牧草种子包衣技术研究与应用进展

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(1.中国农业大学草业科学系， 北京 100193； 2.草业科学北京市重点实验室， 北京 100193)

种子包衣(Seed coating)技术是指通过机械或者手工的方法，将具有特殊功能的种衣剂均匀的包覆在种子表面，以促进种子发芽和增强种子抗逆性的一种高新种子加工技术。它能增加种子的附加值，促进种子的商品化、播种的精量化以及种子质量的标准化管理[1]。

在种子包衣技术的发展初期，主要目的是增大种子体积，便于播种。20世纪80年代以来，干粉种子处理剂、水浆粉种子处理剂、液体溶液种子处理剂、悬浮种衣剂等种子处理剂的研究得到快速发展，其主要目的是用来杀菌和杀虫[2]。目前种子包衣技术在发达国家发展非常成熟，广泛运用在蔬菜、花卉、棉花(Gossypium)以及小麦(Triticumaestivum)、玉米等领域[3]。我国的包衣技术研究起步较晚，20世纪80年代将牧草种子包衣应用于飞播技术，取得了很大的成效。不过草类植物种子包衣发展相对缓慢，主要集中在具有生态、观赏价值和饲用价值的草种，如紫花苜蓿、沙打旺(Astragalusadsurgens)、白三叶(Trifoliumrepens)等豆科植物，禾本科的早熟禾属(Poa)、羊茅属(Festuca)、披碱草属(Elymus)等草种[4]。

1 牧草种子包衣的需求

2012年以来，随着国家“振兴奶业苜蓿发展行动”、“退牧还草”和“草原生态保护补奖机制”的全面实施，“草牧业”和“粮改饲”试点项目的启动，极大推动了我国草产业的发展，同时也带动了草种业的发展，市场对优质牧草种子的需求量明显增加。按照农业部《全国草原保护建设利用“十三五”规划》内容，到2020年，人工种草面积增加1 667万hm2，改良草原面积4 133万hm2，粗略估计种子需求量超过260万t。尽管牧草种子田增加8 000 hm2，优质牧草良种繁育基地增加5个，每年从国外进口草种子3万～5万t，优质草种子仍处于供不应求状态，牧草种子市场受国外进口品种冲击较大，知识产权保护制度不完善。在良种繁育和推广方面，由于草种认证制度未建立，品种产权保护制度不完善，草种生产相对效益低，假冒伪劣种子泛滥。

因此，在有限的牧草种子资源条件下，运用种子包衣技术能有效提高牧草种子在不同区域逆境胁迫的抵抗能力，打破牧草种子休眠，实现精量播种等来满足国家对于优质牧草种子的需求，为草牧业的发展提供基础保障。种子包衣技术的发展包括包衣材料的研制、包衣工艺的设计以及配套包衣器械的研发等，本文根据包衣种子的不同要求，主要针对不同功能的种子包衣材料进行了综述，以期为牧草种子包衣技术提供基础材料和研究方向。

2 种子包衣方法

2.1 人工包衣法

人工包衣方法是指将种子放入大锅或者塑料袋中，然后放入适当比例的种衣剂，通过人工翻滚和搅拌使种衣剂均匀的包覆在种子表面完成包衣，这些方法操作简单却普遍存在多籽、包衣不牢固等诸多问题[5]。

2.2 机械包衣法

随着种子包衣行业越来越受到重视，相应的种子包衣机械也在快速发展。种子包衣机可以根据物料输送方式、药液供给方式和料液混配方式进行划分[6]。目前应用较多的种子包衣机有滚筒喷雾式(如5 BY型系列)、甩盘雾化式(如5 BGF-5型)、旋转式包衣机(如BY 2150 A型)等机型[7]。滚筒喷雾式包衣机和甩盘雾化式包衣机的原理都是通过将添加的药液进行雾化，然后均匀的包覆在滚动的种子表面，进而完成种子的拌药和包衣[8]。旋转式种子包衣机是在甩盘雾化的基础上加上底部鼓风作用，使种子悬浮在混合桶内，通过种子的旋转运动将雾化的药液均匀的包裹在种子表面，该类型包衣机具有连续分批包衣优点，可以进行薄膜包衣和丸粒化包衣[9]。

3 种衣剂

按照不同的分类依据，可将种衣剂做如下分类[10]：

1) 根据种衣剂形态的不同，可分为干粉种衣剂、悬浮种衣剂和胶悬型种衣剂。

2) 根据种衣剂用途的不同，可分为物理型、化学型、生物型、特异型和综合型种衣剂。

其中物理型种衣剂不含有化学有效成分，主要应用在粒径较小的种子丸粒化包衣上；化学型种衣剂中含有一些能促进种子萌发和增强幼苗抗性的活性物质如农药、肥料和植物激素等；生物型种衣剂中包括一些有益微生物、动植物提取物等活性物质，能促进种子的发芽，提高种子活力；特异型种衣剂指针对某些特定的目标如抗旱、抗寒、耐盐等进行针对性研制的种衣剂；综合型种衣剂就是将以上种衣剂成分综合应用形成的新型种衣剂。

种衣剂一般由活性成分和非活性成分两部分组成。活性成分能够直接体现出种衣剂的功能，具有提高种子活力，提高种苗对逆境胁迫的抵抗能力，如植物生长调节剂、杀虫剂、杀菌剂等。非活性成分主要包括成膜剂及其相应配套助剂，其作用是能够控制活性物质的释放效果，使种衣剂具有稳定的物理和化学特性，在种子表面形成一个牢固的种衣[11]。高分子聚合物是成膜剂的主要材料，如甲基纤维素、聚丙烯酰胺、壳聚糖、阿拉伯胶等；配套助剂主要有分散剂、悬浮剂、警戒色染料等；种子丸粒化材料中还含有泥炭土、膨润土、硅藻土、滑石粉等惰性填充物质。

4 种子包衣技术研究进展

4.1 促生长型包衣技术研究

在种衣剂中添加一些营养元素(氮、磷、钾)和各种微量元素(锌、锰、铜、硼、钼)可以提供幼苗生长发育需要的营养物质，促进幼苗生长发育[12]。20世纪八、九十年代，微量元素系列种衣剂研究得到了快速发展，有效解决了农业生产上微量元素用量少，施用困难的问题[13]。研究表明，用植物生长调节剂如赤霉素(GA3)、细胞分裂素(CTK)、吲哚乙酸(IAA)、萘乙酸(AA)等作为种衣剂的有效成分，能提高种子发芽率，增强种子活力，提高种苗的成活率、增加苗鲜重[14]。在种子包衣中加入壳聚糖，能促进种子的萌发，提高种苗对逆境胁迫的抵抗能力[15]；用300 mg·L-1赤霉素对羊草种子进行浸种处理后，提高了种子的发芽势和发芽率，增强了种子活力[16]。研究发现用适宜浓度的植物激素处理蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)种子，能促进种子的萌发，而低于或者高于一定浓度处理则会出现抑制现象[17]，另外在披碱草(Elymusdahuricus)的研究中发现，用GA3和IAA对披碱草种子进行丸粒化包衣，生长调节剂浓度的变化对种子萌发和后期生长发育影响很大[18]。这可能与种子所含的内源激素种类、分布及浓度均不同有关，在种子发芽过程中，外源激素和内源激素相互配合、共同作用的结果。因此，需要加强种子萌发过程中激素调节机理等方面研究工作，明确植物生长调节剂系列种衣剂与种子萌发的作用规律，筛选出更好的包衣配方。

4.2 抗病虫型包衣技术研究

抗病虫型包衣剂发展得比较早，能有效防治土传和种传的病虫害，广泛应用于各类种子。随着病虫害等基础研究的深入，相应的农药制剂也运用于种子包衣中，种子包衣常用的杀虫剂有克百威、甲基异硫磷[19]、毒死蜱、辛硫磷等[20]，这些种衣剂属于中高毒种衣剂。随着生态环保、绿色发展口号的提出，越来越多高效低毒的化学药剂和生物制剂也运用到种子包衣中，比如吡虫啉和噻虫嗪等新烟碱类杀虫剂[21]和菊酯类的神经毒素氯氰菊酯等[22]。

土传和种传病害也是草地建植过程中的主要限制因素之一，针对带菌种子的处理技术主要以拌种和包衣为主。有研究发现，用百菌清、福美双和多菌灵等杀菌剂处理接种致病菌的苜蓿种子，可以促进种子的萌发和幼苗的生长[23]。研究发现，在种衣剂中添加甲霜灵，对大豆种子进行处理，能有效防止大豆根腐病[24]。甲霜灵、福美双和恶霜灵等作为种衣剂的有效成分，能有效防止草地早熟禾(Poapratensis)苗期腐霉枯萎病[25]，在狗牙根(Cynodondactylon)丸粒化材料中添加多菌灵，可以有效防治狗牙根的褐斑病和叶斑病[26]。

豆科植物能与根瘤菌共生并进行生物固氮。研究表明，用根瘤菌菌剂对紫花苜蓿进行丸粒化包衣，能提高单株根瘤数量和苗期的结瘤率，促进幼苗生长发育，提高产草量[27]。研究表明，用活性成分为苜蓿中华根瘤菌菌剂制成的种衣剂，其中钼酸铵的含量为0.1%～0.2%，不仅延长了根瘤菌活性，促进苜蓿结瘤固氮，而且大幅提高了苜蓿产量，改善了苜蓿品质[28]。因此，研究杀菌剂对豆科作物根瘤菌的作用机理，并将杀菌剂与根瘤菌有机结合研究出综合型的包衣配方，将是未来种子包衣的一个研究方向。

4.3 抗旱型包衣技术研究

水分是影响种子发芽出苗的重要因素。研究表明，在种衣剂中加入高吸水树脂，能吸收并保持水分，当土壤干旱时种衣剂释放出水分，能有效缓解干旱胁迫对种子萌发的影响[29]。研究发现在包衣技术中应用高吸水树脂可以促进白三叶种子的发芽率[30]，提高胡枝子(Lespedezabicolor)的抗旱能力[31]。在干旱缺水条件下，使用10%保水剂对柠条(Caraganakorshinskii)种子进行丸化，可以显著促进种子的萌发和幼苗的生长[32]。除了高吸水性树脂等高分子材料，越来越多的活性物质和材料也被发现能促进种子萌发，增强幼苗的抗旱性。例如，黄腐酸浸种对紫花苜蓿种子耐旱性有积极作用[33]，钙离子与赤霉素浸种可以缓解紫花苜蓿种子萌发过程中的干旱胁迫[34]，稀土元素钕(NdCl3)可以增强玉米幼苗根系对干旱胁迫的抵抗能力[35]。

4.4 耐盐碱型包衣技术研究

盐胁迫是一种限制植物生长的主要非生物胁迫，受盐害最主要的时期是种子萌发期和幼苗生长期，盐碱对种子萌发的抑制作用明显，当土壤盐分超过植物所能承受的值，种子萌发会受到抑制甚至不能萌发。芦光新等用腐熟羊粪对老芒麦种子进行包衣处理，提高了种子活力和幼苗的抗逆性[36]。苏亚勋等[37]用脱硫石膏和粉煤灰对野牛草种子进行包衣处理，促进了野牛草种子在盐碱地的萌发。随着外源活性物质的开发和应用，越来越多的外源活性物质应用在种子处理和种子包衣技术上，用来促进种子的萌发和提高种苗的抗逆性。外源物质主要包括植物激素类(如赤霉素和生长素)、渗透调节物质类(如水杨酸、脯氨酸、聚乙二醇、壳聚糖、甜菜碱和 γ-氨基丁酸)、多胺类(如亚精胺)和信号分子类(如 Ca2+、NO和CO)等，具有用量小、见效快和效益高等优点，同时也能促进植物幼苗的生长发育，提高幼苗对逆境胁迫的抵抗能力。研究表明，用甜菜碱预处理棉花种子，对其萌发、幼苗生长和产量有正面效应，对盐胁迫下水稻种子萌发，紫花苜蓿种子萌发均有促进作用[38-39]；用壳聚糖对向日葵种子进行浸种处理，能有效提高幼苗的耐盐性[40]。另外，壳聚糖本身具有良好的成膜性、附着性和吸湿性，因此，将壳聚糖作为种子包衣材料会在农业生产中有很大的开发和应用价值，目前已有壳聚糖包衣的水稻、油菜和芹菜种子[41]，而在草类植物种子包衣中研究较少。

5 问题与展望

5.1 牧草种子包衣技术存在的问题

5.1.1牧草种子休眠的破除

相比于具有悠久驯化历史的作物种子，大部分牧草种子由于其休眠的特性，影响发芽率和发芽整齐度。如豆科牧草种子普遍存在硬实现象，有的硬实率高达90%以上，严重影响种子的发芽率和出苗率，阻碍了许多优良豆科牧草的推广应用[42]；禾本科如结缕草、羊草种子等具有很强的休眠性，未经处理的种子发芽率低[43]。因此如何打破草类种子休眠，提高种子发芽率和出苗整齐度会是未来牧草种子包衣关注的方向。而对于牧草种子来说，种子萌发与种衣剂的作用规律研究有限，还应该加强牧草种子萌发生理的基础研究。

5.1.2种子萌发的非生物胁迫机理研究薄弱

牧草种植地区干旱、盐碱等非生物胁迫普遍，我国有78%的草原分布在北方的干旱、半干旱地区。但由于不合理的放牧、盲目开垦等人为因素及气候变化等自然因素，导致了我国90%的草地都出现了不同程度的退化，需要对这些退化草地进行恢复和重建，因此将需要大量优质的牧草种子。所以如何提高种子萌发抗逆性如抗旱性、耐盐性等也将是牧草种子包衣未来的研究方向。

5.1.3包衣工艺的标准化

草类植物种子形态多样且种子偏小，例如，草坪草种子千粒重小、老芒麦种子的芒、驼绒藜种子被长柔毛等，因此在进行种子包衣前，应对种子进行筛选和处理，保证包衣种子的质量和均匀性；另外应根据不同牧草种子的特点，结合播种机械的要求，明确有效活性成分的使用、成膜剂配方、增重比例等，提高包衣种子的有效性、稳定性，实现精量播种。

5.2 展 望

5.2.1国家对行业发展的政策要求，需要大量优质抗逆的牧草种子提供基础保障

2012年以来，随着国家“振兴奶业苜蓿发展行动”、“退牧还草”和“草原生态保护补奖机制”的全面实施，市场对优质牧草种子的需求量明显增加。2015年国家启动“草牧业”和“粮改饲”试点项目，饲用燕麦、青贮玉米和饲用甜高粱等一年生禾本科牧草种子需求量急剧增加。至2016年，我国主要牧草生产面积达2 056万hm2，其中苜蓿为437万hm2，专用青贮玉米为227万hm2(《中国草业统计》，2017)。随着山水林田湖草生命共同体的提出，响应农村振兴、脱贫攻坚的号召，草产业的发展区域将进一步扩大，因此对于优质牧草种子的需求也会大幅上升。

5.2.2包衣技术的发展为规模化、专业化草地建设提供技术保障

包衣种子田间成苗率高，包衣材料中含有肥料、生长调节剂等，减少后期人工投入成本；播前植保，如包衣种子外层的种肥能确保种子苗期必须的养料，其中杀虫剂、杀菌剂对地下害虫和苗期病害有很好的防治效果，同时包衣种子的推广正符合我国不同地域自然资源环境条件差异带来的抗逆性要求，由于种子包衣技术的应用，大大减少了农药施用量和施用次数，减少了环境污染，有利于农业可持续发展。

5.2.3种子包衣技术的应用将有效提高牧草种子的科技含量和附加值

相比于具有较高经济效益的蔬菜、花卉种子来说，草类种子经济效益相对较低，由于成本的限制，企业对种子质量的重视程度不高，随着草牧业和草种业的发展，市场上需要大量优质牧草种子，给种子包衣技术的研究创造了良好的发展环境，新材料、新技术的不断创新与应用，将大力提升草种业的科技含量和附加值，既满足企业的利益需求，又给草牧业和草种业的发展提供技术保障。