蔬菜穴盘苗根系生长质量评测

摘要 蔬菜穴盘苗的根系生长质量关系穴盘苗移栽后的成活率和缓苗时间。选择番茄、黄瓜、生菜和花菜穴盘苗为研究对象，用X射线μCT对4种蔬菜穴盘苗的苗钵进行扫描和根系三维重构，当μCT的扫描分辨率、峰值电压、电流分别为45 μm、55 kVp、72 μA，苗钵的含水率为34.2%时，4种蔬菜三维重构的根系体积分别为354.7、389.2、343.1、302.1 mm3，与用排水法测量得到的根系体积误差为4.55%、3.93%、6.94%、18.06%，番茄、黄瓜、生菜3种蔬菜的误差较小，可以用于表达根系的空间分布。用垂直方向根系分布密度的最小和最大值的比值表达根系分布的均匀程度，用最外围的根系分布密度来表达系包裹基质的紧密程度，可知番茄、黄瓜和生菜穴盘苗的根系均匀系数分别为0.532、0.587和0.503，外围根系分布密度分别为0.029 4、0.034 6和0.026 3，黄瓜穴盘苗的根系生长质量最优，生菜穴盘苗的最低。

关键词 蔬菜穴盘苗；育苗；根系；三维；品质

中图分类号 S 126  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）01-0199-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.01.045

Evaluation of Root Growth Quality of Vegetable Plug Seedlings

LIU Yang1，2， HE Yi-chuan1，3， LI Bin2 et al

（1. Modern Agricultural Engineering Key Laboratory at Universities of Education Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Alar， Xinjiang 843300; 2. Machinery Equipment Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science，Shihezi， Xinjiang 832000; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300）

Abstract The root growth quality of vegetable plug seedlings is related to the survival rate and revive seedling time after transplanting. Tomato， cucumber， lettuce and cauliflower were selected as the research objects in this study， and X-ray μCT was used to scan the seedling pot of four kind vegetable plug seedlings with the three-dimensional reconstruction of root system. The three-dimensional reconstructed root volumes of the four kind vegetables were 354.7 mm3， 389.2 mm3， 343.1 mm3 and 302.1 mm3 respectively， when the scanning resolution， peak voltage and current of μCT were 45 μm， 55 kVp， 72 μA， and the water content of seedling pot was 34.2%. Compared with the root volumes measured by drainage method， the root volume errors were 4.55%， 3.93%， 6.94% and 18.06% respectively， and the error of tomato， cucumber and lettuce seedlings was smaller， which could be used to express the spatial distribution of roots. The ratio of the minimum and maximum root distribution density in the vertical direction was used to express the uniformity of root distribution， and the outermost root distribution density was used to express the tightness of the root system which wrapped the substrate. The experimental results showed that the root uniformity coefficients of tomato， cucumber and lettuce were 0.532， 0.587 and 0.503 respectively， and the outermost root distribution densities were 0.029 4， 0.034 6 and 0.026 3 respectively， which proposed that the root growth quality of cucumber plug seedling was the best， and that of lettuce plug seedling was the lowest.

Key words Vegetable plug seedlings；Nursery；Root system；Three-dimensional；Quality

基金项目 塔里木大学现代农业工程重点实验室开放课题（TDNG-2020204）；兵团重点领域科技攻关计划项目（2021AB001）；兵团科技创新人才计划项目（2022CB003-01）。

作者简介 刘洋（1978—），男，新疆石河子人，副研究员，从事农业工程研究。通信作者，副研究员，从事农业工程与装备研究。

收稿日期 2022-01-07；修回日期 2022-11-07

蔬菜穴盘苗育苗移栽是避开早春灾害性天气，延长蔬菜生育期和提高产量的重要手段［1-2］。为了降低移栽成本，机械化移栽技术已经广泛应用于蔬菜穴盘苗育苗移栽。机械移栽时不仅要保证苗生长的粗壮，还应该保证苗钵具有良好的抗破碎性能［3-4］，以便提高穴盘苗的移栽成活率和减小缓苗时间。蔬菜穴盘苗的盘根效果直接关系苗钵的抗破碎性能。

目前，研究根系分布特征的方法主要是用水洗去根系周围的土壤，然后测量根系体积、长度和根系干质量等参数［5-6］，这种方法可以定量分析根系的物理参数，但是破坏了根系在土壤中的结构，根系在土壤中的分布关系到苗钵的力学性能。有学者研究了育苗基质成分构成、基质配比、压实度和苗钵体积对蔬菜穴盘苗生长质量的影响［7-10］。韩绿化等［11］为了研究苗钵的抗破碎性能，用质地分析仪压缩蔬菜苗钵，得到了苗钵的抗压变形力学曲线，指出苗钵在被压缩时先表现出生物屈服软化特性，随着压缩量的增大表现出生物压实硬化特性，苗钵屈服软化特性不利于苗钵移栽。以上研究虽然研究了苗钵的抗破碎性能，但是未能指出根系在基质中的空间分布与苗钵的抗破碎性能之间的关系。罗锡文等［12］用XCT技术对生长在土壤中的番茄根系进行扫描，但是受扫描分辨率的影响，只能对较粗的根系进行分割提取。Tracy等［13］用X射线断层扫描仪对生长在不同压实度土壤中的番茄苗根系进行了研究，研究了土壤压实度对根系直径、曲率、长度、生长方向的影响，但是只研究了番茄苗生长初期根系的生长，根系的数量较少。而蔬菜穴盘苗的生长空间有限，穴盘苗适于移栽时，根系缠绕在一起，很难用现有技术将根系原位提取出。

随着无损检测技术的不断进步，用高分辨率的断层扫描技术对较细的作物根系提取成为可能。该研究用X射线微信计算机断层扫描仪（μCT）对多种蔬菜苗钵进行扫描，将根系分割提取并三维重构，定量研究根系的分布特征，为蔬菜穴盘苗的培育提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

用128孔塑料穴盘培育蔬菜苗，育苗基质用草炭、珍珠岩和蛭石按3∶1∶1的体积比混合制成。选择具有代表性的茄果和叶菜类蔬菜番茄、黄瓜、生菜和花菜进行育苗，4种蔬菜的育苗周期不同，以穴盘苗从穴盘中拔出时苗钵不散坨判定为可用于移栽，4种蔬菜试验时的苗龄分别为45、28、30和47 d。

试验仪器为X射线微型计算机断层扫描仪（瑞士SCANCO Medical AG公司），型号为μCT100（图1a）。该仪器中有IPL（image processing language）图形处理语言可用于去除根系三维图中的离散点和根系体积的测量。扫描时要将蔬菜穴盘苗放置在直径和高分别为100和120 mm的样本容器中。因为苗钵的形状呈倒置的四棱台结构，为了在苗钵扫描时可用于对比分析，用3D打印机制作与苗钵形状相同的苗盒（图1b），放置在样本容器中。

1.2 扫描参数的选取

扫描时苗钵的含水率和μCT扫描仪的分辨率（μm）、峰值电压（kVp）、电流（μA）是影响根系的分割提取质量的关键参数。该试验中选取苗钵的含水率为30%～35%［14］，可以测得苗钵的密度为1.72 g/cm3。

扫描分辨率需要根据根系的直径进行选择，用μCT扫描仪对裸根进行扫描并得到三维图（图2），任选一根侧根，在侧根上选3处位置取平均值可得侧根的平均72.3 μm，扫描分辨率的数值应小于侧根的平均值，该试验选取扫描分辨率为45 μm。

扫描峰值电压和电流与扫描物体的密度有关，密度低的物体应设置低的峰值电压和电流。作为参考，骨头的标准峰值电压设置为70 kVp，正常人类骨骼的密度为4.2～6.5 g/cm3［15］，蔬菜苗钵的密度低于人类骨骼，该试验中扫描峰值电压设定为55 kVp。扫描峰值电压和电流在μCT扫描仪中是固定的组合设置，该试验中电流设置为72 μA。

1.3 试验方法

为了定量研究4种穴盘苗根系分布特征。首先，选取番茄穴盘苗，用μCT扫描仪先对番茄苗钵进行扫描，验证根系三维重构提取精度；由于苗钵呈倒置的四棱台结构，将根系在垂直和水平方向分别划分成5（V1～V5）和6（H1～H6）等份（图3），将每份中根系的体积与所在区域苗钵体积的比值定义为根系分布密度，对每个区域的根系体积和分布密度进行统计，找出定量判断根系分布特征的方法；最后，每种蔬菜苗扫描10个样本，对根系的分布特征进行评价。

2 结果与讨论

2.1 番茄根系扫描精度验证

图4是苗钵含水率、扫描分辨率、峰值电压、电流分别为34.2%、45 μm、55 kVp、72 μA时扫描并重构得到的番茄根系三维图，用IPL语言可以测得根系的体积为354.7 mm3。然后将扫描过的苗钵用水清除育苗基质，并晾干根系表面水分，用排水法测得裸根的体积为372.6 mm3。可以计算得2种方法得到的根系体积误差为4.55%，误差很小。可知，用选择的扫描参数组合扫描分割提取的根系可用于表达根系的空间分布。

2.2 番茄根系分布特征研究

对番茄苗钵中的根系进行统计，图5a是垂直方向根系体积VV的变化趋势，V1到V5区域VV分别为125.6、83.6、53.7、42.2和49.6 mm3，根系体积先减小然后增大。VV最大的V1区域和最小的V4区域分别占根系总体积的35.4%和11.9%，差异很大。图5b是垂直方向根系分布密度ρV的变化趋势，V1到V5区域ρV分别为0.024 2、0.018 7、0.014 6、0.013 9和0.026 1，ρV先减小然后