蔬菜穴盘苗根系生长质量评测_刘洋.pdf

蔬菜穴盘苗根系生长质量评测刘 洋1，2，何义川1，3*，李 斌2，王 涛2，董云成2，王士国2(1新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300;2新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子 832000;3塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300)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CT 对 4 种蔬菜穴盘苗的苗钵进行扫描和根系三维重构，当 CT 的扫描分辨率、峰值电压、电流分别为 45 m、55 kVp、72 A，苗钵的含水率为 342%时，4 种蔬菜三维重构的根系体积分别为 3547、3892、3431、3021 mm3，与用排水法测量得到的根系体积误差为 4.55%、393%、694%、1806%，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 0532、0587 和 0503，外围根系分布密度分别为 0029 4、0034 6 和 0026 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S126文献标识码A文章编号05176611(2023)01019905doi:103969/jissn05176611202301045开放科学(资源服务)标识码(OSID):Evaluation of oot Growth Quality of Vegetable Plug SeedlingsLIU Yang1，2，HE Yi-chuan1，3，LI Bin2et al(1 Modern Agricultural Engineering Key Laboratory at Universities of Education Departmentof Xinjiang Uygur Autonomous egion，Alar，Xinjiang 843300;2 Machinery Equipment esearch Institute，Xinjiang Academy of Agriculturaland eclamation Science，Shihezi，Xinjiang 832000;3College of Mechanical and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang843300)AbstractThe root growth quality of vegetable plug seedlings is related to the survival rate and revive seedling time after transplanting Toma-to，cucumber，lettuce and cauliflower were selected as the research objects in this study，and X-ray CT was used to scan the seedling pot offour kind vegetable plug seedlings with the three-dimensional reconstruction of root system The three-dimensional reconstructed root volumes ofthe four kind vegetables were 3547 mm3，3892 mm3，3431 mm3and 3021 mm3respectively，when the scanning resolution，peak voltageand current of CT were 45 m，55 kVp，72 A，and the water content of seedling pot was 342%Compared with the root volumes measuredby drainage method，the root volume errors were 455%，393%，694%and 1806%respectively，and the error of tomato，cucumber and let-tuce seedlings was smaller，which could be used to express the spatial distribution of roots The ratio of the minimum and maximum root distri-bution density in the vertical direction was used to express the uniformity of root distribution，and the outermost root distribution density wasused to express the tightness of the root system which wrapped the substrate The experimental results showed that the root uniformity coeffi-cients of tomato，cucumber and lettuce were 0532，0587 and 0503 respectively，and the outermost root distribution densities were 0029 4，0034 6 and 0026 3 respectively，which proposed that the root growth quality of cucumber plug seedling was the best，and that of lettuce plugseedling was the lowestKey wordsVegetable plug seedlings;Nursery;oot 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(2022CB00301)。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20220107;修回日期20221107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12。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34，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56，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710。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(CT)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11试验材料与仪器用 128 孔塑料穴盘培育蔬菜苗，育苗安徽农业科学，JAnhui AgricSci 2023，51(1):199203，218基质用草炭、珍珠岩和蛭石按 311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 CT100(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。注:aCT 扫描仪;b苗盒。Note:a CT scanner;bSeedling box图 1扫描设备Fig1Scanning equipment12扫描参数的选取扫描时苗钵的含水率和 CT 扫描仪的分辨率(m)、峰值电压(kVp)、电流(A)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 172 g/cm3。扫描分辨率需要根据根系的直径进行选择，用 CT 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 723 m，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 m。图 2CT 扫描得到的裸根Fig2Bare root obtained by CT scaned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426.5g/cm315，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 CT 扫描仪中是固定的组合设置，该试验中电流设置为72 A。13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 CT 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(V1V5)和 6(H1H6)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。图 3苗钵划分示意Fig3Schematic diagram of plug division2结果与讨论21番茄根系扫描精度验证图 4 是苗钵含水率、扫描分辨002安徽农业科学2023 年率、峰值电压、电流分别为 342%、45 m、55 kVp、72 A 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 3547 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 3726mm3。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。22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 1256、836、537、422 和 496 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 354%和 119%，差异很大。图 5b 是垂直方向根系分布密度 V的变化趋势，V1 到 V5 区域 V分别为00242、0 018 7、0 014 6、0 013 9 和 0 026 1，V先减 小 然 后增大。V最小的V4区域和最大的V5区域相差467%，根系分布密度 V差异很大。注:a苗钵;b根系三维图。Note:aseedling bowl;bThree dimensional root map图 4番茄苗钵和根系三维图Fig4Tomato plug and 3D diagram of root system注:aVV的分布;bV的分布。Note:aVVdistribution e;BVdistribution图 5番茄根系在垂直方向的分析值Fig5The analysis values of tomato roots in vertical direction图 6a 是水平方向根系体积 VH的变化趋势，H1 到 H6 区域 VH分别为 238、620、938、916、607 和 229 mm3，根系体积先增大然后减小，近似呈对称分布。VH最大的 H3 区域和最小的 H6 区域分别占根系总体积的 264%和 65%，差异很大。图 6b 是水平方向根系密度 H的变化趋势，可以看到 H的变化趋势明显不同于 VH，但也是近似呈对称分布。H1 到H6 区域 H分别为 0029 6、0017 2、0020 0、0.019 3、0.016 8和 0028 4，H较小的 H2 和 H5 区域与较大的 H1 和 H6 区域相差 414%，差异很大。注:aVH的分布;H的分布。Note:aVHdistribution;bHdistribution图 6番茄根系在水平方向的分析值Fig6The analysis values of tomato roots in horizontal direction通过对图 5 和图 6 中番茄根系的定量统计可知，根系的体积和分布密度在垂直和水平方向变化都非常显著。苗钵中根系体积与所在区域苗钵的体积有关，苗钵体积较大的V1、H3 和H4 区域也是根系体积较大的区域。但是可以发现10251 卷 1 期刘 洋等蔬菜穴盘苗根系生长质量评测在垂直方向上，苗钵体积最小的 V5 区域的根系体积大于 V4区域 74 mm3，这是因为在育苗穴盘的底部有漏水孔，这个区域的透气性促进了根系的生长16。从图 5b 中可以看到，V4区域的根系分布密度明显小于其他区域，这是因为该区域距离苗钵两端较远，透气性最差，影响了该区域根系的生长。在图 6b 中，H1 和 H6 区域的根系分布密度最大，结合图 4b可以看出，侧系是从主根向周围发散生长，当侧根接触到育苗穴盘的侧壁面后改变生长方向，缠绕在育苗基质外围，因此这两个区域的根系分布密度最大。蔬菜育苗不仅要保证根系发达，还应该让根系紧密的包裹住苗钵，防止苗钵从穴盘中提取时散坨，以便提高移栽后成活率和缩短缓苗时间。在垂直方向，将根系分布密度的最小和最大值的比值定义为根系均匀系数，用来表达根系在垂直方向分布的均匀程度，并认为根系均匀系数越大，根系分布越均匀。在水平方向，外围侧根主要分布在 H1 和 H6 区域(J1 和 J2)，以及 H2、H5 与 V4、V5 相交的区域(J3 和 J4)，如图7 所示，可以将J1、J2、J3 和 J4 这4 个区域根系分布密度的平均值定义为外围根系分布密度，用来表达根系包裹基质的紧密程度，认为外围根系分布密度越高，根系包裹基质越紧密。可以用根系的总体积、根系均匀系数和外围根系分布密度作为评价根系生长质量的评价指标。图 7外围根系分布区域示意Fig7Schematic diagram of peripheral root distribution area23多种蔬菜穴盘苗育苗品质评测图8是番茄、黄瓜、生注:a番茄苗钵和重构的根系主视与俯视图;b黄瓜苗钵和重构的根系主视与俯视图;c生菜苗钵和重构的根系主视与俯视图;d花菜苗钵和重构的根系主视与俯视图。Note:aMain and top view of tomato seedling bowl and reconstructed root system;bMain view and top view of cucumber seedling bowl and reconstructedroot system;cMain and top view of lettuce seedling bowl and reconstructed root system;dMain and top view of cauliflower seedling bowl and recon-structed root system图 8各种蔬菜穴盘苗的根系可视化图形Fig8oot visualization of various vegetable plug seedlings202安徽农业科学2023 年菜和花菜穴盘苗根系的三维图，可以看到番茄、黄瓜和生菜都可以清晰的表达根系的空间分布，而花菜的根系缺失严重。将三维重构的根系体积和排水法测得裸根体积统计在表 1 中，可以看到番茄、黄瓜和生菜根系的误差分别为4.55%、393%和 694%，误差较小。而花菜根系的误差为 1806%，误差较大。用 CT 扫描仪三维重构的花菜的侧根直径小于 50 m，扫描分辨率设置为 45 m 时太高，无法将根系与基质区分开，导致根系大量缺失，提高扫描分辨率会使根系三维图中包含大量的噪声和育苗基质，降低可视化效果。用 CT 扫描仪三维重构的黄瓜、番茄和生菜根系可以用于表达根系的空间部分，3 种蔬菜穴盘苗根系的体积分别为3892、3547 和 3431 mm3，根系体积依次减小。从图 8 可以看到，番茄、黄瓜和生菜的侧根都是从主根向四周发散生长并包裹住育苗基质，主根在向下生长的过程中，发生倾斜。这是因为根系会向着阻力小的方向生长，育苗基质中的孔隙和缝隙并不均匀，导致根系生长方向发生变化。图 9a 是番茄、黄瓜和生菜穴盘苗在垂直方向的根系分布密度分布，可以看到 V都是先减小然后增大。各种穴盘苗的 V在 V5 区域最大，分别为 0026 1、0030 8 和 0031 4，番茄穴盘苗的根系分布密度在V4 区域最小，为0013 9，而黄瓜和生菜穴盘苗的根系分布密度在 V3 区域最小，分别为0.018 1 和 0015 8。可以计算得番茄、黄瓜和生菜穴盘苗的根系均匀系数分别为 0532、0587 和 0503，黄瓜穴盘苗的根系均匀性最好，生菜的最差。表 1根系体积测量和误差Table 1oot volume measurement and error蔬菜品种Vegetablevariety三维根系体积Three dimensionalroot volumemm3裸根体积Bare rootvolumemm3误差Error%番茄 Tomato35473716455黄瓜 Cucumber38924051393生菜 omaine lettuce34313687694花菜 Cauliflower302136871806注:a垂直方向根系分布密度 v分布;b水平方向根系分布密度 H分布。Note:aVertical root distribution density Vdistribution;bHorizontal root distribution density Hdistribution图 9多种蔬菜根系分布密度分析值Fig9The analysis values of various vegetables roots图 9b 是番茄、黄瓜和生菜穴盘苗在水平方向的根系分布密度分布，可以看到 3 种蔬菜的根系分布密度 H在水平方向都近似呈对称分布，H都是在 H1 和 H6 区域较大，在H1 和 H6 区域 H的平均值分别为 0029 0、0033 8 和0025 7;各蔬菜穴盘苗根系的 H都是在 H2 和 H5 区域较小，平均值分别为 0017 1、0019 3 和 0016 4;对 3 种蔬菜穴盘苗的外围根系分布密度进行统计，分别为 0029 4、0.034 6 和 0026 3，根系包裹育苗基质紧密程度从高到低依次为黄瓜、番茄和生菜。通过对图 9 的分析可以发现，3 种蔬菜穴盘苗的根系分布密度在垂直和水平方向上有相似的分布，说明根系的生长都受到苗钵空间和透气性的影响。但是 3 种蔬菜穴盘苗的根系分布密度在每个区域并不相同，黄瓜穴盘苗的根系较粗，生长过程中抵抗基质阻力的能力较强，根系更容易在基质中穿插生长到苗钵外围，而生菜的根系较细，根系抵抗基质阻力生长到苗钵外围的能力较弱，这会增加根系分布的不均匀，3 种蔬菜穴盘苗根系的粗细影响了他们在苗钵中的分布。从根系体积、均匀系数和外围根系分布密度可以看出，黄瓜穴盘苗的 3 个评价指标最高，生菜穴盘苗的最低，说明黄瓜穴盘苗的根系生长质量最高。高的根系生长质量可以将育苗基质紧密的缠绕包裹住，防止苗钵散坨，提高移栽成活率。调整穴盘中育苗基质的压实度，或者改进育苗基质成分，在基质中添加纤维性较好的基质，增大基质的透气性有利于改进根系在育苗基质中的分布1718。选择孔穴体积较大的穴盘培育蔬菜穴盘苗，增大根系的生长空间，有利于促进根系的生长6，19。适当延长育苗试验，也可以提高根系的生长质量，但是缠绕在一起的根系不利于移栽后根系在土壤中的生长20。3结论(1)用 CT 扫描仪三维重构的番茄、黄瓜和生菜穴盘苗根系的体积与用排水法测量得到的根系体积误差分别为4.55%、393%和 694%，误差较小，可以用三维重构的根系表达根系在育苗基质中的空间分布。(2)蔬菜穴盘苗的侧根从主根向四周发散生长，将育苗基质缠绕包裹住。垂直方向上，可以将根系分布密度的最小和最大值的比值定义为根系均匀系数，用来表达根系在垂直方向分布的均匀程度。可以用最外围的根系分布密度来表(下转第 218 页)30251 卷 1 期刘 洋等蔬菜穴盘苗根系生长质量评测4结论探究一条适合大兴区西瓜产业发展的切实可行的路径，对促进农业不断增效、农民持续增收和农村和谐稳定具有重要的作用。(1)大兴区西瓜产业具有悠久的历史，拥有良好的基础条件，在地理标志认证、品牌建设、经营管理、政策建设等方面取得了显著成效，单产水平持续提高、产业化水平不断提升、品牌建设不断完善、农民收入持续增加，为大兴西瓜产业进一步发展奠定坚实基础。(2)当前大兴区西瓜产业发展过程中还存在一些阻碍因素，如组织化程度不够、育苗技术还需提高以及高端市场占有率低等，需要在发展中进一步探索解决。(3)推进大兴西瓜产业进一步发展，从生产角度看，要完善整体产业规划，积极开展人才培训，培育高质量育苗基地，增加保鲜物流等基础设施;从经营角度看，要加强主体建设，促进品牌经营管理，推动农旅融合反哺农户，促进西瓜产业高质量发展，实现产业发展的转型升级。参考文献 1 NMETHOV J，DUBCOV A，KAMEKOV HThe impacts of theEuropean Union s Common Agricultural Policy on Agriculture in Slovaki-a/Dopady spole cn zemdlsk politiky Evropsk unie na zemdlstv Sl-ovenska J Moravian geographical reports，2014，22(4):5164 2 HADEMAN E，JOCHEMSEN HAre there ideological aspects to the mod-ernization of agriculture?J Journal of agricultural and environmentalethics，2012，25(5):657674 3 DOGAN B，GOKOVALI UGeographical indications:The 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