Image analysis for non-destructive and non-invasive quantification of root growth and soil water content in rhizotrons

• Published in: Journal of plant nutrition and soil science Vol. 165; no. 5; pp. 573 - 581
• Main Authors: Kuchenbuch, Rolf O., Ingram, Keith T.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.10.2002; WILEY‐VCH Verlag; Wiley
• Subjects: Biological and medical sciences; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; method; root length; soil bulk density; soil water content; Zea mays
• ISSN: 1436-8730; 1522-2624
• DOI: 10.1002/1522-2624(200210)165:5<573::AID-JPLN573>3.0.CO;2-W

Studies aiming at quantification of roots growing in soil are often constrained by the lack of suitable methods for continuous, non‐destructive measurements. A system is presented in which maize (Zea mays L.) seedlings were grown in acrylic containers — rhizotrons — in a soil layer 6‐mm thick. These thin‐layer soil rhizotrons facilitate homogeneous soil preparation and non‐destructive observation of root growth. Rhizotrons with plants were placed in a growth chamber on a rack slanted to a 45° angle to promote growth of roots along the transparent acrylic sheet. At 2‐ to 3‐day intervals, rhizotrons were placed on a flatbed scanner to collect digital images from which root length and root diameters were measured using RMS software. Images taken during the course of the experiment were also analyzed with QUACOS software that measures average pixel color values. Color readings obtained were converted to soil water content using images of reference soils of known soil water contents. To verify that roots observed at the surface of the rhizotrons were representative of the total root system in the rhizotrons, they were compared with destructive samples of roots that were carefully washed from soil and analyzed for total root length and root diameter. A significant positive relation was found between visible and washed out roots. However, the influence of soil water content and soil bulk density was reflected on seminal roots rather than first order laterals that are responsible for more than 80 % of the total root length. Changes in soil water content during plant growth could be quantitifed in the range of 0.04 to 0.26 cm3 cm—3 if image areas of 500 x 500 pixel were analyzed and averaged. With spatial resolution of 12 x 12 pixel, however, soil water contents could only be discriminated below 0.09 cm3 cm—3 due to the spatial variation of color readings. Results show that this thin‐layer soil rhizotron system allows researchers to observe and quantify simultaneously the time courses of seedling root development and soil water content without disturbance to the soil or roots. Bildanalyse zur nicht‐destruktiven und nicht‐invasiven Quantifizierung von Wurzelwachstum und Bodenwassergehalt in Rhizotronen Untersuchungen, die der Quantifizierung des Wurzelwachstums im Boden dienen, werden oft durch das Fehlen geeigneter Methoden zur kontinuierlichen und zerstörungsfreien Messung eingeschränkt. Daher wird ein System vorgestellt, in dem Mais (Zea mays L.) in Gefäßen — Rhizotronen — aus Acrylglas in einer 6 mm dicken Bodenschicht wächst. Diese Rhizotrone ermöglichen die homogene Einbringung des Bodens und die Beobachtung des Wurzelwachstums. Die bepflanzten Kuvetten werden in einer Klimakammer auf Gestellen platziert, die durch ihre Neigung von 45� bewirken, dass vermehrt Wurzeln an der transparenten Akryl‐Oberfläche entlang wachsen. Im Abstand von 2—3 Tagen werden die Rhizotrone auf einen Flachbett‐Scanner gelegt und digitale Bilder erzeugt. An diesen wurden mit RMS‐Software Wurzellängen und ‐durchmesser quantifiziert. Weiterhin wurde die Bodenfarbe mittels des Programms QUACOS analysiert; die resultierenden Farbwerte wurden anhand einer separat bestimmten Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und Bodenfarbe in Bodenwassergehalte umgerechnet. Um zu bestätigen, dass die sichtbaren Wurzeln repräsentativ für die Wurzeln im Bodenvolumen sind, wurden sie mit Wurzellängen verglichen, die nach destruktiver Ernte und Auswaschen bestimmt wurden. Es ergab sich eine signifikante positive Beziehung zwischen sichtbarer und gesamter Wurzellänge. Allerdings spiegelte die sichtbare Wurzellänge verlässlich nur den Einfluss von Bodenwassergehalt und Bodendichte auf samenbürtige (dicke) Wurzeln wider, nicht auf Seitenwurzeln erster Ordnung, die über 80 % der Gesamtwurzellänge ausmachen. Veränderungen des Bodenwassergehaltes während des Pflanzenwachstums konnten im Bereich von 0.04 to 0.26 cm3 cm—3 quantifiziert werden, wenn Flächen von 500 x 500 Pixel analysiert und gemittelt wurden. Mit einer Auflösung von of 12 x 12 Pixel konnte der Bodenwassergehalt aufgrund der räumlichen Variabilität der Farbwerte nur unterhalb von 0.09 cm3 cm—3 bestimmt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Rhizotron‐System mit einer dünnen Bodenschicht es erlaubt, die Entwicklung der Wurzel junger Maispflanzen und den Bodenwassergehalt in kurzen Zeitabständen zu bestimmen, ohne Veränderungen an Boden oder Pflanzen vorzunehmen.