基于热成像技术的小麦种子发芽快速无损检测

邵琪 吴龙龙 张平 曾绍迁 熊勤学

摘要：针对传统的小麦种子发芽率检测方法周期长、有损伤等问题，提出基于红外热成像技术实现小麦种子发芽率快速无损检测的方法。结果表明，在发芽2 d内，未发芽的小麦种子平均温度与升温率都较能发芽的小麦种子高，而2 d后相反。基于不同发芽期的不同活性小麦种子受热后温度曲线变化特征，建立小麦发芽率检测模型，可以快速无损地检测小麦种子发芽率。

关键词：红外热成像；遥感技术；小麦种子；发芽率；快速无损检测

中图分类号：S512.1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）14-0114-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.027 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to solve the problems such as long cycle and damage of traditional wheat seed germination rate，a novel method based on infrared thermography for rapid and nondestructive detection of wheat seed germination rate was proposed.The results showed that the average temperature and heating rate of germinated wheat seeds were higher than that in germinated wheat during two days of the germination，and showed the contradictory results after two days of the germination. Based on the variation of temperature curve of different heating activity of wheat seed germination，the detection model of the germination rate of wheat was built，which achieved rapid and nondestructive detection of the germination rate of wheat seeds.

Key words： infrared thermal imaging；remote sensing technique；wheat seeds；germination percentage；rapid nondestructive testing

中国是农业大国，农业对于国家的发展有着重要影响。由于农产品市场的国际竞争加剧，国家间的自由贸易协定使种子产业发生了许多的变化，尤其是跨国公司在农业产业比重上占显著比例，因此包括种子发芽率检测在内的种子质量评价与农产品质量的生产和改进有密切的关系。

种子发芽率检测有多种方法，陶嘉龄等[1]按测定方法本身划分为生理测定法、生化测定法、物理测定法、组织化学法和形态解剖鉴别法。发芽试验法和电导率法是生理测定法的重要方法，但是发芽试验法周期长、成本高，且受种子休眠限制，而电导率法检测周期长，检测精度低。四唑法和ATP含量测定法是生化测定法的两种，四唑法容易造成种子损伤，ATP含量测定法普适性差。组织化学法以红墨水染色法为主要，但是造成种子损伤且不可逆。而红外热成像技术可以很好地反映物体表面热辐射所形成的温度场的细微变化，通过检测这种温度范围和分布变化的红外热成像仪，能快速收集可见光以外的物体表面温度場信号，并在显示屏上以灰度差或伪彩色方式描绘信号的分布和变化，从而使人的视觉范围扩大到红外波段[2]。余波等[3]研究表明，种子萌发过程中吸水状态及产生的代谢热可以反映其新陈代谢水平，而新陈代谢水平恰是种子活力的重要指标。2010年，Kranner等[4]利用红外热成像仪采集5种老化程度不同的豌豆种子在吸水萌发过程中温度变化的信号，分析每粒种子的图像，得到其温度变化曲线，并建立温度变化“指纹库”。此研究表明，红外热成像技术能够较好地分析种子在萌发过程中的温度变化，可用于种子活力的测定。Wadso[5]使用微量热法进行的开创性研究表明，微量热可以用来评估与种子萌发过程相关的总代谢。目前，国内外关于利用红外热成像技术研究种子发芽率报道较少。本研究通过对不同发芽期的、不同老化程度的小麦种子在受热后温度变化曲线的研究，分析发芽情况与温度变化的关系，为小麦种子发芽率的鉴定提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的小麦种子是由长江大学农学院提供的鄂麦23小麦种子，为不带壳种子，试验前保存于冷藏柜中。由于红外光谱成像技术对待测物的形状、大小较为敏感，因此在取样时，选取形状大小一致的种子作为试验样本，减少因其所造成的误差。

选取部分小麦种子，在80 ℃的人工气候箱进行老化1、3和5 d，与正常小麦形成4种处理，获得的处理后的种子存放于密封袋中在4 ℃的恒温箱中保存。

1.2 方法

将选好的种子分成5组，每组老化杀死的种子和未经老化的种子各8粒，在发芽盒中铺入大小、质地一致的滤纸（保存水分），把发芽盒分为大小相同的2个区域，A区域放未经老化的8粒种子，B区域放老化处理过的种子。将各组种子放入对应编号对应区域的盒子中，保证种子间距一致，使其间不受影响，进行培养。同时搭建加热装置（图1），加热装置要保证其对样品的加热有效且对种子的生理活性没有影响。

每天规定时间用加热装置对试验样品进行加热处理，加热处理15 s（保证此加热对种子的生理活性没有影响）。同时，采用Vario CAM high resolution仪器（光谱范围为7.5～14.0 μm，红外图像像素为640×480、384×288、320×240）对热成像图自动采集。每次自动采集150张，图像间隔2 s，即可采集到种子在受热后300 s的温度变化，采集热成像图周期为24 h。

采集到的热成像图分批导入计算机中，并用IRBIS remote 3.0 软件进行处理。选有效区域获取温度，并绘制时序曲线，导出温度值。分别选取A区域和B区域的有效数据，导入Excel软件中进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同老化程度下的小麦种子温度变化模型

在小麦种子的两种活力水平（未老化处理记为A，老化处理记为B）下的红外热成像图像中，提取小麦种子的热图像作为感兴趣区，图2a至图2f为所选取的典型感兴趣区的整体，图2g为热成像图色板温度标度。不同老化程度的小麦种子温度在加热冷却过程中有一定的差异，该差异为不同老化程度下小麦种子的鉴别提供了数学基础，初步判断可以通过热成像数据对不同老化程度的小麦种子进行区分。

2.2 不同老化程度下的小麦种子平均温度特征

由于人体肉眼对色度的识别有一定的限度，把图像导入IRBIS remote 3.0软件，进行定量分析，提取具有代表性的时序温度。图3a至图3f为不同老化程度的小麦种子在不同发芽阶段加热冷却的平均值变化曲线。图3a与图3b中未发芽小麦种子的平均温度始终高于发芽小麦种子的平均温度，但2 d后发芽小麦种子平均温度高于未发芽小麦种子的平均温度，如图3c至图3f，两者在短时间内表现出不同的特征。

2.3 不同老化程度下小麦种子升温率规律

图4为不同老化程度的小麦种子的升温率曲线，反映了试验2 d内，发芽的小麦种子温度升高率低于不能发芽的小麦种子温度升高率，2 d后则相反。种子发芽第一阶段为吸水吸胀阶段，石亚萍等[6]研究表明有活力的种子由于受生命力的制约，开始吸水速度缓慢，随后会趋于平衡，而叶常丰等[7]表明，死种子由于蛋白质变性，原生质的透性提高，胶体的亲水性和组织的保水能力降低，而使死种子的水分平衡大大改变。当死种子吸水以后，水分很快充满细胞间隙以及胚及胚乳之间，种子呈现出典型的水肿状态，因此死种子在前期吸水速度快。Kranner等[4]研究表明高活性的种子萌发时，可在约48 h达到约55%的阈值。因此在发芽前阶段（2 d）受热后，未经老化的小麦种子升温率低于老化的种子。

2.4 小麦种子发芽检测模型确定

选取浸种后4 d内每天加温后种子最高温度、种子升温率、种子降温率等12个因子作为判定小麦种子发芽的特征值，将12个因子加上小麦种子发芽（1）、未发芽（0）因变量采用因子逐步引进方法（引用F值设为3.84，剔除F值设为2.70）进行判别分析，用SPSS软件分析，最后引入4个因子，分别是X1（第一天种子温度最高值）、X2（第二天种子温度最高值）、X3（第三天种子升温率）、X4（第四天种子升温率），得到判别函数如下：

Y=91.748-2.06×X1-3.802×X2+79.88×X3+50.892×X4 （3）

其P值为0.000 1，回代正确率为100%，说明用4个特征值（第一天种子温度最高值、第二天种子温度最高值、第三天种子升温率、第四天种子升温率）能准确反映发芽与未发芽种子温度变化的差异，由此可用第一天种子温度最高值、第二天种子温度最高值、第三天种子升温率、第四天种子升温率4个特征值进行二类的聚类分析，构建检测模型，二类中如果第一天种子温度最高值低、第二天种子温度最高值低、第三天种子升温率高、第四天種子升温率高则为会发芽种子，否则为不会发芽的种子，从而达到4 d就能快速检测发芽率。5月31日进行重复试验，用这4个因子进行聚类分析，得出种子的发芽率为72.5%与7 d后通过人工观测的75.0%的发芽率相差不大，表明该检测方法与模型是正确的。

3 结论

失活与未失活的种子在发芽前期都经过第一阶段吸水吸胀阶段，失活的种子被动吸水，未失活的种子以主动吸水为主，经过一定时间后，失活的种子阈值低于未失活的种子，使得其在加热后，平均温度高，升温率也高。在短时间内可区分出可以发芽的种子，求出发芽率。本研究确定了不同活性小麦种子在发芽时期温度变化的规律，根据此规律，构建了相应的检测模型，可在短时间内快速、无损地检测小麦种子发芽率。

参考文献：

[1] 陶嘉龄，郑光华.种子活力[M].北京：科学出版社，1991.

[2] 丁 晶，周志尊，李帅三.医用红外线热成像技术的物理学原理探析[J].中国医疗设备，2010，25（7）：68-70.

[3] 余 波，杜尚广，罗丽萍.种子活力测定方法[J].中国科学，2015， 45（7）：709-713.

[4] KRANNER I，KASTBERGER G，HARTBAUER M，et al. Noninvasive diagnosis of seed viability using infrared thermography[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2010，107（8）：3913-3917.

[5] WADSO I.Trends in isothermal microcalorimetry[J].Chemical Society Reviews，1997，26（2）：79-86.

[6] 石亚萍，蔡静平.种子发芽率快速测定方法的研究进展[J].中国种业，2008，23（2）：13-14.

[7] 叶常丰，戴心维.种子学[M].第一版.北京：中国农业出版社，1999.