中国南方是重要的粮食生产基地和典型的经济发展区,水稻和小麦是主要的粮食作物之一,机械化生产水平高。然而稻麦轮作系统依然面临如下问题,如产量下降、机械化作业效率低;符合中国区域发展模式的高效、增产、增收农业机械化耕作技术和管理技术体系不完善;作物根系构型特征对作物产量构成起决定性作用,同时受到耕后土壤状况的影响,但未用于评价耕后效应;此外,根系构型研究受到研究方法和评价指标的限制。针对上述问题,本研究从根构型的概念出发,自主研发设计了一套适用于田间作物根系构型测试和分析的虚拟植物根系技术,以2010-2013年,免耕和旋耕两种耕作方式下的稻茬麦根系生长为例,构建一系列表明根系构型特征的指标,探究稻茬麦根系的分布特征。论文的具体研究内容如下:(1)实现田间作物根系构型的数据化与可视化。使用自制的根构型数字化仪对取自田间的小麦根系进行数字化,然后将实测的数据在Pro-E软件平台上重构实现其可视化。研究指出作物根系构型数字化仪能够提供<1mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染与干扰能力强,能够满足作物根系构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系构型重构技术也便于直观的观察作物根系的纵向分布与周向分布。研究发现稻茬麦根系的空间搜寻动态表现为越冬期周向紧束,拔节期周向拓展迅速但限于表土层,而在拔节后期的根系拓展更为迅猛,并逐步转移到更深的土层中。研究表明由软硬件单元组构而成的虚拟植物根系技术可以满足作物根系3D构型的分析需求,并能够准确描述小麦生长期内根系构型的动态行为及变化过程。(2)提供定量化指标描述根系构型的分布特征。这些表型指标以更高的分辨率来了解根系在每个土层的细节信息,其提出是为了实现将田间作物根系构型用数据来表示、分析、解释,以更好的理解田间根构型动态的时空变异及其与土壤之间的交互过程,以及根构型发生显著变化的时间节点。结果发现随着时间的增加,根长和根系在水平方向上的分布随时间的增加先是缓慢增加然后显著增加;在稻茬麦的生长初期根系的宽深比变化幅度明显,随着时间的变化会逐渐趋于平缓;在0-40mm 土层中,根系的垂直夹角较大,随着土层深度的增加,根系的垂直夹角和根长密度会随之减少,但是对于播种98天之后的稻茬麦根系夹角变化而言,则不再遵循这一趋势。从整个生长期根系的生长速率而言并没有发生显著的规律性变化。(3)2D分形分析田间稻茬麦根系的构型特征。基于田间根系数字化仪、Pro-E造型重构技术和分形理论来描述稻茬麦根系的空间分布,在实现根系构型可视化的基础之上,对可视化根系进行3向平面投影,计算小麦根系在不同平面的分形维数与分形丰度,发现根系分形维数与分形丰度随时间逐步递增,正视图面的分形维数和分形丰度总大于左视图面。从播后第98天开始,俯视图面的根系构型分形维数与分形丰度出现突增。沿着根系的垂直生长方向,每个10°量化根系构型的分布,即将根构型每隔10°进行各向投影,计算根系构型在18个维度的分形维数与分形丰度。结果发现,免耕小麦苗期根系构型在各维度的分形特征具有较强的规律性,在苗期到返青期,根构型在18个维度的分形指标波动性大,在拔节期,根构型在各维度的分形分析再次呈现出一定的规律性。旋耕作业状况下根系构型在各个维度的分布则不具有上述显著的时节特征。上述结果表明本研究方法在一定程度上可用于区分耕作对田间根系构型的影响。(4)3D分形分析田间稻茬麦根系的构型特征。获得根系构型的分布数据后,运用Matlab编程实现小麦根构型拓扑数据的虚拟重构。结合分形理论与软件的计算分析功能对虚拟根构型进行分形维计算,分别获取3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度和单株总根长五个特征指标,以此表达小麦根根构型在不同年度、不同耕作方式处理下的时空动态。同时建立不同年度及耕作处理下单株总根长动态与根构型3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度间的相关关系。研究发现随着作物生长期的变化,不同年份及不同耕作处理下的小麦根构型指标都表现出稳定增长的趋势。不同之处在于2010-2011年度和2012-2013年度的小麦根构型指标平稳增长,而2011-2012年度的根系生长速率变化较为剧烈。对比三个年度间的小麦根构型指标发现,免耕和旋耕两种耕作方式对小麦根构型的影响效果并不一致,在2010-2011年度和2012-2013年度,旋耕处理方式下的根系指标优于免耕处理方式,而在2011-2012年度,免耕处理方式下的根构型指标表现更优。对于作物生长前期(0-98d)而言,年度变化引起的根构型指标差异显著大于耕作处理引起的差异,在作物生长后期(98-112d),年度变化和耕作处理方式对小麦根构型指标的影响较为相近。对比小麦根构型的3D分形维指标和平面分形维指标发现,3D分形维明显区别于平面分形维。在不同的年度与耕作措施下,单株小麦的总根长与3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D分形丰度都满足指数模型,且显著相关。研究表明3D分形指标可以准确定量作物根构型真实的时空动态,在进行根系生长策略的选择及根土关系优化时需要考虑到田间作物根系的实际生长条件和耕作方式。(5)免耕旋耕两种耕作方式下稻茬麦根土关系动态。使用Pro-E实现田间稻麦轮作系统下小麦根系的空间分布可视化,并在Pro-E中实现表征根土关系指标的计算,使用一些列表征根土关系动态的指标,对比连续两年时间里,免耕旋耕两种耕作方式下稻茬麦根系构型与土壤间的相互作用,并系统分析这些指标之间的相关关系。结果发现年度会对根系的相对水平夹角动态产生较大影响,而耕作方式对根系相对水平夹角动态产生的影响并不明显,总的来看根系相对水平夹角的变化范围主要围绕在55°上下浮动。在2010-2011年度,对比根系的扩展土体体积、包络体体积和单位根长的有效土体体积可以看出,旋耕作业方式优于免耕作业方式,而且两种耕作方式下的上述指标都会在播后56天出现明显下降。在2011-2012年度根土关系的上述指标表现说明免耕作业方式优于旋耕作业方式,两种耕作方式下上述指标会在播后70天出现明显下降。差异性检验分析表明对于根土结构而言,年度变化造成的影响显著高于耕作方式。(6)稻茬麦根系构型与地上部指标之间的关系。在实现根系构型描述的基础上结合其地上部生长指标,分析根系构型特征及地上部生长特征,建立稻茬麦根构型指标与地上部指标之间的相关关系,发现耕作方式基本上不会对小麦生长产生差异性影响。对于不同指标,耕作方式引起的小麦生长的趋势变化间的相关系数具有较大的差别。对于免耕、旋耕两种作业方式下的小麦地上部生长而言,除叶倾角这一指标外,不同年度间其它指标的相关性非常高,年度对小麦地上部生长的影响并不显著。建立根构型和地上部之间的关系时发现小麦根系水平夹角这一指标的变化趋势与所有地上部生长指标间的相关性都很低,在2010-2011年度,小麦根系指标如包络体体积、根系拓展土体体积和总根长都与其地上部指标具有极显著性的差异,在2011-2012年度,除小麦根系总长这一指标与其所有地上部指标都具有极显著差异之外,其它指标都不具有这一特点。此外在2010-2011年度,两种耕作方式下叶倾角与所有根系地下部指标之间的相关性都很低,而在2011-2012年度,两种耕作方式下叶倾角与所有根系指标之间都是负相关,免耕种植方式下的相关性较低,而旋耕种植方式下的相关性较高。