邵琪 吳龍龍 張平 曾紹遷 熊勤學(xué)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的小麥種子發(fā)芽率檢測(cè)方法周期長(zhǎng)、有損傷等問(wèn)題，提出基于紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)小麥種子發(fā)芽率快速無(wú)損檢測(cè)的方法。結(jié)果表明，在發(fā)芽2 d內(nèi)，未發(fā)芽的小麥種子平均溫度與升溫率都較能發(fā)芽的小麥種子高，而2 d后相反?；诓煌l(fā)芽期的不同活性小麥種子受熱后溫度曲線(xiàn)變化特征，建立小麥發(fā)芽率檢測(cè)模型，可以快速無(wú)損地檢測(cè)小麥種子發(fā)芽率。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；遙感技術(shù)；小麥種子；發(fā)芽率；快速無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）14-0114-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.027 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)對(duì)于國(guó)家的發(fā)展有著重要影響。由于農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，國(guó)家間的自由貿(mào)易協(xié)定使種子產(chǎn)業(yè)發(fā)生了許多的變化，尤其是跨國(guó)公司在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比重上占顯著比例，因此包括種子發(fā)芽率檢測(cè)在內(nèi)的種子質(zhì)量評(píng)價(jià)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)和改進(jìn)有密切的關(guān)系。

種子發(fā)芽率檢測(cè)有多種方法，陶嘉齡等[1]按測(cè)定方法本身劃分為生理測(cè)定法、生化測(cè)定法、物理測(cè)定法、組織化學(xué)法和形態(tài)解剖鑒別法。發(fā)芽試驗(yàn)法和電導(dǎo)率法是生理測(cè)定法的重要方法，但是發(fā)芽試驗(yàn)法周期長(zhǎng)、成本高，且受種子休眠限制，而電導(dǎo)率法檢測(cè)周期長(zhǎng)，檢測(cè)精度低。四唑法和ATP含量測(cè)定法是生化測(cè)定法的兩種，四唑法容易造成種子損傷，ATP含量測(cè)定法普適性差。組織化學(xué)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(shù)可以很好地反映物體表面熱輻射所形成的溫度場(chǎng)的細(xì)微變化，通過(guò)檢測(cè)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(jiàn)光以外的物體表面溫度場(chǎng)信號(hào)，并在顯示屏上以灰度差或偽彩色方式描繪信號(hào)的分布和變化，從而使人的視覺(jué)范圍擴(kuò)大到紅外波段[2]。余波等[3]研究表明，種子萌發(fā)過(guò)程中吸水狀態(tài)及產(chǎn)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(biāo)。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(fā)過(guò)程中溫度變化的信號(hào)，分析每粒種子的圖像，得到其溫度變化曲線(xiàn)，并建立溫度變化“指紋庫(kù)”。此研究表明，紅外熱成像技術(shù)能夠較好地分析種子在萌發(fā)過(guò)程中的溫度變化，可用于種子活力的測(cè)定。Wadso[5]使用微量熱法進(jìn)行的開(kāi)創(chuàng)性研究表明，微量熱可以用來(lái)評(píng)估與種子萌發(fā)過(guò)程相關(guān)的總代謝。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用紅外熱成像技術(shù)研究種子發(fā)芽率報(bào)道較少。本研究通過(guò)對(duì)不同發(fā)芽期的、不同老化程度的小麥種子在受熱后溫度變化曲線(xiàn)的研究，分析發(fā)芽情況與溫度變化的關(guān)系，為小麥種子發(fā)芽率的鑒定提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的小麥種子是由長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供的鄂麥23小麥種子，為不帶殼種子，試驗(yàn)前保存于冷藏柜中。由于紅外光譜成像技術(shù)對(duì)待測(cè)物的形狀、大小較為敏感，因此在取樣時(shí)，選取形狀大小一致的種子作為試驗(yàn)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(jìn)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(jīng)老化的種子各8粒，在發(fā)芽盒中鋪入大小、質(zhì)地一致的濾紙（保存水分），把發(fā)芽盒分為大小相同的2個(gè)區(qū)域，A區(qū)域放未經(jīng)老化的8粒種子，B區(qū)域放老化處理過(guò)的種子。將各組種子放入對(duì)應(yīng)編號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域的盒子中，保證種子間距一致，使其間不受影響，進(jìn)行培養(yǎng)。同時(shí)搭建加熱裝置（圖1），加熱裝置要保證其對(duì)樣品的加熱有效且對(duì)種子的生理活性沒(méi)有影響。

每天規(guī)定時(shí)間用加熱裝置對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行加熱處理，加熱處理15 s（保證此加熱對(duì)種子的生理活性沒(méi)有影響）。同時(shí)，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(duì)熱成像圖自動(dòng)采集。每次自動(dòng)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(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并用IRBIS remote 3.0 軟件進(jìn)行處理。選有效區(qū)域獲取溫度，并繪制時(shí)序曲線(xiàn)，導(dǎo)出溫度值。分別選取A區(qū)域和B區(qū)域的有效數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Excel軟件中進(jìn)行處理。

2 結(jié)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(qū)，圖2a至圖2f為所選取的典型感興趣區(qū)的整體，圖2g為熱成像圖色板溫度標(biāo)度。不同老化程度的小麥種子溫度在加熱冷卻過(guò)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(shù)學(xué)基礎(chǔ)，初步判斷可以通過(guò)熱成像數(shù)據(jù)對(duì)不同老化程度的小麥種子進(jìn)行區(qū)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(duì)色度的識(shí)別有一定的限度，把圖像導(dǎo)入IRBIS remote 3.0軟件，進(jìn)行定量分析，提取具有代表性的時(shí)序溫度。圖3a至圖3f為不同老化程度的小麥種子在不同發(fā)芽階段加熱冷卻的平均值變化曲線(xiàn)。圖3a與圖3b中未發(fā)芽小麥種子的平均溫度始終高于發(fā)芽小麥種子的平均溫度，但2 d后發(fā)芽小麥種子平均溫度高于未發(fā)芽小麥種子的平均溫度，如圖3c至圖3f，兩者在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出不同的特征。

2.3 不同老化程度下小麥種子升溫率規(guī)律

圖4為不同老化程度的小麥種子的升溫率曲線(xiàn)，反映了試驗(yàn)2 d內(nèi)，發(fā)芽的小麥種子溫度升高率低于不能發(fā)芽的小麥種子溫度升高率，2 d后則相反。種子發(fā)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(kāi)始吸水速度緩慢，隨后會(huì)趨于平衡，而葉常豐等[7]表明，死種子由于蛋白質(zhì)變性，原生質(zhì)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(dāng)死種子吸水以后，水分很快充滿(mǎn)細(xì)胞間隙以及胚及胚乳之間，種子呈現(xiàn)出典型的水腫狀態(tài)，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(fā)時(shí)，可在約48 h達(dá)到約55%的閾值。因此在發(fā)芽前階段（2 d）受熱后，未經(jīng)老化的小麥種子升溫率低于老化的種子。

2.4 小麥種子發(fā)芽檢測(cè)模型確定

選取浸種后4 d內(nèi)每天加溫后種子最高溫度、種子升溫率、種子降溫率等12個(gè)因子作為判定小麥種子發(fā)芽的特征值，將12個(gè)因子加上小麥種子發(fā)芽（1）、未發(fā)芽（0）因變量采用因子逐步引進(jìn)方法（引用F值設(shè)為3.84，剔除F值設(shè)為2.70）進(jìn)行判別分析，用SPSS軟件分析，最后引入4個(gè)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(shù)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(shuō)明用4個(gè)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(zhǔn)確反映發(fā)芽與未發(fā)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(gè)特征值進(jìn)行二類(lèi)的聚類(lèi)分析，構(gòu)建檢測(cè)模型，二類(lèi)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(huì)發(fā)芽種子，否則為不會(huì)發(fā)芽的種子，從而達(dá)到4 d就能快速檢測(cè)發(fā)芽率。5月31日進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，用這4個(gè)因子進(jìn)行聚類(lèi)分析，得出種子的發(fā)芽率為72.5%與7 d后通過(guò)人工觀測(cè)的75.0%的發(fā)芽率相差不大，表明該檢測(cè)方法與模型是正確的。

3 結(jié)論

失活與未失活的種子在發(fā)芽前期都經(jīng)過(guò)第一階段吸水吸脹階段，失活的種子被動(dòng)吸水，未失活的種子以主動(dòng)吸水為主，經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(shí)間內(nèi)可區(qū)分出可以發(fā)芽的種子，求出發(fā)芽率。本研究確定了不同活性小麥種子在發(fā)芽時(shí)期溫度變化的規(guī)律，根據(jù)此規(guī)律，構(gòu)建了相應(yīng)的檢測(cè)模型，可在短時(shí)間內(nèi)快速、無(wú)損地檢測(cè)小麥種子發(fā)芽率。

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