機(jī)械干燥對(duì)水稻種子質(zhì)量影響的研究進(jìn)展

馮春煒 王曉林 郭慶林 張琰 姚麗娜金茜雯 符致昊 黃玉韜 曹棟棟 朱葉峰*

（1 平湖市惠農(nóng)種業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 平湖 314200；2 平湖市農(nóng)民合作經(jīng)濟(jì)組織服務(wù)中心，浙江 平湖 314200；3 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所，杭州 310020；*通信作者）

水稻是我國(guó)重要的糧食作物，2022 年全國(guó)水稻種植面積達(dá)2 945.0 萬(wàn)hm2、總產(chǎn)量20 849.5 萬(wàn)t，總產(chǎn)量已連續(xù)12 年穩(wěn)定在2.0 億t 以上[1]。種子質(zhì)量是決定水稻產(chǎn)量的重要因素，主要包括品種質(zhì)量和播種質(zhì)量。品種質(zhì)量是指與遺傳特性有關(guān)的品質(zhì)，可用真實(shí)性和純度來(lái)反映[2]；播種質(zhì)量是指種子播種后與田間出苗有關(guān)的質(zhì)量，包括凈度、水分、種子健康、種子粒質(zhì)量、發(fā)芽力和活力等[3]。提高種子質(zhì)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的保障[4]。種子活力是決定種子在田間迅速整齊出苗及長(zhǎng)成正常幼苗潛在能力的總稱(chēng)，是種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。高活力種子具有明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)和生產(chǎn)潛力，對(duì)提高種子耐藏性和田間成苗率、抵抗苗期逆境（低溫、干旱、病蟲(chóng)草等）、節(jié)省播種費(fèi)用、增加作物產(chǎn)量都具有重要意義[5]。高活力種子是實(shí)現(xiàn)一播全苗、抵抗苗期低溫逆境、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、增加效益的重要保障。

新收獲的水稻種子水分都比較高，一般為20%～25%，尤其是在我國(guó)南方，有時(shí)甚至高達(dá)30%左右。高水分種子在貯藏過(guò)程中呼吸強(qiáng)度大，易生成大量的熱量與水分，從而導(dǎo)致種子質(zhì)量降低，嚴(yán)重影響用種安全。為保持水稻種子的質(zhì)量，便于后續(xù)對(duì)其安全貯藏、加工、清選與分級(jí)，必須降低水稻種子含水量至12%～14%較為適宜，達(dá)到安全貯藏的目的[6-7]。

近年來(lái)對(duì)水稻種子干燥研究取得一定進(jìn)展。相比傳統(tǒng)的自然干燥，機(jī)械干燥能夠較大程度滿(mǎn)足大批量種子干燥要求。本文綜述了機(jī)械干燥對(duì)水稻種子質(zhì)量的影響及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展，分析了水稻種子機(jī)械干燥的主要影響因素，并簡(jiǎn)要闡述了水稻種子機(jī)械干燥未來(lái)的研究方向，旨在為水稻種子生產(chǎn)過(guò)程中種子質(zhì)量控制提供指導(dǎo)。

1 機(jī)械干燥對(duì)水稻種子質(zhì)量的影響及其調(diào)控機(jī)制

1.1 機(jī)械干燥對(duì)水稻種子質(zhì)量的影響

溫度是種子機(jī)械干燥過(guò)程中影響其質(zhì)量的重要因素。較高的干燥溫度會(huì)縮短干燥時(shí)間，但也可能導(dǎo)致水稻種子穎殼開(kāi)裂，種子更容易受到害蟲(chóng)的侵蝕[8]。此外，高溫干燥可能會(huì)抑制種子胚乳的活性從而降低種子活力或使水分含量較高的種子受到熱損傷。MCDONALD和COPELAND[9]研究表明，水稻種子的干燥溫度不應(yīng)超過(guò)35 ℃。MADAMBA 和YABES[10]研究了35 ℃～55 ℃干燥溫度下水稻種子的發(fā)芽率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種子干燥后的發(fā)芽率隨著干燥溫度的降低而提高，且在35 ℃時(shí)達(dá)到最高值92%。不適當(dāng)?shù)母稍飾l件可能會(huì)導(dǎo)致種子質(zhì)量受損并遭受經(jīng)濟(jì)損失，眾多研究試圖探明生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子的最佳干燥條件。ZHOU 等[11]發(fā)現(xiàn)，種子干燥后，其內(nèi)部細(xì)胞代謝與酶活進(jìn)入不活躍狀態(tài)，但種子遇水吸脹后，內(nèi)部代謝重新激活，而種子活力的恢復(fù)程度主要取決于干燥過(guò)程中損傷的積累。種子干燥過(guò)程中種子呼吸速率隨著種子水分的減少而降低[12]。COPELAND 和MCDONALD[13]指出，種子對(duì)干燥溫度的敏感性受作物種類(lèi)、原始水分、干燥時(shí)間與干燥技術(shù)等因素的影響。

通常認(rèn)為，干燥過(guò)程會(huì)對(duì)種子質(zhì)量造成不利影響。然而，有研究發(fā)現(xiàn)，種子干燥對(duì)種子質(zhì)量具有潛在的促進(jìn)作用。GHALY 和SUTHERLAND[14]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的熱風(fēng)干燥能殺死種子內(nèi)的細(xì)菌與害蟲(chóng)，可以作為一種快速、安全、無(wú)殘留的種子消毒方法。UENO[15]指出，干燥可能會(huì)促進(jìn)未成熟種子的后熟過(guò)程，打破種子休眠，提高其發(fā)芽率。

1.2 活性氧積累與抗氧化酶系統(tǒng)

高溫脅迫引發(fā)植物體代謝失衡和產(chǎn)生大量活性氧（ROS），加劇細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用，從而影響生物膜及其他大分子結(jié)構(gòu)與功能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞受損和植株死亡[16]。丙二醛（MDA）是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會(huì)加劇膜的損傷。因此，MDA 含量能夠代表膜脂過(guò)氧化的程度，也可間接反映植物組織抗氧化能力的強(qiáng)弱[17]。NGUYEN 等[18]研究表明，高溫脅迫下，H2O2（過(guò)氧化氫）、O2·-（超氧自由基）和·OH（羥自由基）等活性氧及MDA 含量持續(xù)上升，且溫度越高，增幅越大。HUANG 等[19]研究表明，與35 ℃干燥溫度相比，41 ℃與47 ℃的高溫干燥，顯著提高了干燥過(guò)程中及干燥結(jié)束后水稻種子內(nèi)部H2O2、O2·-與MDA 含量。高溫干燥嚴(yán)重破壞了水稻種子內(nèi)ROS 系統(tǒng)的平衡，引起種子內(nèi)細(xì)胞膜的過(guò)氧化。KALEMBA 等[20]研究表明，在種子干燥與貯藏過(guò)程中，尤其在高溫高濕環(huán)境下，種子活力的喪失與H2O2和超氧陰離子的積累具有密切聯(lián)系。超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶可以清除超氧陰離子、活性氧、H2O2等傷害膜系統(tǒng)的有害物質(zhì)，從而對(duì)膜系統(tǒng)起到保護(hù)作用；植物組織內(nèi)SOD 負(fù)責(zé)催化O2·-歧化生成O2和H2O2，POD 催化由H2O2參與的各種還原劑的氧化反應(yīng)，CAT 負(fù)責(zé)催化H2O2分解成O2和H2O。HUANG 等[21]發(fā)現(xiàn)，水稻種子干燥過(guò)程中CAT、SOD 活性以及相關(guān)合成基因的表達(dá)量也隨著熱風(fēng)溫度的提高而激增，并推測(cè)顯著上調(diào)CAT、SOD 活性與相關(guān)基因表達(dá)量，可能是水稻種子響應(yīng)高溫脅迫下激增的ROS 含量的應(yīng)答性反應(yīng)。

1.3 植物激素代謝

脫落酸（ABA）是一類(lèi)調(diào)控種子萌發(fā)的植物激素，同時(shí)也在高溫逆境中起到重要調(diào)控作用[3,22]。一般而言，高濃度的ABA 含量會(huì)誘導(dǎo)種子休眠，抑制種子萌發(fā)；而高溫脅迫下提高ABA 含量可以放大ABA 信號(hào)傳導(dǎo)，并誘導(dǎo)下游高溫響應(yīng)基因的表達(dá)，從而提高植物對(duì)高溫的抗性[23-25]。但也有研究表明，環(huán)境脅迫下相對(duì)較低濃度的ABA 含量有利于提高水稻的脅迫抗性[26-27]。NCED（9-順式環(huán)氧類(lèi)胡蘿卜素雙加氧酶）、AAO（醛氧化酶）、ZEP（玉米黃質(zhì)環(huán)氧化酶）是ABA 代謝過(guò)程中主要的合成酶，而ABA8ox 是主要的分解酶[25]。機(jī)械干燥過(guò)程中種子內(nèi)源ABA 含量隨著熱風(fēng)溫度的提高而顯著增加，這可能與高溫干燥種子內(nèi)部顯著提高的NCED 與ZEP 活性密切相關(guān)[28]。此外，種子干燥對(duì)ABA代謝的影響還持續(xù)到了種子萌發(fā)初期[21]。王豐等[29]研究表明，高溫處理降低水稻灌漿后期籽粒中IAA（吲哚乙酸）、ZR（玉米素核苷）、GA3（赤霉素）的含量，并明顯增加ABA 含量。GA 是另一類(lèi)調(diào)控水稻種子萌發(fā)的重要植物激素，能打破種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，使種子在適宜的環(huán)境和合適的時(shí)間萌發(fā)，并為隨后的幼苗生長(zhǎng)作準(zhǔn)備[3,23,30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，高溫干燥通過(guò)降低GA 合成酶（GA20ox）活性，提高GA 分解酶（GA2ox）活性，進(jìn)而抑制水稻種子內(nèi)GA 含量的積累。另一方面，在水稻種子萌發(fā)過(guò)程中，高溫干燥的種子中GA 含量要顯著低于低溫干燥[21]。以上研究表明，高溫干燥可能在轉(zhuǎn)錄與酶活水平調(diào)控干燥與萌發(fā)過(guò)程中水稻種子內(nèi)源ABA與GA 的代謝過(guò)程，從而進(jìn)一步影響水稻種子活力。

1.4 淀粉代謝

淀粉降解產(chǎn)物是種子萌發(fā)的主要物質(zhì)和能量來(lái)源[32]。淀粉降解有水解和磷酸解兩種途徑，90%的淀粉水解成葡萄糖是由淀粉水解酶所催化[33]。在玉米和水稻發(fā)芽過(guò)程中，α-淀粉酶在淀粉水解中起關(guān)鍵作用[34]。WANG 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，高溫高濕處理顯著降低大麥種子萌發(fā)早期α-淀粉酶與β-淀粉酶活性, 抑制淀粉水解代謝過(guò)程并對(duì)大麥種子萌發(fā)過(guò)程造成不利影響。HUANG 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，高溫干燥通過(guò)降低OsAmy1 與OsAmy3 的表達(dá)量，顯著抑制水稻種子萌發(fā)過(guò)程中α-淀粉酶的活性，而對(duì)β-淀粉酶活性沒(méi)有顯著影響，推測(cè)α-淀粉酶的代謝可能與高溫干燥對(duì)水稻種子活力的調(diào)控作用密切相關(guān)。

2 種子機(jī)械干燥的影響因素

谷物機(jī)械干燥是一個(gè)非線(xiàn)性過(guò)程，受到谷物特性（如原始水分、水稻類(lèi)型、種子凈度等）、干燥溫度、環(huán)境因素與機(jī)械操作等一系列因素影響[36]。因此，很難建立谷物干燥控制的精確數(shù)學(xué)模型[37]。已有的數(shù)學(xué)模型，也因其結(jié)果的復(fù)雜性而無(wú)法在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用[38-39]。BYLER[40]構(gòu)建了一個(gè)基于微處理器的控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控機(jī)械干燥過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置。

2.1 熱風(fēng)溫度

熱風(fēng)溫度是影響種子干燥質(zhì)量的主要因素。在種子機(jī)械干燥過(guò)程中，熱風(fēng)溫度對(duì)種子溫度、種子干燥時(shí)間、干燥速率和發(fā)芽損失率有著重要的調(diào)控作用。水稻種子溫度經(jīng)過(guò)一段預(yù)熱升溫時(shí)間后，達(dá)到某一值便不會(huì)隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，總在某一值上波動(dòng)，且波動(dòng)幅度很小[41]。一般情況下，干燥熱風(fēng)溫度高，種子溫度也高。因此可用調(diào)整熱風(fēng)溫度的方法來(lái)控制種子溫度。MCDONALD 和COPELAND[9]建議水稻種子安全干燥的熱風(fēng)溫度不宜超過(guò)43 ℃。SOPONRONNARIT[42]研究表明，水稻、小麥等多種作物種子在低于43 ℃熱風(fēng)溫度下干燥能保持較高的種子活力。JITTANIT[43]指出，玉米與水稻的上限干燥溫度為40 ℃，而小麥的上限干燥溫度為60 ℃。HASAN 等[6]研究表明，熱風(fēng)溫度與水稻種子發(fā)芽率呈指數(shù)模型，決定系數(shù)達(dá)0.9676。在相同種子原始水分下，種子干燥速率與發(fā)芽損失率隨著熱風(fēng)溫度的提高而增加。干燥時(shí)間與熱風(fēng)溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性關(guān)系，可用回歸方程M=at+b 來(lái)描述。因此，建議種子企業(yè)使用35 ℃～45 ℃的熱風(fēng)溫度機(jī)械干燥水稻種子。

2.2 種子原始水分

在機(jī)械干燥過(guò)程中，種子含水率的下降過(guò)程與種子原始含水量有著密切聯(lián)系。中低水分水稻種子含水率隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而平穩(wěn)降低，呈減速趨勢(shì)。高水分水稻種子在干燥前一段時(shí)間降水速率較大，呈等速趨勢(shì)，含水量降至一定值后，降水又呈減速趨勢(shì)[44]。種子初始含水量同時(shí)顯著影響著種子干燥后發(fā)芽率。種子初始含水量越高，如遇不適宜烘干溫度，則發(fā)芽率下降越大。研究表明，干燥初始含水量高的水稻種子時(shí)，應(yīng)將初始干燥溫度設(shè)定低一點(diǎn)，等種子干燥一段時(shí)間含水量降到一定程度后，再提高熱風(fēng)溫度。高原始水分水稻種子的干燥一直是機(jī)械干燥的一個(gè)難題。高原始水分水稻種子在較高烘干溫度或較快干燥速率條件下，易造成種子質(zhì)量下降[45]。降水速率是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，它與稻谷含水率、緩蘇烘干比值大小和介質(zhì)溫度有關(guān)[46-47]。劉啟覺(jué)[48]研究表明，對(duì)于高水分水稻種子，采用變溫干燥工藝比恒低溫干燥工藝更能提高降水速率，縮短烘干時(shí)間。當(dāng)水分高于21.0%時(shí)，水稻種子表層的自由水分較多，應(yīng)降低介質(zhì)溫度和降水速率。當(dāng)水分高于21.0%時(shí)，每1.0 h 的降水率可大于1.0%；當(dāng)水分低于18.0%時(shí)，每1.0 h 的降水率應(yīng)控制在0.8% 以?xún)?nèi)。在稻谷烘干技術(shù)中，緩蘇工藝非常重要。楊建春等[49]研究表明，一般稻種水分含量在18.0%以下時(shí)可以直接在48 ℃條件下烘干；水分高于18.0%時(shí)，采取二段烘干法，即先用40 ℃～43 ℃起烘，等水分降至18.0%時(shí)，再升溫至48 ℃烘干。用金子通用型谷物干燥機(jī)干燥水稻種子時(shí)，高（＞25%）、中（20%～25%）、低（＜20%）原始水分水稻種子適宜的干燥溫度分別為35 ℃、40 ℃與45 ℃[50]。因此，在水稻種子機(jī)械干燥過(guò)程中，宜根據(jù)水稻種子水分的變化調(diào)整熱風(fēng)溫度，高水分種子宜使用兩段烘干法或多段烘干法。

2.3 種子收獲質(zhì)量

水稻未在適合的收獲期收獲，或收獲時(shí)遇連續(xù)陰雨天氣，易造成收獲后種子水分含量過(guò)高，在機(jī)械干燥過(guò)程中降水幅度大，干燥時(shí)間長(zhǎng)，造成種子活力的損失[51-52]。水稻種子機(jī)械干燥對(duì)種子凈度也有一定要求。種子收獲后混有雜草、長(zhǎng)莖稈、麻袋繩、聚乙烯膜等異物，機(jī)械干燥過(guò)程中易造成種子受熱不均，局部溫度過(guò)高，影響種子質(zhì)量[53]。同時(shí)，雜物也易堵塞風(fēng)道等重要部位，影響烘干機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)加重烘干設(shè)備內(nèi)部清理的難度，也容易損壞烘干機(jī)械設(shè)備[54]。因此，要保證水稻種子收獲時(shí)的水分與凈度要求。

2.4 機(jī)械干燥環(huán)境因素

水稻機(jī)械干燥時(shí)周?chē)h(huán)境溫、濕度等環(huán)境條件往往被忽視，但有研究表明，環(huán)境條件對(duì)種子機(jī)械烘干也存在影響。環(huán)境溫度和濕度愈低，則種子平衡水分愈低。降低空氣相對(duì)濕度，既能提高種子干燥速度，又能大量降低種子水分[13]。并且，空氣相對(duì)濕度又決定種子干燥后的最終含水量。種子內(nèi)部水分能否向外擴(kuò)散及擴(kuò)散速度的快慢，決定于氣壓與種子內(nèi)水汽壓的比值。如能將水分較高的種子所處的環(huán)境造成負(fù)壓，種子內(nèi)部的水分會(huì)較快擴(kuò)散出去[55]。因此，在水稻種子機(jī)械干燥的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)環(huán)境的溫度與濕度情況，針對(duì)性調(diào)整烘干參數(shù)的設(shè)置。

2.5 設(shè)備維護(hù)與操作人員素質(zhì)

機(jī)械干燥設(shè)備維護(hù)不到位，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障，是導(dǎo)致干燥事故發(fā)生的重要原因。大部分種子企業(yè)未配備專(zhuān)職或?qū)I(yè)烘干設(shè)備維護(hù)人員，沒(méi)有做好干燥設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)工作。在機(jī)械干燥設(shè)備的維護(hù)上，維護(hù)人員應(yīng)對(duì)電源線(xiàn)、線(xiàn)路板和檢測(cè)器等關(guān)鍵部位進(jìn)行定期檢查，減少安全問(wèn)題發(fā)生。相比于稻谷機(jī)械干燥，水稻種子機(jī)械干燥的烘干溫度較低，需要較長(zhǎng)的干燥時(shí)間（24～48 h）。在水稻種子機(jī)械干燥的全時(shí)間段里，部分種子企業(yè)未配備操作人員全程監(jiān)視，或操作人員疏忽未及時(shí)發(fā)現(xiàn)如停電、機(jī)械故障、控溫不準(zhǔn)等問(wèn)題，導(dǎo)致水稻種子質(zhì)量受損。

3 展望

綜上所述，種子干燥是水稻種子制繁種過(guò)程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，最佳的機(jī)械干燥參數(shù)設(shè)置對(duì)高質(zhì)量水稻種子生產(chǎn)具有重要意義。熱風(fēng)溫度、收獲種子質(zhì)量、種子水分、環(huán)境溫濕度、設(shè)備維護(hù)與操作人員素質(zhì)等因素都是影響機(jī)械干燥過(guò)程中調(diào)控種子質(zhì)量的重要因素。活性氧平衡與抗氧化系統(tǒng)、GA/ABA 平衡、淀粉分解與能量供應(yīng)等方面，是種子干燥影響水稻種子萌發(fā)的重要調(diào)控路徑。進(jìn)一步研究水稻種子適宜的干燥參數(shù)以及機(jī)械干燥對(duì)水稻種子質(zhì)量調(diào)控機(jī)制，對(duì)水稻種子機(jī)械干燥實(shí)踐具有重要的理論與指導(dǎo)意義。

未來(lái)在機(jī)械干燥技術(shù)研究上可以對(duì)以下幾個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)一步探索：種子機(jī)械干燥過(guò)程中種子水分、熱風(fēng)溫度、環(huán)境溫濕度、種子溫度等因素的互作效應(yīng)，建立準(zhǔn)確的種子機(jī)械干燥的預(yù)測(cè)模型；不同類(lèi)型和原始水分的種子在機(jī)械干燥過(guò)程中允許的熱風(fēng)溫度、受熱溫度與干燥速率；深入解析熱風(fēng)溫度或種子受熱溫度調(diào)控種子質(zhì)量的分子機(jī)制，如在代謝組、蛋白組與轉(zhuǎn)錄組等水平上水稻種子對(duì)機(jī)械干燥過(guò)程的響應(yīng)；進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械設(shè)備構(gòu)造，提高機(jī)械干燥設(shè)備的性能，研制出國(guó)產(chǎn)的先進(jìn)種子專(zhuān)業(yè)智能機(jī)械干燥設(shè)備。