近日，工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域權(quán)威期刊《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》（中文領(lǐng)軍期刊）發(fā)表題為“基于探地雷達(dá)的白蠟樹根系形態(tài)特征及生物量定量分析”的研究成果。該研究創(chuàng)新性地將探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)應(yīng)用于樹木根系檢測，建立了一套完整的根系形態(tài)特征與生物量無損分析方法，為林業(yè)生態(tài)監(jiān)測與智能林業(yè)發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
根系作為植物吸收水分養(yǎng)分、穩(wěn)固植株的關(guān)鍵器官，其形態(tài)特征與生物量分布是理解生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)挖掘、土壤取芯等侵入性檢測方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，還會(huì)破壞根系原生生長環(huán)境，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。探地雷達(dá)作為一種地球物理技術(shù)，雖已在根系檢測中初現(xiàn)應(yīng)用潛力，但如何精準(zhǔn)解譯雷達(dá)信號(hào)、重建三維根系構(gòu)型（RSA）并實(shí)現(xiàn)生物量定量分析，仍是領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)以中國北方9年生白蠟樹為對(duì)象，采用900MHz探地雷達(dá)進(jìn)行方形網(wǎng)格掃描，通過GPR C-scan數(shù)據(jù)體構(gòu)建三維根系模型。該技術(shù)通過提取反射雙曲線頂點(diǎn)定位根系空間位置，結(jié)合雷達(dá)波傳播時(shí)長估測根系直徑，最終將根系抽象為圓臺(tái)體模型，實(shí)現(xiàn)了長度、表面積、體積等形態(tài)參數(shù)的定量分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，GPR重建的根系總長度、總表面積、總體積與整根挖掘結(jié)果相比，準(zhǔn)確率分別達(dá)66.77%、80.72%和93.84%，生物量估算準(zhǔn)確率達(dá)76.09%。
圖1：GPR 在方形網(wǎng)格掃描法下獲取的C-scan 數(shù)據(jù)
圖2：兩種方法重建根系構(gòu)型效果的對(duì)比
這項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)檢測的破壞性局限，建立了“雷達(dá)掃描-三維重建-生物量反演”的全流程無損分析方法。研究發(fā)現(xiàn)，GPR對(duì)0.1-0.4米深度的根系識(shí)別率達(dá)76.9%，且能有效捕捉根系生長角度、分枝分布等復(fù)雜特征。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于森林資源調(diào)查、城市綠化根系保護(hù)、水土保持評(píng)估等領(lǐng)域，為氣候變化下根系生態(tài)適應(yīng)性研究提供了關(guān)鍵工具。
本研究的第一作者為工學(xué)院博士研究生樊國秋，通訊作者為工學(xué)院副教授梁浩，北京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金（42001298）及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3006804）的資助。
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