種子物理處理技術研究與應用概況

， ，，陳利

(上海市農業科學院園藝研究所，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201106)

種子在成熟收獲及貯藏過程中會受到有害病菌侵染，而使種子成為病源之一，如不加以控制，帶菌種子進入生產系統，病菌一旦發作蔓延將會對作物生產造成嚴重危害。作物許多病害是由種子攜帶傳播的，作物播種前采用物理、化學、生物的方法處理種子，殺滅種傳病菌成為確保作物正常生產的首要環節，也是作物病害防治中最經濟、最有效的方法。

在歐洲，17世紀中葉開始采用鹽水處理種子，18世紀中葉，銅鹽產品開始使用，1765年德國開始使用熱水消毒技術，隨后是砒霜的引入和禁用(1740—1808)、有機汞化物引入和禁用(1915—1982)，20世紀60年代出現第一個化學殺菌劑(萎銹靈)，20世紀90年代以后，新型現代化學殺菌劑的使用成為了種子滅菌處理的主要方式[1]。化學藥劑處理具有效果好，使用方便的優點，但同時也存在缺點，一是長期使用會使病蟲產生抗藥性，二是會污染環境，處理后的種子如沒有種植，只能當廢棄物處理，不能作為飼料重新利用。

隨著現代科學技術的發展，以機械、電和熱為代表的物理技術處理種子方法開始得到研究與應用，特別是進入21世紀以來，人們環保意識的增強，有機生產面積的逐年擴大，綠色環保的種子處理技術開始在生產上應用，方法主要有熱處理、電磁處理、輻射處理等。

1 熱處理

利用熱力及有效殺菌溫度與種子耐受溫度的差距來殺滅病菌，主要包括熱水浸種、干熱、濕熱空氣處理方法。

1.1 熱水浸種

該方法主要利用種子與病原物耐熱性的差異，選擇適宜的水溫和處理時間來殺死種子表面和種子內部潛伏的病原物，而不會對種子造成損傷，根據溫度及處理流程不同又可分為溫湯浸種法和熱水燙種法。溫湯浸種所用水溫為55 ℃左右，適合辣椒、番茄、黃瓜等種子處理，熱水燙種所用初始水溫為70～75 ℃，一般用于冬瓜等種皮厚難于吸水的種子[1]。

1.2 干熱處理

該方法利用70～75 ℃的干熱空氣對種子進行高溫處理，對多種種傳病毒、細菌和真菌都有防治效果。種子干熱處理可以采用普通的干燥箱或專門的干熱殺菌機，目前該方法主要用于較耐熱的瓜類和茄果類蔬菜種子等，我國及日本應用較多[1]。

1.3 濕熱處理

各種微生物對濕熱環境更敏感，濕熱處理更容易殺滅病菌，通過精確控制處理溫度和時間，可以在不傷害種子活力的條件下殺滅大部分病原菌。瑞典SeedGard AB公司于2002年開發了Thermoseed 種子處理技術，利用濕熱空氣進行小麥、大麥、燕麥等谷物種子處理，可有效防治小麥網腥黑穗病、葉斑病等種傳病害，防治效果與化學殺菌劑相當。2008年Incote公司收購了SeedGard AB公司，拓展了濕熱空氣處理技術，應用于水稻、洋蔥等蔬菜種子處理[2]。該方法處理種子環保且處理后不需干燥，快捷高效。

2 輻射處理

輻射指的是能量以波或是次原子粒子移動的型態傳送。依其能量的高低及電離物質的能力分類為電離輻射和非電離輻射，按照頻率分類可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線和伽馬射線等。一定能量的輻射對種子生理及攜帶的微生物有影響，可以用來進行種子處理。

2.1 非電離輻射

非電離輻射不會電離物質，能量比較低，會改變分子或原子之旋轉，振動或價層電子軌態，令物質內的粒子震動，溫度上升。有電磁場、紫外線、微波及超聲波等。

2.1.1 電磁處理

地球上的生物體在電磁場的環境中長期生存，生物的各種生命活動都與電磁場密切相關。近40年來，許多科研人員研究了電磁對植物種子活力、萌發過程中生理生化變化等各方面的影響，同時也開發出了相應處理設備在生產上有較大的應用，主要有電場處理機、磁化機、等離子處理機。

1) 電場種子處理。電現象是一切生命活動的信號，適當地控制和改變生物體的電活動，有可能影響和刺激有機體的生長發育。研究表明，靜電場處理可以促進茄子、黃瓜、西瓜、番茄、大豆等種子發芽，提高活力[3-4]。電場處理能夠提高酶活性，陳信等發現，用160 V激勵電壓輻射水稻種子可以提高淀粉酶、過氧化氫酶和過氧化物酶活性[5]。于愛真等用50 kV/m的電場處理顯著提高了水稻、油菜、芝麻種子的α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性[6]。楊曉紅認為，靜電場對種子生物特性的影響存在最佳值，合適的劑量可以提高種子活力，不合適劑量抑制種子的發芽生長[7]。電場處理技術首先于1995年在天津市推廣應用，隨后電場處理機在內蒙、黑龍江、新疆等十多個省市推廣應用，處理作物包括小麥、玉米、棉花、蔬菜等，普遍比對照增產10%左右[8]。

2) 磁處理。種子磁化處理技術是一項新的物理農業技術。利用磁場直接處理種子和應用磁化水浸種可以激發種子酶活力，改善種子及幼苗素質。崔路路等發現，1 000～3 500 GS磁場處理1～6 min甘藍濕種子，可以促進種子萌發，提高種子活力[9]。王計平等發現，83.5 mT的磁場強度處理紫蘇種子3 h對刺激種子活力、促進種子萌發效果最佳[10]。目前生產上有CJ-Ⅲ型磁場種子處理機，主要在遼寧、天津等省份推廣應用，磁化種子發芽快，玉米、水稻、小麥等糧食作物應用后普遍增產10%以上，磁化種子需要在24 h內播種完畢[11]。

3) 等離子種子處理。等離子體處理技術原理是通過氣體放電使氣體電離，氣體分子和原子吸取了外界能量被分解和電離，成為帶負電的電子和帶正電的離子，形成等離子體。吳萍等研究發現，等離子體處理對白菜種子萌發前期有一定影響，對種子發芽勢、發芽率沒有影響[12]。郝學金等發現，利用俄羅斯等離子種子處理設備適宜劑量輻照大豆、玉米、番茄、甘藍種子，可以促進作物增產[13]。我國大連博事等離子體有限公司于1999年研制出等離子體種子處理機，其基本原理是仿照空間部分等離子環境，通過高壓電弧等離子體裝置、交變電場裝置、交變磁場裝置在機器內部產生光、電、磁等環境來處理種子，以提高種子活力。種子處理后，最佳播種期為5～12 d。該技術主要在吉林、黑龍江、湖北等省份推廣應用[14-15]。

2.1.2 其 它

紫外線輻射能量和穿透力都很低，幾乎不能穿透固體物體，對液體的穿透力也很差，主要用于一定范圍內空氣的滅菌，有效波長為240～280 nm。微波是波長較短的電磁波，微波處理可以殺滅一定種類的病菌，但用于種子處理需要精確的過程控制和種子喂入裝置，該方法適用于實驗室規模及少量種子的處理，不適合批量化生產處理。適當劑量的激光輻射、超聲波處理、無線路由器輻射可以提高種子的萌發率、酶活性和葉綠素含量及植物抗逆性[16-17]。

2.2 電離輻射

電離輻射是一切能引起物質電離的輻射總稱，能使受作用物質發生電離現象，波長小于100 nm，特點是波長短、頻率高、能量高。主要有X-射線、γ-射線、重離子束輻照、加速電子等。各種微生物對電離輻射抵抗力的強弱不同，細菌芽孢的抵抗力較強，但差異不像熱力滅菌那樣大，相對容易被殺死[18](見表1)。

表1 各種射線對不同類型微生物的致死劑量

2.2.1 高能電離輻射種子處理

電離輻射作為一種高能物理損傷因素，能量直接作用于生物分子，引起生物分子的電離和激發，使DNA、RNA或蛋白質發生斷裂，也可引起水分子產生大量自由基，間接作用于生物分子，最終造成遺傳物質結構破壞。X-射線、γ-射線、重離子束輻照種子主要應用于作物改良和誘變育種。1922年，PICHLER和WOBER利用紫外燈、X-ray和鐳進行了小麥、大麥和燕麥黑穗病的防治試驗，發現紫外燈和X-ray均可成功殺滅黑穗病菌，但X-ray會損害種胚，不能用于種子抑菌處理[19]。馬雅敏等發現，輻照強度8～10 kGy可以完全殺滅西瓜果斑病菌，但對種子發芽有顯著抑制作用[20]。利用電子加速器產生高能電子束輻照糧食種子，可以殺滅種子內部的害蟲、微生物，鈍化內部的酶活性，延長貯藏期。

圖1 電子束穿透密度為1 g/cm3的物質深度與電子束能級關系

2.2.2 低能電子束種子處理

高能電離輻射容易穿透整個種子，很容易對種胚造成傷害。低能電子束穿透深度與加速電子能級相關，能級為300 KeV的電子束穿透深度為0.95 mm，能級為1 MeV的電子束穿透深度為2.5 mm(圖1)。通過調節電子束能級可以精確控制電子束穿透深度，從而達到抑制種子表層病菌而不傷害胚的目的[21]。

1) e-ventus 技術。 一種新型電子束種子處理技術(e-ventus)，主要由德國Schmidt-Seeger AG公司于1997年開發，其核心技術為一對低能電子束發生器，如圖2，該裝置由2個位置相對的電子束發生器組成，每邊都產生低能量的平行電子束，待處理種子按一定速度垂直通過電子束輻照區域，處理過程中種子表面接受各個方向的電子束，根據種子的種皮構造，通過調節合適的劑量和能級，控制電子束穿透深度(10～200μm)，病菌受到電子束電離作用而被殺死，種胚免受傷害，與此同時種子溫度沒有升高。圖3展示了低能電子束處理谷類穎果原理，種子受到各個方向的電子束照射，通過控制電子束穿透深度，電子束僅穿過果皮和種皮，不能達到胚和胚乳層，因此種子活力不會受到傷害[21]。

圖2 e-ventus原理

2) e-ventus 技術應用。根據e-ventus技術原理，利用電子簾加速器獲得的低能量電子束處理種子，通過控制電子的穿透深度，殺死種子表面病菌的同時，不傷害種胚，達到去除種帶病菌的效果。德國Schmidt-Seeger AG 公司于2000年研發出第一代處理機，目前使用的第3代e-ventus處理機加載了可移動系統，處理設備安裝在卡車上，處理能力達到30 t/h，現在德國每年有4 000～5 000 t谷類種子經過了電子束輻照處理。2015年該公司又開發出了第3代移動式處理機EVONTA e-3 system，適合處理蔬菜種子，加工能力為50～1 000 kg/h，可以有效降低由假單胞菌、莖點霉屬、鏈格孢屬、黃單孢菌、黃萎菌、鐮刀菌引起的豆類、白菜、胡蘿卜、芹菜、菠菜等種傳病害[21]。

圖3 電子束處理谷類穎果原理圖

3 結 語

種子處理是防治種傳病害及早期控制病蟲害的首要環節，從源頭上控制病害，是植物病蟲害防治中最經濟、有效的方法。利用物理方法進行種子處理，在有效降低種傳病菌危害的同時，對環境不會造成污染，越來越受到生產者的關注。近20年來，瑞典、德國等農業公司相繼開發出適合批量處理的設備，農作物種子播前利用物理方法進行處理已成為當地農業生產，特別是有機農業生產的重要環節。在國內，種子物理方法處理主要應用在電場、磁場處理方面，主要是提高種子活力，不能減少種傳病菌危害，生產上仍以化學處理為主。可持續發展農業、綠色農業是國家十三五規劃中農業領域的重要主題，如何才能在提高單位面積的作物產量的同時減量使用農藥、化肥等農業投入品，是農業生產中亟待解決的問題。利用物理技術處理種子，無環境污染，在農業生產上應用前景廣泛，與歐洲農業發達國家相比，國內在除菌效果好、處理迅速等批量化處理設備研發方面差距仍很大，今后需對此方面加強研發，切實提升我國種子處理技術水平，為綠色農業的發展提供技術保障。