A unified modeling framework for tree root characterization and scaling: Method in belowground ecology and evolution

方法

不规则圆柱模型、二维四边形约束、杉木多林龄实测数据与三维表型。

发现

根系呈高度组装分枝结构，六阶直径分类器可统一传统与功能根系定义。

机会点

可将该跨尺度根系框架嵌入作物表型平台，探索根构型与养分吸收效率的关联。

传统生态建模与采样框架往往依赖二元、孤立的细根范式（如严格的2 mm直径阈值），将细根视为功能上均质的整体。这一方法掩盖了根系完整的结构聚集模式、涌现的网络复杂性以及多尺度标度特性。为克服上述局限，本研究在统一的结构架构框架内构建了不规则圆柱（IC）根系模型。树木根系网络被建模为由稳定的长轴正交二维四边形多边形形状约束所支配的不规则圆柱分层簇，从而便于系统采样、数字图像处理和跨尺度标注。该框架利用杉木（Cunninghamia lanceolata）不同林分发育阶段的经验数据集进行了评估。结果表明，尺寸标度比和标度指数存在显著的非线性变化，指示出高度组装的分枝架构具有明显的结构冗余，而非主根优势。具体而言，细根、吸收根和二级根表现出不同的收缩效应，总长度、表面积和体积的标度指数随性状维度的增加而依次递减。养分吸收的最大效率与经典代谢标度模型不一致。至关重要的是，所建立的六序直径尺寸分类器成功调和了传统、功能和解剖序位根系定义之间的冲突，可作为可靠的跨尺度算子。通过整合三维表型分析、递归拓扑约束和功能标度，该建模框架提供了一种可重复的机制，将静态结构性状与动态发育过程相衔接。这些进展为在变化气候情景下改进动态陆地生物圈模型（TBMs）中的地下资源分配参数化提供了严谨的基础。