激光切割對(duì)馬鈴薯組培苗移栽后生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

徐濤，段宏兵,2，蔡興奎，楊銳， 姚飛虎，嚴(yán)福勇

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

優(yōu)質(zhì)馬鈴薯脫毒種薯的利用是解決馬鈴薯病毒感染、提高馬鈴薯品質(zhì)和產(chǎn)量的有效途徑[1-2]。而脫毒種薯較低的生產(chǎn)效率以及較難控制的種薯質(zhì)量成為了影響其推廣使用的主要原因[3]。馬鈴薯脫毒種薯的生產(chǎn)通常分為3個(gè)階段，即組培苗移栽、組培苗日常管理、脫毒種薯收獲，其中組培苗移栽階段最為關(guān)鍵[4]。目前馬鈴薯組培苗移栽生產(chǎn)仍以人工作業(yè)為主，具有成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)過(guò)程枯燥重復(fù)的特點(diǎn)，其人工成本占總成本的80%以上[5]。另外，由于人為因素如操作不當(dāng)、攜帶病毒等的影響，導(dǎo)致馬鈴薯組培苗移栽質(zhì)量控制困難[6]。以機(jī)械代替人工作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)馬鈴薯組培苗移栽是降低馬鈴薯脫毒種薯生產(chǎn)成本的可行性措施，對(duì)提高脫毒種薯的生產(chǎn)效率以及種薯質(zhì)量都具有重要意義。因此，亟需實(shí)現(xiàn)馬鈴薯組培苗移栽過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)[7]。

現(xiàn)有的馬鈴薯組培苗切割均采用機(jī)械剪切方式，即用剪刀從馬鈴薯組培苗的基部剪斷[8]。為了避免交叉感染，每切割1盒馬鈴薯組培苗，往往需要用75%乙醇或1%高錳酸鉀溶液對(duì)剪刀進(jìn)行1次消毒[9]。以該方式進(jìn)行馬鈴薯組培苗切割，存在生產(chǎn)效率低、乙醇等消毒用品處理不當(dāng)易造成環(huán)境污染等問(wèn)題。與機(jī)械剪切方式相比，激光切割技術(shù)最大的特點(diǎn)在于通過(guò)高能激光束的聚焦實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式切割，廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料加工[10-12]。當(dāng)激光對(duì)馬鈴薯組培苗進(jìn)行照射時(shí)，馬鈴薯組培苗切口處形成碳化層。碳化層阻礙了病菌對(duì)切口內(nèi)部的入侵，從而減少了馬鈴薯組培苗的病毒感染概率，也有利于切口愈合，促進(jìn)移栽的馬鈴薯組培苗成活。因此，將激光應(yīng)用于馬鈴薯組培苗的切割可以有效避免切割工具所造成的組培苗交叉感染。針對(duì)機(jī)械剪切方式存在的問(wèn)題，本研究提出了一種基于激光的馬鈴薯組培苗無(wú)接觸式切割方法，旨在為馬鈴薯組培苗的機(jī)械化移栽提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 激光切割原理

與常見(jiàn)的金屬和非金屬材料不同，植物莖稈具有復(fù)雜的組織構(gòu)造，如保護(hù)組織、輸導(dǎo)組織、營(yíng)養(yǎng)組織、機(jī)械組織、分生組織等，在激光切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的溫度響應(yīng)[13-14]。激光光斑中心處的溫度可近似表示為[15]：

(1)

式(1)中，T為激光光斑中心處的溫度，K；A為物料對(duì)激光的吸收率，%；ρ0為焦斑熱功率密度，W/mm2；λ為物料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；ɑ為物料的熱擴(kuò)散率，mm2/s；t為照射時(shí)間，s。

不考慮馬鈴薯組培苗莖稈表面粗糙度對(duì)激光吸收率的影響，吸收率可近似表達(dá)為：

(2)

式(2)中，φ為激光入射角，(°)；n1為入射介質(zhì)的折射率；n2為折射介質(zhì)的折射率。

焦斑熱功率密度計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中,P為光輸出功率，W；r為束半徑，mm。

熱擴(kuò)散率計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；c為比熱容，J/(kg℃)；ρ為密度，kg/m3。

由式(1)～(4)可知，當(dāng)馬鈴薯組培苗這一物料確定，物料對(duì)激光的吸收率、物料的導(dǎo)熱系數(shù)和物料的熱擴(kuò)散率便已確定。當(dāng)確定馬鈴薯組培苗折射率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等數(shù)據(jù)時(shí)便可近似計(jì)算馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度。由于馬鈴薯組培苗含水率高達(dá)92%，可以使用水的折射率(1.333)、導(dǎo)熱系數(shù)(0.62 W/(mK))、比熱容(4.2×103J/(kg℃))進(jìn)行近似計(jì)算[13]。由計(jì)算可得，馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度約為678 K。

1.2 馬鈴薯組培苗激光切割方法

1)試驗(yàn)設(shè)備及材料。HB-4060型100 W的CO2激光切割機(jī)，聊城市繪邦激光科技有限公司；水分測(cè)定儀，奧豪斯MB45；Ti300紅外熱成像儀，福祿克。馬鈴薯組培苗選用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“華恩1號(hào)”。

2)組培苗激光切割中心溫度測(cè)量。取馬鈴薯組培苗20棵，去根后置于水分測(cè)定儀內(nèi)進(jìn)行含水率測(cè)定，測(cè)定組培苗含水率為92%。將馬鈴薯組培苗置于離焦量12 mm處用CO2激光切割機(jī)進(jìn)行切割，CO2激光切割機(jī)光輸出功率為10 W，切割速度為24 mm/s[16]。使用紅外熱像儀進(jìn)行馬鈴薯組培苗激光切割點(diǎn)最高溫度測(cè)定，錄像后進(jìn)行逐幀分析得出激光切割點(diǎn)最高溫度為615 K，與計(jì)算所得馬鈴薯組培苗激光切割中心溫度近似。

3)組培苗的切割方法。試驗(yàn)組馬鈴薯組培苗采用激光切割方式，對(duì)照組采用機(jī)械剪切方式。試驗(yàn)組與對(duì)照組的馬鈴薯組培苗數(shù)量均為200棵。

試驗(yàn)組：將馬鈴薯組培苗每10棵分為1組，根部對(duì)齊，平鋪在雙層亞克力板中間。馬鈴薯組培苗根部在亞克力板范圍內(nèi)約10 mm，如圖1A所示。將固定好的亞克力板置于激光頭下部，設(shè)置離焦量為12 mm，CO2激光切割機(jī)光輸出功率調(diào)整為10 W，切割速度為24 mm/s，對(duì)馬鈴薯組培苗進(jìn)行切割，如圖1B所示。

A:組培苗根部固定 Tissue culture seedling root fixation; B.組培苗切割 Tissue culture laser cutting.

在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高馬鈴薯組培苗的利用率，對(duì)較長(zhǎng)的馬鈴薯組培苗進(jìn)行多段分割，分割產(chǎn)生單切口與雙切口2種莖段。針對(duì)該情況，分別對(duì)馬鈴薯組培苗進(jìn)行單切口莖段(圖2A)和雙切口莖段(圖2B)試驗(yàn)。直接在馬鈴薯組培苗的根部以上約15 mm處切斷形成單切口莖段。在馬鈴薯組培苗的根部以上約15 mm處和35 mm處切斷形成雙切口莖段(馬鈴薯組培苗長(zhǎng)度大于35 mm)。在切割中，保證馬鈴薯組培苗每段至少有1個(gè)以上的芽點(diǎn)(保證馬鈴薯組培苗能正常生長(zhǎng))。

對(duì)照組：按照試驗(yàn)組的同樣要求，用剪刀剪切馬鈴薯組培苗，形成單切口莖段(圖2C)和雙切口莖段(圖2D)。每切割完1盒馬鈴薯組培苗時(shí)，用75%乙醇消毒剪刀，重復(fù)進(jìn)行。保證切割后馬鈴薯組培苗莖段長(zhǎng)度與激光切割莖段長(zhǎng)度基本相等。

A:激光切割單切口 Single incision after laser; B:激光切割雙切口 Double incision after laser; C:機(jī)械剪切單切口 Single incision after mechanical shear; D:機(jī)械剪切雙切口 Double incision after mechanical shear.

1.3 組培苗培養(yǎng)

在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，將切好的2組馬鈴薯組培苗按照相同的農(nóng)藝要求進(jìn)行扦插。在相同培養(yǎng)條件下培養(yǎng)21 d后，統(tǒng)計(jì)馬鈴薯組培苗的存活率，測(cè)量其株高、節(jié)間數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗、根長(zhǎng)、去根鮮質(zhì)量等數(shù)據(jù)。培養(yǎng)條件為光周期16 h/8 h，光強(qiáng)度為2 500～3 000 lx，培養(yǎng)溫度(20±1) ℃，第5天開(kāi)始通氣，通氣時(shí)間12 h/d(每隔15 min，通氣15 min)，通氣流量為(2.4±0.2) L/min。

2 結(jié)果與分析

培養(yǎng)21 d后，統(tǒng)計(jì)馬鈴薯組培苗存活率，即存活的馬鈴薯組培苗占每組實(shí)驗(yàn)馬鈴薯組培苗總數(shù)量的百分比；統(tǒng)計(jì)馬鈴薯組培苗節(jié)間數(shù)，即基部葉片至頂芽以下成熟葉片之間的節(jié)間數(shù)量(圖3)。使用直尺(精度1 mm)測(cè)量馬鈴薯組培苗株高、節(jié)間長(zhǎng)度和根長(zhǎng)；使用卡夫威爾的電子游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)量馬鈴薯組培苗的莖粗；使用東莞市苦竹電子有限公司的電子天平(精度0.01 g)測(cè)量馬鈴薯組培苗去根鮮質(zhì)量。

圖3 組培苗節(jié)間示意圖

從表1可以看出，激光切割單切口莖段移栽苗的平均株高為73.59 mm，遠(yuǎn)高于機(jī)械剪切移栽苗的61.56 mm；激光切割單切口莖段移栽苗的平均莖粗為0.93 mm，平均去根鮮質(zhì)量為0.18 g，也明顯優(yōu)于機(jī)械剪切移栽苗，但平均根長(zhǎng)卻低于機(jī)械剪切方式。培養(yǎng)過(guò)程中還觀察到，激光切割單切口莖段移栽苗成活率達(dá)99%，高于機(jī)械剪切單切口莖段移栽苗的90%。

表1 機(jī)械剪切和激光切割對(duì)馬鈴薯組培苗單切口莖段生長(zhǎng)的影響 Table 1 The growing influence of laser cutting and mechanical shearing on tissue culture potato seedlings single cut stem segment

從表2可以看出，激光切割雙切口莖段移栽苗的平均株高和平均根長(zhǎng)與機(jī)械剪切方式之間差異不大，但平均莖粗為0.71 mm,平均去根鮮質(zhì)量為0.11 g，均優(yōu)于機(jī)械剪切方式；激光切割雙切口莖段移栽苗的平均節(jié)間數(shù)為4.07，也顯著高于機(jī)械剪切移栽苗的3.53。

表2 機(jī)械剪切和激光切割對(duì)馬鈴薯組培苗雙切口莖段生長(zhǎng)的影響 Table 2 The growing influence of laser cutting and mechanical shearing on tissue culture potato seedlings double cut stem segment

綜上所述，使用激光進(jìn)行馬鈴薯組培苗切割一定程度上可以促進(jìn)移栽的馬鈴薯組培苗莖段成活。依據(jù)切割后移栽苗植株的生長(zhǎng)指標(biāo)，無(wú)論是單切口莖段，還是雙切口莖段，激光切割方式的移栽苗質(zhì)量顯著高于機(jī)械剪切方式。說(shuō)明CO2激光切割適于馬鈴薯組培苗的切割。

3 討 論

本研究使用激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械剪切方式進(jìn)行馬鈴薯組培苗的無(wú)接觸式切割，能有效避免切割工具所造成的馬鈴薯組培苗交叉感染。馬鈴薯組培苗切口的碳化，也促進(jìn)了移栽的馬鈴薯組培苗莖段成活，顯著提高了馬鈴薯組培苗移栽后的種苗質(zhì)量。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是單切口莖段，還是雙切口莖段，使用激光進(jìn)行馬鈴薯組培苗切割，從馬鈴薯組培苗常見(jiàn)生長(zhǎng)指標(biāo)的角度來(lái)評(píng)價(jià)，均優(yōu)于機(jī)械剪切方式，如株高、節(jié)間數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗、根長(zhǎng)、去根鮮質(zhì)量等均有不同程度的提高。

本研究結(jié)果表明，應(yīng)用激光進(jìn)行馬鈴薯組培苗切割的技術(shù)具有可行性和特殊優(yōu)勢(shì)。使用激光進(jìn)行馬鈴薯組培苗切割對(duì)比機(jī)械剪切有較大的優(yōu)勢(shì)。但激光切割導(dǎo)致馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的原因尚未明確，其中的作用機(jī)制也亟需探索研究。同時(shí)，激光切割作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新型切割方式，在其他作物組培苗的適應(yīng)性尚待驗(yàn)證。