种子物理处理技术研究与应用概况

， ，，陈利

(上海市农业科学院园艺研究所，上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201106)

种子在成熟收获及贮藏过程中会受到有害病菌侵染，而使种子成为病源之一，如不加以控制，带菌种子进入生产系统，病菌一旦发作蔓延将会对作物生产造成严重危害。作物许多病害是由种子携带传播的，作物播种前采用物理、化学、生物的方法处理种子，杀灭种传病菌成为确保作物正常生产的首要环节，也是作物病害防治中最经济、最有效的方法。

在欧洲，17世纪中叶开始采用盐水处理种子，18世纪中叶，铜盐产品开始使用，1765年德国开始使用热水消毒技术，随后是砒霜的引入和禁用(1740—1808)、有机汞化物引入和禁用(1915—1982)，20世纪60年代出现第一个化学杀菌剂(萎锈灵)，20世纪90年代以后，新型现代化学杀菌剂的使用成为了种子灭菌处理的主要方式[1]。化学药剂处理具有效果好，使用方便的优点，但同时也存在缺点，一是长期使用会使病虫产生抗药性，二是会污染环境，处理后的种子如没有种植，只能当废弃物处理，不能作为饲料重新利用。

随着现代科学技术的发展，以机械、电和热为代表的物理技术处理种子方法开始得到研究与应用，特别是进入21世纪以来，人们环保意识的增强，有机生产面积的逐年扩大，绿色环保的种子处理技术开始在生产上应用，方法主要有热处理、电磁处理、辐射处理等。

1 热处理

利用热力及有效杀菌温度与种子耐受温度的差距来杀灭病菌，主要包括热水浸种、干热、湿热空气处理方法。

1.1 热水浸种

该方法主要利用种子与病原物耐热性的差异，选择适宜的水温和处理时间来杀死种子表面和种子内部潜伏的病原物，而不会对种子造成损伤，根据温度及处理流程不同又可分为温汤浸种法和热水烫种法。温汤浸种所用水温为55 ℃左右，适合辣椒、番茄、黄瓜等种子处理，热水烫种所用初始水温为70～75 ℃，一般用于冬瓜等种皮厚难于吸水的种子[1]。

1.2 干热处理

该方法利用70～75 ℃的干热空气对种子进行高温处理，对多种种传病毒、细菌和真菌都有防治效果。种子干热处理可以采用普通的干燥箱或专门的干热杀菌机，目前该方法主要用于较耐热的瓜类和茄果类蔬菜种子等，我国及日本应用较多[1]。

1.3 湿热处理

各种微生物对湿热环境更敏感，湿热处理更容易杀灭病菌，通过精确控制处理温度和时间，可以在不伤害种子活力的条件下杀灭大部分病原菌。瑞典SeedGard AB公司于2002年开发了Thermoseed 种子处理技术，利用湿热空气进行小麦、大麦、燕麦等谷物种子处理，可有效防治小麦网腥黑穗病、叶斑病等种传病害，防治效果与化学杀菌剂相当。2008年Incote公司收购了SeedGard AB公司，拓展了湿热空气处理技术，应用于水稻、洋葱等蔬菜种子处理[2]。该方法处理种子环保且处理后不需干燥，快捷高效。

2 辐射处理

辐射指的是能量以波或是次原子粒子移动的型态传送。依其能量的高低及电离物质的能力分类为电离辐射和非电离辐射，按照频率分类可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X-射线和伽马射线等。一定能量的辐射对种子生理及携带的微生物有影响，可以用来进行种子处理。

2.1 非电离辐射

非电离辐射不会电离物质，能量比较低，会改变分子或原子之旋转，振动或价层电子轨态，令物质内的粒子震动，温度上升。有电磁场、紫外线、微波及超声波等。

2.1.1 电磁处理

地球上的生物体在电磁场的环境中长期生存，生物的各种生命活动都与电磁场密切相关。近40年来，许多科研人员研究了电磁对植物种子活力、萌发过程中生理生化变化等各方面的影响，同时也开发出了相应处理设备在生产上有较大的应用，主要有电场处理机、磁化机、等离子处理机。

1) 电场种子处理。电现象是一切生命活动的信号，适当地控制和改变生物体的电活动，有可能影响和刺激有机体的生长发育。研究表明，静电场处理可以促进茄子、黄瓜、西瓜、番茄、大豆等种子发芽，提高活力[3-4]。电场处理能够提高酶活性，陈信等发现，用160 V激励电压辐射水稻种子可以提高淀粉酶、过氧化氢酶和过氧化物酶活性[5]。于爱真等用50 kV/m的电场处理显著提高了水稻、油菜、芝麻种子的α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性[6]。杨晓红认为，静电场对种子生物特性的影响存在最佳值，合适的剂量可以提高种子活力，不合适剂量抑制种子的发芽生长[7]。电场处理技术首先于1995年在天津市推广应用，随后电场处理机在内蒙、黑龙江、新疆等十多个省市推广应用，处理作物包括小麦、玉米、棉花、蔬菜等，普遍比对照增产10%左右[8]。

2) 磁处理。种子磁化处理技术是一项新的物理农业技术。利用磁场直接处理种子和应用磁化水浸种可以激发种子酶活力，改善种子及幼苗素质。崔路路等发现，1 000～3 500 GS磁场处理1～6 min甘蓝湿种子，可以促进种子萌发，提高种子活力[9]。王计平等发现，83.5 mT的磁场强度处理紫苏种子3 h对刺激种子活力、促进种子萌发效果最佳[10]。目前生产上有CJ-Ⅲ型磁场种子处理机，主要在辽宁、天津等省份推广应用，磁化种子发芽快，玉米、水稻、小麦等粮食作物应用后普遍增产10%以上，磁化种子需要在24 h内播种完毕[11]。

3) 等离子种子处理。等离子体处理技术原理是通过气体放电使气体电离，气体分子和原子吸取了外界能量被分解和电离，成为带负电的电子和带正电的离子，形成等离子体。吴萍等研究发现，等离子体处理对白菜种子萌发前期有一定影响，对种子发芽势、发芽率没有影响[12]。郝学金等发现，利用俄罗斯等离子种子处理设备适宜剂量辐照大豆、玉米、番茄、甘蓝种子，可以促进作物增产[13]。我国大连博事等离子体有限公司于1999年研制出等离子体种子处理机，其基本原理是仿照空间部分等离子环境，通过高压电弧等离子体装置、交变电场装置、交变磁场装置在机器内部产生光、电、磁等环境来处理种子，以提高种子活力。种子处理后，最佳播种期为5～12 d。该技术主要在吉林、黑龙江、湖北等省份推广应用[14-15]。

2.1.2 其 它

紫外线辐射能量和穿透力都很低，几乎不能穿透固体物体，对液体的穿透力也很差，主要用于一定范围内空气的灭菌，有效波长为240～280 nm。微波是波长较短的电磁波，微波处理可以杀灭一定种类的病菌，但用于种子处理需要精确的过程控制和种子喂入装置，该方法适用于实验室规模及少量种子的处理，不适合批量化生产处理。适当剂量的激光辐射、超声波处理、无线路由器辐射可以提高种子的萌发率、酶活性和叶绿素含量及植物抗逆性[16-17]。

2.2 电离辐射

电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，能使受作用物质发生电离现象，波长小于100 nm，特点是波长短、频率高、能量高。主要有X-射线、γ-射线、重离子束辐照、加速电子等。各种微生物对电离辐射抵抗力的强弱不同，细菌芽孢的抵抗力较强，但差异不像热力灭菌那样大，相对容易被杀死[18](见表1)。

表1 各种射线对不同类型微生物的致死剂量

2.2.1 高能电离辐射种子处理

电离辐射作为一种高能物理损伤因素，能量直接作用于生物分子，引起生物分子的电离和激发，使DNA、RNA或蛋白质发生断裂，也可引起水分子产生大量自由基，间接作用于生物分子，最终造成遗传物质结构破坏。X-射线、γ-射线、重离子束辐照种子主要应用于作物改良和诱变育种。1922年，PICHLER和WOBER利用紫外灯、X-ray和镭进行了小麦、大麦和燕麦黑穗病的防治试验，发现紫外灯和X-ray均可成功杀灭黑穗病菌，但X-ray会损害种胚，不能用于种子抑菌处理[19]。马雅敏等发现，辐照强度8～10 kGy可以完全杀灭西瓜果斑病菌，但对种子发芽有显著抑制作用[20]。利用电子加速器产生高能电子束辐照粮食种子，可以杀灭种子内部的害虫、微生物，钝化内部的酶活性，延长贮藏期。

图1 电子束穿透密度为1 g/cm3的物质深度与电子束能级关系

2.2.2 低能电子束种子处理

高能电离辐射容易穿透整个种子，很容易对种胚造成伤害。低能电子束穿透深度与加速电子能级相关，能级为300 KeV的电子束穿透深度为0.95 mm，能级为1 MeV的电子束穿透深度为2.5 mm(图1)。通过调节电子束能级可以精确控制电子束穿透深度，从而达到抑制种子表层病菌而不伤害胚的目的[21]。

1) e-ventus 技术。 一种新型电子束种子处理技术(e-ventus)，主要由德国Schmidt-Seeger AG公司于1997年开发，其核心技术为一对低能电子束发生器，如图2，该装置由2个位置相对的电子束发生器组成，每边都产生低能量的平行电子束，待处理种子按一定速度垂直通过电子束辐照区域，处理过程中种子表面接受各个方向的电子束，根据种子的种皮构造，通过调节合适的剂量和能级，控制电子束穿透深度(10～200μm)，病菌受到电子束电离作用而被杀死，种胚免受伤害，与此同时种子温度没有升高。图3展示了低能电子束处理谷类颖果原理，种子受到各个方向的电子束照射，通过控制电子束穿透深度，电子束仅穿过果皮和种皮，不能达到胚和胚乳层，因此种子活力不会受到伤害[21]。

图2 e-ventus原理

2) e-ventus 技术应用。根据e-ventus技术原理，利用电子帘加速器获得的低能量电子束处理种子，通过控制电子的穿透深度，杀死种子表面病菌的同时，不伤害种胚，达到去除种带病菌的效果。德国Schmidt-Seeger AG 公司于2000年研发出第一代处理机，目前使用的第3代e-ventus处理机加载了可移动系统，处理设备安装在卡车上，处理能力达到30 t/h，现在德国每年有4 000～5 000 t谷类种子经过了电子束辐照处理。2015年该公司又开发出了第3代移动式处理机EVONTA e-3 system，适合处理蔬菜种子，加工能力为50～1 000 kg/h，可以有效降低由假单胞菌、茎点霉属、链格孢属、黄单孢菌、黄萎菌、镰刀菌引起的豆类、白菜、胡萝卜、芹菜、菠菜等种传病害[21]。

图3 电子束处理谷类颖果原理图

3 结 语

种子处理是防治种传病害及早期控制病虫害的首要环节，从源头上控制病害，是植物病虫害防治中最经济、有效的方法。利用物理方法进行种子处理，在有效降低种传病菌危害的同时，对环境不会造成污染，越来越受到生产者的关注。近20年来，瑞典、德国等农业公司相继开发出适合批量处理的设备，农作物种子播前利用物理方法进行处理已成为当地农业生产，特别是有机农业生产的重要环节。在国内，种子物理方法处理主要应用在电场、磁场处理方面，主要是提高种子活力，不能减少种传病菌危害，生产上仍以化学处理为主。可持续发展农业、绿色农业是国家十三五规划中农业领域的重要主题，如何才能在提高单位面积的作物产量的同时减量使用农药、化肥等农业投入品，是农业生产中亟待解决的问题。利用物理技术处理种子，无环境污染，在农业生产上应用前景广泛，与欧洲农业发达国家相比，国内在除菌效果好、处理迅速等批量化处理设备研发方面差距仍很大，今后需对此方面加强研发，切实提升我国种子处理技术水平，为绿色农业的发展提供技术保障。