牧草種子包衣技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

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(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系， 北京 100193； 2.草業(yè)科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

種子包衣(Seed coating)技術(shù)是指通過機(jī)械或者手工的方法，將具有特殊功能的種衣劑均勻的包覆在種子表面，以促進(jìn)種子發(fā)芽和增強(qiáng)種子抗逆性的一種高新種子加工技術(shù)。它能增加種子的附加值，促進(jìn)種子的商品化、播種的精量化以及種子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化管理[1]。

在種子包衣技術(shù)的發(fā)展初期，主要目的是增大種子體積，便于播種。20世紀(jì)80年代以來，干粉種子處理劑、水漿粉種子處理劑、液體溶液種子處理劑、懸浮種衣劑等種子處理劑的研究得到快速發(fā)展，其主要目的是用來殺菌和殺蟲[2]。目前種子包衣技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展非常成熟，廣泛運(yùn)用在蔬菜、花卉、棉花(Gossypium)以及小麥(Triticumaestivum)、玉米等領(lǐng)域[3]。我國(guó)的包衣技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)80年代將牧草種子包衣應(yīng)用于飛播技術(shù)，取得了很大的成效。不過草類植物種子包衣發(fā)展相對(duì)緩慢，主要集中在具有生態(tài)、觀賞價(jià)值和飼用價(jià)值的草種，如紫花苜蓿、沙打旺(Astragalusadsurgens)、白三葉(Trifoliumrepens)等豆科植物，禾本科的早熟禾屬(Poa)、羊茅屬(Festuca)、披堿草屬(Elymus)等草種[4]。

1 牧草種子包衣的需求

2012年以來，隨著國(guó)家“振興奶業(yè)苜蓿發(fā)展行動(dòng)”、“退牧還草”和“草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)獎(jiǎng)機(jī)制”的全面實(shí)施，“草牧業(yè)”和“糧改飼”試點(diǎn)項(xiàng)目的啟動(dòng)，極大推動(dòng)了我國(guó)草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了草種業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草種子的需求量明顯增加。按照農(nóng)業(yè)部《全國(guó)草原保護(hù)建設(shè)利用“十三五”規(guī)劃》內(nèi)容，到2020年，人工種草面積增加1 667萬hm2，改良草原面積4 133萬hm2，粗略估計(jì)種子需求量超過260萬t。盡管牧草種子田增加8 000 hm2，優(yōu)質(zhì)牧草良種繁育基地增加5個(gè)，每年從國(guó)外進(jìn)口草種子3萬～5萬t，優(yōu)質(zhì)草種子仍處于供不應(yīng)求狀態(tài)，牧草種子市場(chǎng)受國(guó)外進(jìn)口品種沖擊較大，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度不完善。在良種繁育和推廣方面，由于草種認(rèn)證制度未建立，品種產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度不完善，草種生產(chǎn)相對(duì)效益低，假冒偽劣種子泛濫。

因此，在有限的牧草種子資源條件下，運(yùn)用種子包衣技術(shù)能有效提高牧草種子在不同區(qū)域逆境脅迫的抵抗能力，打破牧草種子休眠，實(shí)現(xiàn)精量播種等來滿足國(guó)家對(duì)于優(yōu)質(zhì)牧草種子的需求，為草牧業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。種子包衣技術(shù)的發(fā)展包括包衣材料的研制、包衣工藝的設(shè)計(jì)以及配套包衣器械的研發(fā)等，本文根據(jù)包衣種子的不同要求，主要針對(duì)不同功能的種子包衣材料進(jìn)行了綜述，以期為牧草種子包衣技術(shù)提供基礎(chǔ)材料和研究方向。

2 種子包衣方法

2.1 人工包衣法

人工包衣方法是指將種子放入大鍋或者塑料袋中，然后放入適當(dāng)比例的種衣劑，通過人工翻滾和攪拌使種衣劑均勻的包覆在種子表面完成包衣，這些方法操作簡(jiǎn)單卻普遍存在多籽、包衣不牢固等諸多問題[5]。

2.2 機(jī)械包衣法

隨著種子包衣行業(yè)越來越受到重視，相應(yīng)的種子包衣機(jī)械也在快速發(fā)展。種子包衣機(jī)可以根據(jù)物料輸送方式、藥液供給方式和料液混配方式進(jìn)行劃分[6]。目前應(yīng)用較多的種子包衣機(jī)有滾筒噴霧式(如5 BY型系列)、甩盤霧化式(如5 BGF-5型)、旋轉(zhuǎn)式包衣機(jī)(如BY 2150 A型)等機(jī)型[7]。滾筒噴霧式包衣機(jī)和甩盤霧化式包衣機(jī)的原理都是通過將添加的藥液進(jìn)行霧化，然后均勻的包覆在滾動(dòng)的種子表面，進(jìn)而完成種子的拌藥和包衣[8]。旋轉(zhuǎn)式種子包衣機(jī)是在甩盤霧化的基礎(chǔ)上加上底部鼓風(fēng)作用，使種子懸浮在混合桶內(nèi)，通過種子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將霧化的藥液均勻的包裹在種子表面，該類型包衣機(jī)具有連續(xù)分批包衣優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行薄膜包衣和丸粒化包衣[9]。

3 種衣劑

按照不同的分類依據(jù)，可將種衣劑做如下分類[10]：

1) 根據(jù)種衣劑形態(tài)的不同，可分為干粉種衣劑、懸浮種衣劑和膠懸型種衣劑。

2) 根據(jù)種衣劑用途的不同，可分為物理型、化學(xué)型、生物型、特異型和綜合型種衣劑。

其中物理型種衣劑不含有化學(xué)有效成分，主要應(yīng)用在粒徑較小的種子丸粒化包衣上；化學(xué)型種衣劑中含有一些能促進(jìn)種子萌發(fā)和增強(qiáng)幼苗抗性的活性物質(zhì)如農(nóng)藥、肥料和植物激素等；生物型種衣劑中包括一些有益微生物、動(dòng)植物提取物等活性物質(zhì)，能促進(jìn)種子的發(fā)芽，提高種子活力；特異型種衣劑指針對(duì)某些特定的目標(biāo)如抗旱、抗寒、耐鹽等進(jìn)行針對(duì)性研制的種衣劑；綜合型種衣劑就是將以上種衣劑成分綜合應(yīng)用形成的新型種衣劑。

種衣劑一般由活性成分和非活性成分兩部分組成。活性成分能夠直接體現(xiàn)出種衣劑的功能，具有提高種子活力，提高種苗對(duì)逆境脅迫的抵抗能力，如植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、殺蟲劑、殺菌劑等。非活性成分主要包括成膜劑及其相應(yīng)配套助劑，其作用是能夠控制活性物質(zhì)的釋放效果，使種衣劑具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性，在種子表面形成一個(gè)牢固的種衣[11]。高分子聚合物是成膜劑的主要材料，如甲基纖維素、聚丙烯酰胺、殼聚糖、阿拉伯膠等；配套助劑主要有分散劑、懸浮劑、警戒色染料等；種子丸?；牧现羞€含有泥炭土、膨潤(rùn)土、硅藻土、滑石粉等惰性填充物質(zhì)。

4 種子包衣技術(shù)研究進(jìn)展

4.1 促生長(zhǎng)型包衣技術(shù)研究

在種衣劑中添加一些營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、鉀)和各種微量元素(鋅、錳、銅、硼、鉬)可以提供幼苗生長(zhǎng)發(fā)育需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育[12]。20世紀(jì)八、九十年代，微量元素系列種衣劑研究得到了快速發(fā)展，有效解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上微量元素用量少，施用困難的問題[13]。研究表明，用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑如赤霉素(GA3)、細(xì)胞分裂素(CTK)、吲哚乙酸(IAA)、萘乙酸(AA)等作為種衣劑的有效成分，能提高種子發(fā)芽率，增強(qiáng)種子活力，提高種苗的成活率、增加苗鮮重[14]。在種子包衣中加入殼聚糖，能促進(jìn)種子的萌發(fā)，提高種苗對(duì)逆境脅迫的抵抗能力[15]；用300 mg·L-1赤霉素對(duì)羊草種子進(jìn)行浸種處理后，提高了種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，增強(qiáng)了種子活力[16]。研究發(fā)現(xiàn)用適宜濃度的植物激素處理蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)種子，能促進(jìn)種子的萌發(fā)，而低于或者高于一定濃度處理則會(huì)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象[17]，另外在披堿草(Elymusdahuricus)的研究中發(fā)現(xiàn)，用GA3和IAA對(duì)披堿草種子進(jìn)行丸?；?，生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑濃度的變化對(duì)種子萌發(fā)和后期生長(zhǎng)發(fā)育影響很大[18]。這可能與種子所含的內(nèi)源激素種類、分布及濃度均不同有關(guān)，在種子發(fā)芽過程中，外源激素和內(nèi)源激素相互配合、共同作用的結(jié)果。因此，需要加強(qiáng)種子萌發(fā)過程中激素調(diào)節(jié)機(jī)理等方面研究工作，明確植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑系列種衣劑與種子萌發(fā)的作用規(guī)律，篩選出更好的包衣配方。

4.2 抗病蟲型包衣技術(shù)研究

抗病蟲型包衣劑發(fā)展得比較早，能有效防治土傳和種傳的病蟲害，廣泛應(yīng)用于各類種子。隨著病蟲害等基礎(chǔ)研究的深入，相應(yīng)的農(nóng)藥制劑也運(yùn)用于種子包衣中，種子包衣常用的殺蟲劑有克百威、甲基異硫磷[19]、毒死蜱、辛硫磷等[20]，這些種衣劑屬于中高毒種衣劑。隨著生態(tài)環(huán)保、綠色發(fā)展口號(hào)的提出，越來越多高效低毒的化學(xué)藥劑和生物制劑也運(yùn)用到種子包衣中，比如吡蟲啉和噻蟲嗪等新煙堿類殺蟲劑[21]和菊酯類的神經(jīng)毒素氯氰菊酯等[22]。

土傳和種傳病害也是草地建植過程中的主要限制因素之一，針對(duì)帶菌種子的處理技術(shù)主要以拌種和包衣為主。有研究發(fā)現(xiàn)，用百菌清、福美雙和多菌靈等殺菌劑處理接種致病菌的苜蓿種子，可以促進(jìn)種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)[23]。研究發(fā)現(xiàn)，在種衣劑中添加甲霜靈，對(duì)大豆種子進(jìn)行處理，能有效防止大豆根腐病[24]。甲霜靈、福美雙和惡霜靈等作為種衣劑的有效成分，能有效防止草地早熟禾(Poapratensis)苗期腐霉枯萎病[25]，在狗牙根(Cynodondactylon)丸粒化材料中添加多菌靈，可以有效防治狗牙根的褐斑病和葉斑病[26]。

豆科植物能與根瘤菌共生并進(jìn)行生物固氮。研究表明，用根瘤菌菌劑對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行丸?；拢芴岣邌沃旮鰯?shù)量和苗期的結(jié)瘤率，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)草量[27]。研究表明，用活性成分為苜蓿中華根瘤菌菌劑制成的種衣劑，其中鉬酸銨的含量為0.1%～0.2%，不僅延長(zhǎng)了根瘤菌活性，促進(jìn)苜蓿結(jié)瘤固氮，而且大幅提高了苜蓿產(chǎn)量，改善了苜蓿品質(zhì)[28]。因此，研究殺菌劑對(duì)豆科作物根瘤菌的作用機(jī)理，并將殺菌劑與根瘤菌有機(jī)結(jié)合研究出綜合型的包衣配方，將是未來種子包衣的一個(gè)研究方向。

4.3 抗旱型包衣技術(shù)研究

水分是影響種子發(fā)芽出苗的重要因素。研究表明，在種衣劑中加入高吸水樹脂，能吸收并保持水分，當(dāng)土壤干旱時(shí)種衣劑釋放出水分，能有效緩解干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響[29]。研究發(fā)現(xiàn)在包衣技術(shù)中應(yīng)用高吸水樹脂可以促進(jìn)白三葉種子的發(fā)芽率[30]，提高胡枝子(Lespedezabicolor)的抗旱能力[31]。在干旱缺水條件下，使用10%保水劑對(duì)檸條(Caraganakorshinskii)種子進(jìn)行丸化，可以顯著促進(jìn)種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)[32]。除了高吸水性樹脂等高分子材料，越來越多的活性物質(zhì)和材料也被發(fā)現(xiàn)能促進(jìn)種子萌發(fā)，增強(qiáng)幼苗的抗旱性。例如，黃腐酸浸種對(duì)紫花苜蓿種子耐旱性有積極作用[33]，鈣離子與赤霉素浸種可以緩解紫花苜蓿種子萌發(fā)過程中的干旱脅迫[34]，稀土元素釹(NdCl3)可以增強(qiáng)玉米幼苗根系對(duì)干旱脅迫的抵抗能力[35]。

4.4 耐鹽堿型包衣技術(shù)研究

鹽脅迫是一種限制植物生長(zhǎng)的主要非生物脅迫，受鹽害最主要的時(shí)期是種子萌發(fā)期和幼苗生長(zhǎng)期，鹽堿對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用明顯，當(dāng)土壤鹽分超過植物所能承受的值，種子萌發(fā)會(huì)受到抑制甚至不能萌發(fā)。蘆光新等用腐熟羊糞對(duì)老芒麥種子進(jìn)行包衣處理，提高了種子活力和幼苗的抗逆性[36]。蘇亞勛等[37]用脫硫石膏和粉煤灰對(duì)野牛草種子進(jìn)行包衣處理，促進(jìn)了野牛草種子在鹽堿地的萌發(fā)。隨著外源活性物質(zhì)的開發(fā)和應(yīng)用，越來越多的外源活性物質(zhì)應(yīng)用在種子處理和種子包衣技術(shù)上，用來促進(jìn)種子的萌發(fā)和提高種苗的抗逆性。外源物質(zhì)主要包括植物激素類(如赤霉素和生長(zhǎng)素)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)類(如水楊酸、脯氨酸、聚乙二醇、殼聚糖、甜菜堿和 γ-氨基丁酸)、多胺類(如亞精胺)和信號(hào)分子類(如 Ca2+、NO和CO)等，具有用量小、見效快和效益高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能促進(jìn)植物幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，提高幼苗對(duì)逆境脅迫的抵抗能力。研究表明，用甜菜堿預(yù)處理棉花種子，對(duì)其萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和產(chǎn)量有正面效應(yīng)，對(duì)鹽脅迫下水稻種子萌發(fā)，紫花苜蓿種子萌發(fā)均有促進(jìn)作用[38-39]；用殼聚糖對(duì)向日葵種子進(jìn)行浸種處理，能有效提高幼苗的耐鹽性[40]。另外，殼聚糖本身具有良好的成膜性、附著性和吸濕性，因此，將殼聚糖作為種子包衣材料會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有很大的開發(fā)和應(yīng)用價(jià)值，目前已有殼聚糖包衣的水稻、油菜和芹菜種子[41]，而在草類植物種子包衣中研究較少。

5 問題與展望

5.1 牧草種子包衣技術(shù)存在的問題

5.1.1牧草種子休眠的破除

相比于具有悠久馴化歷史的作物種子，大部分牧草種子由于其休眠的特性，影響發(fā)芽率和發(fā)芽整齊度。如豆科牧草種子普遍存在硬實(shí)現(xiàn)象，有的硬實(shí)率高達(dá)90%以上，嚴(yán)重影響種子的發(fā)芽率和出苗率，阻礙了許多優(yōu)良豆科牧草的推廣應(yīng)用[42]；禾本科如結(jié)縷草、羊草種子等具有很強(qiáng)的休眠性，未經(jīng)處理的種子發(fā)芽率低[43]。因此如何打破草類種子休眠，提高種子發(fā)芽率和出苗整齊度會(huì)是未來牧草種子包衣關(guān)注的方向。而對(duì)于牧草種子來說，種子萌發(fā)與種衣劑的作用規(guī)律研究有限，還應(yīng)該加強(qiáng)牧草種子萌發(fā)生理的基礎(chǔ)研究。

5.1.2種子萌發(fā)的非生物脅迫機(jī)理研究薄弱

牧草種植地區(qū)干旱、鹽堿等非生物脅迫普遍，我國(guó)有78%的草原分布在北方的干旱、半干旱地區(qū)。但由于不合理的放牧、盲目開墾等人為因素及氣候變化等自然因素，導(dǎo)致了我國(guó)90%的草地都出現(xiàn)了不同程度的退化，需要對(duì)這些退化草地進(jìn)行恢復(fù)和重建，因此將需要大量?jī)?yōu)質(zhì)的牧草種子。所以如何提高種子萌發(fā)抗逆性如抗旱性、耐鹽性等也將是牧草種子包衣未來的研究方向。

5.1.3包衣工藝的標(biāo)準(zhǔn)化

草類植物種子形態(tài)多樣且種子偏小，例如，草坪草種子千粒重小、老芒麥種子的芒、駝絨藜種子被長(zhǎng)柔毛等，因此在進(jìn)行種子包衣前，應(yīng)對(duì)種子進(jìn)行篩選和處理，保證包衣種子的質(zhì)量和均勻性；另外應(yīng)根據(jù)不同牧草種子的特點(diǎn)，結(jié)合播種機(jī)械的要求，明確有效活性成分的使用、成膜劑配方、增重比例等，提高包衣種子的有效性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精量播種。

5.2 展 望

5.2.1國(guó)家對(duì)行業(yè)發(fā)展的政策要求，需要大量?jī)?yōu)質(zhì)抗逆的牧草種子提供基礎(chǔ)保障

2012年以來，隨著國(guó)家“振興奶業(yè)苜蓿發(fā)展行動(dòng)”、“退牧還草”和“草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)獎(jiǎng)機(jī)制”的全面實(shí)施，市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草種子的需求量明顯增加。2015年國(guó)家啟動(dòng)“草牧業(yè)”和“糧改飼”試點(diǎn)項(xiàng)目，飼用燕麥、青貯玉米和飼用甜高粱等一年生禾本科牧草種子需求量急劇增加。至2016年，我國(guó)主要牧草生產(chǎn)面積達(dá)2 056萬hm2，其中苜蓿為437萬hm2，專用青貯玉米為227萬hm2(《中國(guó)草業(yè)統(tǒng)計(jì)》，2017)。隨著山水林田湖草生命共同體的提出，響應(yīng)農(nóng)村振興、脫貧攻堅(jiān)的號(hào)召，草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大，因此對(duì)于優(yōu)質(zhì)牧草種子的需求也會(huì)大幅上升。

5.2.2包衣技術(shù)的發(fā)展為規(guī)?；I(yè)化草地建設(shè)提供技術(shù)保障

包衣種子田間成苗率高，包衣材料中含有肥料、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等，減少后期人工投入成本；播前植保，如包衣種子外層的種肥能確保種子苗期必須的養(yǎng)料，其中殺蟲劑、殺菌劑對(duì)地下害蟲和苗期病害有很好的防治效果，同時(shí)包衣種子的推廣正符合我國(guó)不同地域自然資源環(huán)境條件差異帶來的抗逆性要求，由于種子包衣技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了農(nóng)藥施用量和施用次數(shù)，減少了環(huán)境污染，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5.2.3種子包衣技術(shù)的應(yīng)用將有效提高牧草種子的科技含量和附加值

相比于具有較高經(jīng)濟(jì)效益的蔬菜、花卉種子來說，草類種子經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低，由于成本的限制，企業(yè)對(duì)種子質(zhì)量的重視程度不高，隨著草牧業(yè)和草種業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)上需要大量?jī)?yōu)質(zhì)牧草種子，給種子包衣技術(shù)的研究創(chuàng)造了良好的發(fā)展環(huán)境，新材料、新技術(shù)的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，將大力提升草種業(yè)的科技含量和附加值，既滿足企業(yè)的利益需求，又給草牧業(yè)和草種業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)保障。