高丹草种子丸粒化配方的筛选

杨明欣，张 艺，韩立朴

(1.河北科技大学，河北 石家庄 050018； 2.中国科学院 遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心，河北 石家庄 050022)

种子处理是农业生产中的一个重要环节，种子丸粒化加工已经成为现代农业种子处理研究的一个热点[1]。丸粒化处理不仅可以减少种子由于贮藏、播种、生长而造成的种子活力下降[2]，促进幼苗生长发育[3]，还可以提高作物抵抗逆境胁迫的能力。研究表明，将丸粒化技术应用到芝麻[4]、烟草[5]、柠条[6]等经济作物上可以显著简化播种流程，提高播种效率，降低经济成本，增加产量和收益。目前，关于丸粒化技术的研究主要分为两方面，一方面是围绕以丸粒化制剂配比开展研究，针对不同作物对区域土壤、环境气候、病虫害及栽培技术等的响应特点，研究并获得专用配方。崔红艳等[7]通过调整丸粒化制剂的种类和比例，解决了胡麻种子出苗率低、播种质量差等问题。魏卫东等[8]发现，添加不同浓度的外源激素于丸粒化制剂中，可以显著提高披碱草种子活力，改善幼苗生长情况。刘瑞凤等[9]对花棒种子丸粒化制剂的原料配比及其崩解时间进行研究，有效解决了花棒种子破损与发芽的矛盾。黄华等[10]发现，将海藻土作为桔梗种子丸粒化填充剂时，可以显著提高桔梗种子活力和苗素质。高家明等[11]研究发现，玉米种衣剂对玉米生长前中期的病虫害有较好防治效果。近期研究表明，丸粒化技术在高粱[12]、蔬菜[13]、油料作物[14]等领域都得到了广泛应用且获得了较好的效果。另一方面是针对丸粒化技术的工艺及设备进行研究，通过优化丸粒化包衣机除尘系统[15]及滚筒的工作参数，探究种子丸粒化规律及运动特性[16]，可以有效提高丸粒化包衣合格率和包衣质量。

高丹草是高粱与苏丹草杂交而成的优良禾本科牧草[17]，国外早已在生产上应用。高丹草作为一种产量高、品质好、再生力强[18]，且具有较强的抗旱、耐盐碱能力的牧草，既可鲜饲又适宜青贮,可以用来饲养牛、羊、兔、鹅、鱼等[19]，同时也能改良土壤[20]。因此，高丹草不仅是发展畜牧业的首选牧草品种之一，还对环境修复具有重要的作用，是一种重要的牧草兼退化生态修复植物[21]。将高丹草种子丸粒化不仅能实现精量播种，还能增加高丹草的耐胁迫出苗能力，对降低生产成本和提高出苗率、增加植株产量具有重要意义。目前，丸粒化技术在牧草[22-29]上虽然得到了广泛的应用，但在国内针对高丹草的专用丸粒化制剂及配方还没有研究。为此，以高丹草种子为试验材料进行丸粒化配方筛选，分析不同物料对丸粒化种子萌发的影响，根据丸粒化种子的物理性状、萌发能力和幼苗生长情况筛选出最优丸粒化配方，以提高高丹草种子萌发率，促进幼苗生长。

1 材料和方法

1.1 试验材料

高丹草种子由江西新余市硕农农业有限公司提供，纯净度≥96%，含水量≤8%。黏着剂为经济环保的羧甲基纤维素钠，质量浓度为20 g/L，由任丘市硕达化工有限公司提供。保水剂为吸水树脂，由广州源亿有限公司生产。填充剂为花生壳粉(中秀农业科技有限公司生产)和凹凸棒土(河北丹煦矿产品贸易有限公司生产)。试验仪器为荸荠式小型种子丸化机BY-400。

1.2 试验设计

采用混料试验设计，共21个配方，3种物料按照表1的比例进行配置。挑选外表饱满、大小均匀的高丹草种子，去除杂质，称取200 g倒入荸荠式小型种子丸化机BY-400中，转速为35 r/min，加入配制好的黏着剂，使其充分、均匀附着在种子表面，且种子间互不粘连；将500 g物料平均分成5批均匀撒入荸荠式小型种子丸化机内，使其均匀包裹在每粒种子上，空转5 min，增加丸粒化种子表面强度和紧实度；待所有丸粒化种子大小均匀、厚度合适、外表光滑后，再喷入少量黏着剂空转，通风加热，烘干抛光。

表1 高丹草种子丸粒化配方Tab.1 Pelletization formulas of sorghum-sudangrass hybrid seed %

1.3 测定项目及方法

1.3.1 丸粒化种子物理性状 成粒率：在不同配方中分别随机取100粒丸粒化种子，每个配方做3个重复，计算被丸粒化制剂完整包裹的种子数所占总丸粒化种子数的百分比。

抗压强度：取1粒种子，通过推拉力计检测丸粒化种子发生形变及碎裂所需的最大力，重复10次取均值。

吸水率：取外观良好的丸粒化种子30 g，置于网筛中，将网筛放置水中1 min后取出，滤干，称质量，计算吸水率，重复3次取均值。

崩解能力：取100粒大小均匀的丸粒化种子，置于湿滤纸上，均匀喷洒10 mL水，观察记录5 min内崩裂的种子数占总种子数的百分比，重复3次取均值。

1.3.2 丸粒化种子萌发指标 取直径为12 mm的培养皿，采用培养皿纸上发芽法进行发芽试验[13]，每个培养皿100粒种子，重复4次，每天12 h光照，以种子着床当日(2019年8月15日)为第1天,每天观察并记录发芽数[以裸种为对照(CK)]，计算发芽率、发芽势、发芽指数。

发芽率=前7 d 正常发芽种子数/供试种子数；

发芽势=前3 d 正常发芽种子数/供试种子数；

发芽指数=∑(Gt/Dt)[30]，式中：Gt为在t日的正常发芽数；Dt为相应发芽日数。

1.3.3 幼苗生长性状 随机选择外观良好的丸粒化种子50粒，播入长35 cm、宽15 cm、高8 cm的盛有等质量土壤的塑料盆内，每个配方设4个重复，完全随机排列。播种后观察记录各配方每日的出苗数、株高、最大叶长(取顶部完全展开叶)、叶面积(取顶部完全展开叶)等指标[以裸种为对照(CK)]，共调查 28 d，调查结束后，随机取20株幼苗，取地上部分用自来水洗净，擦干，分别用千分之一的电子天平称单株的鲜质量，然后放置烘箱105 ℃杀青30 min，再将温度降至75 ℃烘干至恒质量，称取单株的干质量。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 24.0、Excel 2003进行数据整理及方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，用Origin 2018进行作图。

Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

2 结果与分析

2.1 不同丸粒化配方对高丹草丸粒化种子物理性状的影响

各种丸粒化配方均能使高丹草种子成丸，但不同丸粒化配方丸粒化种子的成粒率不同(表2)，其中，配方4成粒率最高，配方5、6、9、12的成粒率相对较高，与配方4无显著差异；配方1、2、11成粒率不足60%，均与配方4差异显著。不同丸粒化配方丸粒化种子的抗压强度不同，其中，抗压强度最高的是配方8；配方4、18的抗压强度相对较高，二者之间无显著差异，但均与配方8具有差异显著；配方1的丸粒化种子抗压强度最低，与其他配方间的差异显著。不同丸粒化配方种子的吸水率不同，吸水率最高的是配方3，配方7、8、17、21的吸水量也高于自身质量，均与配方3具有显著差异，配方6、9、12的吸水率较低。不同丸粒化配方种子的崩解能力明显不同，配方17崩解能力最高，其次是配方1、21、8，崩解能力最低的为配方12。

2.2 不同丸粒化配方对高丹草种子萌发的影响

本研究中由于21种丸粒化配方的高丹草种子采用了分批制作—分批储存—同批测定的流程方法，导致丸粒化种子储存时间间隔及环境不一致，配方1、5、6、7、9、11、12、13、14、15、16、17、18、19的高丹草种子在萌发能力、幼苗生长试验中并未正常发芽。因此,本研究所涉及的种子萌发能力和幼苗生长情况选用配方2—4、8、10、20—21。

表2 不同丸粒化配方对高丹草丸粒化种子物理性状的影响Tab.2 Effect of different pelletization formulas on the physical properties of pelletized seed of sorghum-sudangrass hybrid

由图1可知，高丹草丸粒化种子发芽率最高的是配方4，为51.00%；其次为配方2，为37.75%，两者之间存在显著差异，但二者均与CK(49.00%)无显著差异；其余5个丸粒化配方的种子发芽率(13.33%～30.66%)均显著低于CK，其中配方2和配方4是其他5个丸粒化配方的1.23～2.83倍和1.66～3.83倍。

不同小写字母表示不同配方间的差异达到显著(P<0.05)水平,下同

由图2可知，高丹草丸粒化种子发芽势以配方4(38.33%)最高，显著高于CK(26.50%)，是CK的1.45倍；其次为配方2(28.25%)，与CK无显著差异；配方3、8、20、21均显著低于CK和配方4、2，其中配方3发芽势最低，为8.33%。

图2 不同丸粒化配方对高丹草丸粒化种子发芽势的影响 Fig.2 Effects of different pelletization formulas on the germination energy of pelletized seeds of sorghum-sudangrass hybrid

由图3可知，配方4高丹草丸粒化种子的发芽指数(12.77)最高，显著高于CK(8.33)，是CK的1.53倍；配方2次之，为9.41，与CK无显著差异；配方3、8、20、21均显著低于CK和配方4、2，其中配方3的发芽指数最低，为2.77。

图3 不同丸粒化配方对高丹草丸粒化种子发芽指数的影响 Fig.3 Effects of different pelletization formulas on the germination index of pelletized seeds of sorghum-sudangrass hybrid

由图4可知，第1～5天，CK种子累计发芽率分别为0、10.00%、19.25%、20.25%、41.00%；配方4丸粒化种子累计发芽率分别为0、20.25%、37.00%、42.25%、45.50%，第2～5天累计发芽率始终高于CK，呈现出较强的萌发能力；配方2丸粒化种子的累计发芽率分别为0、9.50%、28.50%、35.75%、35.75%，累计发芽率在第2～4天时高于CK，在第5天时发芽趋势趋于缓慢，不再增长；其余配方发芽趋势均落后于CK。

图4 不同丸粒化配方对高丹草丸粒化种子发芽进程的影响Fig.4 Effects of different pelletization formulas on the germination process of pelletized seeds of sorghum-sudangrass hybrid

2.3 不同丸粒化配方对高丹草幼苗生长的影响

图5 不同丸粒化配方对高丹草出苗率的影响 Fig.5 Effects of different pelletization formulas on the emergence rate of sorghum-sudangrass hybrid

由图6可知，7个丸粒化配方高丹草幼苗株高均较CK(15.60 cm)提高，提高幅度为18.59%～64.10%。其中，配方3株高(25.60 cm)最高，与CK存在显著差异；配方2、10较高，均显著高于CK；配方8株高(18.50 cm)最低，与CK无显著差异。

图6 不同丸粒化配方对高丹草幼苗株高的影响Fig.6 Effects of different pelletization formulas on the plant height of sorghum-sudangrass hybrid seedlings

由图7可知，7个丸粒化配方高丹草幼苗叶面积均较CK提高，其中，配方4的叶面积(9.53 cm2)最大，比CK(4.34 cm2)显著增加119.59%；配方2、3、20、21的叶面积分别比CK显著增加95.00%、66.00%、57.00%、47.00%；配方8(5.06 cm2)、配方10(5.10 cm2)与CK无显著差异。

图7 不同丸粒化配方对高丹草幼苗叶面积的影响 Fig.7 Effects of different pelletization formulas on the leaf area of sorghum-sudangrass hybrid seedlings

由图8可知，7个丸粒化配方高丹草幼苗最大叶长均较CK(15.33 cm)提高，其中，配方2的最大叶长(22.10 cm)最大，较CK显著提高了44.16%；配方3、4、8、10、20的最大叶长分别比CK显著增加了30.00%、39.00%、29.00%、25.00%、21.00%；最大叶长最小的是配方21(17.33 cm)，与CK无显著差异。

图8 不同丸粒化配方对高丹草幼苗最大叶长的影响Fig.8 Effects of different pelletization formulas on the maximum leaf length of sorghum-sudangrass hybrid seedlings

由图9可知，高丹草幼苗地上部鲜质量最高的为配方4(0.156 g)，较CK(0.114 g)显著提高了36.84%；配方2(0.126 g)、3(0.126 g)、8(0.119 g)、10(0.121 g)的幼苗鲜质量较CK提高了4.39%～10.53%，但差异不显著；鲜质量最小的为配方21(0.098 g)，与CK无显著差异。

图9 不同丸粒化配方对高丹草幼苗地上部鲜质量的影响 Fig.9 Effects of different pelletization formulas on the aboveground fresh weight of sorghum-sudangrass hybrid seedlings

由图10可知，除配方20和配方21外，其余5个丸粒化配方的幼苗干质量均高于CK(14.97 mg),其中，最高的是配方4(19.71 mg)；其次是配方2(18.26 mg),二者间差异不显著，但分别较CK显著提高了31.66%、21.98%；配方3、配方8、配方10与CK无显著差异，丸粒化配方间也无显著差异；配方20(14.12 mg)、21(13.83 mg)的幼苗干质量相对较低，与CK间不存在显著差异。

图10 不同丸粒化配方对高丹草幼苗地上部干质量的影Fig.10 Effects of different pelletization formulas on the aboveground dry weight of sorghum-sudangrass hybrid seedlings

2.4 物料占比与高丹草丸粒化种子物理性状、萌发及生长的相关性分析

由表3—5可知，吸水树脂占比与抗压强度、吸水率均呈极显著正相关，凹凸棒土占比与抗压强度呈显著负相关；吸水树脂占比与种子萌发、幼苗生长相关指标均呈负相关，花生壳粉占比与种子萌发、幼苗生长相关指标均呈正相关，凹凸棒土占比与种子萌发、幼苗生长相关指标均呈负相关。

表3 物料占比与高丹草丸粒化种子物理性状的相关性分析Tab.3 Correlations between the physical properties of the pelleted seed of sorghum-sudangrass hybrid and proportions of pelleting materials

表4 物料占比与高丹草丸粒化种子萌发特性的相关性分析Tab.4 Correlations between the germination ability of the pelleted seed of sorghum-sudangrass hybrid and proportions of pelleting materials

表5 物料占比与高丹草丸粒化种子幼苗生长情况的相关性分析Tab.5 Correlations between the seedling growth of the pelleted seed of sorghum-sudangrass hybrid and proportions of pelleting materials

3 结论与讨论

3.1 丸粒化制剂的生产储存工艺影响种子萌发

在本研究种子萌发指标与幼苗生长指标测定中，存在多个配方的高丹草种子未能正常发芽的情况，这可能是由于丸粒化种子制备与储存操作采用了分批制作—分批储存—同批测定的流程方法，因而不同配方处理的高丹草丸粒化种子的烘干工艺、储存工艺间存在差异，导致部分丸粒化配方种子未能正常发芽。李明等[31]研究发现，高粱丸粒化种子烘干方式和烘干时间对种子发芽率有显著影响。这说明丸粒化种子制备及其后期烘干储藏等过程均对种子萌发和幼苗生长有重要影响，为排除丸粒化种子在生产及储存过程中可能对种子萌发造成的干扰，后期丸粒化配方筛选的研究将会在本研究的基础上，通过改进生产存储的工艺流程，进而提高丸粒化种子萌发率，优化精确配方筛选。

3.2 种子丸粒化后萌发能力、出苗能力及生长的差异

发芽率是体现种子质量的重要指标；发芽势是种子萌发高峰期的发芽率，一定程度上决定了出苗整齐度；发芽指数可以体现种子活力和萌发速度。因此，发芽率、发芽势、发芽指数可以反映种子发芽期的整体素质。本研究结果表明，从以上3个指标结合发芽进程来看，配方4均优于CK及其他配方，配方4可以促进种子发芽，提高种子活力。本研究结果表明，种子丸粒化可以有效改善幼苗生长情况，配方2、10、21的高丹草种子出苗率均高于CK；配方2、3、4、8、10的幼苗干、鲜质量均比CK有所增加，幼苗鲜质量是幼苗生长健壮程度的参考指标之一[5]，说明通过对高丹草种子进行丸粒化可以提高幼苗素质；配方2、3、4、8、10、20、21均可以提高幼苗株高，增加幼苗叶面积，这些研究与崔红艳等[7]在胡麻种子丸粒化上的研究一致。然而本研究发现，种子萌发能力强的配方，与种子出苗生长能力强的配方并非一致，例如配方10和配方21在玻璃皿试验的发芽率分别为24.75%和30.66%，显著低于CK，但在盆栽试验中的出苗率以及后期生长情况总体上均优于CK。这种差异可能来源于玻璃皿试验裸粒种子不仅能直接与水接触，而且在发芽过程中还能顺畅呼吸，而丸粒化种子会被水膜包裹造成呼吸不畅。因此，采用玻璃皿试验+盆栽试验的方法能够更加准确地评价丸粒化制剂的作用。

3.3 不同物料对丸粒化种子物理形态、萌发特性、幼苗生长的影响

本研究结果表明，在考虑精量播种以及干旱环境下时，提高吸水树脂占比可能是提高丸粒化种子抗压强度和吸水率的关键，但是过度提高丸粒化材料的吸水能力并不会促进种子萌发，一定的吸水率和保水能力有助于促进种子萌发，然而丸粒化材料吸水树脂过多，不利于种子呼吸，会降低种子活力，从而影响种子发芽。因此，添加适量的吸水树脂，保证种子萌发所需水分，提高种子透气性才是种子萌发的关键。而花生壳粉中丰富的木质素、纤维素、蛋白质等，既可以使种子保持良好的透气性，也可给高丹草种子生长发育提供营养。因此，通过提高花生壳粉等有利于透气性的材料在配方中的占比，可以给种子萌发提供良好的呼吸环境和营养，从而促进种子萌发及幼苗生长。

本研究中丸粒化种子制备机器为传统的荸荠式小型种子丸化机，该类型的机器结构简单，造价便宜，但荸荠式机器生产效率低，丸粒化质量难以控制，制作成品会出现抗压强度低，紧实度低，多籽、空籽率高，掉粉等情况[32]，这会影响贮藏期种子外观和活力，且在制作过程中需要加入一定量的黏着剂，这也可能会影响丸粒化材料的裂解性，从而干扰种子发芽出苗。经调查发现，甩盘式丸粒化包衣机是欧美较为成熟的成套系列产品，利用该机器制成的丸粒化种子具有均匀一致、紧实度高等优点[32]。且使用该机器不需黏着剂作为介质材料，因而不会出现由黏着剂影响丸粒化种子质量的问题。为提高种子丸化效率，排除黏着剂、储藏等因素对配方研究的干扰，在后期试验中将会采用甩盘式丸粒化包衣机，提高丸粒化制剂配方配比研究的精确度。

综上，不同丸粒化材料及其占比会显著影响种子发芽率、出苗率及后期生长情况，配方的选择不仅能够促进种子发芽，还有可能抑制种子发芽。吸水树脂占比与抗压强度、吸水率均呈极显著正相关，凹凸棒土占比与抗压强度呈显著负相关，花生壳粉占比与种子萌发、幼苗生长相关指标均呈正相关。综合考虑，配方4(吸水树脂 ∶ 花生壳粉 ∶ 凹凸棒土=12 ∶ 73 ∶ 15)对高丹草种子的萌发、生长均具有促进作用。