劉 洋，何義川，李 斌，王 濤，董云成，王士國(guó)

(1.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子832000；3.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

蔬菜穴盤(pán)苗育苗移栽是避開(kāi)早春災(zāi)害性天氣，延長(zhǎng)蔬菜生育期和提高產(chǎn)量的重要手段[1-2]。為了降低移栽成本，機(jī)械化移栽技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蔬菜穴盤(pán)苗育苗移栽。機(jī)械移栽時(shí)不僅要保證苗生長(zhǎng)的粗壯，還應(yīng)該保證苗缽具有良好的抗破碎性能[3-4]，以便提高穴盤(pán)苗的移栽成活率和減小緩苗時(shí)間。蔬菜穴盤(pán)苗的盤(pán)根效果直接關(guān)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?chē)耐寥?，然后測(cè)量根系體積、長(zhǎng)度和根系干質(zhì)量等參數(shù)[5-6]，這種方法可以定量分析根系的物理參數(shù)，但是破壞了根系在土壤中的結(jié)構(gòu)，根系在土壤中的分布關(guān)系到苗缽的力學(xué)性能。有學(xué)者研究了育苗基質(zhì)成分構(gòu)成、基質(zhì)配比、壓實(shí)度和苗缽體積對(duì)蔬菜穴盤(pán)苗生長(zhǎng)質(zhì)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(zhì)地分析儀壓縮蔬菜苗缽，得到了苗缽的抗壓變形力學(xué)曲線(xiàn)，指出苗缽在被壓縮時(shí)先表現(xiàn)出生物屈服軟化特性，隨著壓縮量的增大表現(xiàn)出生物壓實(shí)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(zhì)中的空間分布與苗缽的抗破碎性能之間的關(guān)系。羅錫文等[12]用XCT技術(shù)對(duì)生長(zhǎng)在土壤中的番茄根系進(jìn)行掃描，但是受掃描分辨率的影響，只能對(duì)較粗的根系進(jìn)行分割提取。Tracy等[13]用X射線(xiàn)斷層掃描儀對(duì)生長(zhǎng)在不同壓實(shí)度土壤中的番茄苗根系進(jìn)行了研究，研究了土壤壓實(shí)度對(duì)根系直徑、曲率、長(zhǎng)度、生長(zhǎng)方向的影響，但是只研究了番茄苗生長(zhǎng)初期根系的生長(zhǎng)，根系的數(shù)量較少。而蔬菜穴盤(pán)苗的生長(zhǎng)空間有限，穴盤(pán)苗適于移栽時(shí)，根系纏繞在一起，很難用現(xiàn)有技術(shù)將根系原位提取出。

隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，用高分辨率的斷層掃描技術(shù)對(duì)較細(xì)的作物根系提取成為可能。該研究用X射線(xiàn)微信計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(μCT)對(duì)多種蔬菜苗缽進(jìn)行掃描，將根系分割提取并三維重構(gòu)，定量研究根系的分布特征，為蔬菜穴盤(pán)苗的培育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器用128孔塑料穴盤(pán)培育蔬菜苗，育苗基質(zhì)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(lèi)蔬菜番茄、黃瓜、生菜和花菜進(jìn)行育苗，4種蔬菜的育苗周期不同，以穴盤(pán)苗從穴盤(pán)中拔出時(shí)苗缽不散坨判定為可用于移栽，4種蔬菜試驗(yàn)時(shí)的苗齡分別為45、28、30和47 d。

試驗(yàn)儀器為X射線(xiàn)微型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(瑞士SCANCO Medical AG公司)，型號(hào)為μCT100(圖1a)。該儀器中有IPL(image processing language)圖形處理語(yǔ)言可用于去除根系三維圖中的離散點(diǎn)和根系體積的測(cè)量。掃描時(shí)要將蔬菜穴盤(pán)苗放置在直徑和高分別為100和120 mm的樣本容器中。因?yàn)槊缋彽男螤畛实怪玫乃睦馀_(tái)結(jié)構(gòu)，為了在苗缽掃描時(shí)可用于對(duì)比分析，用3D打印機(jī)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(shè)備Fig.1 Scanning equipment

1.2 掃描參數(shù)的選取掃描時(shí)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(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。該試驗(yàn)中選取苗缽的含水率為30%～35%[14]，可以測(cè)得苗缽的密度為1.72 g/cm3。

掃描分辨率需要根據(jù)根系的直徑進(jìn)行選擇，用μCT掃描儀對(duì)裸根進(jìn)行掃描并得到三維圖(圖2)，任選一根側(cè)根，在側(cè)根上選3處位置取平均值可得側(cè)根的平均72.3 μm，掃描分辨率的數(shù)值應(yīng)小于側(cè)根的平均值，該試驗(yàn)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(guān)，密度低的物體應(yīng)設(shè)置低的峰值電壓和電流。作為參考，骨頭的標(biāo)準(zhǔn)峰值電壓設(shè)置為70 kVp，正常人類(lèi)骨骼的密度為4.2～6.5 g/cm3[15]，蔬菜苗缽的密度低于人類(lèi)骨骼，該試驗(yàn)中掃描峰值電壓設(shè)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(shè)置，該試驗(yàn)中電流設(shè)置為72 μA。

1.3 試驗(yàn)方法為了定量研究4種穴盤(pán)苗根系分布特征。首先，選取番茄穴盤(pán)苗，用μCT掃描儀先對(duì)番茄苗缽進(jìn)行掃描，驗(yàn)證根系三維重構(gòu)提取精度；由于苗缽呈倒置的四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，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(qū)域苗缽體積的比值定義為根系分布密度，對(duì)每個(gè)區(qū)域的根系體積和分布密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(gè)樣本，對(duì)根系的分布特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 番茄根系掃描精度驗(yàn)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(shí)掃描并重構(gòu)得到的番茄根系三維圖，用IPL語(yǔ)言可以測(cè)得根系的體積為354.7 mm3。然后將掃描過(guò)的苗缽用水清除育苗基質(zhì)，并晾干根系表面水分，用排水法測(cè)得裸根的體積為372.6 mm3?？梢杂?jì)算得2種方法得到的根系體積誤差為4.55%，誤差很小?？芍眠x擇的掃描參數(shù)組合掃描分割提取的根系可用于表達(dá)根系的空間分布。

2.2 番茄根系分布特征研究對(duì)番茄苗缽中的根系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖5a是垂直方向根系體積VV的變化趨勢(shì)，V1到V5區(qū)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(qū)域和最小的V4區(qū)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(shì)，V1到V5區(qū)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(qū)域和最大的V5區(qū)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(shì)，H1到H6區(qū)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(duì)稱(chēng)分布。VH最大的H3區(qū)域和最小的H6區(qū)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(shì)，可以看到ρH的變化趨勢(shì)明顯不同于VH，但也是近似呈對(duì)稱(chēng)分布。H1到H6區(qū)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(qū)域與較大的H1和H6區(qū)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(guò)對(duì)圖5和圖6中番茄根系的定量統(tǒng)計(jì)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(qū)域苗缽的體積有關(guān)，苗缽體積較大的V1、H3和H4區(qū)域也是根系體積較大的區(qū)域。但是可以發(fā)現(xiàn)在垂直方向上，苗缽體積最小的V5區(qū)域的根系體積大于V4區(qū)域7.4 mm3，這是因?yàn)樵谟缪ūP(pán)的底部有漏水孔，這個(gè)區(qū)域的透氣性促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)[16]。從圖5b中可以看到，V4區(qū)域的根系分布密度明顯小于其他區(qū)域，這是因?yàn)樵搮^(qū)域距離苗缽兩端較遠(yuǎn)，透氣性最差，影響了該區(qū)域根系的生長(zhǎng)。在圖6b中，H1和H6區(qū)域的根系分布密度最大，結(jié)合圖4b可以看出，側(cè)系是從主根向周?chē)l(fā)散生長(zhǎng)，當(dāng)側(cè)根接觸到育苗穴盤(pán)的側(cè)壁面后改變生長(zhǎng)方向，纏繞在育苗基質(zhì)外圍，因此這兩個(gè)區(qū)域的根系分布密度最大。

蔬菜育苗不僅要保證根系發(fā)達(dá)，還應(yīng)該讓根系緊密的包裹住苗缽，防止苗缽從穴盤(pán)中提取時(shí)散坨，以便提高移栽后成活率和縮短緩苗時(shí)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(shù)，用來(lái)表達(dá)根系在垂直方向分布的均勻程度，并認(rèn)為根系均勻系數(shù)越大，根系分布越均勻。在水平方向，外圍側(cè)根主要分布在H1和H6區(qū)域(J1和J2)，以及H2、H5與V4、V5相交的區(qū)域(J3和J4)，如圖7所示，可以將J1、J2、J3和J4這4個(gè)區(qū)域根系分布密度的平均值定義為外圍根系分布密度，用來(lái)表達(dá)根系包裹基質(zhì)的緊密程度，認(rèn)為外圍根系分布密度越高，根系包裹基質(zhì)越緊密?？梢杂酶档目傮w積、根系均勻系數(shù)和外圍根系分布密度作為評(píng)價(jià)根系生長(zhǎng)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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

2.3 多種蔬菜穴盤(pán)苗育苗品質(zhì)評(píng)測(cè)圖8是番茄、黃瓜、生菜和花菜穴盤(pán)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(dá)根系的空間分布，而花菜的根系缺失嚴(yán)重。將三維重構(gòu)的根系體積和排水法測(cè)得裸根體積統(tǒng)計(jì)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(gòu)的花菜的側(cè)根直徑小于50 μm，掃描分辨率設(shè)置為45 μm時(shí)太高，無(wú)法將根系與基質(zhì)區(qū)分開(kāi)，導(dǎo)致根系大量缺失，提高掃描分辨率會(huì)使根系三維圖中包含大量的噪聲和育苗基質(zhì)，降低可視化效果。用μCT掃描儀三維重構(gòu)的黃瓜、番茄和生菜根系可以用于表達(dá)根系的空間部分，3種蔬菜穴盤(pán)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(gòu)的根系主視與俯視圖；b.黃瓜苗缽和重構(gòu)的根系主視與俯視圖；c.生菜苗缽和重構(gòu)的根系主視與俯視圖；d.花菜苗缽和重構(gòu)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(pán)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(cè)根都是從主根向四周發(fā)散生長(zhǎng)并包裹住育苗基質(zhì)，主根在向下生長(zhǎng)的過(guò)程中，發(fā)生傾斜。這是因?yàn)楦禃?huì)向著阻力小的方向生長(zhǎng)，育苗基質(zhì)中的孔隙和縫隙并不均勻，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)方向發(fā)生變化。圖9a是番茄、黃瓜和生菜穴盤(pán)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(pán)苗的ρV在V5區(qū)域最大，分別為0.026 1、0.030 8和0.031 4，番茄穴盤(pán)苗的根系分布密度在V4區(qū)域最小，為0.013 9，而黃瓜和生菜穴盤(pán)苗的根系分布密度在V3區(qū)域最小，分別為0.018 1和0.015 8?？梢杂?jì)算得番茄、黃瓜和生菜穴盤(pán)苗的根系均勻系數(shù)分別為0.532、0.587和0.503，黃瓜穴盤(pán)苗的根系均勻性最好，生菜的最差。

表1 根系體積測(cè)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(pán)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(duì)稱(chēng)分布，ρH都是在H1和H6區(qū)域較大，在H1和H6區(qū)域ρH的平均值分別為0.029 0、0.033 8和0.025 7；各蔬菜穴盤(pán)苗根系的ρH都是在H2和H5區(qū)域較小，平均值分別為0.017 1、0.019 3和0.016 4；對(duì)3種蔬菜穴盤(pán)苗的外圍根系分布密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別為0.029 4、0.034 6和0.026 3，根系包裹育苗基質(zhì)緊密程度從高到低依次為黃瓜、番茄和生菜。

通過(guò)對(duì)圖9的分析可以發(fā)現(xiàn)，3種蔬菜穴盤(pán)苗的根系分布密度在垂直和水平方向上有相似的分布，說(shuō)明根系的生長(zhǎng)都受到苗缽空間和透氣性的影響。但是3種蔬菜穴盤(pán)苗的根系分布密度在每個(gè)區(qū)域并不相同，黃瓜穴盤(pán)苗的根系較粗，生長(zhǎng)過(guò)程中抵抗基質(zhì)阻力的能力較強(qiáng)，根系更容易在基質(zhì)中穿插生長(zhǎng)到苗缽?fù)鈬?，而生菜的根系較細(xì)，根系抵抗基質(zhì)阻力生長(zhǎng)到苗缽?fù)鈬哪芰^弱，這會(huì)增加根系分布的不均勻，3種蔬菜穴盤(pán)苗根系的粗細(xì)影響了他們?cè)诿缋徶械姆植?。從根系體積、均勻系數(shù)和外圍根系分布密度可以看出，黃瓜穴盤(pán)苗的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)最高，生菜穴盤(pán)苗的最低，說(shuō)明黃瓜穴盤(pán)苗的根系生長(zhǎng)質(zhì)量最高。高的根系生長(zhǎng)質(zhì)量可以將育苗基質(zhì)緊密的纏繞包裹住，防止苗缽散坨，提高移栽成活率。調(diào)整穴盤(pán)中育苗基質(zhì)的壓實(shí)度，或者改進(jìn)育苗基質(zhì)成分，在基質(zhì)中添加纖維性較好的基質(zhì)，增大基質(zhì)的透氣性有利于改進(jìn)根系在育苗基質(zhì)中的分布[17-18]。選擇孔穴體積較大的穴盤(pán)培育蔬菜穴盤(pán)苗，增大根系的生長(zhǎng)空間，有利于促進(jìn)根系的生長(zhǎng)[6，19]。適當(dāng)延長(zhǎng)育苗試驗(yàn)，也可以提高根系的生長(zhǎng)質(zhì)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(zhǎng)[20]。

3 結(jié)論

(1)用μCT掃描儀三維重構(gòu)的番茄、黃瓜和生菜穴盤(pán)苗根系的體積與用排水法測(cè)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(gòu)的根系表達(dá)根系在育苗基質(zhì)中的空間分布。

(2)蔬菜穴盤(pán)苗的側(cè)根從主根向四周發(fā)散生長(zhǎng)，將育苗基質(zhì)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(shù)，用來(lái)表達(dá)根系在垂直方向分布的均勻程度。可以用最外圍的根系分布密度來(lái)表達(dá)系包裹基質(zhì)的緊密程度。

(3)對(duì)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(shù)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(zhǎng)質(zhì)量由高到低依次為黃瓜、番茄和生菜。