加載壓縮對(duì)廣東菜心種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響

摘要：針對(duì)速生蔬菜精量排種器對(duì)廣東菜心種子產(chǎn)生的機(jī)械損傷進(jìn)而影響種子發(fā)芽的實(shí)際問題，開展廣東菜心種子不同載荷作用后種子發(fā)芽試驗(yàn)。應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行菜心種子壓縮破損處理，同時(shí)利用光學(xué)顯微鏡觀察種子表觀機(jī)械損傷特征，以判定種子機(jī)械損傷程度。結(jié)果表明，菜心種子壓縮破損對(duì)其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、苗高都具有極顯著影響；發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)，發(fā)芽勢(shì)與根長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)菜心種子所受力小于6.41 N或壓縮變形量小于26.9%時(shí)，種子的發(fā)芽情況不受影響。試驗(yàn)為廣東菜心排種器型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的設(shè)定提供了參考依據(jù)，對(duì)降低種子破碎率，提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：廣東菜心種子；壓縮破損；發(fā)芽；生長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：S634.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）03-0595-04

廣東菜心為十字花科蕓薹屬植物。主薹與側(cè)薹可食用，品質(zhì)脆嫩，營(yíng)養(yǎng)豐富，生長(zhǎng)周期短，每年可收獲9～10茬，經(jīng)濟(jì)效益非常高[1]。近年來廣東菜心種植范圍由中國(guó)南部向北部發(fā)展，尤其在湖南、湖北等地的種植規(guī)模增長(zhǎng)最為迅速，菜心種子發(fā)芽率、幼苗長(zhǎng)勢(shì)成為菜農(nóng)們關(guān)注的熱點(diǎn)。

菜心種子為雙子葉無胚乳脂肪類種子，影響此類種子發(fā)芽的主要因素有外部生態(tài)因素和內(nèi)部生理因素，內(nèi)部生理因素常見為種子成熟度、含水量、休眠、所受機(jī)械損傷和熱損傷[2，3]，其中機(jī)械損傷是機(jī)械化播種過程中的常見現(xiàn)象。菜心種子粒徑為1.2～2.0 mm，屬小粒徑作物種子，采用機(jī)械化播種特別是氣力式精量播種十分必要。實(shí)施精量播種的核心技術(shù)是排種器，氣力式排種器排種過程一般包括充種、吸種、清種、投種、導(dǎo)種等環(huán)節(jié)[4]，每個(gè)環(huán)節(jié)種子均受到機(jī)械力作用。當(dāng)所受力或力矩超過種子的生物屈服極限時(shí)導(dǎo)致種子受載變形乃至破損而影響種子發(fā)芽，引起田間缺苗、斷條等現(xiàn)象的發(fā)生。因此破碎率是衡量播種機(jī)工作性能的重要指標(biāo)之一，應(yīng)限定在1.5%以下[5]。

國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者開展了玉米、大豆、水稻谷粒等大中粒徑種子破碎機(jī)理及不同破損對(duì)其發(fā)芽規(guī)律影響的研究[6-8]，目前關(guān)于機(jī)械損傷對(duì)菜心類小粒徑種子發(fā)芽及幼苗長(zhǎng)勢(shì)影響的研究鮮見報(bào)道。試驗(yàn)應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察菜心種子機(jī)械損傷（以壓縮損傷為例）情況，并對(duì)損傷菜心種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，研究機(jī)械損傷對(duì)其發(fā)芽的影響，為排種器對(duì)小粒徑作物種子造成的不同機(jī)械破損提供后續(xù)研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

選取廣東乾農(nóng)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的油青12號(hào)早菜心種子作為研究對(duì)象，粒徑1.4～1.6 mm，含水率5.94%，千粒重2.03 g，滑動(dòng)摩擦角（接觸面為鋼板）9.1°～12.7°，休止角21.4°～26.8°[9，10]。

試驗(yàn)儀器有游標(biāo)卡尺，用于分選菜心種子；質(zhì)構(gòu)儀由美國(guó)FTC公司生產(chǎn)，用于試驗(yàn)材料的壓縮損傷；生化培養(yǎng)箱采用德國(guó)Binder BF系列生化培養(yǎng)箱，用于菜心種子發(fā)芽試驗(yàn)。

1.2 壓縮處理

從粒徑1.4～1.6 mm的種子群中隨機(jī)取樣2 000粒，400粒為一組，共5組，分別記為A、B、C、D、E組。采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)廣東菜心種子進(jìn)行單粒壓縮處理[11，12]。其中A組種子不壓縮作為對(duì)照組，對(duì)B、C、D、E組種子進(jìn)行壓縮處理，最大壓縮量分別為0.3、0.5、0.8、1.0 mm。質(zhì)構(gòu)儀加載速率5 mm/min，最大工作壓力設(shè)定為100 N。

1.3 發(fā)芽試驗(yàn)

A、B、C、D、E組種子分別設(shè)4次重復(fù)，每次重復(fù)100粒。各組種子均勻放置在培養(yǎng)皿發(fā)芽床上，粒距4.5 mm，發(fā)芽床參考文獻(xiàn)[13]制作。

將培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中，箱內(nèi)溫度23 ℃、光照1 000 lx。每天觀察種子發(fā)芽情況并作記錄。正常發(fā)芽種子幼根和幼芽達(dá)到種子直徑長(zhǎng)，非正常發(fā)芽種子幼根出現(xiàn)明顯萎縮、中間呈纖維狀幼根、幼芽呈水腫狀且無根毛[14]，第三天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)，第七天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，測(cè)量每棵苗的根長(zhǎng)及苗高，計(jì)算活力指數(shù)，探討壓縮破損對(duì)廣東菜心種子發(fā)芽的影響[15，16]。

發(fā)芽勢(shì)=×100%

發(fā)芽率=×100%

活力指數(shù)（VI）=S×∑（Gt/Dt）

式中：M1為發(fā)芽勢(shì)時(shí)間內(nèi)的正常發(fā)芽數(shù)；M2為規(guī)定時(shí)間內(nèi)全部正常發(fā)芽數(shù)；M為組內(nèi)種子數(shù)；Gt 為在時(shí)間t內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽時(shí)間，即從出現(xiàn)第一棵苗到出現(xiàn)最后一棵苗的時(shí)間；S為平均根長(zhǎng)（mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮處理結(jié)果

圖1為廣東菜心種子壓力-位移曲線，曲線可以分為os、sa和ab段。os段載荷隨種子變形量的增加而增加，滿足線性關(guān)系，為彈性變形階段，菜心種子沒有明顯變化（圖2a）；壓力繼續(xù)增加，達(dá)到第一個(gè)峰值點(diǎn)s時(shí)，種子壓縮變形量近似不變，壓力急劇下降，sa段稱為屈服階段，此階段種子種皮擠破或種胚出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，外觀特征見圖2b；經(jīng)歷屈服階段后曲線進(jìn)入ab段，種子裂縫之間的間隙隨壓頭位移的增加而被壓實(shí)，壓力隨變形量的增加緩慢增加，被稱為壓實(shí)階段，種胚中的子葉繼續(xù)被壓裂、壓碎、壓扁，在種子壓扁處有油脂滲出，外觀特征見圖2c和圖2d；當(dāng)質(zhì)構(gòu)儀壓頭達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大壓縮量即達(dá)到b點(diǎn)時(shí)，質(zhì)構(gòu)儀壓頭以50 mm/s的速度卸載，種子變形速率減小，曲線進(jìn)入卸載階段。

統(tǒng)計(jì)分析每粒種子的受力與變形過程得出種子形變參數(shù)。由表1可知，壓縮量為0.3 mm的B組種子處于彈性階段，壓縮量為0.5 mm的C組種子處于屈服階段和壓實(shí)階段的交叉處，壓縮量為0.8 mm和1.0 mm的D、E組種子處于壓實(shí)階段。

2.2 發(fā)芽率變化趨勢(shì)

圖3所示為壓縮破損處理后菜心種子發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖3可知，菜心種子發(fā)芽率組間存在明顯差異，B組種子在1～2 d時(shí)發(fā)芽率最大，A組種子在2 d后發(fā)芽率超過B組，3 d后A、B兩組種子發(fā)芽率差異不大； C、D、E組種子第二天開始發(fā)芽，發(fā)芽率遠(yuǎn)低于A、B組； E組種子在第三天開始大量霉變，霉變由破碎未發(fā)芽種子蔓延到已發(fā)芽種子，導(dǎo)致種子發(fā)芽率先增后降。

2.3 壓縮破損對(duì)菜心種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響

2.3.1 廣東菜心種子發(fā)芽生長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)分析 由表2可知，隨著壓縮破損程度的增加，發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)由88.5%和80.5%逐漸遞減。從形態(tài)指標(biāo)上看，經(jīng)5種壓縮處理后，種子發(fā)芽后的幼苗長(zhǎng)勢(shì)存在差異，苗高隨壓縮量的增加而降低，根長(zhǎng)從大到小為B、A、C、D、E；各組內(nèi)根長(zhǎng)、苗高標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.5～1.6、0.4～1.9 mm，表明對(duì)種子群進(jìn)行相同處理時(shí)，種子群差異不明顯。

處于彈性階段的B組種子受到機(jī)械力小于生物屈服極限，可消除種子休眠，促進(jìn)種子前期萌芽，此現(xiàn)象與部分學(xué)者的研究結(jié)果一致[17]，活力指數(shù)達(dá)到16 106，高于對(duì)照組，試驗(yàn)中B組個(gè)別種子在受力過程中種胚受損，使其發(fā)芽率略低于對(duì)照組，且各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差高于對(duì)照組；處于屈服與壓實(shí)階段交叉處的C組種子有明顯的機(jī)械損傷，該組種子各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)均遠(yuǎn)低于對(duì)照組，破損位置的不確定性使標(biāo)準(zhǔn)差高于對(duì)照組；處于壓實(shí)階段的D、E組種子出現(xiàn)了較嚴(yán)重的變形和組織結(jié)構(gòu)破損，導(dǎo)致種胚碎裂、壓實(shí)、子葉細(xì)胞內(nèi)油脂溢出，嚴(yán)重影響種子各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)，且試驗(yàn)過程中伴隨著嚴(yán)重霉變，阻滯了組內(nèi)種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)。

2.3.2 壓縮破損對(duì)廣東菜心種子各發(fā)芽指標(biāo)的影響 為研究壓縮破損情況對(duì)菜心種子發(fā)芽的影響程度和各發(fā)芽指標(biāo)的相關(guān)性，運(yùn)用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析，結(jié)果見表3和表4。

由表3可知，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的偏相關(guān)系數(shù)r（1，2）=0.782 1，其P=0.000 3<0.01，表明發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率之間呈極顯著正相關(guān)，即菜心種子發(fā)芽勢(shì)的高低在一定程度上可以反映出其發(fā)芽率高低；r（1，3）=

-0.614 2，其P=0.011 4<0.05，表明發(fā)芽勢(shì)與根長(zhǎng)之間呈顯著負(fù)相關(guān)，主要原因?yàn)榘l(fā)芽勢(shì)高表明種子萌芽早、生長(zhǎng)快，子葉中的營(yíng)養(yǎng)成分主要用于胚芽的生長(zhǎng)，而運(yùn)往胚根處的營(yíng)養(yǎng)成分不足，胚根生長(zhǎng)緩慢，試驗(yàn)中B組樣品平均根長(zhǎng)大于對(duì)照組A組。

由表4方差分析可知，綜合考慮廣東菜心種子各發(fā)芽指標(biāo)性狀及其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，不同壓縮破損對(duì)菜心種子發(fā)芽指標(biāo)影響程度極顯著。

經(jīng)試驗(yàn)研究與分析，播種機(jī)具在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能使播種后的種子群處于B組狀態(tài)，避免D、E組狀態(tài)的發(fā)生，即在設(shè)計(jì)排種器型孔結(jié)構(gòu)形式、清種和護(hù)種裝置結(jié)構(gòu)形式、設(shè)定工作負(fù)壓及排種器工作轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)保證菜心種子所受載荷小于6.41 N，種子變形比例小于26.9%；種子的霉變影響自身發(fā)芽，阻止其他正常種子發(fā)芽，因此播種機(jī)具在設(shè)計(jì)過程中盡可能降低破損的同時(shí)，需考慮對(duì)已破損種子進(jìn)行清選或其他處理。

3 小結(jié)

應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察壓縮破損種子的表觀機(jī)械損傷特征、分析被壓縮種子的變形指標(biāo)和壓縮曲線，針對(duì)破損菜心種子開展發(fā)芽試驗(yàn)研究，結(jié)果表明， 當(dāng)廣東菜心種子受載小于6.41 N或壓縮變形比例小于26.9%時(shí)，發(fā)芽率不受影響，活力指數(shù)有所上升。此研究結(jié)果為廣東菜心小粒徑種子排種器型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、清種和護(hù)種裝置結(jié)構(gòu)形式、設(shè)定排種器轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)提供了依據(jù)。

加載壓縮與廣東菜心種子發(fā)芽生長(zhǎng)特性有直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)種子變形比例達(dá)到31.2%時(shí)，發(fā)芽率為33.5%，當(dāng)變形比例達(dá)到62.5%時(shí)，發(fā)芽率只有2%，且出現(xiàn)大量霉變。即種子破損程度過大，種子不能發(fā)芽，出現(xiàn)大量霉變，擴(kuò)散到已發(fā)芽種子，極易造成病芽、幼芽初期死亡等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著廣東菜心的生產(chǎn)，因此播種機(jī)具在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)在避免種子發(fā)生破損的同時(shí)，考慮對(duì)已破損種子進(jìn)行清選或其他處理，降低種子破損對(duì)種子發(fā)芽及幼苗長(zhǎng)勢(shì)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧彩聯(lián)，黃健新，肖妙玲，等.廣東菜心優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)[J].當(dāng)代蔬菜，2006（12）：27.

[2] 張 華，劉自珠.菜薹（菜心）的市場(chǎng)需求與育種現(xiàn)狀[J].中國(guó)蔬菜，2010（3）：10-12.

[3] 韋存虛，李愛民，張永泰，等. 白芥和甘藍(lán)型油菜屬間雜種后代種子結(jié)構(gòu)比較[J]. 作物學(xué)報(bào)，2009，35（6）：1139-1145.

[4] 廖慶喜，黃吉星，劉 光，等. 油菜播種機(jī)槽孔輪式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（2）：63-66.

[5] JB/T 10293-2001，單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件[S].

[6] 高連興，李曉峰，接 鑫，等.大豆內(nèi)部機(jī)械損傷對(duì)發(fā)芽的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（10）：63-67.

[7] 李耀明，王顯仁，徐立章，等.水稻谷粒的擠壓力學(xué)性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（11）：56-59.

[8] 李心平，高連興.種子玉米籽粒果柄斷裂機(jī)理試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（11）：47-51.

[9] 黃吉星，廖慶喜，劉 光.油菜籽壓縮特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011（3）：162-165.

[10] KARAJ S， M？譈LLER J. Determination of physical， mechanical and chemical properties of seeds and kernels of Jatropha curcas L.[J]. Industrial Crops and Products，2010，32（2）：129-138.

[11] 張洪霞，孫 偉，黃 燕，等.加載速度對(duì)稻米籽粒擠壓力學(xué)特性影響的研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19（5）：35-37.

[12] SAIEDIRAD M H， TABATABAEEFAR A， BORGHEI A， et al. Effects of moisture content， seed size， loading rate and seed orientation on force and energy required for fracturing cumin seed （Cuminum cyminum Linn.） under quasi-static loading[J]. Journal of Food Engineering，2008，86（4）：565-572.

[13] 王愛國(guó)，曹 竤，陳智宏.種子發(fā)芽試驗(yàn)的新方法[J].草業(yè)科學(xué)，2002，19（2）：31-32.

[14] 陶宗婭，鄒 琦.種子的吸脹冷害和吸脹傷害[J].植物生理學(xué)通訊，2000，36（4）：368-376.

[15] DISSANAYAKE P， GEORGE D L， GUPTA M L. Effect of light， gibberellic acid and abscisic acid on germination of guayule （Parthenium argentatum Gray） seed[J]. Industrial Crops and Products，2010，32（2）：111-117.

[16] 趙 勇，陳 楨，王科舉，等.泡桐、楊樹葉水浸液對(duì)作物種子萌發(fā)的化感作用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（增刊）：400-405.

[17] 左春檉，陳曉光，馬成林.物理新技術(shù)處理種子方法的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1993，9（2）：63-68.