等離子體技術在種苗培育肥藥減施增效領域應用進展

唐偉斌，許長峰，2

(1.邢臺學院 生物科學與工程學院，河北邢臺 054001；2.河北省數字化淡水水產養殖技術重點實驗室，河北邢臺 054001)

種苗培育是種植業的基礎，種子正常萌發和幼苗健壯生長是植物生產前期關鍵。利用生物方法和物理技術防治病蟲害是目前現代農業種苗培育肥藥減施增效、發展綠色生產的研究熱點。應用等離子體技術處理作物種子成為了近年來國際上發展最快的農業增產新技術之一，俄羅斯在這一領域的研究比較早，程度較為深入，并且嘗試將等離子體種子處理裝置應用于實際生產。近年來，國內科研機構和高等院校圍繞等離子體技術的作用機理、應用范圍和效果效能開展了探索，并逐步應用于實際生產。其表現出來的環保且高效之優勢明顯，逐漸為世人所青睞。

等離子體(Plasma)具有數量眾多的特殊性質，又被稱為第四大物質存在狀態。其特性是因為在高溫或強電磁場下，氣體被電離，從而產生大量的數量相等但所帶電荷相反的離子和電子所致。高壓非平衡等離子體可通過各種碰撞途徑產生活性粒子，如電子的撞擊和分裂。在國防、工業、醫療、環境保護、水平養殖等領域等離子體技術已得到了廣泛應用。近年來該技術在農業生產領域的應用研究如火如荼，重點集中在病害防治、食品貯藏、調控長勢、畜禽消毒、養殖尾水凈化、谷物滅菌等方面。在植物生產領域，采用等離子體機處理大田、蔬菜、油料等作物種子，后續表現出明顯的發芽提前、出苗整齊、生長健壯、抗逆抗病、結果提早，增產提質等優良性狀。順應植物生產肥藥減施增效的綠色產業要求，等離子體技術在種子播前處理、種子萌發、幼苗培育等環節的應用效果逐漸顯現。

1 等離子體技術在種子消毒環節應用

種子表面所攜帶的多種病菌是導致猝倒病、立枯病、根腐病等苗期病害高發原因，使得種子消毒成為了種苗培育生產前期必需環節。生產中為確保順利萌發，常常會利用各種手段對種子進行預處理，較為常用的方式為化學藥劑浸泡和種子包衣。但這些預處理方式需要大量使用化學農藥，存在嚴重安全與環境污染的風險，耗時長、成本高，與肥藥減施增效的綠色產業要求相背離。試驗結果證明，采用等離子體技術播前處理種子，具有殺菌抑菌效果，兼可健壯幼苗。

1.1 消殺種子病菌效果研究

抑制和消減種子表面的病菌是等離子體技術在植物生產領域應用最早和最廣的內容。國外學者對水稻、玉米等十余種種子采用不同的等離子體發生裝置進行前滅菌處理實驗[1-2]，發現對包括赤霉菌、曲霉菌、青霉菌、尖孢鐮刀菌、白菜黑斑菌、蔥黑斑病菌，以及大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草桿菌等在內的十數種真菌、細菌均產生效果，病菌生長受到明顯的抑制，而作物生長沒有受到干擾。殺菌抑菌的效果決定于采用的氣體源、處理強度與時間、病菌的初始感染程度和樣品種子表面的結構特征[3]。

國內的研究結果趨向一致。李學慧等的大豆種子交變梯度電磁場等離子體處理實驗結果證明[4]，等離子體能對種子的表面進行殺菌和消毒，另外種子的萌發力也可得到有效提升。

迄今統計，等離子體技術已在大田作物(小麥、水稻、玉米、大麥、硬粒小麥、黑麥等)、蔬菜作物(芥菜、黃瓜、生菜、豌豆、蘿卜、胡蘿卜、番茄、鷹嘴豆、菜豆、小扁豆、茄子、羊萵苣、皺葉甘藍等)、油料作物(大豆、花生、油菜、芝麻等)、觀賞與藥用植物(羽扇豆、羽衣甘藍、泡桐、黎、紫菀、紅花、穿心蓮等)中常見種類上進行了試驗和推廣，其消殺種子表面病菌效果明顯，綠色環保，且對種子的萌發和幼苗生長表現出促進效應。

另外，采用大氣壓下介質阻擋放電等離子體的試驗表明[5]，單獨使用氦氣滅活病菌的效果要明顯落后于在氦氣中添加氧氣的滅菌效果，分析認為主要是由于活性氧及活性氮的相應作用，而不是靠紫外線的輻射滅菌效應。

1.2 消毒滅菌機理研究

一般認為，等離子體的滅菌效應與放電過程中產生成分(帶電氣體、電場、紫外線、射線以及活性基團和粒子臭氧、自由電子、自由基、活性氧、NOX等)有關?？諝獾入x子體除了帶有電荷的離子作用外，放電的同時產生大量的臭氧，對細菌和病毒有強烈的殺傷作用。

病菌微生物的損傷和死亡，是由于菌體的蛋白質和細胞結構被破壞而導致。放電過程中產生的這些成分正是與病菌微生物體內的酶或DNA等生物大分子相互作用的“破壞者”。其中，活性氧可使得鳥嘌呤分子結構發生改變，引起DNA雙螺旋鏈斷裂，生物大分子損傷，表現出病菌微生物生長抑制或失活；紫外線與微生物作用，可形成具有抑制細菌復制能力的胸腺嘧啶二聚體，阻斷病菌生長繁殖路徑[6]。另一方面，當帶電粒子產生的電場足夠強時，會破壞細胞膜表面蛋白質和酶的活性，使得膜上蛋白質分離并產生孔洞，導致細胞質流失，細胞死亡?；钚粤Ｗ觿t利用其活性含氧基團，首先破壞微生物細胞膜的通透性，然后進入細胞發生氧化作用，最終破壞細胞結構，致微生物細胞死亡而達到殺菌的效果[7]。

2 等離子體技術在種子萌發環節應用

種子萌發不僅僅受到水分、溫度等外部環境的影響，還需要赤霉素、脫落酸等內在激素的調節，并通過吸脹吸水、轉態、分解、吸收、合成等途徑的共同作用。種皮在水分等萌發必需物進出種子的過程中起到阻斷作用，而活性氧及活性氮等物質在種子萌發激素調節方面起到較大的作用[8]。

2.1 對種子萌發影響效果研究

大量的研究結果證實，絕大多數樣品種子經過等離子體技術處理后的萌發態勢均有所改善。DUBINOV等發現[9]，芥菜種子經脈沖放電等離子體技術處理，表面種皮會形成細小裂紋，進而有助于水分通過吸脹吸水途徑進入種子，縮短萌發時間。等離子體短時間間接處理小麥種子，具有提升萌發特性的作用，其萌發率能提高17%左右。分析認為可能是小麥種子表面化學成分的改變而引起的[10]。ZAHORANOVA等利用擴散共面表面阻擋放電裝置處理玉米種子[11]，出現種皮表面水接觸角顯著減小、而疏水性則對應升高的現象。種皮表面結構在電鏡下并未觀察到明顯變化，傅里葉紅外變換光譜檢測數據卻顯示該樣本表面的脂質減少、氮氧化物增加。電暈放電裝置處理水稻，其種皮亦受到明顯影響[12]。大氣壓介質阻擋放電等離子體處理黃瓜、生菜的種子[13-14]，輝光放電冷等離子體處理大豆、花生、油菜及芝麻的種子[15]，其發芽率、發芽勢、幼苗活力等指標均提升明顯。呂曉桂等通過常壓冷等離子體預處理芥菜種子實驗[16]，發現當放電電壓為1200V、1600V，處理時間為8s、30s、90s的處理對種子的發芽速度有明顯的促進作用，幼苗根長指標相比對照組均有優勢，但種子發芽率指標未現明顯影響；當放電電壓為1400V、處理時間為60s時，等離子體處理明顯地有利于干旱脅迫下的芥菜植株的生長。

2.2 影響種子萌發機理研究

研究表明，等離子體處理促進種子萌發機理，一般認為是所產生的大量活性物質(帶電粒子、亞穩態活性物質、紫外光子等)致ROS、RNS、pH、氧還電位和電導率等產生變化，發生了刻蝕作用，改變了種子表面的物理結構、潤濕性和種子內部的激素水平、酶活性，調控了與萌發相關的生理生化反應進程，具有正向影響，進而促進種子的萌發。

法國薩克雷大學研究團隊對介質阻擋放電等離子體放電過程中氣體成分進行分析，并參考生物學實驗，推測等離子體處理影響種子休眠與活性，是由于ROS及RNS參與了相關作物信號通路的調控[17]。研究者的豌豆發芽與幼苗生長的實驗表明[18-19]，等離子體處理促進發芽與幼苗生長的原因是緣于內源激素的分泌受到了影響，這些激素包括生長素和細胞分裂素。BORMASHENKO等對生菜[20]、黃豆及小麥種子用射頻低溫等離子體同時進行處理，發現種子表面的水接觸角明顯減小，認為這是氧化物質對種皮產生的影響，而這些氧化物質則來源于等離子體。呂曉桂等通過大氣壓氬氣放電等離子體處理薺菜種子促進發芽的研究[16]，也提出原因可能是種皮表面的親水性增強、輻照和熱效應的積累。黃明鏡等和杜紅等都認為[21-22]，α-淀粉酶活性強及可溶性蛋白含量高可以提高種子的代謝水平，促進作物生長。不論是小麥種子還是陳玉米種子，經過等離子體處理后，均發現其淀粉酶活性增強，可溶性蛋白含量升高，發芽率和活力指數較對照組都有所提高。同時還發現幼苗的葉綠素含量有部分提升，這也有利于作物生長。劉山等解釋經過等離子體種子處理機處理的種子更加健壯、苗齊苗旺原因[23]，認為其機理是提前啟動了與萌發有關的生理生化變化過程，以及刺激了生理活性物質的產生，從而產生了較強的動力學過程。謝成燊進一步揭示[24]，空氣冷等離子體處理玉米種子，玉米赤霉素含量提高，NO及H2O2產生，并通過調控組蛋白乙?；嚓P基因的表達，最終促進種子的萌發。

3 等離子體技術在幼苗生長階段的應用

幼苗期植株生長需要大量的氮肥，且呈現隨生長期、種類、環境不同而變化的特點。人工施用氮肥，功效低、適性差，經常過量而減弱幼苗抗性。芽苗菜氮肥殘留過多還會給消費者健康產生負面影響。等離子體處理種子后，不僅對萌發有益，還能強健幼苗、促進生長，表現出明顯肥藥減施增效作用。

3.1 對幼苗生長影響效果研究

用等離子體處理煙草種子，其萌發期、出苗期、團棵期以及開花期較對照提前2d以上，旺長期延長2d[25]，表明等離子體技術不僅具有促進種子萌發的作用，還有益于植物后期的生長發育。等離子體處理菜豆種子[26]，出苗期、伸蔓期、開花期、結莢期均得以提前，成熟提早，增加菜豆干重，提高早期產量。利用大氣壓介質阻擋放電等離子體對蘿卜種子進行處理[18]，發現幼苗長度能夠顯著增長。胡蘿卜亦如此[27]。LOS等的等離子體短時間接處理小麥種子試驗，結果顯示苗期生長指數提高[10]，分析認為小麥種子表面化學成分的改變對該變化有一定影響。李愷等以處理功率為變量[28]，對番茄種子進行等離子體技術處理，其幼苗的莖粗、株高、根莖葉干質量、根冠比和壯苗指數等指標，隨著處理功率的增加呈現先上升后下降的變化趨勢，分別在25-75W的處理區間達到峰值，幼苗生長的綜合表現以75W處理最優。王志新等則以電流強度及處理次數為變量[29]，研究等離子體處理對生菜幼苗生長及產量的影響。結果表明：等離子體處理種子，其幼苗地上部鮮干質量、地下部鮮干質量、根體積有不同程度的增加。不同電流強度及不同處理次數的等離子體處理促進了生菜定植后的生長發育，生菜的葉綠素也有所改善。HENSELOVA等考量等離子體處理對玉米幼苗生長參數影響[30]，當處理時間為60s時，鮮重、干重和種子根的長度分別增加了10%、14%和21%。

研究試驗表明，等離子體技術處理植物種子，普遍具有促進幼苗生長發育的功效，表現在根莖葉的干鮮質量的增加、根冠比和壯苗指數的優化，以及發育進程的加速和提前。

3.2 影響幼苗生長機理研究

沈人德指出[31]，等離子體之所以提高種子萌發、生長和抗逆性，是其產生的活性氧自由基提高了生物膜透性和種皮通透性，提高了水、氧、氮和微量元素等滲入到種皮中的效率。KITAZAKI等也認為[18]，大氣壓介質阻擋放電等離子體處理能夠使得蘿卜幼苗長度顯著增長的原因與等離子中的自由基刺激有關。GIBA等研究成果更是支持了這一論斷[32]。GIBA等發現活性氮自由基是種子萌發的內源媒介物質及外源物質的重要載體。

綜合研究成果，等離子體處理種子，可促進幼苗生長的緣由，一是初生代謝產物(蛋白質)的積累，NO2可轉變成NO3，起到植物生長所需氮源的作用；二是減輕細胞脂質過氧化程度；三是提高生物膜透性、過氧化氫酶的活性和種皮通透性；四是可增強抵御外界不良環境的能力。利用等離子體技術處理種子，具有促進種子萌發和促進幼苗生長的功效，可減少苗期施肥量用藥量，起到肥藥減施增效作用。

4 等離子體技術在種苗培育領域利用前景展望

等離子體種子處理技術是新興的現代物理農業技術，具有處理時間短、對人體無害等優勢，環保、高效、無殘留，符合現代綠色農業的發展方向。該技術近年來迅速成為業內研究的熱點。雖然研究者在等離子體處理種子的各指標試驗均有所嘗試，在多種作物上的處理上也取得了一定效果，但是關于相關效果機理的解釋還缺乏依據，距離從實驗室到田間應用還有很大差距。

4.1 機理研究

首先，等離子體處理種子技術已經在農業中有所應用。然等離子體成分十分復雜，各種活性成分的含量與組成對于使用效果影響較大。不同的激發方式、不同的劑量、不同的處理時間，甚至同一劑量、時間對不同的植物種子的效應也不一致。這其中，等離子體對前處理種子所產生的后續效應，包括萌發、苗期生長的表征特性所對應的生理生化特征的改變等方面分析研究報道較少。

其次，盡管等離子體的主要成分單獨對菌種作用機理已經知曉，但各成分同時綜合的殺菌作用并不是簡單的協同關系，因此等離子體整體對種子和幼苗的滅菌、生長的作用機理認識仍不夠充分，需要不斷研究和完善。

再者，等離子體含有多種活性物質，這些組分是怎樣參與到種子萌發的信號通路當中還不清楚。國內研究雖然已經觀察到等離子體處理在種子萌發的正向作用，但是并未能深入研究其機理。

4.2 應用研究

迄今為止，仍然不能用通過實驗檢測得到的直接證據去解釋分析等離子體放電特征、放電的物理和化學機制，以及等離子體影響和改變細胞和組織的生物學途徑。等離子體發生設備的微放電或整個放電過程的具體局部細節還沒有得到詳盡的理論描述。工作條件不同，放電過程中的物理、化學過程交織復雜，使得等離子體的農業應用進展緩慢。

等離子體研發設備大多停留在實驗室階段，處理能力有限。且對不同的種子要采用不同的設備，缺乏通用的設備設計和實際操作規范。種苗業的等離子體種子處理技術規?；瘜嶋H生產應用，還有大量的難題需要研究和探索，任重而道遠。