基于熱成像技術的小麥種子發芽快速無損檢測

邵琪 吳龍龍 張平 曾紹遷 熊勤學

摘要：針對傳統的小麥種子發芽率檢測方法周期長、有損傷等問題，提出基于紅外熱成像技術實現小麥種子發芽率快速無損檢測的方法。結果表明，在發芽2 d內，未發芽的小麥種子平均溫度與升溫率都較能發芽的小麥種子高，而2 d后相反。基于不同發芽期的不同活性小麥種子受熱后溫度曲線變化特征，建立小麥發芽率檢測模型，可以快速無損地檢測小麥種子發芽率。

關鍵詞：紅外熱成像；遙感技術；小麥種子；發芽率；快速無損檢測

中圖分類號：S512.1 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）14-0114-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.027 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In order to solve the problems such as long cycle and damage of traditional wheat seed germination rate，a novel method based on infrared thermography for rapid and nondestructive detection of wheat seed germination rate was proposed.The results showed that the average temperature and heating rate of germinated wheat seeds were higher than that in germinated wheat during two days of the germination，and showed the contradictory results after two days of the germination. Based on the variation of temperature curve of different heating activity of wheat seed germination，the detection model of the germination rate of wheat was built，which achieved rapid and nondestructive detection of the germination rate of wheat seeds.

Key words： infrared thermal imaging；remote sensing technique；wheat seeds；germination percentage；rapid nondestructive testing

中國是農業大國，農業對于國家的發展有著重要影響。由于農產品市場的國際競爭加劇，國家間的自由貿易協定使種子產業發生了許多的變化，尤其是跨國公司在農業產業比重上占顯著比例，因此包括種子發芽率檢測在內的種子質量評價與農產品質量的生產和改進有密切的關系。

種子發芽率檢測有多種方法，陶嘉齡等[1]按測定方法本身劃分為生理測定法、生化測定法、物理測定法、組織化學法和形態解剖鑒別法。發芽試驗法和電導率法是生理測定法的重要方法，但是發芽試驗法周期長、成本高，且受種子休眠限制，而電導率法檢測周期長，檢測精度低。四唑法和ATP含量測定法是生化測定法的兩種，四唑法容易造成種子損傷，ATP含量測定法普適性差。組織化學法以紅墨水染色法為主要，但是造成種子損傷且不可逆。而紅外熱成像技術可以很好地反映物體表面熱輻射所形成的溫度場的細微變化，通過檢測這種溫度范圍和分布變化的紅外熱成像儀，能快速收集可見光以外的物體表面溫度場信號，并在顯示屏上以灰度差或偽彩色方式描繪信號的分布和變化，從而使人的視覺范圍擴大到紅外波段[2]。余波等[3]研究表明，種子萌發過程中吸水狀態及產生的代謝熱可以反映其新陳代謝水平，而新陳代謝水平恰是種子活力的重要指標。2010年，Kranner等[4]利用紅外熱成像儀采集5種老化程度不同的豌豆種子在吸水萌發過程中溫度變化的信號，分析每粒種子的圖像，得到其溫度變化曲線，并建立溫度變化“指紋庫”。此研究表明，紅外熱成像技術能夠較好地分析種子在萌發過程中的溫度變化，可用于種子活力的測定。Wadso[5]使用微量熱法進行的開創性研究表明，微量熱可以用來評估與種子萌發過程相關的總代謝。目前，國內外關于利用紅外熱成像技術研究種子發芽率報道較少。本研究通過對不同發芽期的、不同老化程度的小麥種子在受熱后溫度變化曲線的研究，分析發芽情況與溫度變化的關系，為小麥種子發芽率的鑒定提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的小麥種子是由長江大學農學院提供的鄂麥23小麥種子，為不帶殼種子，試驗前保存于冷藏柜中。由于紅外光譜成像技術對待測物的形狀、大小較為敏感，因此在取樣時，選取形狀大小一致的種子作為試驗樣本，減少因其所造成的誤差。

選取部分小麥種子，在80 ℃的人工氣候箱進行老化1、3和5 d，與正常小麥形成4種處理，獲得的處理后的種子存放于密封袋中在4 ℃的恒溫箱中保存。

1.2 方法

將選好的種子分成5組，每組老化殺死的種子和未經老化的種子各8粒，在發芽盒中鋪入大小、質地一致的濾紙（保存水分），把發芽盒分為大小相同的2個區域，A區域放未經老化的8粒種子，B區域放老化處理過的種子。將各組種子放入對應編號對應區域的盒子中，保證種子間距一致，使其間不受影響，進行培養。同時搭建加熱裝置（圖1），加熱裝置要保證其對樣品的加熱有效且對種子的生理活性沒有影響。

每天規定時間用加熱裝置對試驗樣品進行加熱處理，加熱處理15 s（保證此加熱對種子的生理活性沒有影響）。同時，采用Vario CAM high resolution儀器（光譜范圍為7.5～14.0 μm，紅外圖像像素為640×480、384×288、320×240）對熱成像圖自動采集。每次自動采集150張，圖像間隔2 s，即可采集到種子在受熱后300 s的溫度變化，采集熱成像圖周期為24 h。

采集到的熱成像圖分批導入計算機中，并用IRBIS remote 3.0 軟件進行處理。選有效區域獲取溫度，并繪制時序曲線，導出溫度值。分別選取A區域和B區域的有效數據，導入Excel軟件中進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同老化程度下的小麥種子溫度變化模型

在小麥種子的兩種活力水平（未老化處理記為A，老化處理記為B）下的紅外熱成像圖像中，提取小麥種子的熱圖像作為感興趣區，圖2a至圖2f為所選取的典型感興趣區的整體，圖2g為熱成像圖色板溫度標度。不同老化程度的小麥種子溫度在加熱冷卻過程中有一定的差異，該差異為不同老化程度下小麥種子的鑒別提供了數學基礎，初步判斷可以通過熱成像數據對不同老化程度的小麥種子進行區分。

2.2 不同老化程度下的小麥種子平均溫度特征

由于人體肉眼對色度的識別有一定的限度，把圖像導入IRBIS remote 3.0軟件，進行定量分析，提取具有代表性的時序溫度。圖3a至圖3f為不同老化程度的小麥種子在不同發芽階段加熱冷卻的平均值變化曲線。圖3a與圖3b中未發芽小麥種子的平均溫度始終高于發芽小麥種子的平均溫度，但2 d后發芽小麥種子平均溫度高于未發芽小麥種子的平均溫度，如圖3c至圖3f，兩者在短時間內表現出不同的特征。

2.3 不同老化程度下小麥種子升溫率規律

圖4為不同老化程度的小麥種子的升溫率曲線，反映了試驗2 d內，發芽的小麥種子溫度升高率低于不能發芽的小麥種子溫度升高率，2 d后則相反。種子發芽第一階段為吸水吸脹階段，石亞萍等[6]研究表明有活力的種子由于受生命力的制約，開始吸水速度緩慢，隨后會趨于平衡，而葉常豐等[7]表明，死種子由于蛋白質變性，原生質的透性提高，膠體的親水性和組織的保水能力降低，而使死種子的水分平衡大大改變。當死種子吸水以后，水分很快充滿細胞間隙以及胚及胚乳之間，種子呈現出典型的水腫狀態，因此死種子在前期吸水速度快。Kranner等[4]研究表明高活性的種子萌發時，可在約48 h達到約55%的閾值。因此在發芽前階段（2 d）受熱后，未經老化的小麥種子升溫率低于老化的種子。

2.4 小麥種子發芽檢測模型確定

選取浸種后4 d內每天加溫后種子最高溫度、種子升溫率、種子降溫率等12個因子作為判定小麥種子發芽的特征值，將12個因子加上小麥種子發芽（1）、未發芽（0）因變量采用因子逐步引進方法（引用F值設為3.84，剔除F值設為2.70）進行判別分析，用SPSS軟件分析，最后引入4個因子，分別是X1（第一天種子溫度最高值）、X2（第二天種子溫度最高值）、X3（第三天種子升溫率）、X4（第四天種子升溫率），得到判別函數如下：

Y=91.748-2.06×X1-3.802×X2+79.88×X3+50.892×X4 （3）

其P值為0.000 1，回代正確率為100%，說明用4個特征值（第一天種子溫度最高值、第二天種子溫度最高值、第三天種子升溫率、第四天種子升溫率）能準確反映發芽與未發芽種子溫度變化的差異，由此可用第一天種子溫度最高值、第二天種子溫度最高值、第三天種子升溫率、第四天種子升溫率4個特征值進行二類的聚類分析，構建檢測模型，二類中如果第一天種子溫度最高值低、第二天種子溫度最高值低、第三天種子升溫率高、第四天種子升溫率高則為會發芽種子，否則為不會發芽的種子，從而達到4 d就能快速檢測發芽率。5月31日進行重復試驗，用這4個因子進行聚類分析，得出種子的發芽率為72.5%與7 d后通過人工觀測的75.0%的發芽率相差不大，表明該檢測方法與模型是正確的。

3 結論

失活與未失活的種子在發芽前期都經過第一階段吸水吸脹階段，失活的種子被動吸水，未失活的種子以主動吸水為主，經過一定時間后，失活的種子閾值低于未失活的種子，使得其在加熱后，平均溫度高，升溫率也高。在短時間內可區分出可以發芽的種子，求出發芽率。本研究確定了不同活性小麥種子在發芽時期溫度變化的規律，根據此規律，構建了相應的檢測模型，可在短時間內快速、無損地檢測小麥種子發芽率。

參考文獻：

[1] 陶嘉齡，鄭光華.種子活力[M].北京：科學出版社，1991.

[2] 丁 晶，周志尊，李帥三.醫用紅外線熱成像技術的物理學原理探析[J].中國醫療設備，2010，25（7）：68-70.

[3] 余 波，杜尚廣，羅麗萍.種子活力測定方法[J].中國科學，2015， 45（7）：709-713.

[4] KRANNER I，KASTBERGER G，HARTBAUER M，et al. Noninvasive diagnosis of seed viability using infrared thermography[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2010，107（8）：3913-3917.

[5] WADSO I.Trends in isothermal microcalorimetry[J].Chemical Society Reviews，1997，26（2）：79-86.

[6] 石亞萍，蔡靜平.種子發芽率快速測定方法的研究進展[J].中國種業，2008，23（2）：13-14.

[7] 葉常豐，戴心維.種子學[M].第一版.北京：中國農業出版社，1999.