一种环保型玉米种衣剂的研制及应用研究

邓清香，曾德芳

（武汉理工大学 资源环境与工程学院，湖北 武汉 430070）

我国是一个农业大国，提高粮食产量减少农药污染一直是我国农业的重要话题[1]，而目前我国所使用的传统种衣剂大多含有对人体和环境有严重危害和污染的农药成分如克百威、呋喃丹等[2]，且对我国生态农业构成严重威胁，市场急需一种环保型的种衣剂取而代之[3]。为此，本文以天然高分子聚合物为主要原料，辅之以生物杀菌剂、抑菌剂、成膜剂等相关助剂制备出一种新型环保型的玉米种衣剂。该种衣剂与传统玉米种衣剂相比，发芽率提高了16.20%、玉米产量提高了12.76%、种衣剂成本下降了23.29%，且环境友好无污染，具有明显的环境效益与经济效益。此外，本文还对该种衣剂的安全性及增产机理等进行了研究和讨论。

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

1.1.1 实验仪器电子天平（FA2204B型，上海精科天美贸易有限公司），电子恒速搅拌器（S212-40型，金坛市水北创兴仪器厂），培养皿（d=90 cm，南通理能实验器材有限公司），电热式压力蒸汽灭菌器（XFH-30CA型，中国深圳市鼎鑫实验设备有限公司），电热鼓风干燥箱（DHG-9075A，上海一恒科学仪器有限公司），恒温恒湿培养箱（HWHS型，中国金坛市瑞华仪器有限公司），温湿度计(TES-1361C型，深圳市源恒通科技有限公司)，生物显微镜（XSP-10C（LED）型，中国上海光学仪器一厂）。

1.1.2 实验试剂天然高分子聚合物PS（自制）、成膜助剂聚丙烯酰胺、生物抑菌剂SM（自制）、生物驱避剂BY（自制）、硼改性三十烷醇（自制）、防沉助剂有机膨润土、非离子表面活性剂（AES）、紫罗兰天然色素、去离子水、玉米种子（鄂丰良种，湖北省种子集团公司供）、传统玉米种衣剂（河北省北农（海利）琢州种衣剂有限公司供）、健康成年大鼠（华科大同济医学院动物实验中心供）。

1.2 实验技术路线

技术路线如图1。

图1 试验方案及技术路线

1.3 环保型生物种衣剂的制备过程

1.3.1 环保型生物种衣剂的制备先用去离子水按照一定比例在常温下将天然高分子聚合物 PS浸泡溶胀，再在65℃和1.5个大气压等加热加压的条件下搅拌使其完全溶解，制成天然高分子聚合物水溶液，再将其他所需组分按照一定比例加入到该天然高分子聚合物水溶液中，加完后继续搅拌该溶液直到完全溶解后便得到本环保种衣剂成品。

1.3.2 实验室发芽试验将以上自制不同配方环保型生物种衣剂分别对玉米种子按质量比为1∶40进行均匀包衣后在室温下摊开晾干20 min，待种衣剂包衣成膜后备用。

实验采用湿沙培养法：即先对细砂与培养皿用电热式压力蒸汽灭菌器杀菌消毒2 h，细砂冷却后调至适宜的湿度备用。培养皿对应贴好标签后，放入双层等大小的圆形滤纸，每个培养皿内加入等体积蒸馏水湿润至适宜的湿度。每个培养皿放入20粒已晾干拌种后的玉米种子，空白对照组放入相等数量未包衣的玉米种子，尽量保持培养皿内种子空间分布均匀，然后覆盖约10 mm湿润适宜的细砂于玉米种子表面，最后盖上培养皿盖，放入温度为（25±1）℃，湿度为（85±5）%的恒温恒湿培养箱中培养。每24 h观察种子的发芽情况，及时揭开培养皿盖子，适时每个培养皿中加入等量蒸馏水。按照国际种子发芽率测定标准的规定[4]，第3天计算种子的发芽势，第7天计算种子最终的发芽率，其中玉米种子的发芽势与发芽率计算公式如下：

通过以上要求及方法进行实验，由上述公式计算可得本环保型种衣剂各配方的发芽势与发芽率，若试验环保种衣剂的发芽率与发芽势均超过其他配方，则选定此配方为实验室的初步同比试验最佳基础配方。然后再在此基础配方上，通过调整pH值、PS的浓度及PS的质量分数等因素进行配方的调整优化，然后再对调整优化后的配方进行同比实验，从中找出该种衣剂在实验室的最佳配方。

1.4 种衣剂室内安全性试验

按照农药登记毒理学试验方法[6]（Toxicological test methods of Pesticides for registration）中华人民共和国国家标准(GB15670-1995)，将本环保种衣剂与传统种衣剂分别对大鼠进行急性经口毒性试验和急性经皮毒性试验。

1.4.1 急性经口毒性试验选用品系、遗传背景明确的成年大鼠。每一剂量组的大鼠 8～10只（雌雄各半），试验前对动物观察1周，确认健康后，投入使用。本生物种衣剂与传统种衣剂的同比试验分别设高剂量组、中剂量组与低剂量组。动物给药前隔夜禁食但不禁水，称重后，1次灌胃给药，给药后至少间隔2 h再进食。给药后立即观察并记录动物的中毒表现，症状出现和消失的时间及死亡时间。给药当日应连续观察，其后，每日至少观察2次，观察期为14 d。

1.4.2 急性经皮毒性试验选取健康成年大鼠，体质量200～300 g，各剂量组大鼠8～10只（雌雄各半），给药前24 h仔细背部脊柱两边去毛，面积约4 cm×5 cm。实验设置3个同比剂量组；分别为：高剂量组、中剂量组与低剂量组。上药时先将动物固定，在略小于剃毛面积内的脊柱左半部分进行定量敷药，然后覆盖一个与脱毛面积相当的盒式罩，再用胶布固定。以防止动物舔食试验药品，涂药4 h后取下罩盒，用温水洗去皮肤上的试验农药，再进行局部观察。观察时间为2周。

通过以上大鼠的反应或现象表征可看出本生物种衣剂与传统种衣剂的药理、毒性大小。

1.5 种衣剂田间同比试验

大田试验设在河南省驻马店进行，采取随机区组设计，4次重复。试验设3个处理：本环保型种衣剂、传统种衣剂、空白处理（CK），即不用任何药剂处理。将以上实验室所得的本环保种衣剂最佳配方种衣剂与传统种衣剂分别按1∶40的质量比均匀拌种，拌种后自然晾干20 min后即可播种。根据大田试验结果择选出各项指标均优于传统种衣剂的新型环保型种衣剂作为试验所得性价比最优的配方，此配方便是本新型高效环保型玉米种衣剂的最佳配方。

2 结果与讨论

2.1 实验室初步配方同比试验发芽结果

各玉米种衣剂初步配方编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，试验所得发芽率、发芽势及苗高与主根长的结果如下：

图2 不同环保型种衣剂初步配方的发芽势、发芽率、苗高与主根长生长情况

由图2（a）中可以看出4#环保型种衣剂的发芽势平均值为93.33%，较其他配方中最好的3#高8.33%；发芽率试验结果表明初步配方在实验室条件下 4#的发芽率为 96.67%，明显优于其他初步配方。由图 2（b）中可以看出4#环保种衣剂苗高高于其他配方约11.72%；主根长高于其他配方约14.99%。综合以上结果可得出实验室初步配方的最优配方为4#配方，其发芽势、发芽率、苗高、主根长分别高于其他配方8.33%、10.00%、11.72%、14.99%，因此，4#配方确定为下一步实验室进行实验的基本配方。

2.2 调整优化后的结果

在环保型玉米种衣剂4#配方的基础上，通过改变pH值、PS的浓度和PS质量分数三大影响因素来对4#种衣剂的配方进行优化，从而确定4#配方中最佳pH值、PS的浓度和PS质量分数等重要参数的最佳指标。

2.2.1 pH值对种衣剂主要性能指标的影响pH值对种衣剂主要性能指标的影响如表1所示。从表1可以看出，种衣剂的pH值为6.0时的发芽效果为最佳，其中pH在4.0～6.0范围内，pH值越大，种衣剂的发芽势、发芽率越高，当pH=6.0时发芽势、发芽率均达到最大值，此后随着pH值的继续增大，发芽势、发芽率均开始下降。所以，本种衣剂的最佳pH值确定为6.0，这可能是因为当pH值在6.0左右时，种衣剂在种子表面形成的保护膜适应种子萌发的要求，并为提高种子的发芽势、发芽率和抑菌率等提供了有利条件。

表1 pH值对种衣剂主要性能指标的影响

2.2.2 PS浓度对种衣剂主要性能指标的影响在种衣剂4#配方（pH＝6，PS浓度＝1%）的基础上，保持4#配方中其他组分的含量不变，只考察4#配方中天然高分子PS的不同浓度对种衣剂主要性能指标的影响，结果如表2所示。

表2 PS浓度对种衣剂主要性能指标的影响

从表2可以看出，PS浓度的大小对种衣剂的发芽势、发芽率具有明显影响，对抑菌率的影响不大。当PS浓度在0.1%～1%范围内时，种衣剂的发芽势、发芽率随PS浓度的增加而增加，PS浓度为1%时达到最大值，PS浓度大于1%后发芽势和发芽率开始有所下降。所以，环保种衣剂的PS最佳浓度为1%，这可能是因为种子中的贮藏物质淀粉，在萌发中主要是在淀粉酶水解作用下转变成简单的有机化合物供种子对营养的需要，提高了种子淀粉酶的活性，同时 PS溶液具有成膜性，使膜具有很好的流动性，保证了水、气及营养物质的正常吸收，适宜的浓度使种子的发芽率与发芽势大大提高。

2.2.3 PS质量分数对种衣剂主要性能指标的影响在种衣剂4#配方（pH为6.0，PS浓度为1%，PS质量分数为3%）的基础上，使4#配方中的其他组分及其含量保持不变，仅考察4#配方中不同PS质量分数对种衣剂主要性能指标的影响，结果如表3所示。

表3 PS质量分数对种衣剂主要性能指标的影响

从表3可以看出，PS质量分数对种衣剂的发芽率、发芽势均没有明显影响，而对抑菌率有明显的影响，随着PS质量分数的增加，种衣剂的抑菌率也随之增加，当PS质量分数达到4%时其抑菌率达到最大，约95%，但PS质量分数超过4%后，抑菌率没有增加，但成本就会随着增加，所以本种衣剂中PS质量分数应控制在 4%为宜。这可能是因为所形成的外层膜致密，能干扰营养物质进入细胞内部，故抗菌作用表现得更为明显。

因此，实验室所得的4#本环保玉米种衣剂在pH=6.0，PS浓度=1%，PS质量分数=4%的条件下配制而成的最终玉米种衣剂为实验室最佳配方，记为4#-1。

2.3 实验室最优配方与传统种衣剂、空白对照的对比试验结果

实验室最优配方环保种衣剂4#-1与传统种衣剂、空白对照（CK）试验所得发芽率、发芽势及苗高与主根长的平均值如图3：

图3 实验室最优配方环保种衣剂与传统种衣剂和空白对照（CK）试验结果

由图3可以看出使用种衣剂可提高玉米种子的发芽率，而且苗高与主根长结果显示使用种衣剂后玉米的长势也可提升。图3（a）可以看出环保生物玉米种衣剂比传统玉米种衣剂的发芽势与发芽率均明显要高，分别高出 12.06%、15.62%；图 3（b）显示环保生物玉米种衣剂的苗高与主根长较传统玉米种衣剂分别高出41.72%、45.10%。结果表明，本环保生物玉米种衣剂各项指标均明显优于传统玉米种衣剂。

2.4 种衣剂安全性试验结果

2.4.1 急性经口毒性试验结果将传统种衣剂的高剂量组（2 500 mg/kg）灌入白鼠体内20 min后，大鼠开始抽搐不止，叫声异常、不安、呆滞、痉挛、抽搐麻痹、运动失调、对外反应迟钝，随后眼球突出、结膜充血、角膜混浊，瞳孔扩大，鼻孔流液，流涎，2 h后停止呼吸。传统种衣剂的低剂量组（300 mg/kg）大鼠也出现轻微颤抖症状。传统种衣剂的雌雄急性经口LD50分别为129 mg/kg和84 mg/kg。而注射同等剂量环保种衣剂的大鼠则未出现以上症状。由此说明，环保种衣剂较传统种衣剂而言是相对安全，低毒的。

2.4.2 急性经皮毒性试验结果大鼠剪毛染毒后，传统种衣剂的高剂量组（2 500 mg/kg）在大鼠抹药外侧面皮肤出现红肿，并伴有皮肤隆起症状；低剂量组（300 mg/kg）在大鼠抹药外侧面皮肤有轻微红肿症状，未抹药侧皮肤完好，未见症状。新型环保型种衣剂的同等剂量各组均未有任何症状。

表4 种衣剂安全性试验结果

由表4结果可得，传统种衣剂的毒性远大于环保种衣剂，可见环保种衣剂的毒性低，安全性高，对人体和环境的危害小，是环境友好型种衣剂。

2.5 大田试验结果

环保种衣剂与传统种衣剂和空白（CK）在河南省驻马店的大田试验结果见表5。

表5 河南驻马店玉米种衣剂大田试验结果

由以上大田试验结果可见，环保种衣剂较未包衣玉米发芽率高 27.42%，较传统种衣剂的发芽率高16.20%；成本下降23.29%，而亩产较未包衣玉米提高24.06%，较传统种衣提高12.76%，且安全无毒。这与种衣剂在实验室条件下的试验结果基本趋势是一致的。结果表明，本环保种衣剂在促进种子发芽，提高产量，降低成本，环保等各方面指标均明显优于传统种衣剂。

2.6 种衣剂增产原理探讨

（1）本环保种衣剂中所含有的成膜剂具有很好的成膜性，而且能保证种子所需要的营养成分都能透过这层膜，与此同时，这种膜在种子萌芽前期还能降低种子自身养分的流失，这样可以为胚芽发育提供足够的养分，为提高种子的发芽率提供基础[7]。此外，此膜还有很好的透气性、透水性，使种子在萌发阶段可以从外界吸收足够的空气与水分以保障种子充分发芽。

（2）本品所采用的杀菌剂是环保生物杀菌剂，它为种子的萌发提供了安全有利的环境，保障了种子萌发过程中不受或是尽量少受外界干扰[8]，提高发芽率，进而间接提高产量。

（3）其中所含各种微量元素和微肥提供了种子萌发过程中所需的各种养分，在所形成膜的缓慢释放作用下能养分可以保证持续到种子完全发芽直至幼苗期。这就弥补了土壤本生养分不足的问题，增加幼苗需要养分的给养。

（4）天然高分子聚合物是主要促进提高作物产量的成分，它产生作用周期长，是自然环境的产物，对环境无毒，无危害[9]。它可以通过其中的有效成分促进种子的根际活性，促进作物从幼苗期就增加根部养分的吸收，从而为作物提高果实质量，提高产量打基础[10]；其次，它可以与加入的微肥、微量元素在发生螯合作用的同时保证微肥及微量元素本身的作用不减弱，而提高微肥与微量元素的作用周期，进而又从另一方面保障了果实的成熟与质量[11-12]。

3 结论与讨论

（1）本环保型玉米种衣剂与传统玉米种衣剂相比较而言，实验室所得发芽率、发芽势、苗高与根长均显著提高。

（2）由种衣剂室内安全性试验结果可看出，本环保型玉米种衣剂明显比传统玉米种衣剂毒性小，安全性高，对环境和人体的危害小。

（3）大田试验结果表明，经过本环保型玉米种衣剂包衣的玉米产量较传统玉米种衣剂而言，得到大大提高，亩产约提高12.76%。

（4）由市场调研数据显示，本环保型玉米种衣剂在价格上明显优于传统玉米种衣剂，节约成本。

综上所述，通过以天然高分子聚合物为主要原料，辅之以生物驱避剂、生物抑菌剂和其他相关助剂等配制而成的环保种衣剂与传统玉米种衣剂相比，可使玉米的发芽率提高16.20%、玉米种衣剂成本下降23.29%、玉米亩产提高12.76%，而且对环境友好无危害，具有明显环境效益与经济效益，在我国玉米主产区具有重要的推广应用价值。

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