BTC100根系觀測系統(tǒng)在林業(yè)科學(xué)研究中的應(yīng)用

自上世紀(jì)八十年代，隨著美國 Bartz 公司研制生產(chǎn)出專業(yè)商業(yè)化微根窗根系生態(tài)觀測儀器，微根窗技術(shù)（Minirhizotron）得以廣泛使用并成為目前根系動(dòng)態(tài)研究的主要技術(shù)手段。

BTC-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是基于Minirhizotron技術(shù)的經(jīng)典根系監(jiān)測設(shè)備，由美國Bartz公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。國際上 80%以上的利用 Minirhizotron 技術(shù)發(fā)表的根系研究論文，都是采用Bartz 公司的 BTC-2 或 BTC-100（BTC-2 的升級版），發(fā)表刊物包括：Agriculture, Ecosystems and Environment；Plant, Cell and Environment；Journal of Arid Environments；Tree Physiology；HortScience；Environmental and ExperimentalBotany；Journal of Ecology；Agricultural and Forest Meteorology；Crop Science；Ecological Monographs；PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)；Plant Root；Agromomy Journal；Climate Change；Journal of Experimental Botany；Journal of Plant Research；Annals of Botany；New Phytologist；Global Change Biology；Ecosystems；Science；Nature；Plant Soil；Soil Science Society of America Journal；Restoration Ecology；PLOS one等等。中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）及農(nóng)業(yè)部學(xué)科群建設(shè)項(xiàng)目等，均批量招標(biāo)采購了 BTC-100，以全面采用國際通用的 BTC-100根系生態(tài)監(jiān)測技術(shù)，用于長期監(jiān)測森林、草原、濕地、農(nóng)業(yè)等不同植被類型根系動(dòng)態(tài)。易科泰生態(tài)技術(shù)公司收集了幾百篇采用 BTC 根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)表的論文，可供大家下載交流。

BTC-100 主要優(yōu)勢特點(diǎn)：
1) 從上世紀(jì)八十年代以來一直是根系觀測研究的主要經(jīng)典儀器技術(shù)；
2) 發(fā)表論文最多的根系觀測儀器技術(shù)，涉及世界上幾十種頂尖學(xué)術(shù)刊物，包括《Science》、《Nature》等；
3) 15-100 倍放大顯微視頻鏡頭，精確分辨細(xì)根甚至菌根，是目前唯一可用于菌根研究的根系觀測研究儀器，甚至可以對地下土壤動(dòng)物活動(dòng)進(jìn)行觀測分析；

4)  精確定位系統(tǒng)可以確保細(xì)根長期跟蹤觀測研究；
5)  防水、防塵、防油污等，可在各種環(huán)境（包括濕地環(huán)境等）條件下使用，是最可靠、免維護(hù)、最經(jīng)久耐用的根系觀測儀器；
6)  可選配紫外光源，除用于幫助鑒別死根和活根外，還可用于量子點(diǎn)熒光標(biāo)記根系成像觀測研究。

案例 1：Asavanna response to precipitation intensity, PLOS ONE, 2017

隨著全球氣候變暖，降雨頻次降低但強(qiáng)度增大。美國猶他州立大學(xué) Ryan S.Berry 對南非Kruger國家公園稀樹草原木本植物及草本植物對全球變暖降雨強(qiáng)度增大條件下木本植物和草本植物的響應(yīng)進(jìn)行了觀測研究，結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度增大可以提高木本植物的生物量、降低草本植物的生物量。

案例 2：Partitioning CO2 fluxes with isotopologue measurements and modeling to understand mechanisms of forest carbon sequestration, Final Technical Report, Terrestrial Ecosystem Science Program, U.S. Department of Energy,2016

該項(xiàng)目利用同位素技術(shù)、BTC-100微根窗根系觀測技術(shù)、細(xì)根呼吸測量技術(shù)等，對不同林地地上與地下物候?qū)W、生態(tài)系統(tǒng)光合同化通量與呼吸通量進(jìn)行了連續(xù)多年的觀測研究，結(jié)果表明：生態(tài)系統(tǒng)白天呼吸低于夜間呼吸——第一次從生態(tài)系統(tǒng)水平上提供了 Kok 效應(yīng)（光對葉片呼吸的抑制作用）的證據(jù)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，落葉林地上地下物候比針葉林更加同步化。該項(xiàng)目研究發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文并先后獲得波士頓大學(xué)、美國地球物理學(xué)會、美國大學(xué)聯(lián)合會及美國能源部等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

案例 3：Variability in root production, phenology, and turnover rate among 12 temperate tree species, Ecology, 2014

本研究由美國賓夕法尼亞州立大學(xué)與中國科學(xué)院 M.Luke McCormack 及 Thomas S. Adams等，利用美國 Bartz 研制生產(chǎn)的微根窗根系觀測技術(shù)，在賓夕法尼亞中部溫帶森林，對12種樹木細(xì)根生產(chǎn)力、物候及周轉(zhuǎn)進(jìn)行了3年的觀測研究，發(fā)現(xiàn)不同樹種細(xì)根生產(chǎn)時(shí)間分布格局變異很大，有的樹種每年的生長時(shí)間分布格局一致，有些則有年度差異；樹木細(xì)根生產(chǎn)力與周轉(zhuǎn)率相關(guān)，快的周轉(zhuǎn)率則有著高的生產(chǎn)力。

濕地應(yīng)⽤用案例：

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室C.M.Iversen等于2011年在《Plant Soil》發(fā)表了綜述性論文“Adancingthe use of minirhizotrons in wetlands”,介紹了 BTC-100 在濕地研究中的應(yīng)用（需要說明的是，BTC-100具備防水功能，是唯一適合于濕地研究的根系監(jiān)測設(shè)備）。右圖是通過 BTC 系統(tǒng)觀測到的濕地常見的泥炭和細(xì)根的一些特征。圖像 A，B 是在不同的濕地拍攝下來的照片，A是美國北方明尼蘇達(dá)州的一個(gè)黑云杉沼澤林，B是加拿大安大略湖的開放沼澤保護(hù)區(qū)。圖片顯示了觀測管不同深度下的根系圖，刻度 0-5cm，5-10cm，10-20cm，20-25cm，25-30cm 五個(gè)深度，盡管多張圖片中存在多個(gè)細(xì)根，研究中用箭頭標(biāo)出了長期定位觀測的一個(gè)細(xì)根，新生長出來的細(xì)根與泥炭基質(zhì)能夠有明顯的區(qū)分，年老的根色素增多，與泥炭基質(zhì)較難區(qū)分，如A圖5-10cm層和B圖的25-30cm層。此外，松散的泥炭層會形成較大的疏松缺口層，并且能明顯看到地下水。

下圖為CM.Iversen 等在美國明尼蘇達(dá)州北部沼澤森林中對氣候變化包括溫度和CO2升高的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究結(jié)果。

微根窗根系⽣生態(tài)與⼟土壤呼吸監(jiān)測應(yīng)⽤用案例

土壤中植物細(xì)根占地球生態(tài)系統(tǒng)年凈初級生產(chǎn)力的33%（Gill and Jackson，2000），盡管對菌根生產(chǎn)力還缺乏了解，但可以肯定的是，植物細(xì)根及菌根 CO2 的排放對全球碳平衡具有非常重要的意義。美國加利福尼亞大學(xué)保護(hù)生物學(xué)研究中心 Rodrigo Vargas 教授（2008），在圣哈辛托山保護(hù)區(qū)利用 BTC-100 微根窗根系觀測系統(tǒng)及 SCG 土壤剖面 CO2 梯度觀測系統(tǒng)，組成土壤呼吸與根系觀測站，就土壤水分、細(xì)根動(dòng)態(tài)、土壤呼吸進(jìn)行綜合觀測研究，結(jié)果表明，利用 BTC-100 微根窗技術(shù)持續(xù)觀測細(xì)根動(dòng)態(tài)極為重要，觀測到細(xì)根長度變化每天每平方米達(dá) 40cm，而菌根長度變化每天每平方米超過 100cm；細(xì)根和菌根的動(dòng)態(tài)變化會影響到土壤呼吸的季節(jié)性變化和日變化；土壤 CO2 的生產(chǎn)是根系及微生物的生物量的函數(shù)，但土壤呼吸又依賴于土壤的擴(kuò)散包括溫度及土壤水分的影響；綜合運(yùn)用 BTC-100 微根窗技術(shù)和土壤呼吸測量技術(shù)（包括剖面 CO2 觀測技術(shù)和呼吸室測量技術(shù)）可以幫助我們?nèi)�面理解和深入解析植物根系與菌根對全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)（Allen et al., 2007）。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供的 微根窗根系生態(tài)與土壤呼吸監(jiān)測系統(tǒng)為 Rodrigo Vargas教授安裝使用的全套系統(tǒng)配置組成，包括 BTC-100 根系觀測系統(tǒng)、SCG-3 土壤剖面 CO2 觀測系統(tǒng)及 ACE 全自動(dòng)土壤呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測記錄根系動(dòng)態(tài)、TRIME-PICO 土壤剖面水分及溫度、土壤剖面 CO2 濃度、土壤呼吸（CO2 通量），及空氣溫濕度、太陽輻射、降雨量等氣象參數(shù)。

除上述客戶定制配置⽅方案外，易科泰⽣生態(tài)技術(shù)公司還可提供如下配置⽅方案：

植物光合⽣生理與地下⽣生態(tài)學(xué)研究系統(tǒng)⽅方案：該系統(tǒng)由地上多通道光合作用監(jiān)測、SCG-N 地下多層次 CO2 梯度監(jiān)測及 TRIME-PICO 土壤水分和溫度監(jiān)測、BTC-100 微根窗根際生態(tài)監(jiān)測組成，可全面監(jiān)測植物地上光合作用和呼吸作用、地下根系呼吸及根系動(dòng)態(tài)和根際生態(tài)，并同步監(jiān)測土壤水分、溫度、光和有效輻射、植物莖流等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

ET-FMS 便攜式根際呼吸測量技術(shù)⽅方案：根際呼吸測量技術(shù)包括土壤呼吸測量與根系呼吸測量。ET-FMS 便攜式根際呼吸測量系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)和呼吸室組成，主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)置高精度CO2分析儀、O2分析儀、水汽分析儀、氣體抽樣單元、數(shù)據(jù)采集器、Baseline 單元等，呼吸室有原位呼吸測量室（in-situ chamber）和離體呼吸測量室（ex-situ chamber），原位呼吸室用于原位土壤呼吸測量和根際呼吸測量離體呼吸室用于純根系呼吸測量和純土壤呼吸測量等，根系呼吸測量不僅可以反映土壤呼吸和碳排放中根系的貢獻(xiàn)率，還可以反映根系活力。

根系液流監(jiān)測技術(shù)⽅方案：水分運(yùn)輸是根系的重要功能之一，EMS-HB 根系液流監(jiān)測系統(tǒng)采用SHB (Stem heat balance) 加熱技術(shù)和 THB (Tissue heat balance) 加熱技術(shù)，結(jié)合TRIME-PICO 土壤水分溫度智能傳感器，全面監(jiān)測根系液流及其與土壤水分等環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)關(guān)系。