一種環(huán)保型玉米種衣劑的研制及應用研究

鄧清香，曾德芳

（武漢理工大學 資源環(huán)境與工程學院，湖北 武漢 430070）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，提高糧食產(chǎn)量減少農(nóng)藥污染一直是我國農(nóng)業(yè)的重要話題[1]，而目前我國所使用的傳統(tǒng)種衣劑大多含有對人體和環(huán)境有嚴重危害和污染的農(nóng)藥成分如克百威、呋喃丹等[2]，且對我國生態(tài)農(nóng)業(yè)構成嚴重威脅，市場急需一種環(huán)保型的種衣劑取而代之[3]。為此，本文以天然高分子聚合物為主要原料，輔之以生物殺菌劑、抑菌劑、成膜劑等相關助劑制備出一種新型環(huán)保型的玉米種衣劑。該種衣劑與傳統(tǒng)玉米種衣劑相比，發(fā)芽率提高了16.20%、玉米產(chǎn)量提高了12.76%、種衣劑成本下降了23.29%，且環(huán)境友好無污染，具有明顯的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益。此外，本文還對該種衣劑的安全性及增產(chǎn)機理等進行了研究和討論。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器與試劑

1.1.1 實驗儀器電子天平（FA2204B型，上海精科天美貿(mào)易有限公司），電子恒速攪拌器（S212-40型，金壇市水北創(chuàng)興儀器廠），培養(yǎng)皿（d=90 cm，南通理能實驗器材有限公司），電熱式壓力蒸汽滅菌器（XFH-30CA型，中國深圳市鼎鑫實驗設備有限公司），電熱鼓風干燥箱（DHG-9075A，上海一恒科學儀器有限公司），恒溫恒濕培養(yǎng)箱（HWHS型，中國金壇市瑞華儀器有限公司），溫濕度計(TES-1361C型，深圳市源恒通科技有限公司)，生物顯微鏡（XSP-10C（LED）型，中國上海光學儀器一廠）。

1.1.2 實驗試劑天然高分子聚合物PS（自制）、成膜助劑聚丙烯酰胺、生物抑菌劑SM（自制）、生物驅(qū)避劑BY（自制）、硼改性三十烷醇（自制）、防沉助劑有機膨潤土、非離子表面活性劑（AES）、紫羅蘭天然色素、去離子水、玉米種子（鄂豐良種，湖北省種子集團公司供）、傳統(tǒng)玉米種衣劑（河北省北農(nóng)（海利）琢州種衣劑有限公司供）、健康成年大鼠（華科大同濟醫(yī)學院動物實驗中心供）。

1.2 實驗技術路線

技術路線如圖1。

圖1 試驗方案及技術路線

1.3 環(huán)保型生物種衣劑的制備過程

1.3.1 環(huán)保型生物種衣劑的制備先用去離子水按照一定比例在常溫下將天然高分子聚合物 PS浸泡溶脹，再在65℃和1.5個大氣壓等加熱加壓的條件下攪拌使其完全溶解，制成天然高分子聚合物水溶液，再將其他所需組分按照一定比例加入到該天然高分子聚合物水溶液中，加完后繼續(xù)攪拌該溶液直到完全溶解后便得到本環(huán)保種衣劑成品。

1.3.2 實驗室發(fā)芽試驗將以上自制不同配方環(huán)保型生物種衣劑分別對玉米種子按質(zhì)量比為1∶40進行均勻包衣后在室溫下攤開晾干20 min，待種衣劑包衣成膜后備用。

實驗采用濕沙培養(yǎng)法：即先對細砂與培養(yǎng)皿用電熱式壓力蒸汽滅菌器殺菌消毒2 h，細砂冷卻后調(diào)至適宜的濕度備用。培養(yǎng)皿對應貼好標簽后，放入雙層等大小的圓形濾紙，每個培養(yǎng)皿內(nèi)加入等體積蒸餾水濕潤至適宜的濕度。每個培養(yǎng)皿放入20粒已晾干拌種后的玉米種子，空白對照組放入相等數(shù)量未包衣的玉米種子，盡量保持培養(yǎng)皿內(nèi)種子空間分布均勻，然后覆蓋約10 mm濕潤適宜的細砂于玉米種子表面，最后蓋上培養(yǎng)皿蓋，放入溫度為（25±1）℃，濕度為（85±5）%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每24 h觀察種子的發(fā)芽情況，及時揭開培養(yǎng)皿蓋子，適時每個培養(yǎng)皿中加入等量蒸餾水。按照國際種子發(fā)芽率測定標準的規(guī)定[4]，第3天計算種子的發(fā)芽勢，第7天計算種子最終的發(fā)芽率，其中玉米種子的發(fā)芽勢與發(fā)芽率計算公式如下：

通過以上要求及方法進行實驗，由上述公式計算可得本環(huán)保型種衣劑各配方的發(fā)芽勢與發(fā)芽率，若試驗環(huán)保種衣劑的發(fā)芽率與發(fā)芽勢均超過其他配方，則選定此配方為實驗室的初步同比試驗最佳基礎配方。然后再在此基礎配方上，通過調(diào)整pH值、PS的濃度及PS的質(zhì)量分數(shù)等因素進行配方的調(diào)整優(yōu)化，然后再對調(diào)整優(yōu)化后的配方進行同比實驗，從中找出該種衣劑在實驗室的最佳配方。

1.4 種衣劑室內(nèi)安全性試驗

按照農(nóng)藥登記毒理學試驗方法[6]（Toxicological test methods of Pesticides for registration）中華人民共和國國家標準(GB15670-1995)，將本環(huán)保種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑分別對大鼠進行急性經(jīng)口毒性試驗和急性經(jīng)皮毒性試驗。

1.4.1 急性經(jīng)口毒性試驗選用品系、遺傳背景明確的成年大鼠。每一劑量組的大鼠 8～10只（雌雄各半），試驗前對動物觀察1周，確認健康后，投入使用。本生物種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑的同比試驗分別設高劑量組、中劑量組與低劑量組。動物給藥前隔夜禁食但不禁水，稱重后，1次灌胃給藥，給藥后至少間隔2 h再進食。給藥后立即觀察并記錄動物的中毒表現(xiàn)，癥狀出現(xiàn)和消失的時間及死亡時間。給藥當日應連續(xù)觀察，其后，每日至少觀察2次，觀察期為14 d。

1.4.2 急性經(jīng)皮毒性試驗選取健康成年大鼠，體質(zhì)量200～300 g，各劑量組大鼠8～10只（雌雄各半），給藥前24 h仔細背部脊柱兩邊去毛，面積約4 cm×5 cm。實驗設置3個同比劑量組；分別為：高劑量組、中劑量組與低劑量組。上藥時先將動物固定，在略小于剃毛面積內(nèi)的脊柱左半部分進行定量敷藥，然后覆蓋一個與脫毛面積相當?shù)暮惺秸?，再用膠布固定。以防止動物舔食試驗藥品，涂藥4 h后取下罩盒，用溫水洗去皮膚上的試驗農(nóng)藥，再進行局部觀察。觀察時間為2周。

通過以上大鼠的反應或現(xiàn)象表征可看出本生物種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑的藥理、毒性大小。

1.5 種衣劑田間同比試驗

大田試驗設在河南省駐馬店進行，采取隨機區(qū)組設計，4次重復。試驗設3個處理：本環(huán)保型種衣劑、傳統(tǒng)種衣劑、空白處理（CK），即不用任何藥劑處理。將以上實驗室所得的本環(huán)保種衣劑最佳配方種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑分別按1∶40的質(zhì)量比均勻拌種，拌種后自然晾干20 min后即可播種。根據(jù)大田試驗結(jié)果擇選出各項指標均優(yōu)于傳統(tǒng)種衣劑的新型環(huán)保型種衣劑作為試驗所得性價比最優(yōu)的配方，此配方便是本新型高效環(huán)保型玉米種衣劑的最佳配方。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗室初步配方同比試驗發(fā)芽結(jié)果

各玉米種衣劑初步配方編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，試驗所得發(fā)芽率、發(fā)芽勢及苗高與主根長的結(jié)果如下：

圖2 不同環(huán)保型種衣劑初步配方的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗高與主根長生長情況

由圖2（a）中可以看出4#環(huán)保型種衣劑的發(fā)芽勢平均值為93.33%，較其他配方中最好的3#高8.33%；發(fā)芽率試驗結(jié)果表明初步配方在實驗室條件下 4#的發(fā)芽率為 96.67%，明顯優(yōu)于其他初步配方。由圖 2（b）中可以看出4#環(huán)保種衣劑苗高高于其他配方約11.72%；主根長高于其他配方約14.99%。綜合以上結(jié)果可得出實驗室初步配方的最優(yōu)配方為4#配方，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗高、主根長分別高于其他配方8.33%、10.00%、11.72%、14.99%，因此，4#配方確定為下一步實驗室進行實驗的基本配方。

2.2 調(diào)整優(yōu)化后的結(jié)果

在環(huán)保型玉米種衣劑4#配方的基礎上，通過改變pH值、PS的濃度和PS質(zhì)量分數(shù)三大影響因素來對4#種衣劑的配方進行優(yōu)化，從而確定4#配方中最佳pH值、PS的濃度和PS質(zhì)量分數(shù)等重要參數(shù)的最佳指標。

2.2.1 pH值對種衣劑主要性能指標的影響pH值對種衣劑主要性能指標的影響如表1所示。從表1可以看出，種衣劑的pH值為6.0時的發(fā)芽效果為最佳，其中pH在4.0～6.0范圍內(nèi)，pH值越大，種衣劑的發(fā)芽勢、發(fā)芽率越高，當pH=6.0時發(fā)芽勢、發(fā)芽率均達到最大值，此后隨著pH值的繼續(xù)增大，發(fā)芽勢、發(fā)芽率均開始下降。所以，本種衣劑的最佳pH值確定為6.0，這可能是因為當pH值在6.0左右時，種衣劑在種子表面形成的保護膜適應種子萌發(fā)的要求，并為提高種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和抑菌率等提供了有利條件。

表1 pH值對種衣劑主要性能指標的影響

2.2.2 PS濃度對種衣劑主要性能指標的影響在種衣劑4#配方（pH＝6，PS濃度＝1%）的基礎上，保持4#配方中其他組分的含量不變，只考察4#配方中天然高分子PS的不同濃度對種衣劑主要性能指標的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 PS濃度對種衣劑主要性能指標的影響

從表2可以看出，PS濃度的大小對種衣劑的發(fā)芽勢、發(fā)芽率具有明顯影響，對抑菌率的影響不大。當PS濃度在0.1%～1%范圍內(nèi)時，種衣劑的發(fā)芽勢、發(fā)芽率隨PS濃度的增加而增加，PS濃度為1%時達到最大值，PS濃度大于1%后發(fā)芽勢和發(fā)芽率開始有所下降。所以，環(huán)保種衣劑的PS最佳濃度為1%，這可能是因為種子中的貯藏物質(zhì)淀粉，在萌發(fā)中主要是在淀粉酶水解作用下轉(zhuǎn)變成簡單的有機化合物供種子對營養(yǎng)的需要，提高了種子淀粉酶的活性，同時 PS溶液具有成膜性，使膜具有很好的流動性，保證了水、氣及營養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收，適宜的濃度使種子的發(fā)芽率與發(fā)芽勢大大提高。

2.2.3 PS質(zhì)量分數(shù)對種衣劑主要性能指標的影響在種衣劑4#配方（pH為6.0，PS濃度為1%，PS質(zhì)量分數(shù)為3%）的基礎上，使4#配方中的其他組分及其含量保持不變，僅考察4#配方中不同PS質(zhì)量分數(shù)對種衣劑主要性能指標的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 PS質(zhì)量分數(shù)對種衣劑主要性能指標的影響

從表3可以看出，PS質(zhì)量分數(shù)對種衣劑的發(fā)芽率、發(fā)芽勢均沒有明顯影響，而對抑菌率有明顯的影響，隨著PS質(zhì)量分數(shù)的增加，種衣劑的抑菌率也隨之增加，當PS質(zhì)量分數(shù)達到4%時其抑菌率達到最大，約95%，但PS質(zhì)量分數(shù)超過4%后，抑菌率沒有增加，但成本就會隨著增加，所以本種衣劑中PS質(zhì)量分數(shù)應控制在 4%為宜。這可能是因為所形成的外層膜致密，能干擾營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞內(nèi)部，故抗菌作用表現(xiàn)得更為明顯。

因此，實驗室所得的4#本環(huán)保玉米種衣劑在pH=6.0，PS濃度=1%，PS質(zhì)量分數(shù)=4%的條件下配制而成的最終玉米種衣劑為實驗室最佳配方，記為4#-1。

2.3 實驗室最優(yōu)配方與傳統(tǒng)種衣劑、空白對照的對比試驗結(jié)果

實驗室最優(yōu)配方環(huán)保種衣劑4#-1與傳統(tǒng)種衣劑、空白對照（CK）試驗所得發(fā)芽率、發(fā)芽勢及苗高與主根長的平均值如圖3：

圖3 實驗室最優(yōu)配方環(huán)保種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑和空白對照（CK）試驗結(jié)果

由圖3可以看出使用種衣劑可提高玉米種子的發(fā)芽率，而且苗高與主根長結(jié)果顯示使用種衣劑后玉米的長勢也可提升。圖3（a）可以看出環(huán)保生物玉米種衣劑比傳統(tǒng)玉米種衣劑的發(fā)芽勢與發(fā)芽率均明顯要高，分別高出 12.06%、15.62%；圖 3（b）顯示環(huán)保生物玉米種衣劑的苗高與主根長較傳統(tǒng)玉米種衣劑分別高出41.72%、45.10%。結(jié)果表明，本環(huán)保生物玉米種衣劑各項指標均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)玉米種衣劑。

2.4 種衣劑安全性試驗結(jié)果

2.4.1 急性經(jīng)口毒性試驗結(jié)果將傳統(tǒng)種衣劑的高劑量組（2 500 mg/kg）灌入白鼠體內(nèi)20 min后，大鼠開始抽搐不止，叫聲異常、不安、呆滯、痙攣、抽搐麻痹、運動失調(diào)、對外反應遲鈍，隨后眼球突出、結(jié)膜充血、角膜混濁，瞳孔擴大，鼻孔流液，流涎，2 h后停止呼吸。傳統(tǒng)種衣劑的低劑量組（300 mg/kg）大鼠也出現(xiàn)輕微顫抖癥狀。傳統(tǒng)種衣劑的雌雄急性經(jīng)口LD50分別為129 mg/kg和84 mg/kg。而注射同等劑量環(huán)保種衣劑的大鼠則未出現(xiàn)以上癥狀。由此說明，環(huán)保種衣劑較傳統(tǒng)種衣劑而言是相對安全，低毒的。

2.4.2 急性經(jīng)皮毒性試驗結(jié)果大鼠剪毛染毒后，傳統(tǒng)種衣劑的高劑量組（2 500 mg/kg）在大鼠抹藥外側(cè)面皮膚出現(xiàn)紅腫，并伴有皮膚隆起癥狀；低劑量組（300 mg/kg）在大鼠抹藥外側(cè)面皮膚有輕微紅腫癥狀，未抹藥側(cè)皮膚完好，未見癥狀。新型環(huán)保型種衣劑的同等劑量各組均未有任何癥狀。

表4 種衣劑安全性試驗結(jié)果

由表4結(jié)果可得，傳統(tǒng)種衣劑的毒性遠大于環(huán)保種衣劑，可見環(huán)保種衣劑的毒性低，安全性高，對人體和環(huán)境的危害小，是環(huán)境友好型種衣劑。

2.5 大田試驗結(jié)果

環(huán)保種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑和空白（CK）在河南省駐馬店的大田試驗結(jié)果見表5。

表5 河南駐馬店玉米種衣劑大田試驗結(jié)果

由以上大田試驗結(jié)果可見，環(huán)保種衣劑較未包衣玉米發(fā)芽率高 27.42%，較傳統(tǒng)種衣劑的發(fā)芽率高16.20%；成本下降23.29%，而畝產(chǎn)較未包衣玉米提高24.06%，較傳統(tǒng)種衣提高12.76%，且安全無毒。這與種衣劑在實驗室條件下的試驗結(jié)果基本趨勢是一致的。結(jié)果表明，本環(huán)保種衣劑在促進種子發(fā)芽，提高產(chǎn)量，降低成本，環(huán)保等各方面指標均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)種衣劑。

2.6 種衣劑增產(chǎn)原理探討

（1）本環(huán)保種衣劑中所含有的成膜劑具有很好的成膜性，而且能保證種子所需要的營養(yǎng)成分都能透過這層膜，與此同時，這種膜在種子萌芽前期還能降低種子自身養(yǎng)分的流失，這樣可以為胚芽發(fā)育提供足夠的養(yǎng)分，為提高種子的發(fā)芽率提供基礎[7]。此外，此膜還有很好的透氣性、透水性，使種子在萌發(fā)階段可以從外界吸收足夠的空氣與水分以保障種子充分發(fā)芽。

（2）本品所采用的殺菌劑是環(huán)保生物殺菌劑，它為種子的萌發(fā)提供了安全有利的環(huán)境，保障了種子萌發(fā)過程中不受或是盡量少受外界干擾[8]，提高發(fā)芽率，進而間接提高產(chǎn)量。

（3）其中所含各種微量元素和微肥提供了種子萌發(fā)過程中所需的各種養(yǎng)分，在所形成膜的緩慢釋放作用下能養(yǎng)分可以保證持續(xù)到種子完全發(fā)芽直至幼苗期。這就彌補了土壤本生養(yǎng)分不足的問題，增加幼苗需要養(yǎng)分的給養(yǎng)。

（4）天然高分子聚合物是主要促進提高作物產(chǎn)量的成分，它產(chǎn)生作用周期長，是自然環(huán)境的產(chǎn)物，對環(huán)境無毒，無危害[9]。它可以通過其中的有效成分促進種子的根際活性，促進作物從幼苗期就增加根部養(yǎng)分的吸收，從而為作物提高果實質(zhì)量，提高產(chǎn)量打基礎[10]；其次，它可以與加入的微肥、微量元素在發(fā)生螯合作用的同時保證微肥及微量元素本身的作用不減弱，而提高微肥與微量元素的作用周期，進而又從另一方面保障了果實的成熟與質(zhì)量[11-12]。

3 結(jié)論與討論

（1）本環(huán)保型玉米種衣劑與傳統(tǒng)玉米種衣劑相比較而言，實驗室所得發(fā)芽率、發(fā)芽勢、苗高與根長均顯著提高。

（2）由種衣劑室內(nèi)安全性試驗結(jié)果可看出，本環(huán)保型玉米種衣劑明顯比傳統(tǒng)玉米種衣劑毒性小，安全性高，對環(huán)境和人體的危害小。

（3）大田試驗結(jié)果表明，經(jīng)過本環(huán)保型玉米種衣劑包衣的玉米產(chǎn)量較傳統(tǒng)玉米種衣劑而言，得到大大提高，畝產(chǎn)約提高12.76%。

（4）由市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，本環(huán)保型玉米種衣劑在價格上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)玉米種衣劑，節(jié)約成本。

綜上所述，通過以天然高分子聚合物為主要原料，輔之以生物驅(qū)避劑、生物抑菌劑和其他相關助劑等配制而成的環(huán)保種衣劑與傳統(tǒng)玉米種衣劑相比，可使玉米的發(fā)芽率提高16.20%、玉米種衣劑成本下降23.29%、玉米畝產(chǎn)提高12.76%，而且對環(huán)境友好無危害，具有明顯環(huán)境效益與經(jīng)濟效益，在我國玉米主產(chǎn)區(qū)具有重要的推廣應用價值。

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