演根系參數(shù)。而正演模型通過已知的根系特征和環(huán)境條件獲取雷達(dá)圖譜特征。通常情況下雷達(dá)參數(shù)與根系參數(shù)可以利用線性模型做擬合，然而對雷達(dá)圖譜識別經(jīng)驗(yàn)不足、隨著應(yīng)用場地及植物根系類型的不同而變化，使得線性模型的適用性具有一定的局限性[46-47]。當(dāng)根系含水量差異較大或線性模型與根系參數(shù)的相關(guān)性不好時(shí)，可以做非線性擬合。而正演模型不受限于場地和實(shí)驗(yàn)條件的限制，利用正演模型可以批量模擬各種條件下根系雷達(dá)圖譜參數(shù)的特征[46]，可用于解讀在野外探地雷達(dá)掃描根系的雷達(dá)圖譜特征，從而更加準(zhǔn)確的反演地下根系參數(shù)。然而復(fù)雜的土壤性質(zhì)和根系特征所形成特定雷達(dá)圖譜資料不多，此模型的應(yīng)用也具有一定局限性[46]。

2.1.4 探測作物根系

Delgado等[40]于2017年首次利用探地雷達(dá)測量作物（甘薯）粗根系的發(fā)育過程。由于一般作物比如小麥和玉米根系直徑小于1 mm，探地雷達(dá)在很長時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為無法測量作物細(xì)根系（直徑小于2 mm）。Liu等首次報(bào)道了探地雷達(dá)探測作物細(xì)根系的可能性[8,18]，他們認(rèn)為作物淺層根系與粗根生物量相當(dāng)，根際含水量大于其周圍土壤含水量[24]，因此，可以探測作物根系。2018年，Liu等[8]利用1 600 MHz高頻天線雷達(dá)探測了冬小麥和甘蔗的根系，結(jié)果表明，在Amarillo點(diǎn)（黏壤土）的灌溉處理的像素參數(shù)與根系直徑和生物量之間存在顯著的線性關(guān)系。之后Liu等[44]利用1 600 MHz和2 600 MHz高頻天線的雷達(dá)測量冬小麥根系，研究發(fā)現(xiàn)平均像素強(qiáng)度能夠更好的反映作物根系生物量和直徑；并且將兩種頻率的像素強(qiáng)度與根系生物量進(jìn)行多元回歸后可以顯著提高相關(guān)系數(shù)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)土壤水分與2 600 MHz的雷達(dá)信號與根系生物量之間存在顯著的多元線性回歸關(guān)系。

2.2 電容法

與探地雷達(dá)探測根系類似，電容法測量根系特征時(shí)也需要建立電容預(yù)測根系生物量、根系表面積等特征的模型。從1972年第一次發(fā)現(xiàn)電容與根系線性相關(guān)后[48]，電容法得到了諸多關(guān)注。然而在2012和2013年有學(xué)者對電容法測量根系提出了質(zhì)疑[23,49]，本部分主要總結(jié)電容法在測量根系中的應(yīng)用并討論電容法測量根系的可行性。

2.2.1 測量根系大小

一般情況下利用電容法測量作物根系時(shí)，將一個(gè)電極插入作物莖中，另一個(gè)電極插入生長介質(zhì)（土壤）中。Chloupek[48]首次在玉米、洋蔥和向日葵等作物中發(fā)現(xiàn)在莖與土壤之間的電容與根干物質(zhì)量、根長和根表面積等根系參數(shù)顯著相關(guān)（<0.001）。后來的研究者雖然也發(fā)現(xiàn)電容與根系參數(shù)（根長，根質(zhì)量，根表面積等）存在著極顯著的線性關(guān)系，但是他們并沒有進(jìn)一步解釋原因[50-51]。直到1995年，Dalton[29]系統(tǒng)提出了電路模型，解釋了電容和根系之間存在相關(guān)的原因。Dalton模型將每個(gè)側(cè)根的皮層看作一個(gè)電阻器與電容器并聯(lián)的電路元件，每個(gè)側(cè)根的電容值與根系表面積相關(guān)，并假設(shè)木質(zhì)部和韌皮部以及被皮層細(xì)胞膜隔開的土壤或溶液為低電阻導(dǎo)體，因此，測量的莖和土壤間的電容值主要反映了根系電容。根系表面積與根干物質(zhì)量、根長、根體積和根鮮重等存在著線性關(guān)系（表 2），Dalton模型比較好的解釋了電容與根系參數(shù)之間的線性相關(guān)關(guān)系，因此，該模型被廣泛證實(shí)并應(yīng)用[52-53]。Rajkai等[54]發(fā)現(xiàn)，根系在土壤中時(shí)，土壤電容并不能被忽略，對Dalton模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了土壤根系雙電介質(zhì)串聯(lián)模型，即測量的電容包含了根系電容和土壤電容。

近年來，損耗和相位等參數(shù)也被應(yīng)用到根系測量中。如Cseresnyés等[55]利用耗散校正3種土壤條件下（表2）的根系電容后發(fā)現(xiàn)，電容與根系干物質(zhì)的相關(guān)關(guān)系均有所提高：小麥中根系干質(zhì)量與電容值的決定系數(shù)由0.879、0.812、0.809增加至0.95、0.931、0.936；大豆中根系干質(zhì)量與電容值的決定系數(shù)由0.751、0.946、0.451增加至0.946、0.877、0.748。電容法除了測量根系大小特征外，也可以間接反映田間作物根系活力[56]以及重金屬和鹽對作物的脅迫程度[57]。

2.2.2 電容法測量根系的可行性

雖然電容法被廣泛用來測量作物根系特征，但是也有少量研究對此方法提出了質(zhì)疑，主要包括：在莖中注入電流后，電流可能在根系近端泄露到生長介質(zhì)中[70]，因此，電容可能不是直接測量的根系；生長介質(zhì)以上的莖部分與基質(zhì)里面的根系構(gòu)成串聯(lián)電路[23, 71]，在串聯(lián)電路中總電容最接近于最小的電容器的值[23,29]，所以電容器所測得值實(shí)際上是植物體與基質(zhì)交界面的信息。Urban等[70]認(rèn)為大多數(shù)電流從根系近端流向土壤，只有一少部分電流經(jīng)過細(xì)根進(jìn)入土壤，因此，他們認(rèn)為利用電學(xué)的方法并不能直接反映根系吸收面積等根系參數(shù)。Dietrich等[29]研究發(fā)現(xiàn)：將溶液中根系剪掉，電容并沒有發(fā)生顯著變化；電容與根在液面所占的橫截面積的大小呈正線性相關(guān)，因此，電容法測得實(shí)際是根系與介質(zhì)交界處橫截面的信息。在2013年，Dietrich等[49]在田間實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了Dietrich等[23]2012年提出的模型。

表2 電容法在根系探測中的應(yīng)用

注：*、**、***分別表示0.05、0.01、0.001水平上顯著相關(guān)；+++表示文中未找到顯著水平。

Note: *、**、***indicate correlations are significant at=0.05, 0.01, 0.001, respectively; +++ meanssignificant levels are not found in the original paper.

但是也有研究表明電容法可以直接測量根系特征。比如Ozier-Lafontaine 和 Bajazet[30]將莧菜和西紅柿根系洗干凈后，在溶液中測量電容，發(fā)現(xiàn)西紅柿根系浸入溶液中的量與電容呈正相關(guān)。Cao等[71]認(rèn)為在128 Hz測量頻率下植物根系的電阻可以表征根系大小，即電流是經(jīng)根系進(jìn)入溶液中的。Cseresnyés等[63]在大豆和玉米根系上接種菌絲后發(fā)現(xiàn)，在干旱的條件下根系干物質(zhì)量沒有明顯變化，但是接種菌絲的電容卻顯著大于不接種菌絲的電容。由于接種菌絲使得根系吸收面積增大進(jìn)而增加電容，研究結(jié)果間接證明了電流可以進(jìn)入根系中。最近有學(xué)者以菜椒為試驗(yàn)材料在氣培條件下證實(shí)了電容法探測根系干物質(zhì)的可行性，結(jié)果表明無論是否有鹽脅迫，電容與根系干物質(zhì)之間存在同樣的線性關(guān)系[69]。這些研究間接說明了在一定條件下電流是可以進(jìn)入根系的，因此，電容可以直接反應(yīng)根系特征。

極化圖譜和電容法的原理一樣，極化圖譜、高密度電阻抗圖譜和電阻抗圖譜技術(shù)在根系上測量中的應(yīng)用從側(cè)面證明了電容法測量根系的可行性[30, 72-77]。最近Tsukanov等[77]利用極化圖譜技術(shù)直接測量溶液體系的極化率，結(jié)果表明小麥根系干物質(zhì)、根系表面積與極化率線性正相關(guān)（R分別為0.97和082）；根系經(jīng)碳基氰化物毒害處理后，相位和極化率在2 h內(nèi)呈下降趨勢，因此，極化信息可以反應(yīng)小麥根系表面積。近期利用高密度電阻抗圖譜技術(shù)研究葡萄根系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在根的垂直深度30 cm,水平方向50 cm和90 cm范圍內(nèi)可探測到電信號，與不存在根系土壤的電勢梯度差異顯著[75]。Mary等[76]研究發(fā)現(xiàn)由于根系存在導(dǎo)致的土壤極化信息的差異與根系在土壤中的分布基本吻合。根系的存在對土壤的電學(xué)特征有顯著的影響，電阻率與根系干物質(zhì)、根長密度正相關(guān)[78]。由于一般根系的含水量要高于土壤含水量，根系的存在會對土壤整體的介電常數(shù)有顯著的影響[9,25]，當(dāng)把根系埋進(jìn)土壤時(shí)會增加土壤電容[73]。因此，在水分比較低的條件下直接測量土壤的電容有可能反映根系大小；另外根系對根際的物理化學(xué)性質(zhì)有很大的影響，所以，直接測量土壤極化信號有可能反應(yīng)根系信息[77]。

在電極-根系-介質(zhì)-電極的連續(xù)電路體系中，根電阻和莖-根電阻的差異可能會影響電流在植物體的路徑。根系組織存在凱氏帶，而莖中不存在，莖中存在皮孔，而根中一般不存在，因此，在濕潤條件下電流可能更容易從莖中流到介質(zhì)中；水培可能會增加皮層的橫向?qū)щ娐蕪亩鴮?dǎo)致電流從根與溶液的交界面流出，同時(shí)在水分條件比較好的條件下，根系異速生長，導(dǎo)致皮層組織密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致電流更容易從根系近端泄露；干旱的條件下木栓化程度增加，皮層橫向?qū)щ娐式档停娏餮貙?dǎo)管縱向流動。所以與濕潤條件相比較，基于電極-根系-土壤-電極方式的電容法可能更適宜探測干旱條件下生長的根系。未來需要對此假設(shè)進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.3 利用探地雷達(dá)和高密度電阻抗技術(shù)測量土壤水分

根系是植物的主要吸水器官，土壤水分的分布與根系的分布存在密切的關(guān)系[6]。有研究表明[10,12,79]，土壤水分時(shí)空的變化與根系分布具有較好的一致性，因此，通過探地雷達(dá)和高密度電阻抗技術(shù)快速探測根層內(nèi)土壤含水量的時(shí)空變化，以此來間接反映根系的分布。

2.3.1 探地雷達(dá)測量土壤水分

利用探地雷達(dá)測量土壤含水量一般利用Topp經(jīng)驗(yàn)公式[80]或復(fù)折射率模型[81]，將測得土壤介電常數(shù)帶入Topp公式或復(fù)折射率模型可以算得土壤含水量。Shamir等[7]在室內(nèi)通過金屬反射器校正電磁波速度，逐次向土壤中添加水，利用探地雷達(dá)較為精準(zhǔn)的獲得了不同類型農(nóng)田土壤的水分空間分布信息，并證明了其在田間應(yīng)用的可行性。Zhou等[82]利用高頻天線（2 GHz）準(zhǔn)確的估測了淺層（0～20 cm）農(nóng)田土壤的水分信息（R>0.89）。Koyama等[13]測量不同深度的土壤介電常數(shù)用以校正低頻雷達(dá)下的土壤水分模型，他們的實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了機(jī)載合成孔徑雷達(dá)和地面雷達(dá)在測量土壤水的可行性，而且獲得較高的精度。Liu等[15]利用粗根來估計(jì)電磁波從地面到粗根的平均速度和粗根之間的平均速度，計(jì)算出不同層次土壤的介電常數(shù)，最后算得不同層次土壤的土壤含水量。

2.3.2 高密度電阻抗技術(shù)測量土壤水分

高密度電阻抗技術(shù)（ERT）測量土壤水分是基于土壤水分和電阻率之間關(guān)系，高的土壤含水量會降低土壤的電阻率[83]。Archie[84]建立了土壤含水量與電阻率的冪函數(shù)關(guān)系。ERT在監(jiān)測土壤水分動態(tài)變化上的應(yīng)用越來越多，尤其是土壤水分垂直分布和三維空間上的分布[17]。Binley等[17]和姜振蛟等[83]綜述了ERT在水文研究中的應(yīng)用。Carriere等[85]利用土壤電阻率的變化來表征土壤含水量的空間變化，以研究根系對干旱條件的響應(yīng)；Rao等[86]研究結(jié)果表明根系表面積和根系與土壤之間電導(dǎo)率的差異會影響ERT探測的結(jié)果。

3 探地雷達(dá)和電容法測量根系的影響因素及對比

3.1 探地雷達(dá)測量根系的影響因素

探地雷達(dá)能否探測根系主要取決于根系與土壤的反射系數(shù)和探測分辨率[3,9]，因此，雷達(dá)天線頻率的大小、土壤類型及含水量、根系大小及埋深和掃描方向是探地雷達(dá)探測根系的主要影響因素[3,8-9,18,25]。

3.1.1 頻率

電磁波頻率是影響探地雷達(dá)探測根系的重要因素，一般來說高頻率可以獲高分辨率，但高頻率會導(dǎo)致電磁波能量在土壤中的衰減速度較快從而降低探測深度[3,9,18,36]；同時(shí)高頻率會降低根系的介電常數(shù)[47]，目前利用探地雷達(dá)在測量根系中的應(yīng)用多為單一頻率（表2）。但綜合利用多種頻率可以提高探測根系的精度[27,36,44,45,87]。

3.1.2 土壤

一般認(rèn)為沙土對電磁波的消散作用低，沙土比例越高越利于探地雷達(dá)探測根系[9,88]，土壤含水量越高，電磁波能量衰減越快，反射系數(shù)降低較低；另外由于水是極性分子，高的土壤水分導(dǎo)致水分子發(fā)生自旋現(xiàn)象從而不利于對根系的探測[9]，因此，干燥的沙土被認(rèn)為是最理想的探測條件[3,9]。然而Liu等[8]研究發(fā)現(xiàn)灌溉條件的冬小麥根系生物量與無閾值像素強(qiáng)度之間關(guān)系要優(yōu)于非灌溉的。在干旱條件下，土壤水分的變異程度可能較高，土壤水分的異質(zhì)性可能會干擾與根系相關(guān)的信號[8,47]。另外有研究認(rèn)為只有在飽和含水量下，土壤水分對雷達(dá)信號的影響才比較大[89]。

3.1.3 根系

根系的埋深、直徑、含水量是影響探地雷達(dá)探測的主要因素[9,25,27,33,36,37,45]。根系埋深會導(dǎo)致探地雷達(dá)的垂直和水平分辨率降低，主要由于電磁波衰減導(dǎo)致[25]。有研究認(rèn)為根系直徑對雷達(dá)信號的影響要大于根系埋深[33]。根系直徑與雷達(dá)信號正相關(guān)，直徑越大信號越強(qiáng)[24,26]。在粗根中可以利用根直徑-生物量模型通過雷達(dá)參數(shù)獲得根系直徑從而來估計(jì)根系生物量[34,46]。根系含水量越高越容易被探測到[9,27,37]，但Guo等[37]研究發(fā)現(xiàn)50%質(zhì)量含水量的根系最不適宜探測，即根系含水量與像素和高振幅區(qū)域呈V形關(guān)系。死根的含水量與周圍土壤相差比較大時(shí)，可以探測到死根[27,41]，同時(shí)死根會降低雷達(dá)探測的準(zhǔn)確性[27,41,45]。

3.1.4 掃描角度

只有掃描路徑與根系生長方向的角度在45° ~135°時(shí)，根系才會被探測到[3]，其中垂直于根系的90°為最佳的掃描角度[3,9,27]。對直根系植物來說，側(cè)根生長方向是以主根為核心向四周輻射的，因此以主根為圓心作同心圓掃描能獲得更多根系的信息[9,90]。Bain等[41]在核心點(diǎn)夾角0°、45°、90°、135° 4個(gè)角度進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)，45°和135° 2個(gè)方向共同的像素點(diǎn)與根系生物量的線性關(guān)系最好，4個(gè)方向上像素線性模型估計(jì)值的準(zhǔn)確性雖然略低于最佳值，但并不顯著。Guo等[39]簡化掃描路徑與根系生長方向夾角和高振幅反射面積的關(guān)系。通過對掃描路徑與根系間夾角的校正，可以顯著提高振幅反射面積與根系的相關(guān)性。

3.2 電容法探測根系的影響因素

影響電容法測量根系的因素有很多[22]，主要包括頻率、電極和土壤[10,11,22,29,91]。

3.2.1 頻率

根系電容主要受根系表面積和根系介電常數(shù)影響。根系介電常數(shù)受交流電頻率的影響，隨著頻率增加細(xì)胞相對介電常數(shù)降低，電導(dǎo)率增加[11]。在幾赫茲至1000赫茲被稱為區(qū)域，103~107Hz被稱為區(qū)域，107~1010Hz被稱為區(qū)域[10,11,92]。低頻電流主要從質(zhì)外體流過，高頻電流可以穿過植物細(xì)胞[11]。雖然目前利用電容法測量根系時(shí)所采用的頻率多為1 kHz（表2），但是并未解釋利用此頻率的物理基礎(chǔ)。交流電在根系中的傳播方向可以分成2個(gè)方向：沿根系軸向傳播，從根系的吸收區(qū)域進(jìn)入介質(zhì)；沿根系橫向傳播，從根莖進(jìn)入介質(zhì)中。如果大量電流通過第二種方式進(jìn)入介質(zhì)，很多處于根系末端具有吸收功能的根系可能不會被檢測到（比如根毛）。高頻率由于降低了根系橫向的阻抗值，從而導(dǎo)致在高頻率的情況下電流可能更容易泄露。

3.2.2 電極

目前很多研究采用不銹鋼電極作為測量電極，然而不銹鋼容易被極化，從而降低測量的準(zhǔn)確度，有研究者認(rèn)為銀-氯化銀電極是電容法測量根系的最佳電極[30]。鉗形電極與針形電極在預(yù)計(jì)根系生物量上沒有顯著差異，但是鉗形電極的損耗要大于針形電極[54]。四端法可以消除莖和土壤對測量結(jié)果的影響[53]，與雙電極相比較，四端法在干旱的條件下對根系生物量的估算更為準(zhǔn)確[53,93]。植物電極所在的位置對電容與根系參數(shù)間的相關(guān)性有顯著的影響，一般推薦植物電極位于根基部[29,50]。土壤電極所在的位置對測量結(jié)果沒有顯著的影響[30,50]，St?eda等[22]建議土壤電極應(yīng)距植物莖5～10 cm，且每次測量的位置保持一致。

3.2.3 土壤

不同土壤質(zhì)地對電容探測根系的精度影響較低（表 2），但是土壤水分的影響較大，在土壤中一般認(rèn)為土壤含水量高時(shí)測量效果好[29,62]。土壤水分高，土壤電容大，土壤電容倒數(shù)變小，所測的根-土電容更接近根系電容（土壤與根系的串聯(lián)模型）；同時(shí)土壤水分高利于根系與土壤的充分接觸[29]。然而近年來有研究者[91]指出增加土壤含水量只考慮了土壤與根系的接觸面積，卻忽略增加水分會增加根系周圍介質(zhì)對根系的遮蔽作用，增加電流頻率和適當(dāng)控制土壤水分可以降低遮蔽作用。

3.3 探地雷達(dá)和電容法在探測作物根系中的比較

由上文分析可知，探地雷達(dá)和電容法探測根系時(shí)，其測量原理、測量方式、建模過程、分辨率、根系特征、土壤條件、效率和在作物根系的應(yīng)用中存在差異（表3）。探地雷達(dá)探測根系是基于根系與土壤介電常數(shù)的差異，從而使得根系在土壤中可以反射電磁波，進(jìn)而被探測到[3,9]；電容法是基于活細(xì)胞在電場中的極化現(xiàn)象，通過電容值的大小來表征根系的大小[29]。

表3 探地雷達(dá)和電容法在測量作物根系中的比較

這2種技術(shù)探測根系都是通過建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型（表 1和表2）。探地雷達(dá)原始數(shù)據(jù)一般要進(jìn)行雷達(dá)圖譜的標(biāo)準(zhǔn)化、噪聲去除、信號放大、偏移、希爾伯特變換等步驟[9]。電容法能夠直接測量電容，因此，探地雷達(dá)根系預(yù)測模型的建立過程要比電容法復(fù)雜。

探地雷達(dá)和電容法都可以測量根系生物量，另外，電容法還可以測量根長、根表面積等。探地雷達(dá)可以對根系三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量[9,31]，但是，由于高頻電磁波能量在土壤中快速的衰減，使得探地雷達(dá)只能用來探測淺層根系[9,25,36]。通過前文的介紹可知，電容法基于電場誘導(dǎo)細(xì)胞極化，因此，不存在能量衰減的問題，理論上其可以測量整株根系的特征。

探地雷達(dá)探測根系是雷達(dá)天線在地表直接掃描，從而獲得根系反射的雷達(dá)圖譜；而電容法需要一株一株地測量，因此，探地的探測效率雷達(dá)優(yōu)于電容法。然而探地雷達(dá)系統(tǒng)的造價(jià)要遠(yuǎn)高于電容法所需的設(shè)備。

干燥的沙土是探地雷達(dá)探測的理想條件[3,9]，但在濕潤的土壤條件下的農(nóng)田，淺層土壤中分布大量的根系，強(qiáng)烈的蒸騰作用可能會造成土壤的局部干旱現(xiàn)象，導(dǎo)致根系和周圍土壤的介電常數(shù)存在差異，因此，在濕潤條件下也可以探測根系[8]；另外，淺層農(nóng)作物單位體積的根系總量與樹木粗根相當(dāng)，因此其有探測農(nóng)作物根系的潛力[18]。土壤含水量越高，根系與土壤接觸越多，土壤電容對測量結(jié)果的影響越小[29]，因此，電容法在探測根系時(shí)要求較高的土壤含水量，而且在農(nóng)作物根系探測上得到大量應(yīng)用（表2）。

綜上，這兩種技術(shù)在探測根系特征時(shí)對土壤條件的要求有一定的互補(bǔ)性，因此，可以綜合兩種技術(shù)在作物根系探測中的應(yīng)用。

4 探地雷達(dá)和電容法在農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用

4.1 在栽培管理中的應(yīng)用

在細(xì)根作物栽培上，可以將探地雷達(dá)遙感獲得的土壤水分信息與電容法獲得的根系信息進(jìn)行整合，從而更加高效的指導(dǎo)農(nóng)作物灌溉。土壤的緊實(shí)度對農(nóng)田水分管理、水分利用效率和作物產(chǎn)量具有重要意義[94-95]。Liu等[18]和Zajícová 等[88]詳細(xì)的綜述了探地雷達(dá)在探測土壤成分中的應(yīng)用，因此，可以利用其獲取土壤孔隙度，利用電容法獲取根系信息，從而更加精準(zhǔn)的指導(dǎo)作物栽培管理。

土壤異質(zhì)性比較大，在農(nóng)作物機(jī)播的時(shí)，難免會造成種子深度不一，甚至灑落在地表。種子的介電常數(shù)類似于粗根的介電常數(shù)，同時(shí)種子在直徑上類似于粗根，因此，探地雷達(dá)有探測種子深度的潛力[96-97]。將探地達(dá)雷達(dá)與播種機(jī)進(jìn)行整合，探地雷達(dá)獲得種子深度的信息反饋到電腦終端，電腦終端將種子深度數(shù)據(jù)與最佳播種深度數(shù)據(jù)作比較，進(jìn)而控制播種機(jī)對播種深度進(jìn)行調(diào)整。

4.2 在育種中的應(yīng)用

在干旱條件下根系的大小顯著影響作物產(chǎn)量，因此，干旱條件下作物根系的快速篩選對育種工作具有重要意義[22]。探地雷達(dá)在干旱土壤上測量根系效果較好，因此，可用于快速測量干旱脅迫下作物的根系大小。

冬季土壤中的自由水結(jié)成冰，而根系中因含較多的電解質(zhì)冰點(diǎn)降低，結(jié)冰的土壤對電磁波能量損耗減少，同時(shí)增加根系與土壤的反射系數(shù)，進(jìn)而提高探地雷達(dá)在根系探測中的準(zhǔn)確性，因此，可以整合多頻率雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)冬季對小麥根系的測量，為育種工作者提供不同品種間的根系特征（尤其是低溫下的根系活力）篩選[18,87]。

此外，植物根系的電容對不同逆境的響應(yīng)會存在顯著的差異，抗逆性好的作物往往會表現(xiàn)較高的電容[56,67]，因此，育種工作者可以利用電容法選育抗逆品種，如Hermanska等[98]利用電容法評估不同大小根系的小麥。Dietrich等[23]研究發(fā)現(xiàn)燕麥的種子根和節(jié)根電容有差異，因此，電容法可能具有選育不同根系構(gòu)型的潛力。

5 結(jié)論與展望

作物根系難以快速準(zhǔn)確測量一直困擾著國內(nèi)外的研究者。探地雷達(dá)和電容法原位無損測量作物根系，為當(dāng)下及未來的研究者研究作物根系提供了新的途徑。但對于這兩項(xiàng)技術(shù)在探測作物根系方面仍然存在許多不足。首先探地雷達(dá)測量作物根系的研究太少及其精度太低，需要大量的研究來探索其影響因素；其次電容法能否測量作物根系需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前根系原位測量技術(shù)還不成熟，無法在田間廣泛應(yīng)用。針對這兩種技術(shù)在根系探測方面存在的主要問題，建議未來相關(guān)研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面展開。

5.1 提高探地雷達(dá)探測作物根系的精度

雖然探地雷已被證實(shí)可以探測作物根系，但對根系的預(yù)測效果比較差[8]。因此，建議研發(fā)多頻率雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)在根系探測中的應(yīng)用并提高原始數(shù)據(jù)分析軟件處理的效率；另外，建立雷達(dá)圖譜參數(shù)和土壤條件（如土壤水分）與根系之間的多元回歸關(guān)系，以消減土壤條件對探測結(jié)果的影響。進(jìn)而提高其探測精度，明確最佳的土壤條件。同時(shí)比較在不同水分條件下根際厚度是否對探測結(jié)果有影響。此外，拓展探地雷達(dá)獲得土壤水分變化以探測根系分布的研究。另外，探地雷達(dá)設(shè)備昂貴，限制了其在探測作物根系中的應(yīng)用，未來需要降低其設(shè)備成本。

5.2 明確電容法探測根系的原理

現(xiàn)有的研究雖然間接表明電容法可以探測作物根系，但是，電容法探測根系的直接證據(jù)還未見報(bào)道。建議應(yīng)從電流在根系中的傳播深度和根系電路與介質(zhì)電路的連接方式兩方面入手研究。電容法探測根系的適宜土壤條件（尤其是水分條件）尚需進(jìn)一步研究。另外，結(jié)合其它電學(xué)技術(shù)（如頻譜激發(fā)技術(shù)、高密度電阻抗技術(shù)等）更加詳實(shí)探測根系分布及土壤含水量的變化，為未來栽培育種提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。

5.3 測量更多根系指標(biāo)

目前這兩項(xiàng)技術(shù)測量根系特征相對較少，將來需要在提高精度的基礎(chǔ)上，拓寬測量根系的指標(biāo)，如根系在土壤中的分布和三維結(jié)構(gòu)等。根系的主要吸收區(qū)域一般位于根毛區(qū)，根毛在挖掘的過程中極易折斷，而且在沖洗的過程中極易丟失，這使得傳統(tǒng)的根系測量技術(shù)很難獲取根毛區(qū)的信息。另外，根系活力作物根系吸收功能的體現(xiàn)，傳統(tǒng)的方法比如染色等也需要事先收集根系樣品，測量過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由前文分析可知，電容法和探地雷達(dá)技術(shù)都有潛力測量根系吸收區(qū)的活力，因此，將來應(yīng)探索這兩項(xiàng)技術(shù)原位測量根系活力和根毛的可行性。

5.4 多學(xué)科交叉

根系原位測量技術(shù)基于電磁學(xué)的原理，目前主要是物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)背景的學(xué)者在進(jìn)行研究。但是，根系的生理特征也是理解測量根系原理的關(guān)鍵，因此，也需要植物生理學(xué)相關(guān)背景的學(xué)者參與。另外，研發(fā)技術(shù)過程中需要考慮育種家的建議，因?yàn)檫@些技術(shù)最終主要服務(wù)對象是育種家。

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Research progress of ground penetrating radar and electrical capacitance for in-situ non-destructive measurement of crop roots

Liu Xiuwei1, Gu Huijie1,2, Han Jie3, Jiang Hanbing1,2, Duan Shiming1,2

(1./050022; 2.100049; 3.050018)

Improving root structure of crops is an effective way to solve the conflict between food production and environment. However, traditional root research methods (such as excavation) are time-consuming, labor-intensive, destroying the in-situ state of roots and point based, which make them difficult to meet the requirements to obtain root information for cultivation and breeding. Therefore, it is urgent to develop in situ non-destructive method for detecting the root. While, some progress has been made in the non-invasive detection of roots in developed countries, the related research is limited in China. Hence, this paper summarized the research status of in situ root non-destructive detection technology and then took the ground penetrating radar and electric capacitance method as examples, which can detect crop root in field non-invasively, to systematically review the principles, applications, unsolved questions and future research focus. Both ground penetrating radar and electrical capacitance can use linear models to predict root size (such as root length, diameter and biomass etc). Besides that, ground penetrating radar can also measure root parameters by nonlinear model and forward model. However, ground penetrating radar was extensively used to measure the coarse root not in fine root detection. So far, there is limited literature to summarize the model for ground penetrating radar to predict crop root parameters. As contrast, electrical capacitance method was widely used to measure crop roots. But in recent years, it was questioned that the feasibility of measuring root, which mainly consists of two aspects: as the leakage of electric current from the near root base, root system can't be detected; the stem and root system form a series circuit with the growth medium as the boundary, In the series circuit, the value of the capacitor is mainly determined by the value of the smaller capacitor, because the capacitance of the stem is less than that of the root, so the value measured by the capacitance method reflects the information of the interface between the stem and the substrate. Therefore, this paper focuses on: (1) the principle of ground penetrating radar and electrical capacitance for phenotyping roots and the summary as well as comparison of models for predicting root parameters; (2) the applications of ground penetrating radar and electric capacitance for measuring root system, analysis of main influencing factors for measuring root system and particular discussion about the electric capacitance feasibility in detecting roots; (3) the comparison between ground penetrating radar and electrical capacitance. The main focus of future research is to improve the accuracy of ground penetrating radar measurement of crop roots and to verify the feasibility of electrical capacitance method for root measurement. Hence, four suggestions were made for the future development: (1) improving the accuracy of ground penetrating radar in detecting crop roots; (2) clarifying the principle of electrical capacitance to detect root system; (3) measuring more root traits; (4) considering the knowledge of physics, mathematics, plant physiology, breeding and other related subjects in application. Furthermore, as the spatial variation of soil water moisture is consistent with the distribution of root system, rapid monitoring the spatial changes in soil moisture by ground penetrating radar and electrical resistivity tomography may provide information of root distribution. Therefore, this paper also briefly reviews the application of these two techniques in soil moisture detection. Overall, this review aims to provide important references for domestic researchers.

roots; non-destructively detecting in situ; ground penetrating radar; electrical capacitance; soil moisture

劉秀位，谷慧杰，韓潔，等. 基于探地雷達(dá)和電容法的作物根系原位無損測量技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：226-237.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.027 http://www.tcsae.org

Liu Xiuwei, Gu Huijie, Han Jie, et al.Research progress of ground penetrating radar and electrical capacitance for in-situ non-destructive measurement of crop roots[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 226-237. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.027 http://www.tcsae.org

2020-04-28

2020-09-28

政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFE0130500）；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20326404D）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（C2020503005）

劉秀位，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事根系原位測量技術(shù)的研究。Email：xwliu@sjziam.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.027

S237

A

1002-6819(2020)-20-0226-12