基于三维中子成像的人参根系土壤水分定量分析技术及其在可控栽培中的应用研究

《Agricultural Water Management》：Quantification of water in ginseng roots ( Panax ginseng C. A. Meyer) in soil using 3D neutron imaging

本研究针对气候变化导致的人参田间栽培中土传病害频发和水资源短缺问题，开发了一种利用三维中子成像（3D NI）技术定量测量土壤中人参根系水分含量的方法。研究人员通过蒙特卡洛模拟和实验验证，建立了水分含量标定曲线，成功实现对三年生人参根系水分含量（70.0%±5%）的定量测定。该技术为可控栽培条件下的水分精准管理和根系病理早期诊断提供了创新解决方案，对珍稀药用植物的可持续生产具有重要意义。

　　

随着气候变化加剧，被誉为"百草之王"的韩国人参（Panax ginseng C. A. Meyer）正面临严峻的生存挑战。田间栽培中土传病原体泛滥，加之干旱缺水，导致根系腐烂和锈病频发，使人参这一珍贵药用植物濒临灭绝。传统解决方案是不断迁移至未开垦的处女地种植，但适宜环境极为有限。为突破这一瓶颈，可控栽培结合智能农业技术成为重要发展方向，其中土壤水分的精准调控更是根系健康生长的关键所在。

然而，要实现对根系水分状况的精准监测并非易事。传统方法如染料示踪、光传输、电阻率测量等技术在测量土壤中根系水分含量时存在明显局限。核磁共振（NMR）技术虽能绘制植物维管组织中的水分分布图，但对土壤中的磁性材料高度敏感，且设备昂贵、可用性有限。X射线显微CT虽可观察根系形态，但孔隙与液体之间的对比度不明显，难以准确计算流速。这些技术瓶颈严重制约了人们对植物水文过程的深入理解。

正是在这一背景下，韩国原子能研究所的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表了一项创新研究，他们开发了一种基于三维中子成像（3D Neutron Imaging，3D NI）的原位定量测量技术，成功实现了对土壤中人参根系水分含量的精准测定。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究：首先利用蒙特卡洛模拟软件McStas对中子穿透率进行预测；其次通过电子束（2.5 MeV）灭菌技术处理土壤，消除土传病原体；然后建立铝制 phantom 标定曲线，定量测量不同土壤湿度条件下（1.3%-7.7%）的水分含量；最后使用HANARO反应堆的热中子成像设施进行三维中子成像，采用滤波反投影算法进行图像重建。

3.1. 蒙特卡洛模拟土壤中根系的中子束穿透率

通过McStas程序进行的蒙特卡洛模拟显示，即使在12%湿度的土壤中，对于水厚度达30毫米的铝制phantom，热中子穿透率仍能达到32%。模拟系统包含长度为1227毫米的中子传输管、直径50毫米的铋过滤器（阻挡γ射线）以及孔径25毫米、长度2280毫米的准直器管（L/D准直比为270）。热中子通量达到3.85×10¹³/cm²·s，为实验设计提供了理论依据。

3.2. 设施散射组分的确定

研究人员发现，当用含镉硼蜡阻挡中子束时，探测器上的散射信号像素值达到6912，这主要来自3D NI系统周围组件（屏蔽层、成像设备、五轴控制装置、闪烁体和探测器）产生的中子散射和γ射线。通过校准不同样品-探测器距离（SDD）下的水宏观衰减系数，确定在SDD为80毫米时，测量误差最小（约5%），因此将铝制phantom放置在距探测器80毫米处进行实验。

3.3. 热中子3D NI原位定量土壤中根系水分含量的标定曲线

研究团队建立了系统的水分含量测定流程，包括制备不同直径和高度的铝制水phantom（水厚度3-30毫米）、在不同土壤湿度条件下（1.3%-7.7%）进行3D NI扫描、图像重建和虚拟分割等17个步骤。标定曲线显示，在7.7%土壤湿度、60毫米土壤厚度条件下，对30毫米水厚度的中子束穿透率仍高于18%，满足定量测量要求。

3.4. 土壤中根系体积/水分含量的3D NI原位测量

对电子束灭菌土壤中生长的三年生人参根系进行3D NI扫描显示，根系体积在5.94-11.00 cm³之间，水分含量分布不均。根据标定曲线定量测定，在7.7%土壤湿度条件下，人参根系的水分含量分别为70.0%（±5%）、55.0%（±5%）和70.0%（±5%），均高于55%的健康阈值。

研究讨论部分指出，3D NI图像质量在中子束穿透率大于10%时即可接受，而本研究在实验条件下穿透率达到18%，模拟值更是达到32%，完全满足定量分析要求。尽管中子散射会导致约5%的测量误差，但通过标定曲线校正后，结果可靠性显著提高。

该技术的重要意义在于首次实现了对土壤中生长根系水分含量的原位定量测量，为可控栽培条件下的水分精准管理提供了技术支撑。与传统破坏性方法（介电细胞压力探针、磁共振、热追踪等）相比，3D NI能够非破坏性地提供维管和筛管植物水文学的三维图像，同时还能分析离子浓度、pH值、根压、渗透压、毛细作用和非极性溶剂等多种参数。

研究人员展望，随着D-D/D-T便携式中子发生器和同位素（Cf、Am-Be）技术的发展，以及宇宙中子辐射技术的应用，未来有望在大型可控栽培设施中直接应用该技术。结合X射线和高光谱成像技术，中子成像将成为解决植物水文学领域挑战性问题的有力工具。

该研究不仅为珍稀药用植物人参的可持续栽培提供了技术保障，也为其他根系作物（如天麻、松露等）的可控栽培提供了重要参考。随着全球人参提取物市场规模预计从2024年的35亿美元增长至2032年的59亿美元，该技术对维持和增加人参产量、应对气候变化具有重要意义，将推动垂直农业和可控栽培技术的创新发展。