激光切割對馬鈴薯組培苗移栽后生長指標的影響

徐濤，段宏兵,2，蔡興奎，楊銳， 姚飛虎，嚴福勇

1.華中農業大學工學院，武漢 430070； 2.農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室，武漢 430070

優質馬鈴薯脫毒種薯的利用是解決馬鈴薯病毒感染、提高馬鈴薯品質和產量的有效途徑[1-2]。而脫毒種薯較低的生產效率以及較難控制的種薯質量成為了影響其推廣使用的主要原因[3]。馬鈴薯脫毒種薯的生產通常分為3個階段，即組培苗移栽、組培苗日常管理、脫毒種薯收獲，其中組培苗移栽階段最為關鍵[4]。目前馬鈴薯組培苗移栽生產仍以人工作業為主，具有成本高、勞動強度大、作業過程枯燥重復的特點，其人工成本占總成本的80%以上[5]。另外，由于人為因素如操作不當、攜帶病毒等的影響，導致馬鈴薯組培苗移栽質量控制困難[6]。以機械代替人工作業方式實現馬鈴薯組培苗移栽是降低馬鈴薯脫毒種薯生產成本的可行性措施，對提高脫毒種薯的生產效率以及種薯質量都具有重要意義。因此，亟需實現馬鈴薯組培苗移栽過程的機械化、自動化作業[7]。

現有的馬鈴薯組培苗切割均采用機械剪切方式，即用剪刀從馬鈴薯組培苗的基部剪斷[8]。為了避免交叉感染，每切割1盒馬鈴薯組培苗，往往需要用75%乙醇或1%高錳酸鉀溶液對剪刀進行1次消毒[9]。以該方式進行馬鈴薯組培苗切割，存在生產效率低、乙醇等消毒用品處理不當易造成環境污染等問題。與機械剪切方式相比，激光切割技術最大的特點在于通過高能激光束的聚焦實現無接觸式切割，廣泛應用于金屬和非金屬材料加工[10-12]。當激光對馬鈴薯組培苗進行照射時，馬鈴薯組培苗切口處形成碳化層。碳化層阻礙了病菌對切口內部的入侵，從而減少了馬鈴薯組培苗的病毒感染概率，也有利于切口愈合，促進移栽的馬鈴薯組培苗成活。因此，將激光應用于馬鈴薯組培苗的切割可以有效避免切割工具所造成的組培苗交叉感染。針對機械剪切方式存在的問題，本研究提出了一種基于激光的馬鈴薯組培苗無接觸式切割方法，旨在為馬鈴薯組培苗的機械化移栽提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 激光切割原理

與常見的金屬和非金屬材料不同，植物莖稈具有復雜的組織構造，如保護組織、輸導組織、營養組織、機械組織、分生組織等，在激光切割時會產生不同的溫度響應[13-14]。激光光斑中心處的溫度可近似表示為[15]：

(1)

式(1)中，T為激光光斑中心處的溫度，K；A為物料對激光的吸收率，%；ρ0為焦斑熱功率密度，W/mm2；λ為物料的導熱系數，W/(mK)；ɑ為物料的熱擴散率，mm2/s；t為照射時間，s。

不考慮馬鈴薯組培苗莖稈表面粗糙度對激光吸收率的影響，吸收率可近似表達為：

(2)

式(2)中，φ為激光入射角，(°)；n1為入射介質的折射率；n2為折射介質的折射率。

焦斑熱功率密度計算公式為：

(3)

式(3)中,P為光輸出功率，W；r為束半徑，mm。

熱擴散率計算公式為：

(4)

式(4)中，λ為導熱系數，W/(mK)；c為比熱容，J/(kg℃)；ρ為密度，kg/m3。

由式(1)～(4)可知，當馬鈴薯組培苗這一物料確定，物料對激光的吸收率、物料的導熱系數和物料的熱擴散率便已確定。當確定馬鈴薯組培苗折射率、導熱系數、比熱容、密度等數據時便可近似計算馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度。由于馬鈴薯組培苗含水率高達92%，可以使用水的折射率(1.333)、導熱系數(0.62 W/(mK))、比熱容(4.2×103J/(kg℃))進行近似計算[13]。由計算可得，馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度約為678 K。

1.2 馬鈴薯組培苗激光切割方法

1)試驗設備及材料。HB-4060型100 W的CO2激光切割機，聊城市繪邦激光科技有限公司；水分測定儀，奧豪斯MB45；Ti300紅外熱成像儀，福祿克。馬鈴薯組培苗選用農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室“華恩1號”。

2)組培苗激光切割中心溫度測量。取馬鈴薯組培苗20棵，去根后置于水分測定儀內進行含水率測定，測定組培苗含水率為92%。將馬鈴薯組培苗置于離焦量12 mm處用CO2激光切割機進行切割，CO2激光切割機光輸出功率為10 W，切割速度為24 mm/s[16]。使用紅外熱像儀進行馬鈴薯組培苗激光切割點最高溫度測定，錄像后進行逐幀分析得出激光切割點最高溫度為615 K，與計算所得馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度近似。

3)組培苗的切割方法。試驗組馬鈴薯組培苗采用激光切割方式，對照組采用機械剪切方式。試驗組與對照組的馬鈴薯組培苗數量均為200棵。

試驗組：將馬鈴薯組培苗每10棵分為1組，根部對齊，平鋪在雙層亞克力板中間。馬鈴薯組培苗根部在亞克力板范圍內約10 mm，如圖1A所示。將固定好的亞克力板置于激光頭下部，設置離焦量為12 mm，CO2激光切割機光輸出功率調整為10 W，切割速度為24 mm/s，對馬鈴薯組培苗進行切割，如圖1B所示。

A:組培苗根部固定 Tissue culture seedling root fixation; B.組培苗切割 Tissue culture laser cutting.

在實際生產中，為提高馬鈴薯組培苗的利用率，對較長的馬鈴薯組培苗進行多段分割，分割產生單切口與雙切口2種莖段。針對該情況，分別對馬鈴薯組培苗進行單切口莖段(圖2A)和雙切口莖段(圖2B)試驗。直接在馬鈴薯組培苗的根部以上約15 mm處切斷形成單切口莖段。在馬鈴薯組培苗的根部以上約15 mm處和35 mm處切斷形成雙切口莖段(馬鈴薯組培苗長度大于35 mm)。在切割中，保證馬鈴薯組培苗每段至少有1個以上的芽點(保證馬鈴薯組培苗能正常生長)。

對照組：按照試驗組的同樣要求，用剪刀剪切馬鈴薯組培苗，形成單切口莖段(圖2C)和雙切口莖段(圖2D)。每切割完1盒馬鈴薯組培苗時，用75%乙醇消毒剪刀，重復進行。保證切割后馬鈴薯組培苗莖段長度與激光切割莖段長度基本相等。

A:激光切割單切口 Single incision after laser; B:激光切割雙切口 Double incision after laser; C:機械剪切單切口 Single incision after mechanical shear; D:機械剪切雙切口 Double incision after mechanical shear.

1.3 組培苗培養

在華中農業大學農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室，將切好的2組馬鈴薯組培苗按照相同的農藝要求進行扦插。在相同培養條件下培養21 d后，統計馬鈴薯組培苗的存活率，測量其株高、節間數、節間長度、莖粗、根長、去根鮮質量等數據。培養條件為光周期16 h/8 h，光強度為2 500～3 000 lx，培養溫度(20±1) ℃，第5天開始通氣，通氣時間12 h/d(每隔15 min，通氣15 min)，通氣流量為(2.4±0.2) L/min。

2 結果與分析

培養21 d后，統計馬鈴薯組培苗存活率，即存活的馬鈴薯組培苗占每組實驗馬鈴薯組培苗總數量的百分比；統計馬鈴薯組培苗節間數，即基部葉片至頂芽以下成熟葉片之間的節間數量(圖3)。使用直尺(精度1 mm)測量馬鈴薯組培苗株高、節間長度和根長；使用卡夫威爾的電子游標卡尺(精度0.01 mm)測量馬鈴薯組培苗的莖粗；使用東莞市苦竹電子有限公司的電子天平(精度0.01 g)測量馬鈴薯組培苗去根鮮質量。

圖3 組培苗節間示意圖

從表1可以看出，激光切割單切口莖段移栽苗的平均株高為73.59 mm，遠高于機械剪切移栽苗的61.56 mm；激光切割單切口莖段移栽苗的平均莖粗為0.93 mm，平均去根鮮質量為0.18 g，也明顯優于機械剪切移栽苗，但平均根長卻低于機械剪切方式。培養過程中還觀察到，激光切割單切口莖段移栽苗成活率達99%，高于機械剪切單切口莖段移栽苗的90%。

表1 機械剪切和激光切割對馬鈴薯組培苗單切口莖段生長的影響 Table 1 The growing influence of laser cutting and mechanical shearing on tissue culture potato seedlings single cut stem segment

從表2可以看出，激光切割雙切口莖段移栽苗的平均株高和平均根長與機械剪切方式之間差異不大，但平均莖粗為0.71 mm,平均去根鮮質量為0.11 g，均優于機械剪切方式；激光切割雙切口莖段移栽苗的平均節間數為4.07，也顯著高于機械剪切移栽苗的3.53。

表2 機械剪切和激光切割對馬鈴薯組培苗雙切口莖段生長的影響 Table 2 The growing influence of laser cutting and mechanical shearing on tissue culture potato seedlings double cut stem segment

綜上所述，使用激光進行馬鈴薯組培苗切割一定程度上可以促進移栽的馬鈴薯組培苗莖段成活。依據切割后移栽苗植株的生長指標，無論是單切口莖段，還是雙切口莖段，激光切割方式的移栽苗質量顯著高于機械剪切方式。說明CO2激光切割適于馬鈴薯組培苗的切割。

3 討 論

本研究使用激光代替傳統機械剪切方式進行馬鈴薯組培苗的無接觸式切割，能有效避免切割工具所造成的馬鈴薯組培苗交叉感染。馬鈴薯組培苗切口的碳化，也促進了移栽的馬鈴薯組培苗莖段成活，顯著提高了馬鈴薯組培苗移栽后的種苗質量。

試驗結果表明，無論是單切口莖段，還是雙切口莖段，使用激光進行馬鈴薯組培苗切割，從馬鈴薯組培苗常見生長指標的角度來評價，均優于機械剪切方式，如株高、節間數、節間長度、莖粗、根長、去根鮮質量等均有不同程度的提高。

本研究結果表明，應用激光進行馬鈴薯組培苗切割的技術具有可行性和特殊優勢。使用激光進行馬鈴薯組培苗切割對比機械剪切有較大的優勢。但激光切割導致馬鈴薯組培苗生長優勢的原因尚未明確，其中的作用機制也亟需探索研究。同時，激光切割作為農業領域的新型切割方式，在其他作物組培苗的適應性尚待驗證。