作物种子等离子体激活装备关键技术及示范应用研究

张 波， 王 良， 邵汉良， 赵 培

(1.常州机电职业技术学院， 江苏 常州 213164； 2.上海交通大学， 上海 200240；3.常州中科常泰等离子体技术有限公司， 江苏 常州 213032；4.中国科学院上海技术物理研究所， 上海 200083)

1 种子激活处理技术

1.1 等离子种子处理技术

等离子体放电产生真空紫外实现种子激活处理受到了广泛关注[1-3]，作物种子等离子体激活技术是在农作物播种前对种子进行等离子体处理，使农作物得到改良、显著增产的高新技术，等离子技术作为一项崭露头角的农业高新技术，已应用于各技术领域，发展迅猛[4-8]。等离子体是一种高能量的聚集态，等离子体放电主要包括辉光放电和电弧放电等。等离子体辉光放电产生的真空紫外对种子进行作用，激活种子的活力，有助于提高种子的抗旱、抗寒性，提高作物的产量[9-13]。

1.2 传统的种子处理技术

传统处理技术主要利用不同光源产生光辐照(紫光等)起到杀菌等作用来提高其性能，但也存在效果不明显，重复性不好等问题，同时由于其人工辅助操作，不能连续化生产、生产效率低等问题限制了传统种子处理技术的发展与应用。转基因技术通过将基因结构打破再重构，具有一定的争议性。

1.3 等离子体种子处理技术改进与技术路线

农垦类作物种子等离子体激活作为国际上新发展的农业新技术[14-16]，在前期放电技术改进的基础上，充分利用等离子体放电产生真空紫外实现种子处理，提高播种质量，有效增强作物抗逆性与生长活力，对辉光放电区和传输区进行优化，同时实现种子的在线连续化生产，满足了智能制造新要求，为提高农业生产水平开辟了一条新途径，具有良好的发展潜力和市场前景。

农垦类作物种子等离子体激活整体技术研究路线如图2和图3所示，这对具体研究实现路径具有现实和指导意义。

2 等离子体种子处理生产工艺

供试作物种子主要包括水稻、小麦等粮食作物，黄瓜等蔬菜作物，大豆等经济作物，筛选过的种子干燥备用。典型处理工艺，以小麦作物种子为例，将小麦种子放入自动上料机构，振动装置去除粉尘等细小杂质，种子随后进入真空容器，真空容器的本底真空1～5 Pa，以去除真空容器内的水分和空气等，通过气瓶向真空容器充入混合气体(空气与氦气体积比10∶1～5∶1)，使工作真空保持在25～60 Pa之间，种子在真空容器内的处理时间为20～60 s，通过调节亚麻传送带的速度调节处理时间，调节不同电源功率进行种子处理。真空放电处理后的作物种子进入下料容器，通过下料容器与真空容器的隔绝和开启下出料口等联动配合，将处理后作物种子传输到输送机构，可实现整个生产过程连续化。

采用等离子体放电技术对萌发前的种子进行处理，激活了种子的生命力，使可溶性糖、蛋白和酶等物质活性增强，作用于种子发芽到成熟的周期。研制等离子体种子处理设备，通过等离子体作用于种子，激发种子活力，提高播种质量，而且能够有效增强作物抗旱、抗寒等抗逆性，促进作物生长，增加作物产量，图4～图7列出了本项目团队近年来相关作物种子等离子体处理前后的对比试验(以等离子体处理电源功率为变量)。

3 等离子体种子激活装备放电关键技术

国内常规的低温等离子体种子处理系统，基于一定的真空度，开启电源激励源产生辉光放电，但存在产生涡流和磁短路等现象，影响了处理重复性和生产效率。从俄罗斯引进的等离子体种子处理系统，主要采用射频源连接平行的电极板产生辉光放电，但电极板和真空内壁也产生放电，无法产生集中的辉光放电区，设备的工艺重复性差，不能保证每次种子处理均能达到预期效果。等离子体放电电源的原则是使活性粒子在电场作用下尽可能获得更多的能量，进行能量交换，尤其是发生非弹性碰撞。本项目组在低气压等离子体辉光放电中使用射频电源(频率13.56 MHz)，在等离子体系统中利用悬浮电极和屏蔽电场两项技术，达到等离子体辉光放电的预定效果。

等离子体放电真空容器由内置传动带的真空室、罗茨真空泵四路泵组和进气系统组成。工作真空室为直径360 mm，长1 200 mm的长管状容器，主要包括一对放电电极、传动装置及亚麻传送带。放电电极，采用电容式放电结构，沿长管状真空容器方向平行排列，电极之间的距离为50 mm，电极宽度尺寸都为300 mm，电极材料为304不锈钢，上、下电极板的外围设置一悬浮的金属铜板作为屏蔽罩以实现屏蔽电场，放电电极作为悬浮电极，采用聚四氟乙稀隔绝与容器外壳的连接。放电采用电容式耦合辉光放电，外电极放电形式，常规的冷等离子体功率如直流、低频和微波都有放电弱、分布不均匀及高功率消耗等缺点，采用射频辉光放电，频率为13.56 MHz，输出功率50～1 000 W连续可调。辉光放电集中在上下两极板之间，传送带处于两极板之间，由电机驱动向前运转。由于传送带的传动过程中，需要经过上下两极板之间，所以传送带必须是绝缘材质，选用亚麻材料制作传送带。

4 种子等离子体激活自动化生产平台

为了应对规模化生产需要，在原有设备的基础上进行功能性改型，创建自动化生产线，基于产品全生命周期，开发数字化工厂(DF),进行规划厂区、预估产能、工艺规划等工作，等离子种子处理生产数字化平台的构建、全自动生产将是智造发展趋势。综合使用工业机器人系统集成，选用了ABB公司的IRB 1400型，数字化自动生产线采用U型设计，成套设备的一次生产周期为2 min，每条流水线在8 h内的处理产能可达960 kg，2 000 m2的厂房，可布置60条自动生产线，满足智能制造的需求。

农垦类作物种子等离子体激活工艺生产线，包括等离子体放电真空容器、自动上料机构、自动下料机构、输送机构和电控柜等。等离子体放电真空容器采用电容式放电电极结构，上、下电极板的外围设置金属铜屏蔽罩，自动上料机构包含了去除作物种子杂质振动装置，作物种子进入上料容器后，通过作物种子振动除杂质后，作物种子进入真空容器电极，进行等离子体处理，处理后的作物种子进入下料容器，通过自动下料机构，将作物种子传输到输送机构，输送轨道之间设有机械手，通过机械手将处理后的作物种子包装装箱。工艺生产线外设用于控制生产线运转的电控柜。本生产线适用于小麦等作物种子的等离子体处理工艺，处理结果重复性好，生产实现自动化控制，无须人工干预，减少劳动强度，缩短加工周期，提高生产效率。

5 示范基地试验研究

具有完善的激活处理实验室培育条件和成熟的大田种植基地，在常州市新北区稻麦原种场(常州市新北区稻麦新品示范试验基地)、张家港市农业机械技术推广站(张家港市乐余镇永乐村示范基地)和江苏射阳新洋农场等建有示范基地。

项目组织相关专家在江苏射阳新洋农场进行了现场测产，等离子体小麦种子处理大田应用示范“100万亩”(6.7万hm2)，进行随机测产对照，分别在处理与对照块随机机械收割3个样方，样方约“2亩”(1 330 m2)，实测结果如表1所示。

表1 宁麦13现场测产及对照Tab.1 Production determination of Ningmai 13 and control

在常州市农业委员会的指导下，基于常州市新北区稻麦新品种示范试验基地，进行了麦类作物(品种：扬麦16号)处理前后的田间对比种植，田间试验和示范结果表明：

1) 麦类作物种子经等离子体处理后可以提高其发芽率，长势更好，增加了株高和茎的茁壮程度，促进小麦的分蘖，效果显著。

2) 等离子体处理使小麦的抗倒伏性增强，有效穗数、穗粒数显著增加，密度有所增长，作物根系发达，长势旺盛。通过可靠、有效的现场测产方法，测产结果显示增产明显，同品种对照可增产7.84%。

示范基地测产被新华日报、网易、新浪等20多家主流媒体报导，中央七台记者拍摄了等离子体处理作物的大田试验生长对比实况后，专程拍摄种子处理操作全过程，并在中央七台《农广天地》播出。

6 结论与讨论

等离子技术应用关键在于放电电极设计和放电粒子的集中束缚程度，这也是评价等离子体技术的唯一评价，装备电极材料为304不锈钢，上、下电极板的外围设置一块悬浮的金属铜板作为屏蔽罩以实现屏蔽电场，放电电极作为悬浮电极，采用聚四氟乙稀隔绝与容器外壳的连接。在真空容器采用圆柱体，极板采用电容式结构的基础上，对极板材料、隔绝材料进行优化选取，同时采用了屏蔽电场和悬浮电极技术，使放电粒子更加集中束缚在有效区域，处理种子更加有效，这是等离子体放电的技术核心。

近年的种子处理实践表明，等离子体作物种子处理工艺及附属机构对于处理效果有显著影响，所以在处理系统中加入了去除作物种子杂质振动装置。由于在连续化生产过程中作物种子杂质易进入真空容器，对于放电及真空系统产生系列影响，进而影响到处理效果，这在实验室应用阶段不明显，但在连续化生产过程中已成为影响的重要因素，因此，在自动化生产线中附加了去除作物种子杂质振动装置，能够有效地避免杂质对设备及处理效果的影响，目前国内外未见相关报道。

除了装置的核心内容和技术以外，在种子处理过程中，工艺往往起着决定性的作用。所述的处理工艺，如本底真空度、工作真空度和气体种类都为工艺的技术关键。在去除作物种子杂质振动装置的条件下，可以确保本底真空1～5 Pa，在国内首次提出了空气与氦气混合气体作为工作气体，并试验确定了最佳的体积比区间。而传送带材质也对处理效果有直接的影响，从而确定了亚麻作为最佳传送带。

等离子体作物种子处理目前在全球范围内都只是停留在室验室小型的实验性研究等阶段，还没有与等离子体相关的作物种子处理技术的工艺生产线，种子处理市场上急需一种能满足农业应用的设备及其工艺生产线以实现工业化要求。开展了示范基地应用，生产线不仅实现了批量生产，而且通过去除作物种子杂质振动装置和工艺等优化解决了批量生产的系列问题，工艺生产线处理结果重复性好、结构合理、稳定性好、操作简单、生产效率高。同时，未能在文献中查询到等离子体种子处理生产线的经验可参考，等离子体作物种子处理生产线及其生产工艺为智能制造提供了很好的参考。

处理效果显著，处理种子速度明显提高，可以达到80～120 kg·h-1，优化后种子的酶活性提高了50%，发芽率可以提高15%，麦类作物经过等离子体技术的处理可以增产5%左右，在最后的收获期可以提前5～10 d。

7 总 结

等离子体作物种子激活农业装备、处理生产线及其生产工艺，利用等离子体辉光放电产生真空紫外，激活种子的活力，提高种子抗逆性，可以实现作物种子产量和品质的提高，其工艺生产线可连续化对小麦等作物种子进行等离子体处理，处理结果重复性好、稳定性好，生产实现自动化控制，无须人工干预，减少劳动强度，提高生产效率。作物种子等离子体激活作为一项革命性的农业绿色处理新技术，值得深入和系统研究。