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为探究根系形态与土壤结构关联，研究人员以小麦品种 Paragon、地方品种 Senatore - Cappelli 和 Watkins238 为对象，结合铲土学和 X 射线计算机断层扫描（CT），发现不同基因型根系影响土壤孔隙网络几何结构，孔网络连通性测量可更好量化根系对土壤结构的作用。
土壤作为地球生命活动的重要载体，其结构健康直接影响着水分渗透、养分循环和植物生长。然而，土壤结构的复杂性与多尺度特性，使得精准解析根系形态与土壤结构的相互作用机制成为一大挑战。现有研究虽已揭示根系对土壤物理性质的影响，但多数停留在宏观孔隙特征层面，缺乏对不同基因型根系在土壤孔隙网络拓扑结构和连通性方面的深入探究。在此背景下，开展小麦根系性状与土壤结构关联的精细化研究，对于理解土壤生态功能维持机制、指导作物品种改良具有重要的科学意义和实践价值。
意大利博洛尼亚大学的研究人员针对这一科学问题，开展了一项极具创新性的研究。他们选取小麦品种 Paragon、面包小麦地方品种 Watkins238 和 durum 小麦地方品种 Senatore - Cappelli 为研究对象，通过田间试验，结合铲土学（shovelomics）根系表型分析和先进的 X 射线计算机断层扫描（CT）技术，从圆柱体和团聚体两个尺度，系统评估了不同根系形态对土壤孔隙和根系网络形态的影响，并运用明可夫斯基泛函（Minkowski functionals）和渗透理论（percolation theory）参数对土壤孔隙网络形态进行了量化表征。研究成果发表在《Geoderma》，为揭示根系 - 土壤互作机制提供了新的视角和数据支撑。
该研究采用的关键技术方法主要包括：一是铲土学根系表型分析，通过挖掘土壤块、清洗根系并结合图像分析软件 RhizoVision Explorer，获取根系冠层和断根的形态参数，如网络面积、凸包面积、根直径分布等；二是 X 射线 CT 扫描，利用不同分辨率的 CT 系统对未扰动土壤圆柱体和团聚体进行扫描，获取土壤孔隙和根系的三维结构图像；三是图像分析与量化，通过土壤 J 插件（SoilJ plugin）进行图像去噪、校准和分割，提取生物孔隙并计算明可夫斯基泛函和渗透理论参数，如孔隙体积分数（M0）、表面积（M1）、连接概率（Γ）、渗透阈值（PT）等。
3.1 根系性状
研究发现，不同基因型小麦根系性状存在显著差异。Senatore - Cappelli 的凸包面积和网络面积显著大于 Paragon 和 Watkins238，其破碎根形态模式值较高，表明根系分支复杂。Paragon 的根尖数、分支点和总根长显著高于其他品种，且根直径较大。Watkins238 的各项根系生长相关指标（如根尖数、总根长等）均显著低于前两者，平均和最大根直径也较小。这些差异为后续分析根系对土壤结构的影响提供了基础数据。
3.2 明可夫斯基泛函和渗透特性
在圆柱体尺度的总成像孔隙度分析中，各品种与裸土的明可夫斯基泛函无显著差异，但裸土的渗透阈值显著高于根际土壤，表明根系活动可促进更连通的孔隙网络形成，降低渗透阈值。生物孔隙度方面，各品种与裸土在总生物孔体积分数、平均曲率和表面积上无显著差异，但 Senatore - Cappelli 与 Watkins238 的生物孔尺寸分布存在显著差异，前者拥有更多直径 > 1 mm 的孔隙。在团聚体尺度，根际土壤的渗透阈值同样低于裸土，显示根系对土壤孔隙连通性的提升作用具有尺度一致性。
3.3 根系性状对总成像孔隙度的影响
方差分析表明，根系性状主要影响渗透阈值，裸土的渗透阈值显著高于各栽培品种，说明根系可改善土壤渗透性。具体根系性状与土壤物理性质的相关性分析显示，冠层网络面积与孔隙体积分数（M0）、表面积（M1）和连接概率（Γ）呈正相关，与平均曲率（M2）呈负相关；分支频率和根直径与 M0、M1、Γ 呈正相关，与欧拉数（M3）呈负相关，表明较粗的根系和较高的分支频率可能通过减少土壤容重，促进更连通的孔隙网络形成。
3.4 根系性状对土壤生物孔隙度的影响
在生物孔隙度形态分析中，分支频率和根长在团聚体尺度与生物孔体积分数（μM0）呈正相关，在圆柱体尺度根直径和分支频率与 M0 呈正相关。破碎根形态模式（FRMP）与 M0、M1、M2 呈强负相关，而浅角频率与 M1、M2 呈负相关，陡角频率则呈正相关，揭示了根系形态复杂性对生物孔隙结构的独特影响。
4. 结论
本研究通过多尺度、多技术融合的方法，系统阐明了小麦根系性状与土壤孔隙网络结构的内在联系。研究证实，根系发育可显著提升土壤孔隙连通性、降低渗透阈值，且不同基因型根系通过根直径、分支频率、根长等性状差异，对根际土壤生物孔隙的分布和结构产生特异性影响。这些结果不仅深化了对根系 - 土壤互作机制的理解，也为作物品种改良提供了新的思路 —— 通过筛选具有特定根系性状的基因型，有望定向调控土壤结构，提升土壤生态功能，为可持续农业发展和土壤健康管理提供科学依据。研究同时指出，根系对土壤结构的影响具有尺度依赖性，并受根系持久性、土壤压实和收获后分解过程的影响，未来需在田间条件下进一步验证这些模式，以全面评估根系性状对土壤结构和功能的长期效应。
