锥形吸种孔对樟子松芽种发育的影响

苗振坤　李芝茹　徐克生　吴立国　苏宁　满大为

摘要：为探究精量播种过程中不同参数锥型吸种孔对芽种生长情况的影响，以樟子松芽种为研究对象，用不同下孔径D（D1、D2、D3分别为3、3.5、4 mm）和不同孔深H（H1、H2、H3分别为1、1.5、2 mm）的吸种针进行芽种播种试验，记录其出苗时间、出苗率和生长情况。结果显示：不同参数组合下的锥型吸种孔播种的樟子松芽种出苗时间、出苗率和生长情况差异显著，说明吸附过程对樟子松芽种产生了损伤，影响其发育速度和对养料、水分的汲取。其中D1H2组合出苗时间最集中，出苗率（89.06%）最高，苗高（38～70 mm）、地径（0.77～0.68 mm）最大，根表现出非向地性的苗株占出苗总数比率（10.53%）最低。因此D1H2（下孔径3 mm，孔深1.5 mm）较其他参数组合的吸种孔更适宜对樟子松芽种进行精量播种。

关键词：精量播种;锥型吸种孔;樟子松芽种;生长情况

中图分类号：S723.1文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）03-0013-07

The Influence of Cone Sucking Hole on the Growth

of Pinus sylvestris var. mongolica Bud Seeds

MIAO Zhenkun1，2， LI Zhiru1，2， XU Kesheng1，2*， WU Liguo1，2， SU Ning1，2， MAN Dawei1，2

（1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery， the State Forestry and Grassland Administration， Harbin 150086;

2.Lab of Forestry Electromechanical， the State Forestry and Grassland Administration， Harbin 150086）

Abstract：In order to explore the precision sowing effect and the damage behavior of different parameters cone sucking hole on Pinus sylvestris var. mongolica bud seeds， the sowing experiment with different base hole diameter D （D1， D2 and D3 were 3 mm， 3.5 mm， 4 mm） and different hole depth H （H1， H2 and H3 were 1 mm， 1.5 mm， 2 mm） were made， the seedling emergence time， emergence rate and growing states were recorded. The results showed that： the seedling emergence time， emergence rate and growing states of P. sylvestris var. mongolica bud seeds with different parameters combination of cone sucking hole had significant difference， indicating that the adsorption process made damage to the bud seeds，affecting the speed of its development and nourishment and water absorption. The combination of D1H2 had the highest time focus rate， the highest emergence rate（89.06%）， the highest seedling height（38 mm-70 mm） and the largest diameter（0.77 mm to 0.68 mm）， it also had the fewest seedlings which the root showed ageotropic（10.53 %）. Therefore， D1H2（the base hole diameter was 3 mm and depth was 1.5 mm） was the optimum parameters combination for P. sylvestris var. mongolica bud seeds seeding.

Keywords：Precise seeding; cone sucking hole; Pinus sylvestris var. mongolica bud seeds; damage behavior

0引言

林木工廠化育苗以容器育苗技术为基础，与传统的育苗方式相比：其育苗周期短、根系发达和移植成活率高，良种利用率可提高60%以上[1-4]。外部容器能保存水分，降低苗木在运输、移植过程中根系、顶芽的损伤，可维持苗木在短期内的生长，提高造林成活率[5-6]。精量播种环节是林木工厂化育苗技术的关键，研究结果表明[7-9]：通过转换气压差实现种子吸附与投放的气吸针式精量播种机[10]，对形状不规则、球度不高的种子播种效果尤为显著，并且针式吸种孔易于实现“一穴一粒”的作业需求，可通过重复播种实现“一穴多粒”。

相比于裸种，芽种的出苗率更高。因此播种前，对大多数林木种子通过催芽处理来提高其出苗率[11-12]。而种子的初生芽极其脆弱，精量播种时对芽种的随机吸附，易对初生芽造成致命或非致命的损伤。因此，在前期对樟子松芽种精量穴盘播种试验[13]的基础上，进一步优化吸种孔的结构，将吸种孔由原来的直孔改为锥型孔，以期降低在播种过程中芽种的损伤率，探究吸种过程中锥型吸种孔对芽种生长情况的影响具有重要意义。本文以樟子松芽种为研究对象，布设不同参数的锥型吸种孔，研究锥型吸种孔对樟子松芽种的损伤，以及对苗木初期生长的影响，进而完善樟子松芽种精量穴盘播种技术，为气吸针式精量穴盘播种技术在林木工厂化育苗中的应用提供数据参考。

1材料与方法

1.1试验材料

试验用樟子松种子采购于加格达奇林业局种苗管理站，其纯净度为98.1%，千粒重为7.12～7.37 g，含水率为11.76%。无纺布育苗杯规格为上口径为58 mm，下口径为46 mm，杯高为105 mm，装填好基质将其置于8行4列的32穴育苗穴盘中（苗杯中心距为67.5 mm）;育苗基质配方为泥炭、蛭石、珍珠岩按体积比3∶1∶1配比，拌有美国辛普劳公司研制的爱贝施（APEX）长效释控肥。试验所用的气吸针式精量穴盘播种机（图1），其主要由播种器、供种机构、压穴机构和穴盘自动步进机构组成，其中播种器如图2所示，依靠转换气室内部正、负压差实现投、取种工作，吸种负压值可调（调节范围：1～20 kPa），吸种针可更换，吸种率可达98%以上，将播种深度设为0.5 mm，;不同型号的吸种针采用透明树脂材料3D打印而成。

1.2种子催芽

将消毒后的樟子松种子浸泡在200 mg/L赤霉素溶液中，24 h后用蒸馏水对种子进行反复冲洗，最后将种子平铺到器皿内，于室温环境下进行催芽，催芽至90%以上的种子露白。完成芽种活力筛选后，随机抽取100粒芽种，用测量精度为0.01 mm的游标卡尺测量种子的三轴尺寸及平均芽长，统计测量数据后得到芽种的长、宽、高及芽长尺寸符合正态分布，其均值分别为4.09、2.45、1.96、3 mm。

1.3锥型吸种孔参数

锥型吸种孔结构如图3所示，其主要尺寸参数有上孔直径d、下孔直径D、深度H及锥度C。锥度计算公式如下：

C=（D-d）/H。（1）

式中：C为吸种孔的錐度（通常以1：n的形式表示）;d为上孔直径，mm;D为下孔直径，mm;H为锥型孔深度，mm。

由公式（1）可知，上孔直径、下孔直径及深度决定了吸种孔的锥度。锥型吸种孔上孔直径与种子最大直径的比值应大于且接近于0.2[14]，因此选取上孔直径d=0.9 mm。由图4可知，吸种孔下孔直径D应小于芽种三轴尺寸中的最大值，即D<4.09 mm;当下孔直径D值过小时则会导致芽种与锥型孔无法形成密闭空间，易造成漏播。在吸附取种过程中，为减小吸种孔底部边缘与种芽发生碰撞的概率，锥型孔深度H应大于0.5倍的芽种厚度，即H > 0.98 mm;在上、下孔直径不变的情况下，锥型孔深度越大，吸种孔锥度越小，不利于吸附取种。

1.4试验方法

2018年5月5日，选1 000粒具有活力的芽种用于播种试验。播种前，将育苗穴盘内的基质充分吸水，为芽种发育提供充足的水分及养料;用压穴板对育苗穴盘中基质进行压穴，保证每个容器的穴孔深度相同，穴孔深度为10 mm。通过气吸针式精量穴盘播种机对芽种进行吸附取种，将吸种孔下孔直径D和锥型孔深度H分别设置了3个水平（D1、D2、D3分别为3、3.5、4 mm;H1、H2、H3分别为1、1.5、2 mm）。试验采用2因素3水平析因设计，共计9种组合，每个组合重复取种64次。播种机吸种负压值设定为6.7 kPa[11]，在该负压值下每种组合的吸种单粒率均在98%以上。机器吸种后采用人工播种方式，将吸附取种后的芽种播种到育苗穴盘中，并确保种芽朝向一致向下。完成播种后，对其进行人工覆土，覆土厚度为穴孔深度（10 mm）。对播种的樟子松芽种进行集中培育、统一管理，记录樟子松幼苗的出苗时间，统计15 d内的出苗率，分析其中出苗时间严重迟缓和一直不出苗的原因。播种一个月后，用刻度尺和游标卡尺测量正常生长苗木的苗高和地径，每7 d记录一次，共记录5次。

1.5数据统计

采用EXCEL2010和SPSS20.0软件对试验数据进行统计与方差分析。

2结果与分析

2.1不同锥型吸种孔参数组合下樟子松出苗时间与出苗率

出苗时间越集中，越能够保证苗木生长的一致性，更便于对容器苗统一的苗期管理。图4为不同组合出苗时间箱图，横坐标代表试验参数组合，纵坐标表示出苗时间。通过对不同锥型吸种孔参数组合樟子松容器苗的出苗时间分析可知（图5），不同组合对出苗时间影响差异各不相同。所有组合中出苗时间均分布在播种后的2～11 d，最短出苗时间均为2 d，最长出苗时间略有不同。D1H1、D2H1和D3H3吸种孔参数处理中均出现了大于1.5倍四分位数间距的异常值，并且D2H1组别中出现了大于3倍四分位数间距的极端值。在其他组别中，D1H2的中位数位于上下四分位数中间位置，且中位数的数值仅大于D3H1组合。利用电子放大镜，对播种15 d后仍未出苗的樟子松种子进行观测，其未出苗的原因大多来自种芽受损，主要表现为种芽断裂和种芽发育畸形（图6）。

由表1可知，在樟子松芽种播种15 d后，不同锥型吸种孔参数组合对出苗率影响较为明显，其中以D1H2（89.06%）组合出苗率最高，而D1H3组合出苗率最低仅为56.25%，且最高出苗率是最低出苗率的1.58倍。各组合出苗率从大到小依次为D1H2>D1H1>D2H3=D3H2=D3H3>D2H1>D3H1>D2H2>D1H3。利用电子放大镜，对播种15 d后仍未出苗的樟子松种子进行观测（图6），其未出苗的原因大多来自种芽受损，主要表现为种芽断裂和种芽发育畸形。

2.2不同锥型吸种孔参数组合下樟子松苗高、地径动态变化

由图7和图8可知，播种一个月后，每个试验参数组合的苗高和地径都有所增长，但增长量和增长幅度各组合间存在着一定的差异。D1H1、D1H2吸种孔参数组合苗高总增长率分别为17.3%、16.1%，明显高于其他组合;D3H3组合苗高总增长率为12.1%，在所有组合中最低。D1H2组合地径增长率为20.9%，明显高于其他组合;D2H3组合地径增长率最低，为4.6%。但在苗高和地径增长幅度方面，D1H2组合明显优于其他组合，其5次测量数据的增长幅度呈增加的趋势。

2.3不同锥型吸种孔参数组合下樟子松苗高、地径生长量

对播种一个月后，35 d内樟子松苗高和地径生长量进行分析（表2）可知：不同锥型吸种孔参数组合对樟子松幼苗生长的影响差异各有不同。锥型吸种孔下孔径、深度及其交互作用均对樟子松苗高生长量有显著影响;下孔径对樟子松地径生长量有显著影响，而深度及其与下孔径交互作用对地径生长量没有产生显著影响。

樟子松苗高增长量为5.5～11.9 mm，D1H2组合最大，D3H3组合最小。在9组组合中，当锥型孔下孔径D相同，深度为1.5 mm（H2）时，苗高生长量最大;当锥型孔深度H相同，下孔径D的增大会导致苗高生长量减小，下孔径为3 mm（D1）时，苗高生长量最大。樟子松地径生长量为0.063～0.125 mm，D1H2组合最大，D2H3组合最小;其中D1H2与D2H2组存在显著差异，其余组别间差异不显著。

2.4不同锥型吸种孔参数组合下根非向地性统计

樟子松的根呈向地性，能够深入到基质中，并从育苗基质中汲取养料和水分，以供苗木生产发育。通过表3可看出，播种15 d后，各个组合均有不同数量的苗木表现出了根的非向地性（如图9所示）。其中，D1H2组合出现苗木根非向地性的数量最少，且占出苗总数的10.53%;D3H2组合出现苗木根非向地性的数量最多，且占出苗总数的34.04%。D1H3、D2H1、D3H3组合的根非向地性数量均为11，但由于这三个组合的出苗总数各不相同，其非向地性苗株所占比率也不相同。各个组合按根非向地性数量占出苗总数的比率由小到大依次为D1H2

3结论与讨论

精量穴盘播种机是工厂化林木容器育苗的关键设备，其性能的好坏直接关系到苗木的产量和质量[15]。在播种过程中，种子被吸种孔吸附过程的受力极其复杂，难以计算，往往通过增大吸附力来提高吸种孔的吸附性能[16-18]，但樟子松芽种与吸种孔的碰撞，会在一定程度上造成初生芽的损伤，吸附力越大其损伤越严重。本文针对锥型吸种孔对樟子松芽种的影响开展研究。结果显示，不同锥型吸种孔参数组合的樟子松出苗时间差异显著，出苗率也略有不同，说明吸种孔的吸附过程对樟子松芽种产生了损伤，影响了芽种的发育速度和对养料、水分的汲取，导致芽种无法出苗或出苗时间延缓。出苗时间越集中，越便于苗木统一化管理，因此D1H2出苗时间的情况明显优于其他组合。

苗高和地径是评价苗木初期生长情况的重要指标[19]。种子完成破土后，通过由胚根发育成的幼根吸收养料以供地上部分的生长。在本文所设9种吸种孔参数组合中，考察其增长幅度和变化趋势，D1H2组合苗高和地径的生长量最大、总增长率最高，苗高生长量和总增长率高于最劣组合D3H3的6.4 mm和5.2%，地径生长量和总增长率高于最劣组合D2H3的0.06 mm和16.3%。

另外，本文还对樟子松容器苗出苗率及播種15 d后苗根的非向地性进了统计。结果显示，9组吸种孔参数组合的出苗率差异明显，均出现了不同数量、不同程度的苗根非向地性表征。苗木破土后，根表现出非向地性可能是由于樟子松芽种在被吸附时，其初出生芽（即幼根）受到了损伤，破坏了幼根的组织结构，导致生长素分泌紊乱。其中，D1H2组合的出苗率最高，为89.06%。全组共6株苗根表现出非向地性，占出苗总数的10.53%，均低于其他参数组合。

文中9种吸种孔参数组合中，D1H2（即吸种孔下孔径3 mm，吸孔深度1.5 mm）在出苗时间、苗高、地径、出苗率及根非向地性方面均优于其他组合，为气吸针式精量穴盘播种机吸种孔结构设计提供了数据参考。试验中优选出的锥型吸种孔参数组合，可为林木芽种精量穴盘播种技术的发展提供相应的理论基础。此外，本文只研究了锥型吸种孔对樟子松芽种生长情况的影响，而对芽种损伤程度及由损伤所产生非正常生长的表征有待进一步研究。

【参考文献】

[1]郝金魁，张西群，齐新，等.工厂化育苗技术现状与发展对策[J].江苏农业科学，2012，40（1）：349-351.

HAO J K， ZHANG X Q， QI X， et al. The technical status and development countermeasure of industrialized seedling production[J]. Jiangsu Agricultural Sciences， 2012， 40（1）： 349-351.

[2]SI H P， SUN L， CHEN J， et al. Summary of the developing status of greenhouse tray seeder and seed metering device[J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 387（8）： 271-279.

[3]TIAN S B， QIU L C. Design on plug seedling automatic transplanter in greenhouse[J]. Applied Mechanics Research， 2011， 317（8）： 586-589.

[4]PANDIA O， SARACIN I， BOZGA I， et al. Studies regarding pneumatic equipment for sowing small seeds in cups[J]. Agriculture and Agricultural Science Procedia， 2015（6）： 690-695.

[5]武春成，狄文伟.工厂化育苗[M].北京：科学出版社，2016.

WU C C， DI W W. Industrialized seedling production[M]. Beijing： Science Press， 2016.

[6]LV G H， LIU J H， WANG D， et al. A research of apparatus and optimal-control theory on precision seeding in forestry[J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 34（10）： 869-873.

[7]苗振坤.气吸针板式林木种子精密播种机的设计与研究[D].北京：中国林业科学研究院，2014.

MIAO Z K. The design and research on suction needle plate precision seeder of forest tree seed[D]. Beijing： Chinese Academy of Forestry， 2014.

[8]ZHAO M Q， LIU Y Q， HU Y W. An airflow field finite element analysis of the seed adsorption hole of pneumatic seeder[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012， 117（10）： 1810-1815.

[9]LI X， LIAO Q X， YU J J， et al. Dynamic analysis and simulation on sucking process of pneumatic precision metering device for rapeseed [J]. Journal of Food， Agriculture & Environment， 2012，10（1）： 450-454.

[10]LUO J Y， LI Q G， WU X F， et al. Design and analysis on pneumatic system of 2RZ-J200 air-suction precision seeder[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012， 246（12）： 759-764.

[11]SANTOS B H， ADAME R S， CORTEZ N， et al. Physical properties of ebony seed （Pithecellobiumflexicaule） and functional properties of whole and defatted ebony seed meal[J]. Journal of Food Science and Technology， 2015， 52（7）： 4483-4490.

[12]陈奶莲，汪攀，吴鹏飞，等.不同杉木半同胞家系种子生物学特性的差异[J].森林与环境学报，2015，35（3）：230-235.

CHEN N L， WANG P， WU P F， et al. Differences in seed biological characteristics of different half-sib Chinese fir[J]. Journal of Forest and Environment， 2015， 35（3）： 230-235.

[13]苗振坤，李芝茹，吴立国，等.樟子松芽种精量穴盘播种试验[J].森林与环境学报，2018，38（2）：229-233.

MIAO Z K， LI Z R， WU L G， et al. Experiment of precision plug sowing on bud seed of Pinus Sylvestris var. Mongolica[J]. Journal of Forest and Environment， 2018， 38（2）： 229-233.

[14]刘彩玲，宋建农，张广智，等.气吸式水稻钵盘精量播种装置的设计与试验研究[J].农业机械学报，2005，36（2）：43-46.

LIU C L， SONG J N， ZHANG G Z， et al. Design and experimental study on rice precision suction seeder for pot seedling nursery box[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery， 2005， 36（2）： 43-46.

[15]龚智强，陈进，李耀明，等.气吸振动盘式排种装置工作过程分析与研究[J].农机化研究，2016，38（12） ：30-34.

GONG Z Q， CHEN J， LI Y M， et al. Research and analysis of vacuum-vibration tray seeding devices seeding process[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research， 2016， 38（12）： 30-34.

[16]张欢，罗昕，马亚朋，等.气吹供种盘吸式排种器排种性能试验研究[J].机械设计与制造，2017，35（5） ：92-95.

ZHANG H， LUO X， MA Y P， et al. Experimental study on performance of air-blowing conveying seeds plate of suction seed metering device[J]. Machinery Design & Manufacture， 2017， 35（5）： 92-95.

[17]王保帅，杨永发，张帅，等.气吸式玉米膜上精量穴播机的设计与分析[J].林业机械与木工设备，2016，44（1）：25-28.

WANG B S， YANG Y F， ZHANG S， et al. Gas suction corn membrane precise dibbling machine design and analysis[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2016， 44（1）： 25-28.

[18]王金峰，楊永发.气吸组合式玉米、马铃薯播种机的结构设计[J].林业机械与木工设备，2017，45（2）：25-27.

WANG J F， YANG Y F. Structural design of air suction-type combined maize and potato planter[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2017， 45（2）： 25-27.

[19]郑坚，马晓华，廖亮，等.基质成分配比对木荷容器苗生长及存苗率的影响[J].森林与环境学报，2017，37（2） ：218-224.

ZHENG J， MA X H， LIAO L， et al. Influence of formulated composition of matrix on growth and seedling survival rate of schima superba seedlings[J]. Journal of Forest and Environment， 2017， 37（2）： 218-224.