蔬菜穴盤苗根系生長質量評測

劉 洋，何義川，李 斌，王 濤，董云成，王士國

(1.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子832000；3.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300)

蔬菜穴盤苗育苗移栽是避開早春災害性天氣，延長蔬菜生育期和提高產量的重要手段[1-2]。為了降低移栽成本，機械化移栽技術已經廣泛應用于蔬菜穴盤苗育苗移栽。機械移栽時不僅要保證苗生長的粗壯，還應該保證苗缽具有良好的抗破碎性能[3-4]，以便提高穴盤苗的移栽成活率和減小緩苗時間。蔬菜穴盤苗的盤根效果直接關系苗缽的抗破碎性能。

目前，研究根系分布特征的方法主要是用水洗去根系周圍的土壤，然后測量根系體積、長度和根系干質量等參數[5-6]，這種方法可以定量分析根系的物理參數，但是破壞了根系在土壤中的結構，根系在土壤中的分布關系到苗缽的力學性能。有學者研究了育苗基質成分構成、基質配比、壓實度和苗缽體積對蔬菜穴盤苗生長質量的影響[7-10]。韓綠化等[11]為了研究苗缽的抗破碎性能，用質地分析儀壓縮蔬菜苗缽，得到了苗缽的抗壓變形力學曲線，指出苗缽在被壓縮時先表現出生物屈服軟化特性，隨著壓縮量的增大表現出生物壓實硬化特性，苗缽屈服軟化特性不利于苗缽移栽。以上研究雖然研究了苗缽的抗破碎性能，但是未能指出根系在基質中的空間分布與苗缽的抗破碎性能之間的關系。羅錫文等[12]用XCT技術對生長在土壤中的番茄根系進行掃描，但是受掃描分辨率的影響，只能對較粗的根系進行分割提取。Tracy等[13]用X射線斷層掃描儀對生長在不同壓實度土壤中的番茄苗根系進行了研究，研究了土壤壓實度對根系直徑、曲率、長度、生長方向的影響，但是只研究了番茄苗生長初期根系的生長，根系的數量較少。而蔬菜穴盤苗的生長空間有限，穴盤苗適于移栽時，根系纏繞在一起，很難用現有技術將根系原位提取出。

隨著無損檢測技術的不斷進步，用高分辨率的斷層掃描技術對較細的作物根系提取成為可能。該研究用X射線微信計算機斷層掃描儀(μCT)對多種蔬菜苗缽進行掃描，將根系分割提取并三維重構，定量研究根系的分布特征，為蔬菜穴盤苗的培育提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器用128孔塑料穴盤培育蔬菜苗，育苗基質用草炭、珍珠巖和蛭石按3∶1∶1的體積比混合制成。選擇具有代表性的茄果和葉菜類蔬菜番茄、黃瓜、生菜和花菜進行育苗，4種蔬菜的育苗周期不同，以穴盤苗從穴盤中拔出時苗缽不散坨判定為可用于移栽，4種蔬菜試驗時的苗齡分別為45、28、30和47 d。

試驗儀器為X射線微型計算機斷層掃描儀(瑞士SCANCO Medical AG公司)，型號為μCT100(圖1a)。該儀器中有IPL(image processing language)圖形處理語言可用于去除根系三維圖中的離散點和根系體積的測量。掃描時要將蔬菜穴盤苗放置在直徑和高分別為100和120 mm的樣本容器中。因為苗缽的形狀呈倒置的四棱臺結構，為了在苗缽掃描時可用于對比分析，用3D打印機制作與苗缽形狀相同的苗盒(圖1b)，放置在樣本容器中。

注：a.μCT掃描儀；b.苗盒。 Note：a. μCT scanner；b.Seedling box.圖1 掃描設備Fig.1 Scanning equipment

1.2 掃描參數的選取掃描時苗缽的含水率和μCT掃描儀的分辨率(μm)、峰值電壓(kVp)、電流(μA)是影響根系的分割提取質量的關鍵參數。該試驗中選取苗缽的含水率為30%～35%[14]，可以測得苗缽的密度為1.72 g/cm3。

掃描分辨率需要根據根系的直徑進行選擇，用μCT掃描儀對裸根進行掃描并得到三維圖(圖2)，任選一根側根，在側根上選3處位置取平均值可得側根的平均72.3 μm，掃描分辨率的數值應小于側根的平均值，該試驗選取掃描分辨率為45 μm。

圖2 μCT掃描得到的裸根Fig.2 Bare root obtained by μCT scaned

掃描峰值電壓和電流與掃描物體的密度有關，密度低的物體應設置低的峰值電壓和電流。作為參考，骨頭的標準峰值電壓設置為70 kVp，正常人類骨骼的密度為4.2～6.5 g/cm3[15]，蔬菜苗缽的密度低于人類骨骼，該試驗中掃描峰值電壓設定為55 kVp。掃描峰值電壓和電流在μCT掃描儀中是固定的組合設置，該試驗中電流設置為72 μA。

1.3 試驗方法為了定量研究4種穴盤苗根系分布特征。首先，選取番茄穴盤苗，用μCT掃描儀先對番茄苗缽進行掃描，驗證根系三維重構提取精度；由于苗缽呈倒置的四棱臺結構，將根系在垂直和水平方向分別劃分成5(V1～V5)和6(H1～H6)等份(圖3)，將每份中根系的體積與所在區域苗缽體積的比值定義為根系分布密度，對每個區域的根系體積和分布密度進行統計，找出定量判斷根系分布特征的方法；最后，每種蔬菜苗掃描10個樣本，對根系的分布特征進行評價。

圖3 苗缽劃分示意Fig.3 Schematic diagram of plug division

2 結果與討論

2.1 番茄根系掃描精度驗證圖4是苗缽含水率、掃描分辨率、峰值電壓、電流分別為34.2%、45 μm、55 kVp、72 μA時掃描并重構得到的番茄根系三維圖，用IPL語言可以測得根系的體積為354.7 mm3。然后將掃描過的苗缽用水清除育苗基質，并晾干根系表面水分，用排水法測得裸根的體積為372.6 mm3?？梢杂嬎愕?種方法得到的根系體積誤差為4.55%，誤差很小?？芍?，用選擇的掃描參數組合掃描分割提取的根系可用于表達根系的空間分布。

2.2 番茄根系分布特征研究對番茄苗缽中的根系進行統計，圖5a是垂直方向根系體積VV的變化趨勢，V1到V5區域VV分別為125.6、83.6、53.7、42.2和49.6 mm3，根系體積先減小然后增大。VV最大的V1區域和最小的V4區域分別占根系總體積的35.4%和11.9%，差異很大。圖5b是垂直方向根系分布密度ρV的變化趨勢，V1到V5區域ρV分別為0.024 2、0.018 7、0.014 6、0.013 9和0.026 1，ρV先減小然后增大。ρV最小的V4區域和最大的V5區域相差46.7%，根系分布密度ρV差異很大。

注：a.苗缽；b.根系三維圖。 Note：a.seedling bowl；b.Three dimensional root map.圖4 番茄苗缽和根系三維圖Fig.4 Tomato plug and 3D diagram of root system

注：a.VV的分布；b.ρV的分布。 Note：a.VV distribution e；B.ρV distribution.圖5 番茄根系在垂直方向的分析值Fig.5 The analysis values of tomato roots in vertical direction

圖6a是水平方向根系體積VH的變化趨勢，H1到H6區域VH分別為23.8、62.0、93.8、91.6、60.7和22.9 mm3，根系體積先增大然后減小，近似呈對稱分布。VH最大的H3區域和最小的H6區域分別占根系總體積的26.4%和6.5%，差異很大。圖6b是水平方向根系密度ρH的變化趨勢，可以看到ρH的變化趨勢明顯不同于VH，但也是近似呈對稱分布。H1到H6區域ρH分別為0.029 6、0.017 2、0.020 0、0.019 3、0.016 8和0.028 4，ρH較小的H2和H5區域與較大的H1和H6區域相差41.4%，差異很大。

注：a.VH的分布；ρH的分布。 Note：a.VH distribution；b.ρH distribution.圖6 番茄根系在水平方向的分析值Fig.6 The analysis values of tomato roots in horizontal direction

通過對圖5和圖6中番茄根系的定量統計可知，根系的體積和分布密度在垂直和水平方向變化都非常顯著。苗缽中根系體積與所在區域苗缽的體積有關，苗缽體積較大的V1、H3和H4區域也是根系體積較大的區域。但是可以發現在垂直方向上，苗缽體積最小的V5區域的根系體積大于V4區域7.4 mm3，這是因為在育苗穴盤的底部有漏水孔，這個區域的透氣性促進了根系的生長[16]。從圖5b中可以看到，V4區域的根系分布密度明顯小于其他區域，這是因為該區域距離苗缽兩端較遠，透氣性最差，影響了該區域根系的生長。在圖6b中，H1和H6區域的根系分布密度最大，結合圖4b可以看出，側系是從主根向周圍發散生長，當側根接觸到育苗穴盤的側壁面后改變生長方向，纏繞在育苗基質外圍，因此這兩個區域的根系分布密度最大。

蔬菜育苗不僅要保證根系發達，還應該讓根系緊密的包裹住苗缽，防止苗缽從穴盤中提取時散坨，以便提高移栽后成活率和縮短緩苗時間。在垂直方向，將根系分布密度的最小和最大值的比值定義為根系均勻系數，用來表達根系在垂直方向分布的均勻程度，并認為根系均勻系數越大，根系分布越均勻。在水平方向，外圍側根主要分布在H1和H6區域(J1和J2)，以及H2、H5與V4、V5相交的區域(J3和J4)，如圖7所示，可以將J1、J2、J3和J4這4個區域根系分布密度的平均值定義為外圍根系分布密度，用來表達根系包裹基質的緊密程度，認為外圍根系分布密度越高，根系包裹基質越緊密?？梢杂酶档目傮w積、根系均勻系數和外圍根系分布密度作為評價根系生長質量的評價指標。

圖7 外圍根系分布區域示意Fig.7 Schematic diagram of peripheral root distribution area

2.3 多種蔬菜穴盤苗育苗品質評測圖8是番茄、黃瓜、生菜和花菜穴盤苗根系的三維圖，可以看到番茄、黃瓜和生菜都可以清晰的表達根系的空間分布，而花菜的根系缺失嚴重。將三維重構的根系體積和排水法測得裸根體積統計在表1中，可以看到番茄、黃瓜和生菜根系的誤差分別為4.55%、3.93%和6.94%，誤差較小。而花菜根系的誤差為18.06%，誤差較大。用μCT掃描儀三維重構的花菜的側根直徑小于50 μm，掃描分辨率設置為45 μm時太高，無法將根系與基質區分開，導致根系大量缺失，提高掃描分辨率會使根系三維圖中包含大量的噪聲和育苗基質，降低可視化效果。用μCT掃描儀三維重構的黃瓜、番茄和生菜根系可以用于表達根系的空間部分，3種蔬菜穴盤苗根系的體積分別為389.2、354.7和343.1 mm3，根系體積依次減小。

注：a.番茄苗缽和重構的根系主視與俯視圖；b.黃瓜苗缽和重構的根系主視與俯視圖；c.生菜苗缽和重構的根系主視與俯視圖；d.花菜苗缽和重構的根系主視與俯視圖。 Note：a.Main and top view of tomato seedling bowl and reconstructed root system；b.Main view and top view of cucumber seedling bowl and reconstructed root system；c.Main and top view of lettuce seedling bowl and reconstructed root system；d.Main and top view of cauliflower seedling bowl and reconstructed root system.圖8 各種蔬菜穴盤苗的根系可視化圖形Fig.8 Root visualization of various vegetable plug seedlings

從圖8可以看到，番茄、黃瓜和生菜的側根都是從主根向四周發散生長并包裹住育苗基質，主根在向下生長的過程中，發生傾斜。這是因為根系會向著阻力小的方向生長，育苗基質中的孔隙和縫隙并不均勻，導致根系生長方向發生變化。圖9a是番茄、黃瓜和生菜穴盤苗在垂直方向的根系分布密度分布，可以看到ρV都是先減小然后增大。各種穴盤苗的ρV在V5區域最大，分別為0.026 1、0.030 8和0.031 4，番茄穴盤苗的根系分布密度在V4區域最小，為0.013 9，而黃瓜和生菜穴盤苗的根系分布密度在V3區域最小，分別為0.018 1和0.015 8?？梢杂嬎愕梅选ⅫS瓜和生菜穴盤苗的根系均勻系數分別為0.532、0.587和0.503，黃瓜穴盤苗的根系均勻性最好，生菜的最差。

表1 根系體積測量和誤差Table 1 Root volume measurement and error

注：a.垂直方向根系分布密度ρv分布；b.水平方向根系分布密度ρH分布。 Note：a.Vertical root distribution density ρV distribution；b.Horizontal root distribution density ρH distribution.圖9 多種蔬菜根系分布密度分析值Fig.9 The analysis values of various vegetables roots

圖9b是番茄、黃瓜和生菜穴盤苗在水平方向的根系分布密度分布，可以看到3種蔬菜的根系分布密度ρH在水平方向都近似呈對稱分布，ρH都是在H1和H6區域較大，在H1和H6區域ρH的平均值分別為0.029 0、0.033 8和0.025 7；各蔬菜穴盤苗根系的ρH都是在H2和H5區域較小，平均值分別為0.017 1、0.019 3和0.016 4；對3種蔬菜穴盤苗的外圍根系分布密度進行統計，分別為0.029 4、0.034 6和0.026 3，根系包裹育苗基質緊密程度從高到低依次為黃瓜、番茄和生菜。

通過對圖9的分析可以發現，3種蔬菜穴盤苗的根系分布密度在垂直和水平方向上有相似的分布，說明根系的生長都受到苗缽空間和透氣性的影響。但是3種蔬菜穴盤苗的根系分布密度在每個區域并不相同，黃瓜穴盤苗的根系較粗，生長過程中抵抗基質阻力的能力較強，根系更容易在基質中穿插生長到苗缽外圍，而生菜的根系較細，根系抵抗基質阻力生長到苗缽外圍的能力較弱，這會增加根系分布的不均勻，3種蔬菜穴盤苗根系的粗細影響了他們在苗缽中的分布。從根系體積、均勻系數和外圍根系分布密度可以看出，黃瓜穴盤苗的3個評價指標最高，生菜穴盤苗的最低，說明黃瓜穴盤苗的根系生長質量最高。高的根系生長質量可以將育苗基質緊密的纏繞包裹住，防止苗缽散坨，提高移栽成活率。調整穴盤中育苗基質的壓實度，或者改進育苗基質成分，在基質中添加纖維性較好的基質，增大基質的透氣性有利于改進根系在育苗基質中的分布[17-18]。選擇孔穴體積較大的穴盤培育蔬菜穴盤苗，增大根系的生長空間，有利于促進根系的生長[6，19]。適當延長育苗試驗，也可以提高根系的生長質量，但是纏繞在一起的根系不利于移栽后根系在土壤中的生長[20]。

3 結論

(1)用μCT掃描儀三維重構的番茄、黃瓜和生菜穴盤苗根系的體積與用排水法測量得到的根系體積誤差分別為4.55%、3.93%和6.94%，誤差較小，可以用三維重構的根系表達根系在育苗基質中的空間分布。

(2)蔬菜穴盤苗的側根從主根向四周發散生長，將育苗基質纏繞包裹住。垂直方向上，可以將根系分布密度的最小和最大值的比值定義為根系均勻系數，用來表達根系在垂直方向分布的均勻程度?？梢杂米钔鈬母捣植济芏葋肀磉_系包裹基質的緊密程度。

(3)對番茄、黃瓜和生菜3種蔬菜的根系體積分別為354.7、389.2和343.1 mm3，根系均勻系數分別為0.532、0.587和0.503，外圍根系分布密度分別為0.029 4、0.034 6和0.026 3，3種蔬菜的根系生長質量由高到低依次為黃瓜、番茄和生菜。