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(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇 常州 213164； 2.常州中科常泰等離子體技術(shù)有限公司， 江蘇 常州 213032； 3.上海交通大學， 上海 200240)

等離子體種子激活裝備及其應(yīng)用研究

張波1，邵漢良2，王良3

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院， 江蘇 常州 213164； 2.常州中科常泰等離子體技術(shù)有限公司， 江蘇 常州 213032； 3.上海交通大學， 上海 200240)

等離子體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，等離子體可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種子的激活處理，以提高其活力和產(chǎn)量。探討了種子激活處理技術(shù)應(yīng)用和裝備、設(shè)備結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)，詳盡介紹了設(shè)備操作與流程，開展了種植效果實驗測試。初步探索了等離子體作用機理及其與太空育種和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)區(qū)別。結(jié)合市場優(yōu)勢，分析了潛在問題和改進成本分析。該技術(shù)和裝備值得進一步研究與推廣應(yīng)用。

等離子體； 種子； 裝備； 激活

等離子體作為物質(zhì)“第四態(tài)”，能夠激活種子內(nèi)能，使種子發(fā)芽率、作物產(chǎn)量和品質(zhì)得到改善[1-2]。低溫等離子體是當前研究熱點，在作物抗逆性和增產(chǎn)等方面顯示出的效果明顯，等離子體技術(shù)作為一項革命性的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)新技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是一次投資，長期受益，運轉(zhuǎn)成本低，無變異、無污染、增產(chǎn)效果顯著，實用性強[3-5]。這項新的技術(shù)具有很大的市場潛力，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平開辟了一條新途徑，但要使廣大農(nóng)民接受這一農(nóng)業(yè)新技術(shù)，需要一個過程，要加大宣傳力度，同時要有一定的資金和技術(shù)投入，將設(shè)備改進并標準化，加強推廣力度，擴大應(yīng)用規(guī)模，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟和社會效益，這一技術(shù)的推廣無疑會對農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化產(chǎn)生重大的影響[6-7]。

1 種子激活處理技術(shù)應(yīng)用和裝備

通過結(jié)構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新克服技術(shù)不足，完成設(shè)備結(jié)構(gòu)改造和放電技術(shù)改進，降低能耗，綠色制造重復性好，處理效率高；低溫等離子體放電中采用射頻電源，并結(jié)合2項技術(shù)：懸浮電極和屏蔽電場，可以避免電源功率損耗、有利于放電區(qū)域的能量集中，用較小的功率實現(xiàn)種子處理；技術(shù)參數(shù)試驗研究和處理能力研究，針對不同作物種植結(jié)構(gòu)，選擇適宜的處理功率條件；保證種子處理的工藝重復性；加強種子激活的主要作用因素與作用機制和等離子體激化種子的各種生物效應(yīng)等研究；實際應(yīng)用推廣研究，大田試驗，根據(jù)不同地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)和不同的品種，制定相應(yīng)的處理和栽培技術(shù)方案，通過以點帶面，實現(xiàn)示范應(yīng)用和技術(shù)推廣。

圖1 等離子體放電示意圖

圖2 等離子體種子激活裝備

圖3 玉米種子等離子處理對比實驗

圖4 作物長勢旺盛

在放電技術(shù)改進的基礎(chǔ)上，利用上送儲料筒、下出料筒和輝光放電區(qū)傳送帶設(shè)計，可實現(xiàn)種子的連續(xù)化生產(chǎn)，效果重復性好，生產(chǎn)效率高。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

作物種子處理機由真空系統(tǒng)、輝光放電系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和上下落送儲料筒四部分組成。1) 真空系統(tǒng)由筒體、旋片式真空泵、真空規(guī)管、真空放氣閥、真空儀、轉(zhuǎn)子流量計、進氣閥組成。 2) 輝光放電系統(tǒng)由射頻電源、射頻匹配器、電容耦合式極板及隔離放電罩組成。當產(chǎn)生輝光放電時，輝光放電區(qū)被約束在上下極板之間。由于隔離放電罩的存在，阻斷了筒壁與二極板之間的交變電場，從而使弱等離子體區(qū)不產(chǎn)生輝光，保證了(RF)位移電流形成的等離子體對作物種子的處理作用。 3) 傳動系統(tǒng)由調(diào)速電機、二個鏈輪、傳送帶組成，傳送帶穿過極板間的輝光放電區(qū)。 4) 設(shè)有上下落送儲料筒，上落儲料筒由入料口、球閥、高度調(diào)節(jié)板以及波紋管組成，下落儲料筒由出料口和出料閥門組成。

主要技術(shù)參數(shù)： 1) 采用射頻輝光放電，射頻電源為SY型晶控射頻功率源，頻率為13.56 MHz。輸出功率50～1 000 W連續(xù)可調(diào)。 2) 真空系統(tǒng)由真空室(裝有內(nèi)置傳動帶)、四路泵組和四路放氣系統(tǒng)組成。工作真空室體積為Ф260 mm×1 200 mm。 3) 啟動真空泵使本底真空達到1 Pa，以一定的流量通入工作氣體(空氣或空氣+He 混合氣)，使工作真空度達到30～200 Pa，處理時間為5～90 s。 4) 處理種子速度明顯提高，達到80～120 kg/h，酶活性提高了50%，發(fā)芽率可提高15%，可增產(chǎn)5%左右，收獲期可提前5～10 d。

3 實驗操作與流程

3.1 原 料

既適用于小麥、水稻、玉米等用種量較大的作物，又適用于蔬菜、瓜果等用種量少、經(jīng)濟效益較高的作物。糧食作物：玉米、小麥、谷子等；蔬菜作物：黃瓜、番茄、南瓜、架豆、白菜、甘藍、胡蘿卜、蘿卜、茄子、辣椒、青椒、西葫蘆、黑子南瓜等；經(jīng)濟作物：煙葉、棉花、大豆、花生、油葵等。處理后作用有效期長，可達半年左右，宜于在種子生產(chǎn)經(jīng)營部門、基層隨時處理、隨時播種，推廣應(yīng)用。作物種子經(jīng)過簡單篩選，干燥以備用，后進行相關(guān)工作氣體氣氛的冷等離子體改性，工作氣體的純度都大于99.996%。

3.2 實驗過程

種子處理工作過程：將預處理的種子去除浮塵，上送儲料筒裝滿種子，關(guān)閉各路球、蝶閥，啟動旋片式真空泵，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計，至給定真空度。開啟射頻電源，調(diào)節(jié)至給定功率。調(diào)節(jié)電機速度至給定值，調(diào)正高度調(diào)節(jié)板，打開球閥，種子進入傳送帶,通過輝光放電區(qū)然后由出料口落入下儲料筒，完成加工，待下落儲料筒裝滿被加工的作物種子后，蜂鳴器發(fā)出信號，依次關(guān)閉射頻電源、真空泵和調(diào)頻電機，放氣，然后打開下放料閥，種子處理完成。

3.3 注意事項

設(shè)備不工作時，真空室必須保持真空狀態(tài)。(每隔一周抽真空到本底)；設(shè)備放置場所必須保持清潔，不可掃出浮塵。

4 種植效果

進行種子處理前后的實驗室培育和大田種植情況對比可以發(fā)現(xiàn)，由于種子類型和土壤環(huán)境的多樣性，需要進行實驗的優(yōu)化，確定最佳種子處理工藝。140 W功率處理的種子發(fā)芽率明顯提高，但160 W功率處理的種子發(fā)芽率反而降低。通過玉米種子經(jīng)過等離子處理后的生長效果，可以發(fā)現(xiàn)，處理后玉米長得既快又高，生育期提前，灌漿的時間長，籽粒更飽滿，產(chǎn)量有明顯提高。

圖6 發(fā)芽勢、發(fā)芽率和示范基地

等離子體處理能明顯提高質(zhì)量和產(chǎn)量的同時，處理后的種子同時具有抵御病蟲害的作用，抗病性能可提高十分之一，減少了農(nóng)藥的用量，有利于有機、綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？纱龠M作物果實早熟，提前上市。處理后的農(nóng)作物果實平均提前成熟3天以上，可以搶先占領(lǐng)市場，賣個好價錢。通過實驗研究還發(fā)現(xiàn)可以恢復陳舊老化種子的生長活力，這對于糧食安全和保護具有重要的意義。

圖5 西紅柿結(jié)果提前

組織有關(guān)專家在江蘇射陽新洋農(nóng)場，參照農(nóng)業(yè)部《全國糧食高產(chǎn)創(chuàng)建測產(chǎn)驗收辦法(試行)》，對 “冷等離子體種子處理技術(shù)及其在農(nóng)墾麥類作物上的應(yīng)用示范試驗”項目進行了現(xiàn)場測產(chǎn)，新洋農(nóng)場小麥等離子體種子處理技術(shù)田間應(yīng)用示范，其中隨機選取5.7 hm2作為測產(chǎn)目標，與未處理進行對照，品種為“寧麥13”，實測結(jié)果可增產(chǎn)近6%，專家組認為現(xiàn)場測產(chǎn)方法可靠、有效，以上測產(chǎn)結(jié)果真實、準確。

5 作用機理初探

等離子體對種子激活作用研究需要多學科交叉的團隊共同努力，涉及到植物栽培學、遺傳學、發(fā)育生物學及等離子體技術(shù)等。由于目前尚欠條件，無法有序的展開這方面的探究。只能從等離子體技術(shù)方面做一些粗淺的解釋，以期拋磚引玉。試驗證明，在等離子體種子處理技術(shù)中，促使種子增強生命活力的主要是光子的作用。紫外線波長介于10 nm(124 eV)和400 nm(3.1 eV)之間，又分為近紫外光(300～380 nm),遠紫外光(200～300 nm)和真空紫外光(10～200 nm)。真空紫外線雖屬于非電離輻射，但它具有最臨近電離輻射的能量。可見光的波長為400～700 nm，能量為1.77～3.1 eV，一般不會引起遺傳效應(yīng)。但在某些特定條件下也能觀察到突變效應(yīng)。等離子體輻射引起的生物效應(yīng)都是和輻射與生物物質(zhì)之間的能量傳遞相聯(lián)系的。當種子通過等離子體輝光放電區(qū)時受到可見光和紫外光的同時作用。可見光和種子表層相互作用時，光被吸收和散射。吸收的部分迫使電子產(chǎn)生振動而轉(zhuǎn)化為熱能。在真空紫外線與物質(zhì)(種子)作用時，物質(zhì)分子的電子從較低能態(tài)(基態(tài))躍遷到較高能態(tài)(激發(fā)態(tài))，從而激發(fā)和增強了種子的生命活力。不同種子的分子都存在著大小不同的差異，因而需要采用不同的條件和工藝達到所需要的處理效果，以提高發(fā)芽率、長勢、抗病蟲害及增產(chǎn)的目的。

等離子體種子處理對種子萌發(fā)與作物生長影響的機理尚完全清晰，需從作物生理生化方面進行深入研究，下一階段還擬著重對冷等離子體種子處理改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面進行研究，同時針對不同作物、同一作物不同品種，其最佳處理參數(shù)需在今后的試驗及推廣應(yīng)用中不斷地修正確定，以達到最佳增產(chǎn)效果。等離子體種子處理技術(shù)已基本成熟，可進入產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用階段，但是，任何農(nóng)業(yè)新技術(shù)的推廣應(yīng)用，初期都離不開政府行為的投入和引導，在技術(shù)深入研究的同時，通過推廣示范項目、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等渠道，盡快使這一高新技術(shù)得到應(yīng)用推廣。

6 與太空育種和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)的區(qū)別

等離子體種子處理技術(shù)和太空育種2種處理方法具有完全不同機理，所得結(jié)果也是完全不同的，如表1所示。

太空育種和地面利用各種輻射或離子注入等育種手段一樣，屬于電離輻射，使種子的基因產(chǎn)生易位。同時，等離子體種子處理技術(shù)屬于非電離輻射，不會使物質(zhì)分子產(chǎn)生電離，因而不會使種子的基因產(chǎn)生易位，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)由于一些原因在社會上存在著很大的爭議，它主要是將種子內(nèi)部的基因結(jié)構(gòu)打破再重新組織，改變了種子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，等離子體種子處理技術(shù)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別。

表1 等離子體種子處理技術(shù)和太空育種對比

處理方式等離子技術(shù)太空育種、離子注入等輻射方式非電離輻射，物質(zhì)分子不產(chǎn)生電離，基因不產(chǎn)生易位電離輻射，物質(zhì)分子產(chǎn)生電離，基因易位，產(chǎn)生正負變異處理效果發(fā)芽率高、長勢好產(chǎn)生正負易位，重復性差，反而會使發(fā)芽率和產(chǎn)量大大下降處理過程有序、可控無序不可控有無時效可逆、有時效不可逆、無時效處理結(jié)果處理后能直接促進增產(chǎn)需選種，數(shù)代培養(yǎng)后才能增產(chǎn)處理時間15～30s數(shù)年處理過程簡單復雜對種子作用的能量0～20eV≥30000eV運行價格低高

7 市場優(yōu)勢

掌握了輝光放電的關(guān)鍵技術(shù)，放電中采用射頻電源，結(jié)合懸浮電極和屏蔽電場2項技術(shù)，有利于放電區(qū)域能量集中，減少電源功率損耗，用較小的功率實現(xiàn)種子處理。等離子體種子處理機輕巧，操作簡便，能夠連續(xù)性的處理作物種子，且處理量大，處理效果顯著，工作狀態(tài)穩(wěn)定，工藝重復性好，可以連續(xù)批量處理，為成果轉(zhuǎn)化和大規(guī)模推廣創(chuàng)造了條件。使用范圍廣，既適于玉米、大豆等用種量較大的作物，又適用于蔬菜、瓜果等用種量少、經(jīng)濟效益較高的作物。處理后作用有效期長，宜于在種子生產(chǎn)經(jīng)營部門、基層推廣應(yīng)用，此項技術(shù)在江蘇、山西等地區(qū)得到大面積推廣，增產(chǎn)效果顯著，具有很大的發(fā)展空間。

8 潛在問題和改進成本分析

潛在問題： 1) 本項目的研究與開發(fā)和現(xiàn)行制農(nóng)業(yè)政策環(huán)境相結(jié)合。 2) 開發(fā)水平有限和項目運行時間還不長，項目在綜合設(shè)備性能和農(nóng)業(yè)管理的有機結(jié)合上難免存在著一些問題。 3) 對設(shè)備運行中出現(xiàn)的問題及時進行修改完善，擴展服務(wù)領(lǐng)域，進一步深化機理研究，加快成果的推廣應(yīng)用。 4) 要加強多部門、多單位的協(xié)作，特別是需得到政府及農(nóng)業(yè)部門的大力支持，使本項目對保證糧食安全和增加農(nóng)民收入真正起到巨大的促進作用。

改進成本分析: 1) 工藝過程優(yōu)化，進行參數(shù)優(yōu)化，降低射頻功率及惰性氣的選用與替代。 2) 設(shè)備結(jié)構(gòu)改造，一機多用，能處理多類型種子，如已設(shè)計開發(fā)一種等離子體激活處理大型顆粒種子進料系統(tǒng)。 3) 連續(xù)化生產(chǎn)，提高柔性制造系統(tǒng)的集成化，形成作物種子處理生產(chǎn)線，利于大規(guī)模生產(chǎn)，降本增效,如等離子體作物種子處理生產(chǎn)線及其生產(chǎn)工藝。

9 總 結(jié)

通過關(guān)鍵技術(shù)和農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)，使等離子體種子激活的工藝過程更加可控、能耗低、放電能量集中、工藝重復性好、連續(xù)化生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高，有利于進一步提高等離子體種子激活在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的經(jīng)濟性。相關(guān)研究為應(yīng)用領(lǐng)域中種子激活農(nóng)業(yè)裝備提供工藝和理論上的支撐，將有望產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，并為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的種子激活農(nóng)業(yè)裝備提供依據(jù)。

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(本欄目責任編輯：周介雄)

Study on the Application of Plasma Seed Activation Equipment

ZHANGBo1,SHAOHanliang2,WANGLiang3

2016-07-10

江蘇省自然科學基金項目《農(nóng)墾作物種子激活農(nóng)業(yè)裝備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究》(編號：BK 20161201);江蘇高?！扒嗨{工程”人才計劃資助項目《江蘇高?！扒嗨{工程”中青年學術(shù)帶頭人培養(yǎng)》(編號：2016)和常州市科技支撐項目《農(nóng)墾麥類作物種子激活處理機的研制及其應(yīng)用》(編號：CE 20152007)。

張 波(1978-)，男，江蘇揚州人，博士，副教授，主要從事等離子體種子激活農(nóng)業(yè)裝備等方面的研究工作；E-mail:glass114@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.12.047

S 330

A

1001-4705(2016)12-0047-04