刘 洋，何义川，李 斌，王 涛，董云成，王士国

(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)

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。

注：a.μCT扫描仪；b.苗盒。 Note：a. μCT scanner；b.Seedling box.图1 扫描设备Fig.1 Scanning equipment

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。

图2 μCT扫描得到的裸根Fig.2 Bare root obtained by μCT 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。

图3 苗钵划分示意Fig.3 Schematic diagram of plug division

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先减小然后增大。ρV最小的V4区域和最大的V5区域相差46.7%，根系分布密度ρV差异很大。

注：a.苗钵；b.根系三维图。 Note：a.seedling bowl；b.Three dimensional root map.图4 番茄苗钵和根系三维图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.图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

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23.8、62.0、93.8、91.6、60.7和22.9 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26.4%和6.5%，差异很大。图6b是水平方向根系密度ρH的变化趋势，可以看到ρH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ρH分别为0.029 6、0.017 2、0.020 0、0.019 3、0.016 8和0.028 4，ρH较小的H2和H5区域与较大的H1和H6区域相差41.4%，差异很大。

注：a.VH的分布；ρH的分布。 Note：a.VH distribution；b.ρH distribution.图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7.4 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Fig.7 Schematic diagram of peripheral root distribution area

2.3 多种蔬菜穴盘苗育苗品质评测图8是番茄、黄瓜、生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%、3.93%和6.94%，误差较小。而花菜根系的误差为18.06%，误差较大。用μCT扫描仪三维重构的花菜的侧根直径小于50 μm，扫描分辨率设置为45 μm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μCT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389.2、354.7和343.1 mm3，根系体积依次减小。

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：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.图8 各种蔬菜穴盘苗的根系可视化图形Fig.8 Root visualization of various vegetable plug seedlings

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ρV都是先减小然后增大。各种穴盘苗的ρV在V5区域最大，分别为0.026 1、0.030 8和0.031 4，番茄穴盘苗的根系分布密度在V4区域最小，为0.013 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0.015 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0.532、0.587和0.503，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 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.图9 多种蔬菜根系分布密度分析值Fig.9 The 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ρH在水平方向都近似呈对称分布，ρH都是在H1和H6区域较大，在H1和H6区域ρH的平均值分别为0.029 0、0.033 8和0.025 7；各蔬菜穴盘苗根系的ρH都是在H2和H5区域较小，平均值分别为0.017 1、0.019 3和0.016 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0.029 4、0.034 6和0.026 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[17-18]。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μCT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%、3.93%和6.94%，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达系包裹基质的紧密程度。

(3)对番茄、黄瓜和生菜3种蔬菜的根系体积分别为354.7、389.2和343.1 mm3，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 3，3种蔬菜的根系生长质量由高到低依次为黄瓜、番茄和生菜。