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BTC100 根系观测系统在林业科学研究中的应用

自上世纪八十年代，随着美国 Bartz 公司研制生产出专业商业化微根窗根系生态观测仪

器，微根窗技术（Minirhizotron）得以广泛使用并成为目前根系动态研究的主要技术手段。

BTC-100根系生态监测系统是基于Minirhizotron技术的经典根系监测设备，由美国Bartz公司设计生产。国际上 80%以上的利用 Minirhizotron 技术发表的根系研究论文，都是采用

Bartz 公司的 BTC-2 或 BTC-100（BTC-2 的升

级版），发表刊物包括：Agriculture, Ecosystems and Environment；Plant, Cell and Environment；Journal of Arid Environments；Tree Physiology；HortScience；Environmental and Experimental Botany；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。中国科学院生态系统研究网络（CERN）

及农业部学科群建设项目等，均批量招标采购

了 BTC-100，以全面采用国际通用的 BTC-100根系生态监测技术，用于长期监测森林、草原、

湿地、农业等不同植被类型根系动态。易科泰生态技术公司收集了几百篇采用 BTC 根系生

态监测系统发表的论文，可供大家下载交流。

美国 BARTZ 公司最早一代 BTC 根系观测系统

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BTC-100 主要优势特点：

1) 从上世纪八十年代以来一直是根系观测研究的主要经典仪器技术 2) 发表论文最多的根系观测仪器技术，涉及世界上几十种顶尖学术刊物，包括

《Science》、《Nature》等 3) 15-100 倍放大显微视频镜头，精确分辨细根甚至菌根，是目前唯一可用于菌根研究

的根系观测研究仪器，甚至可以对地下土壤动物活动进行观测分析

4) 精确定位系统可以确保细根长期跟踪观测研究 5) 防水、防尘、防油污等，可在各种环境（包括湿地环境等）条件下使用，是最可靠、

免维护、最经久耐用的根系观测仪器 6) 可选配紫外光源，除用于帮助鉴别死根和活根外，还可用于量子点荧光标记根系成

像观测研究

图片引自 The brighter side of soils: Quantum dots track organic nitrogen through fungi and plants,

Ecology, 90(1), 2009: 100108

林业科学研究是 BTC-100 根系观测系统的重要应用领域，包括树木根系（细根）生长

及周转监测、树木根际生态学研究监测、森林地下生态学研究、林木根系对气候变化的响

应研究

案例 1：Asavanna response to precipitation intensity, PLOS ONE, 2017 随着全球气候变暖，降雨频次降低但强度增大。美国犹他州立大学 Ryan S.Berry 对南

非Kruger国家公园稀树草原木本植物及草本植物对全球变暖降雨强度增大条件下木本植物

和草本植物的响应进行了观测研究，结果表明，降雨强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。

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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 该项目利用同位素技术、BTC-100 微根窗根系观测技术、细根呼吸测量技术等，对不同

林地地上与地下物候学、生态系统光合同化通量与呼吸通量进行了连续多年的观测研究，

结果表明：生态系统白天呼吸低于夜间呼吸——第一次从生态系统水平上提供了 Kok 效应

（光对叶片呼吸的抑制作用）的证据；同时还发现，落叶林地上地下物候比针叶林更加同

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步化。该项目研究发表多篇学术论文并先后获得波士顿大学、美国地球物理学会、美国大

学联合会及美国能源部等多个奖项

案例 3：Variability in root production, phenology, and turnover rate among 12 temperate tree species, Ecology, 2014 本研究由美国宾夕法尼亚州立大学与中国科学院 M.Luke McCormack 及 Thomas S. Adams

等，利用美国 Bartz 研制生产的微根窗根系观测技术，在宾夕法尼亚中部温带森林，对 12

种树木细根生产力、物候及周转进行了 3 年的观测研究，发现不同树种细根生产时间分布

格局变异很大，有的树种每年的生长时间分布格局一致，有些则有年度差异；树木细根生

产力与周转率相关，快的周转率则有着高的生产力。

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湿地应⽤用案例： 美国橡树岭国家实验室C.M.Iversen等于2011

年在《Plant Soil》发表了综述性论文“Adancing

the use of minirhizotrons in wetlands”,介绍

了 BTC-100 在湿地研究中的应用（需要说明的是，

BTC-100 具备防水功能，是唯一适合于湿地研究的

根系监测设备）。右图是通过 BTC 系统观测到的湿

地常见的泥炭和细根的一些特征。图像 A，B 是在

不同的湿地拍摄下来的照片，A是美国北方明尼苏

达州的一个黑云杉沼泽林，B是加拿大安大略湖的

开放沼泽保护区。图片显示了观测管不同深度下的

根系图，刻度 0-5cm，5-10cm，10-20cm，20-25cm，

25-30cm 五个深度，尽管多张图片中存在多个细根，

研究中用箭头标出了长期定位观测的一个细根，新

生长出来的细根与泥炭基质能够有明显的区分，年

老的根色素增多，与泥炭基质较难区分，如 A 图

5-10cm 层和 B图的 25-30cm 层。此外，松散的泥炭

层会形成较大的疏松缺口层，并且能明显看到地下

水。

下图为 CM.Iversen 等在美国明尼苏达州北部沼泽森林中对气候变化包括温度和 CO2 升

高的生态系统响应研究结果。

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微根窗根系⽣生态与⼟土壤呼吸监测应⽤用案例 土壤中植物细根占地球生态系统年净初级生产力的 33%（Gill and Jackson，2000），尽

管对菌根生产力还缺乏了解，但可以肯定的是，植物细根及菌根 CO2 的排放对全球碳平衡

具有非常重要的意义。美国加利福尼亚大学保护生物学研究中心 Rodrigo Vargas 教授（2008），在圣哈辛托山保护区利用 BTC-100 微根窗根系观测系统及 SCG 土壤剖面 CO2 梯度观测系

统，组成土壤呼吸与根系观测站，就土壤水分、细根动态、土壤呼吸进行综合观测研究，

结果表明，利用 BTC-100 微根窗技术持续观测细根动态极为重要，观测到细根长度变化每

天每平方米达 40cm，而菌根长度变化每天每平方米超过 100cm；细根和菌根的动态变化会

影响到土壤呼吸的季节性变化和日变化；土壤 CO2 的生产是根系及微生物的生物量的函数，

但土壤呼吸又依赖于土壤的扩散包括温度及土壤水分的影响；综合运用 BTC-100 微根窗技

术和土壤呼吸测量技术（包括剖面 CO2 观测技术和呼吸室测量技术）可以帮助我们全面理

解和深入解析植物根系与菌根对全球碳循环的贡献（Allen et al., 2007）。

易科泰生态技术公司提供的微根窗根系生态与土壤呼吸监测系统为 Rodrigo Vargas教授安装使用的全套系统配置组成，包括 BTC-100 根系观测系统、SCG-3 土壤剖面 CO2 观

测系统及 ACE 全自动土壤呼吸监测系统，可监测记录根系动态、TRIME-PICO 土壤剖面水

分及温度、土壤剖面 CO2 浓度、土壤呼吸（CO2 通量），及空气温湿度、太阳辐射、降雨

量等气象参数。

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上图：细根长度（上图空心蓝点）、菌根长度（上图实心红点）及土壤呼吸动态变化；下图：土壤

温度与土壤体积含水量的动态变化（DOY 为 Day of year）

易科泰生态技术公司 Ecolab 实验室还可根据客户需求，提供“客户定制式”根窗观测系

统及小型根系观测蒸渗仪等，以满足实验室或野外根系在线观测等需求及不同预算需求。

除上述客户定制配置⽅方案外，易科泰⽣生态技术公司还可提供如下配置⽅方案： 植物光合⽣生理与地下⽣生态学研究系统⽅方案：该系统由地上多通道光合作用监测、SCG-N 地下

多层次 CO2 梯度监测及 TRIME-PICO 土壤水分和温度监测、BTC-100 微根窗根际生态监测组

成，可全面监测植物地上光合作用和呼吸作用、地下根系呼吸及根系动态和根际生态，并

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同步监测土壤水分、温度、光和有效辐射、植物茎流等参数的动态变化。

ET-FMS 便携式根际呼吸测量技术⽅方案：根际呼吸测量技术包括土壤呼吸测量与根系呼吸测

量。ET-FMS 便携式根际呼吸测量系统由主机系统和呼吸室组成，主机系统内置高精度 CO2

分析仪、O2 分析仪、水汽分析仪、气体抽样单元、数据采集器、Baseline 单元等，呼吸室

有原位呼吸测量室（in-situ chamber）和离体呼吸测量室（ex-situ chamber），原位呼

吸室用于原位土壤呼吸测量和根际呼吸测量，离体呼吸室用于纯根系呼吸测量和纯土壤呼

吸测量等，根系呼吸测量不仅可以反映土壤呼吸和碳排放中根系的贡献率，还可以反映根

系活力。

上图：Naoki Makita（2009）等利用离体封闭式测量法，将不同直径细根在封闭式呼吸室内对根系直径

与呼吸强度的关系进行测量研究。左图为从细根（小于 2mm）到粗根的呼吸强度，植物根系呼吸主要发

生在细根；右图为栎树细根直径与呼吸强度的关系（Tree Physiology, 2009）

根系液流监测技术⽅方案：水分运输是根系的重要功能之一，EMS-HB 根系液流监测系统采用

SHB (Stem heat balance) 加热技术和 THB (Tissue heat balance) 加热技术，结合

TRIME-PICO 土壤水分温度智能传感器，全面监测根系液流及其与土壤水分等环境因素的动

态关系。

根系研究液流传感器及土壤水分传感器安装方案示意图