X射线成像在植物根系与土壤相互作用研究中的应用

### X射线成像在植物根系与土壤相互作用研究中的应用 #### 1. 技术组合揭示养分生理新见解 在土壤 - 植物连续体中，为了深入了解养分生理过程，科学家采用了多种技术的组合。微吸管可以安装在土壤柱的不同深度，用于分析各种养分浓度和pH值，并将其与根系长度随时间的分布联系起来。例如，Gao等人在2019年的研究中就采用了这种方法。此外，X射线CT和元素映射（SEM - EDS）的相关成像技术可用于建立数值扩散模型，计算植物对磷等养分的吸收情况，如McKay Fletcher等人在2019年的研究。 然而，这种研究方法存在一定的局限性，盆栽实验中有限的花盆尺寸限制了研究的选择范围。 #### 2. 基于图像的建模 ##### 2.1 显式模型 X射线CT成像为基于图像的模型处理数据提供了可能。特别是同步辐射X射线CT（SR - CT），可用于在高分辨率图像上模拟与根系相关的过程。目前，这些图像的分辨率可低至约1μm，这使得对根毛进行分割成为可能，并可用于模拟根毛对磷吸收的贡献，或其在土壤结构形成中的作用。 不过，由于需要高分辨率和计算时间的限制，到目前为止，这些显式基于图像的模型仅使用了非常小的土壤体积（< 1 cm³）。而且，分析的图像体积往往不能被视为代表性的基本体积，这对与大孔隙连通性相关的土壤水文过程（如近饱和导水率）的研究不利，因为小样本无法涵盖这些过程。 以下是显式模型的相关特点总结： |特点|详情| | ---- | ---- | |分辨率|约1μm| |应用|模拟根毛对磷吸收的贡献、土壤结构形成| |局限性|使用小土壤体积、图像体积缺乏代表性| ##### 2.2 根系系统架构（RSA）作为模型输入 以RSA作为输入的模型相比实验能够涵盖更多的情景。具有相似特征但不同实现方式的RSA可以被建模并用于对比情景。大多数此类研究依赖于模型创建的RSA，但现在可以用3 - D X射线CT图像作为输入来替代。通过这种方式，X射线CT可用于计算植物的水分分布和水分吸收。例如，Koebernick等人在2015年进行的分根实验，使用石蜡分层，结果表明即使存在水力屏障，水分仍会重新分布。 以下是RSA作为模型输入的优势： - 涵盖更多情景 - 可用于对比不同RSA实