等离子体种子激活装备及其应用研究

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(1.常州机电职业技术学院， 江苏 常州 213164； 2.常州中科常泰等离子体技术有限公司， 江苏 常州 213032； 3.上海交通大学， 上海 200240)

等离子体种子激活装备及其应用研究

张波1，邵汉良2，王良3

(1.常州机电职业技术学院， 江苏 常州 213164； 2.常州中科常泰等离子体技术有限公司， 江苏 常州 213032； 3.上海交通大学， 上海 200240)

等离子体技术已广泛应用于各领域，等离子体可实现农业种子的激活处理，以提高其活力和产量。探讨了种子激活处理技术应用和装备、设备结构与主要技术参数，详尽介绍了设备操作与流程，开展了种植效果实验测试。初步探索了等离子体作用机理及其与太空育种和转基因等技术区别。结合市场优势，分析了潜在问题和改进成本分析。该技术和装备值得进一步研究与推广应用。

等离子体； 种子； 装备； 激活

等离子体作为物质“第四态”，能够激活种子内能，使种子发芽率、作物产量和品质得到改善[1-2]。低温等离子体是当前研究热点，在作物抗逆性和增产等方面显示出的效果明显，等离子体技术作为一项革命性的农业增产新技术，在农业生产中的应用是一次投资，长期受益，运转成本低，无变异、无污染、增产效果显著，实用性强[3-5]。这项新的技术具有很大的市场潜力，为提高农业生产水平开辟了一条新途径，但要使广大农民接受这一农业新技术，需要一个过程，要加大宣传力度，同时要有一定的资金和技术投入，将设备改进并标准化，加强推广力度，扩大应用规模，创造更大的经济和社会效益，这一技术的推广无疑会对农业装备现代化产生重大的影响[6-7]。

1 种子激活处理技术应用和装备

通过结构和技术创新克服技术不足，完成设备结构改造和放电技术改进，降低能耗，绿色制造重复性好，处理效率高；低温等离子体放电中采用射频电源，并结合2项技术：悬浮电极和屏蔽电场，可以避免电源功率损耗、有利于放电区域的能量集中，用较小的功率实现种子处理；技术参数试验研究和处理能力研究，针对不同作物种植结构，选择适宜的处理功率条件；保证种子处理的工艺重复性；加强种子激活的主要作用因素与作用机制和等离子体激化种子的各种生物效应等研究；实际应用推广研究，大田试验，根据不同地区的作物种植结构和不同的品种，制定相应的处理和栽培技术方案，通过以点带面，实现示范应用和技术推广。

图1 等离子体放电示意图

图2 等离子体种子激活装备

图3 玉米种子等离子处理对比实验

图4 作物长势旺盛

在放电技术改进的基础上，利用上送储料筒、下出料筒和辉光放电区传送带设计，可实现种子的连续化生产，效果重复性好，生产效率高。

2 设备结构与主要技术参数

作物种子处理机由真空系统、辉光放电系统、传动系统和上下落送储料筒四部分组成。1) 真空系统由筒体、旋片式真空泵、真空规管、真空放气阀、真空仪、转子流量计、进气阀组成。 2) 辉光放电系统由射频电源、射频匹配器、电容耦合式极板及隔离放电罩组成。当产生辉光放电时，辉光放电区被约束在上下极板之间。由于隔离放电罩的存在，阻断了筒壁与二极板之间的交变电场，从而使弱等离子体区不产生辉光，保证了(RF)位移电流形成的等离子体对作物种子的处理作用。 3) 传动系统由调速电机、二个链轮、传送带组成，传送带穿过极板间的辉光放电区。 4) 设有上下落送储料筒，上落储料筒由入料口、球阀、高度调节板以及波纹管组成，下落储料筒由出料口和出料阀门组成。

主要技术参数： 1) 采用射频辉光放电，射频电源为SY型晶控射频功率源，频率为13.56 MHz。输出功率50～1 000 W连续可调。 2) 真空系统由真空室(装有内置传动带)、四路泵组和四路放气系统组成。工作真空室体积为Ф260 mm×1 200 mm。 3) 启动真空泵使本底真空达到1 Pa，以一定的流量通入工作气体(空气或空气+He 混合气)，使工作真空度达到30～200 Pa，处理时间为5～90 s。 4) 处理种子速度明显提高，达到80～120 kg/h，酶活性提高了50%，发芽率可提高15%，可增产5%左右，收获期可提前5～10 d。

3 实验操作与流程

3.1 原 料

既适用于小麦、水稻、玉米等用种量较大的作物，又适用于蔬菜、瓜果等用种量少、经济效益较高的作物。粮食作物：玉米、小麦、谷子等；蔬菜作物：黄瓜、番茄、南瓜、架豆、白菜、甘蓝、胡萝卜、萝卜、茄子、辣椒、青椒、西葫芦、黑子南瓜等；经济作物：烟叶、棉花、大豆、花生、油葵等。处理后作用有效期长，可达半年左右，宜于在种子生产经营部门、基层随时处理、随时播种，推广应用。作物种子经过简单筛选，干燥以备用，后进行相关工作气体气氛的冷等离子体改性，工作气体的纯度都大于99.996%。

3.2 实验过程

种子处理工作过程：将预处理的种子去除浮尘，上送储料筒装满种子，关闭各路球、蝶阀，启动旋片式真空泵，调节转子流量计，至给定真空度。开启射频电源，调节至给定功率。调节电机速度至给定值，调正高度调节板，打开球阀，种子进入传送带,通过辉光放电区然后由出料口落入下储料筒，完成加工，待下落储料筒装满被加工的作物种子后，蜂鸣器发出信号，依次关闭射频电源、真空泵和调频电机，放气，然后打开下放料阀，种子处理完成。

3.3 注意事项

设备不工作时，真空室必须保持真空状态。(每隔一周抽真空到本底)；设备放置场所必须保持清洁，不可扫出浮尘。

4 种植效果

进行种子处理前后的实验室培育和大田种植情况对比可以发现，由于种子类型和土壤环境的多样性，需要进行实验的优化，确定最佳种子处理工艺。140 W功率处理的种子发芽率明显提高，但160 W功率处理的种子发芽率反而降低。通过玉米种子经过等离子处理后的生长效果，可以发现，处理后玉米长得既快又高，生育期提前，灌浆的时间长，籽粒更饱满，产量有明显提高。

图6 发芽势、发芽率和示范基地

等离子体处理能明显提高质量和产量的同时，处理后的种子同时具有抵御病虫害的作用，抗病性能可提高十分之一，减少了农药的用量，有利于有机、绿色农业生产。可促进作物果实早熟，提前上市。处理后的农作物果实平均提前成熟3天以上，可以抢先占领市场，卖个好价钱。通过实验研究还发现可以恢复陈旧老化种子的生长活力，这对于粮食安全和保护具有重要的意义。

图5 西红柿结果提前

组织有关专家在江苏射阳新洋农场，参照农业部《全国粮食高产创建测产验收办法(试行)》，对 “冷等离子体种子处理技术及其在农垦麦类作物上的应用示范试验”项目进行了现场测产，新洋农场小麦等离子体种子处理技术田间应用示范，其中随机选取5.7 hm2作为测产目标，与未处理进行对照，品种为“宁麦13”，实测结果可增产近6%，专家组认为现场测产方法可靠、有效，以上测产结果真实、准确。

5 作用机理初探

等离子体对种子激活作用研究需要多学科交叉的团队共同努力，涉及到植物栽培学、遗传学、发育生物学及等离子体技术等。由于目前尚欠条件，无法有序的展开这方面的探究。只能从等离子体技术方面做一些粗浅的解释，以期抛砖引玉。试验证明，在等离子体种子处理技术中，促使种子增强生命活力的主要是光子的作用。紫外线波长介于10 nm(124 eV)和400 nm(3.1 eV)之间，又分为近紫外光(300～380 nm),远紫外光(200～300 nm)和真空紫外光(10～200 nm)。真空紫外线虽属于非电离辐射，但它具有最临近电离辐射的能量。可见光的波长为400～700 nm，能量为1.77～3.1 eV，一般不会引起遗传效应。但在某些特定条件下也能观察到突变效应。等离子体辐射引起的生物效应都是和辐射与生物物质之间的能量传递相联系的。当种子通过等离子体辉光放电区时受到可见光和紫外光的同时作用。可见光和种子表层相互作用时，光被吸收和散射。吸收的部分迫使电子产生振动而转化为热能。在真空紫外线与物质(种子)作用时，物质分子的电子从较低能态(基态)跃迁到较高能态(激发态)，从而激发和增强了种子的生命活力。不同种子的分子都存在着大小不同的差异，因而需要采用不同的条件和工艺达到所需要的处理效果，以提高发芽率、长势、抗病虫害及增产的目的。

等离子体种子处理对种子萌发与作物生长影响的机理尚完全清晰，需从作物生理生化方面进行深入研究，下一阶段还拟着重对冷等离子体种子处理改善农产品品质方面进行研究，同时针对不同作物、同一作物不同品种，其最佳处理参数需在今后的试验及推广应用中不断地修正确定，以达到最佳增产效果。等离子体种子处理技术已基本成熟，可进入产业化推广应用阶段，但是，任何农业新技术的推广应用，初期都离不开政府行为的投入和引导，在技术深入研究的同时，通过推广示范项目、高新技术产业化等渠道，尽快使这一高新技术得到应用推广。

6 与太空育种和转基因等技术的区别

等离子体种子处理技术和太空育种2种处理方法具有完全不同机理，所得结果也是完全不同的，如表1所示。

太空育种和地面利用各种辐射或离子注入等育种手段一样，属于电离辐射，使种子的基因产生易位。同时，等离子体种子处理技术属于非电离辐射，不会使物质分子产生电离，因而不会使种子的基因产生易位，而转基因技术由于一些原因在社会上存在着很大的争议，它主要是将种子内部的基因结构打破再重新组织，改变了种子内部的结构，等离子体种子处理技术与转基因技术有着本质的区别。

表1 等离子体种子处理技术和太空育种对比

处理方式等离子技术太空育种、离子注入等辐射方式非电离辐射，物质分子不产生电离，基因不产生易位电离辐射，物质分子产生电离，基因易位，产生正负变异处理效果发芽率高、长势好产生正负易位，重复性差，反而会使发芽率和产量大大下降处理过程有序、可控无序不可控有无时效可逆、有时效不可逆、无时效处理结果处理后能直接促进增产需选种，数代培养后才能增产处理时间15～30s数年处理过程简单复杂对种子作用的能量0～20eV≥30000eV运行价格低高

7 市场优势

掌握了辉光放电的关键技术，放电中采用射频电源，结合悬浮电极和屏蔽电场2项技术，有利于放电区域能量集中，减少电源功率损耗，用较小的功率实现种子处理。等离子体种子处理机轻巧，操作简便，能够连续性的处理作物种子，且处理量大，处理效果显著，工作状态稳定，工艺重复性好，可以连续批量处理，为成果转化和大规模推广创造了条件。使用范围广，既适于玉米、大豆等用种量较大的作物，又适用于蔬菜、瓜果等用种量少、经济效益较高的作物。处理后作用有效期长，宜于在种子生产经营部门、基层推广应用，此项技术在江苏、山西等地区得到大面积推广，增产效果显著，具有很大的发展空间。

8 潜在问题和改进成本分析

潜在问题： 1) 本项目的研究与开发和现行制农业政策环境相结合。 2) 开发水平有限和项目运行时间还不长，项目在综合设备性能和农业管理的有机结合上难免存在着一些问题。 3) 对设备运行中出现的问题及时进行修改完善，扩展服务领域，进一步深化机理研究，加快成果的推广应用。 4) 要加强多部门、多单位的协作，特别是需得到政府及农业部门的大力支持，使本项目对保证粮食安全和增加农民收入真正起到巨大的促进作用。

改进成本分析: 1) 工艺过程优化，进行参数优化，降低射频功率及惰性气的选用与替代。 2) 设备结构改造，一机多用，能处理多类型种子，如已设计开发一种等离子体激活处理大型颗粒种子进料系统。 3) 连续化生产，提高柔性制造系统的集成化，形成作物种子处理生产线，利于大规模生产，降本增效,如等离子体作物种子处理生产线及其生产工艺。

9 总 结

通过关键技术和农业装备的研发，使等离子体种子激活的工艺过程更加可控、能耗低、放电能量集中、工艺重复性好、连续化生产、生产效率高，有利于进一步提高等离子体种子激活在农业应用中的经济性。相关研究为应用领域中种子激活农业装备提供工艺和理论上的支撑，将有望产生巨大的经济效益和社会效益，并为开发具有自主知识产权的种子激活农业装备提供依据。

[1]王锐.等离子体种子处理技术的试验推广[J].技术与市场,2012,19(3):28-30.

[2]李社潮,姚淑先,孙锐,等.关于等离子体机种子处理技术的田间试验研究[J].中国农机化,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]庄乃生.等离子体种子处理技术在吉林省试验示范效果显著[J].农机科技推广,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]梁久丽.等离子体种子处理技术的有益尝试[J].农机使用与维护,2012,103(1):101-102.

[7]方向前,边少锋,柴寿江,等.等离子体种子处理技术[J].农业与技术,2006,26(2):107-108.

(本栏目责任编辑：周介雄)

Study on the Application of Plasma Seed Activation Equipment

ZHANGBo1,SHAOHanliang2,WANGLiang3

2016-07-10

江苏省自然科学基金项目《农垦作物种子激活农业装备关键技术及应用基础研究》(编号：BK 20161201);江苏高校“青蓝工程”人才计划资助项目《江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养》(编号：2016)和常州市科技支撑项目《农垦麦类作物种子激活处理机的研制及其应用》(编号：CE 20152007)。

张 波(1978-)，男，江苏扬州人，博士，副教授，主要从事等离子体种子激活农业装备等方面的研究工作；E-mail:glass114@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.12.047

S 330

A

1001-4705(2016)12-0047-04