等離子體種子激活裝備及其應(yīng)用研究

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(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)， 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(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)， 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(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試。初步探索了等離子體作用機(jī)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(chǎng)優(yōu)勢(shì)，分析了潛在問題和改進(jìn)成本分析。該技術(shù)和裝備值得進(jìn)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(dāng)前研究熱點(diǎn)，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(xiàng)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(zhǎng)期受益，運(yùn)轉(zhuǎn)成本低，無(wú)變異、無(wú)污染、增產(chǎn)效果顯著，實(shí)用性強(qiáng)[3-5]。這項(xiàng)新的技術(shù)具有很大的市場(chǎng)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(gè)過程，要加大宣傳力度，同時(shí)要有一定的資金和技術(shù)投入，將設(shè)備改進(jìn)并標(biāo)準(zhǔn)化，加強(qiáng)推廣力度，擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，這一技術(shù)的推廣無(wú)疑會(huì)對(duì)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(jìn)，降低能耗，綠色制造重復(fù)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(xiàng)技術(shù)：懸浮電極和屏蔽電場(chǎng)，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(shí)現(xiàn)種子處理；技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究和處理能力研究，針對(duì)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(fù)性；加強(qiáng)種子激活的主要作用因素與作用機(jī)制和等離子體激化種子的各種生物效應(yīng)等研究；實(shí)際應(yīng)用推廣研究，大田試驗(yàn)，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(diǎn)帶面，實(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖4 作物長(zhǎng)勢(shì)旺盛

在放電技術(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，利用上送儲(chǔ)料筒、下出料筒和輝光放電區(qū)傳送帶設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)種子的連續(xù)化生產(chǎn)，效果重復(fù)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(jī)由真空系統(tǒng)、輝光放電系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和上下落送儲(chǔ)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(jì)、進(jìn)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(dāng)產(chǎn)生輝光放電時(shí)，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(chǎng)，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(duì)作物種子的處理作用。 3) 傳動(dòng)系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)、二個(gè)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(chǔ)料筒，上落儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)真空泵使本底真空達(dá)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(dá)到30～200 Pa，處理時(shí)間為5～90 s。 4) 處理種子速度明顯提高，達(dá)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(lán)、胡蘿卜、蘿卜、茄子、辣椒、青椒、西葫蘆、黑子南瓜等；經(jīng)濟(jì)作物：煙葉、棉花、大豆、花生、油葵等。處理后作用有效期長(zhǎng)，可達(dá)半年左右，宜于在種子生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)部門、基層隨時(shí)處理、隨時(shí)播種，推廣應(yīng)用。作物種子經(jīng)過簡(jiǎn)單篩選，干燥以備用，后進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程

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

3.3 注意事項(xiàng)

設(shè)備不工作時(shí)，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(chǎng)所必須保持清潔，不可掃出浮塵。

4 種植效果

進(jìn)行種子處理前后的實(shí)驗(yàn)室培育和大田種植情況對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)效果，可以發(fā)現(xiàn)，處理后玉米長(zhǎng)得既快又高，生育期提前，灌漿的時(shí)間長(zhǎng)，籽粒更飽滿，產(chǎn)量有明顯提高。

圖6 發(fā)芽勢(shì)、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(shí)，處理后的種子同時(shí)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(jī)、綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？纱龠M(jìn)作物果實(shí)早熟，提前上市。處理后的農(nóng)作物果實(shí)平均提前成熟3天以上，可以搶先占領(lǐng)市場(chǎng)，賣個(gè)好價(jià)錢。通過實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)可以恢復(fù)陳舊老化種子的生長(zhǎng)活力，這對(duì)于糧食安全和保護(hù)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(yáng)新洋農(nóng)場(chǎng)，參照農(nóng)業(yè)部《全國(guó)糧食高產(chǎn)創(chuàng)建測(cè)產(chǎn)驗(yàn)收辦法(試行)》，對(duì) “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(yàn)”項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)產(chǎn)，新洋農(nóng)場(chǎng)小麥等離子體種子處理技術(shù)田間應(yīng)用示范，其中隨機(jī)選取5.7 hm2作為測(cè)產(chǎn)目標(biāo)，與未處理進(jìn)行對(duì)照，品種為“寧麥13”，實(shí)測(cè)結(jié)果可增產(chǎn)近6%，專家組認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)產(chǎn)方法可靠、有效，以上測(cè)產(chǎn)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確。

5 作用機(jī)理初探

等離子體對(duì)種子激活作用研究需要多學(xué)科交叉的團(tuán)隊(duì)共同努力，涉及到植物栽培學(xué)、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)及等離子體技術(shù)等。由于目前尚欠條件，無(wú)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(yàn)證明，在等離子體種子處理技術(shù)中，促使種子增強(qiáng)生命活力的主要是光子的作用。紫外線波長(zhǎng)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(yuǎn)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(zhǎng)為400～700 nm，能量為1.77～3.1 eV，一般不會(huì)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(dāng)種子通過等離子體輝光放電區(qū)時(shí)受到可見光和紫外光的同時(shí)作用?？梢姽夂头N子表層相互作用時(shí)，光被吸收和散射。吸收的部分迫使電子產(chǎn)生振動(dòng)而轉(zhuǎn)化為熱能。在真空紫外線與物質(zhì)(種子)作用時(shí)，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(qiáng)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(dá)到所需要的處理效果，以提高發(fā)芽率、長(zhǎng)勢(shì)、抗病蟲害及增產(chǎn)的目的。

等離子體種子處理對(duì)種子萌發(fā)與作物生長(zhǎng)影響的機(jī)理尚完全清晰，需從作物生理生化方面進(jìn)行深入研究，下一階段還擬著重對(duì)冷等離子體種子處理改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面進(jìn)行研究，同時(shí)針對(duì)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(yàn)及推廣應(yīng)用中不斷地修正確定，以達(dá)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(jìn)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(dǎo)，在技術(shù)深入研究的同時(shí)，通過推廣示范項(xiàng)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(jī)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(shí)，等離子體種子處理技術(shù)屬于非電離輻射，不會(huì)使物質(zhì)分子產(chǎn)生電離，因而不會(huì)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(huì)上存在著很大的爭(zhēng)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(duì)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(fù)變異處理效果發(fā)芽率高、長(zhǎng)勢(shì)好產(chǎn)生正負(fù)易位，重復(fù)性差，反而會(huì)使發(fā)芽率和產(chǎn)量大大下降處理過程有序、可控?zé)o序不可控有無(wú)時(shí)效可逆、有時(shí)效不可逆、無(wú)時(shí)效處理結(jié)果處理后能直接促進(jìn)增產(chǎn)需選種，數(shù)代培養(yǎng)后才能增產(chǎn)處理時(shí)間15～30s數(shù)年處理過程簡(jiǎn)單復(fù)雜對(duì)種子作用的能量0～20eV≥30000eV運(yùn)行價(jià)格低高

7 市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

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(chǎng)2項(xiàng)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(shí)現(xiàn)種子處理。等離子體種子處理機(jī)輕巧，操作簡(jiǎn)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(fù)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(jì)效益較高的作物。處理后作用有效期長(zhǎng)，宜于在種子生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)部門、基層推廣應(yīng)用，此項(xiàng)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(jìn)成本分析

潛在問題： 1) 本項(xiàng)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(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間還不長(zhǎng)，項(xiàng)目在綜合設(shè)備性能和農(nóng)業(yè)管理的有機(jī)結(jié)合上難免存在著一些問題。 3) 對(duì)設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行修改完善，擴(kuò)展服務(wù)領(lǐng)域，進(jìn)一步深化機(jī)理研究，加快成果的推廣應(yīng)用。 4) 要加強(qiáng)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(xiàng)目對(duì)保證糧食安全和增加農(nóng)民收入真正起到巨大的促進(jìn)作用。

改進(jìn)成本分析: 1) 工藝過程優(yōu)化，進(jìn)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(jī)多用，能處理多類型種子，如已設(shè)計(jì)開發(fā)一種等離子體激活處理大型顆粒種子進(jìn)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(fù)性好、連續(xù)化生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高，有利于進(jìn)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(jì)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(jì)效益和社會(huì)效益，并為開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的種子激活農(nóng)業(yè)裝備提供依據(jù)。

[1]王銳.等離子體種子處理技術(shù)的試驗(yàn)推廣[J].技術(shù)與市場(chǎng),2012,19(3):28-30.

[2]李社潮,姚淑先,孫銳,等.關(guān)于等離子體機(jī)種子處理技術(shù)的田間試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2006,32(1):74-76.

[3]Hajime S,Takehiro S,Ichiro T.Expression analysis of genes encoding plasma membrane aquaporins during seed and fruit development in tomato[J].Plant Science,2006,171(4):277-285.

[4]莊乃生.等離子體種子處理技術(shù)在吉林省試驗(yàn)示范效果顯著[J].農(nóng)機(jī)科技推廣,2006,12(2):33-34.

[5]Meiqiang Y,Mingjing H,Buzhou M,et al.Stimulating Effects of Seed Treatment by Magnetized Plasma on Tomato Growth and Yield[J].Plasma Science amp; Technology,2005,7(6):3 143-3 147.

[6]梁久麗.等離子體種子處理技術(shù)的有益嘗試[J].農(nóng)機(jī)使用與維護(hù),2012,103(1):101-102.

[7]方向前,邊少鋒,柴壽江,等.等離子體種子處理技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2006,26(2):107-108.

(本欄目責(zé)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(xué)基金項(xiàng)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(hào)：BK 20161201);江蘇高校“青藍(lán)工程”人才計(jì)劃資助項(xiàng)目《江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)》(編號(hào)：2016)和常州市科技支撐項(xiàng)目《農(nóng)墾麥類作物種子激活處理機(jī)的研制及其應(yīng)用》(編號(hào)：CE 20152007)。

張 波(1978-)，男，江蘇揚(yáng)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