恒美智造原位根系分析仪知识图谱与根系动态监测系统技术白皮书

一、挖出来看，还是在地下看

地上部分一年能测好几次，株高、叶面积、干物质，割了再长也有；地下部分不一样，根一挖出来就死了，同一个点想再看第二次，只能换个地方再挖一株。这就带来一个问题：根系研究里常说的动态，靠挖根法其实测不出来；测到的是一串不同时间、不同地点的静态切片，拼起来像动态，可中间的过程全丢了。要看清根怎么长、什么时候停、什么时候死，只能让它待在土里不动，人从旁边看。而且挖根这件事本身就带偏差：谁挖得深、谁洗得净，两个人数出来的根量能差三成，比来比去比的是手艺。挖根这一路还有一个隐形成本：洗根的水与人工，往往比机器折旧还高，算账时别漏。

原位的意思是不扰动。做法是在土里留一个透明的观察面，把成像装置贴在面上拍，根照常长，人按时来看。这个思路早年用在根系箱与根窗上：挖开一个剖面，立一块玻璃，回填贴实，隔几天画一次根。画图靠人眼，一条一条描，慢且主观；现在换成扫描成像，一个平面几秒钟扫完，软件按像素描根，人只做修正。这条路把一个生长季的连续观测，从几乎做不到变成了例行工作，也让根系的季节动态有了能对上号的日期。换成像之后，同一根管一月一扫，一年十二条记录，比靠手画的年代密得多，也少了笔墨账。

恒美智造的这台属于平面原位这一类，型号 HM-GXY，一个主机配两种窗口管。这个品类的叫法很杂：按装法叫平面原位根系监测系统，按对象叫原位根系分析系统，按设备叫原位根系分析仪，按系统叫根系动态监测系统，按图像叫根系图像分析系统，按用途叫植物根系生长监测系统，说的其实是一件事——在土里留一个面，按时扫、按时比。叫法不同，买的时候要问的却是同一句：这个面能看多深、能看多久、看完的数怎么导出来。恒美智造在报价单上把这三句单列一行，问清再谈价。叫法的事说清一次就够，不必每份方案重复；重复多了，读者反而以为你换了产品。

表1 三条路，看到的东西不一样

表注：原位法换来的不是更准，是更连续；同一根新长出来的日期，只有它能给。

二、一个窗口埋下去，扫描头沿着走

结构不复杂。一根中空的长方管，截面 280 乘 58 毫米，长度一米或者半米，管壁有一面透明，这就是窗口；扫描头从管口伸进去，沿着管子往后走，边走边扫，把窗口这一面的土壤剖面逐段成像。单次扫描宽度 216 毫米、深度 297 毫米，一段接一段，一米管大约分四段，拼起来就是一整条剖面。管壁的厚薄也有讲究：太薄被土压变形，太厚挡光，恒美智造用的料是既能承压又不易发黄的那一种。管口那一圈密封也要紧，土挤进夹层，图上就多一条固定暗边，怎么擦都擦不掉。

两种长度的管，用法不一样。半米的适合耕层浅的作物与盆栽，埋下去好回填、好取出；一米的适合大田与果园，根能扎到一米，短管只能看到上半截。双面窗口的意思是管两侧都能扫，一根管等于两个观察面；埋的时候一面朝着行间、一面朝着株间，同一株的两个方向都看得到，比只扫一面的机器多出一半信息。要是只想看行间，把不用的那一面朝下贴土，成像时间还能省一半。管壁结露是另一个麻烦：早晚温差大的地方，扫之前先看一眼有没有雾，有雾就等一等。

成像这一块，分辨率 4800 乘 9600dpi，色彩 48 位，单幅 8 秒。这个组合的好处是细根也能描出边界：零点三毫米的根在图上还有几个像素宽，软件描边不会断。光源是 LED，装在扫描头上随头走，不靠外界光；这一条在野外要紧，太阳一偏，光从管口漏进去，图就偏色。传感器用 CCD，比同价位的接触式图像传感器在弱光下更稳，阴天扫出来的图也能用。光线这一项常被当成小事，等到图偏了色才发现，随头的灯没亮或者被泥糊住了。

三、根长密度、根尖数、直径：三个词对着一件事

原位数据与挖根数据不是一套词。挖根出来称重，讲的是生物量；原位扫出来是图，讲的是长度与个数。常用的三个词：根长密度、根尖数、直径分布。根长密度是单位窗口面积上的根长总和，单位常用厘米每平方厘米；它替代不了生物量，但能反映吸收面的多少，而且不破坏样品就能反复测。同一个点位一月一次，一年下来十二条数据，这个密度是挖根法给不了的。三个词各有各的用处，混着用，读者不知道你在说哪一个，审稿人也会追问一句。

根尖数是窗口里根尖的个数。这个词的分量常被低估：根长可以不变而根尖在减少，说明根在老化、停止延伸；反过来，根长没怎么涨而根尖猛增，说明根在往外探。嫩根与老根在图上颜色不同，白而亮的是新根，褐而暗的是老根；软件按颜色分档，人工再核一遍，新根老根就分得开。分新老这一步做不做，直接决定这份数据能不能回答周转问题。分新老这件事靠颜色也靠经验，头一年宜两个人各判一遍，对不上的那几份留下再看。

直径分布是按粗细分档统计根长。原位图上量直径有个前提：根要贴在窗口面上。贴在面上的根，测出来接近真实直径；离面几毫米的根，边缘虚，测出来偏粗。所以同一根管里，贴着窗口那一层的数可信，深处的数要看运气。知道这一条，读数据时就不会把窗口当成整个土体，也不会拿它去顶替挖根法；两者各管一段，合起来才是一份完整的根系记录。窗口看到的是贴着管壁的根，行间与株间的根反映不到，方案里要说清，别让人误会。

表2 三个词，说清地下在发生什么

表注：三个词要一起看；根长密度不变而根尖数掉下来，说明根在老化，不是没长。

四、一个型号，两种窗口长度

HM-GXY 就一个型号，三万含标准配置：主机、扫描头、一根一米窗口管、外置电源、软件、数据线、笔记本端的安装包。加一根半米管按单根算，几百到一千；这一条谈价时要写进合同，不然第二年在别处补管，接口对不上。窗口截面固定 280 乘 58 毫米，长度可选，管口与扫描头的接口一致。恒美智造把单根管与整套管的报价分开列，加管时按单根算，不必重新谈整机。报价单上把主机与管子分开列，加管时才不会按整机重新谈，这一条写进合同更稳。

外置电源 68000mAh，满电按窗口数与段数算。一米管四段、八个面，扫一根十几分钟；一天跑十个点位，中间不换电池。野外没有市电的地方，配两块轮换踏实：一块在充、一块在跑，晚上回驻地充上，第二天接着用。电池这一项容易被漏进预算，实际用起来，它比多买一根管子更影响出勤；没电的日子，管埋得再好也扫不成。电池容量会随年份掉，第二年就要留意满电能扫几个点位，掉得多了就补一块新的。

电脑这一端，厂家推荐 13 代 i5、15 英寸、16G 内存、512G 固态。这套配置不算高，但别用单位里翻出来的老机器：整段图拼接加描根，老机器要等好几分钟，一天十个点位就是几个小时。硬盘也要留够，一个点位一个生长季的图，按段存下来是几个 G；连做三年，一个课题组几十个 G 很常见。恒美智造在装箱单上把推荐配置单独列了一行，采购电脑时照着报即可。老机器的瓶颈常在内存，不在硬盘；卡在拼接那一步磨人，等一分钟就想换机器。

表3 一个型号，两种窗口长度

表注：两种窗口只是长度不同，管口与扫描头的接口一致；先埋短的试一年，再加长的。

五、埋管、定窗、扫描、归档：六个动作

头两个动作是埋管与定窗。埋管要开槽：槽宽比管径大两三厘米，深度按管长，角度按设计——大田常斜埋四十五度，为的是在有限深度里多覆盖；果园可以垂直埋，深一些。管子放进去，回填要分层压实，一层五厘米，压到与管壁贴实；有空隙，图上一片虚，这根管就等于白埋。恒美智造在说明书里按土质给了三种回填做法，黏土、壤土、砂土各一套。开槽的深度宁可多两厘米，管子放得进去，回填才有余量压实，压不实等于白埋。

定窗是给每次扫描找同一个起点。管口做两道标记：一道刻线对角度，一道记号对零点；扫描头每次都从零点往里推，段序才不会错。中间两个动作是扫描与导图，扫描按固定时段、固定方向，导图按窗口号、深度、日期命名；三样缺一样，三个月后就找不到是哪一段。有人图省事，只用日期命名，同一根管扫了两段就分不清谁是谁。两道标记宜用不同颜色，一道红一道白，扫之前一眼对得上，不必蹲下来找半天。

末两个动作是分析与归档。分析先自动描根，再人工修正；修正按统一尺度，同一批图由一个人改，改完记下改了几处。归档要把原图与数据一起存：数不对的时候，能拿图复算；图删了，就只剩一个数，说不清怎么来的。六个动作里，头一个决定后面五个月能不能用，其余五个决定这些图能不能比。恒美智造在培训时按这六步排了一遍，用户跟着做一遍就记住了。修正的尺度写在纸上，谁改都一样，这一条比换什么工具都管用，也比培训管用。

表4 一台机器埋下去，六个动作走完

表注：头一个动作决定后面五个月的图能不能用；回填不实，再好的头也描不出根。

六、原位的数据能答什么问题

头一个问题是根什么时候长、什么时候停。挖根法给的是日期点，原位法给的是连续曲线：哪一段长得快、哪一段停住、哪一次灌水之后冒了一批新根，图上都看得见。这类问题在节水灌溉里很实用——灌水时间对不对，看新根出现的时点就知道，不必等产量出来再回头找原因。恒美智造在方案里把这种用法叫时点法，比算总量直观，也更容易讲给种地的人听。时点法还有一个用处：把灌水记录叠上去，看新根跟在哪一次后头，比凭印象准。

第二个问题是细根周转。生态研究里要算一年有多少细根长出来、有多少死了分解掉；这需要同一批根反复看。原位法给的是同一根的生与死：春天白的、夏天转褐、秋天不见了，按窗口面积折算成单位土体的量，一条周转曲线就出来了。挖根法做不到这一点，因为它每次挖到的都是不同的根，只能算库存的净差，生长与死亡混在一起，分不出来。周转曲线要按月排点，跳一个月就得插值，插出来的点不算实测，写文章时要注明。

第三个问题是根系在土层里怎么分配。按十厘米一层统计，能画出根长密度随深度变化的剖面图；水肥在表层，根就集中在表层，旱了往下走，剖面图上的重心跟着下移。这类图对施肥深度、灌溉制度都有参考价值。恒美智造在软件里预置了分层模板，用户按自家土层厚度改层数即可，改完存成自己的模板，下次直接调用，不必每次重设。分层模板存成自家一份，第二年调出来直接用，省去重设的工夫，也少出错一次。

恒美智造官方网站：

www.hmdzkj.cn

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