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响应曲面法优化紫羊茅包衣剂



全 文 :31卷05期
Vol.31,No.05
草 业 科 学
PRATACULTURAL SCIENCE
965-970
05/2014
DOI:10.11829\j.issn.1001-0629.2013-0406
响应曲面法优化紫羊茅包衣剂
张晓宁1,杨 停1,郑群英2
(1.四川大学轻纺与食品学院,四川 成都610065;2.四川省草原科学研究院,四川 成都611731)
摘要:以紫羊茅(Festuca rubra)种子为原料,研究了种子包衣剂中的各种成分和含量对包衣后种子发芽率的影
响。在单因素试验的基础上,选择赤霉素、凹凸棒土和保水剂3个影响较大的因素,以发芽率为指标,采用响应曲
面试验优化包衣剂成分和添加量。优化结果表明,每100g紫羊茅种子包衣剂最佳组成为:4%的赤霉素乳油800
倍液5mL、凹凸棒土9g、保水剂15g,并混合牛粪末、化肥和粘土等成分,包衣质量增加至裸种的4~5倍。在此
条件下,包衣后的紫羊茅种子在自然条件下发芽率可以达到94%。
关键词:紫羊茅;响应曲面;种子包衣;优化
中图分类号:S812;S543+.9   文献标识码:A   文章编号:1001-0629(2014)05-0965-06

Optimization of seed peleting for Festuca rubra by response surface methodology
ZHANG Xiao-ning1,YANG Ting1,ZHENG Qun-ying2
(1.Colege of Light Industry,Textile and Food Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;
2.Sichuan Academy of Grassland Science,Chengdu 611731,China)
Abstract:Seeds of Festuca rubra were used as raw material to study the effects of seed peleting on seed
germination rate.Trial conditions were optimized by response surface methodology on basis of single factor
tests.Different volumes of gibberelin diluent,attapulgite and water retention agent were used to study
their different effects on seed germination rate.The results showed that the optimal conditions for seed
peleting content were 5mL gibberelin diluent,9g attapulgite and 15g water retention agent which
improved weight to 4or 5times of unpeleting seed.The germination rate could reach up to 94%under
these conditions.
Key words:Festuca rubra;response surface methodology;seed peleting;optimization
Corresponding author:ZHENG Qun-ying E-mail:zhengquny@126.com
  紫羊茅(Festuca rubra)又名红狐茅,羊茅属,广
泛分布于北半球温寒地带,我国长江流域以北各草
原均有分布。紫羊茅为多年生草本植物,具有短的
根茎及发达的须根,株高40~60cm。
紫羊茅适口性良好,是优良的放牧型牧草,其叶
片所占的比重非常高,几乎全部由叶组成,而且质地
柔软。紫羊茅营养价值高,其中粗蛋白质占干物质
的21%,粗纤维只占24.6%,因此,紫羊茅具有较高
的利用率和有机质消化率。但是,由于我国一些草
原地区降水稀少和过度放牧而导致草原退化,土壤
逐渐沙化,使得紫羊茅、老芒麦(Elymus sibiricus)
等牧草种子在自然状态发芽困难,加之紫羊茅种子
轻不易于空中飞播和大规模机械播种[1-3]。因此,在
播种前对其进行包衣技术处理[4-5],可以提高紫羊茅
种子在自然状态下的发芽率,并实现机械化大规模
种植。
本研究通过单因素试验筛选影响包衣牧草种子
*收稿日期:2013-07-21  接受日期:2014-01-08
基金项目:国家牧草产业技术体系(CARS-35)
第一作者:张晓宁(1988-),男,山东五莲人,硕士,研究方向为食物资源开发。E-mail:zxn0114@126.com
通信作者:郑群英(1979-),女,四川成都人,副研究员,硕士,研究方向为草原科学。E-mail:zhengquny@126.com
PRATACULTURAL SCIENCE(Vol.31,No.05) 05/2014
发芽率的主要因素,即赤霉素含量、凹凸棒土含量和
保水剂添加量。从这些因素入手,进行紫羊茅种子
包衣,并通过响应曲面法优化其最佳包衣工艺,以期
为紫羊茅等牧草种子的大面积机械播种提供理论基
础和试验依据。
1 材料与试剂
1.1 材料与试剂
紫羊茅种子:四川省红原县四川省草原科学研
究院牧草所提供。
固形物:粘土、牛粪末、复合肥、凹凸棒土;粘合
剂:羧甲基纤维素钠;添加剂:赤霉素、保水剂等。
1.2 仪器设备
FA 1604N电子天平(上海精密科学仪器有限
公司);5WL型种子丸粒化机(南京天宇机械有限公
司);WFW 无筛卧式粉碎机(浙江丰利粉碎设备有
限公司);电热恒温培养箱(上海精密仪器仪表公
司)。
1.3 赤霉素稀释液添加量的确定
称取100g紫羊茅种子置于适量4%羧甲基纤
维素钠溶液中混合均匀,分别加入0、1、3、5、7、9mL
4%的赤霉素乳油800倍液,9g凹凸棒土,8g复合
肥,15g保水剂,40g牛粪末及400g左右粘土,混
合均匀制成种子包衣剂。置于种子包衣机中丸化至
种子大小均匀,质量为裸种的4~5倍,单籽率为
90%左右[6]。置于培养皿中进行发芽率测定,重复
3次,确定适宜的赤霉素含量。
1.4 凹凸棒土添加量的确定
分别称取0、5、7、9、11、13g凹凸棒土,按照上
述步骤加入到种子包衣剂中,在种子包衣机中丸化
成粒[7-8]。然后测定其发芽率,重复3次,确定凹凸
棒土的适宜添加量。
1.5 保水剂添加量的选择
分别称取0、7、11、15、19、23g保水剂加入到种
子包衣剂中[8-10],按照上述步骤在种子包衣机中丸
化成粒。然后测定其发芽率,重复3次,选择适宜的
保水剂添加量。
1.6 Box-Behnken试验设计
根据单因素试验结果,采用Box-Behnken设计
方法[11-12],选择赤霉素添加量、凹凸棒土添加量和保
水剂添加量作为响应变量,分别以 A、B、C表示,并
以-1、0、1分别代表变量的水平,以发芽率(R)为响
应值进行响应面优化。Box-Behnken试验设计因素
和水平如表1所示,采用Design Expert软件对试验
数据进行回归分析。
表1 Box-Behnken设计试验因素与水平
Table 1 Factors and levels in Box-Behnken design
编码水平
Code level
因素Factor
赤霉素稀释液(A)
Gibberelin diluent/mL
凹凸棒土(B)
Attapulgite/g
保水剂(C)
Water retention agent/g
-1  4  8  13
0  5  9  15
1  6  10  17
1.7 发芽率测定
根据种子的大小,选择适当的发芽器皿,在玻璃
皿中垫上纱布、脱脂棉、砂子等,这些用具均经高温
消毒,以避免杂菌感染种子。将种子整齐地排列在
上面,种子之间保持一定的距离,然后将其置于恒温
培养箱中进行发芽试验,记录发芽情况和发芽粒数。
剔除发芽过程中腐烂发霉的种子,重复3次,根据发
芽粒数来计算发芽率[5]。
种子发芽率=
发芽种子粒数
试验种子粒数×100%。
1.8 自然条件下发芽率验证
将经过包衣后的种子直接洒在试验田中,播种
时不浇水,不施肥,不喷洒农药,靠自然降水。在自
然播种条件下,每天观察种子的发芽状况,并在10d
后观测试验田中种子的发芽率。
2 结果
2.1 单因素试验
2.1.1 赤霉素添加量的选择 在赤霉素浓度较低
时,种子发芽的时间明显长于高浓度的种子,并且种
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子的发芽率也会随着赤霉素添加量的变化而变化。
在赤霉素含量较低的情况下,随着其浓度的增加,种
子发芽率增大;赤霉素添加量为5mL时种子发芽
率最高。当赤霉素添加量超过5mL时,种子发芽
率开始显著下降(图1)。因此,适宜的赤霉素添加
量为3~7mL。低浓度赤霉素可以解除种子的休眠、
促进种子的萌发和调节种子萌发过程中各激素的平
衡[6]。同时,赤霉素与细胞分裂素在植物的发育过程
中起相反的作用。这两种激素间存在拮抗作用,细胞
分裂素阻碍赤霉素的生成并促进其降解,而赤霉素则
抑制细胞分裂素的应答。因此,维持二者之间的动态
平衡对于植物生长发育非常重要。高浓度的赤霉素
会打破这种平衡,抑制种子的萌发和生长[13-14]。
图1 不同赤霉素添加量处理对发芽率的影响
Fig.1 Effects of gibberelin volume on
seed germination rate
2.1.2 凹凸棒土添加量的选择 种子萌发所需的
能量来源于种子贮存物质的氧化分解,其需要大量
酶的参与。一些微量元素如 Mg、Mn等不仅是组成
酶或辅酶的成分,而且也是酶的催化剂[7]。在凹凸
棒土添加量水平较低的范围中,种子发芽率随着凹
凸棒土添加量的增加而逐渐增加;当添加量超过9g
时,种子发芽率的变化不再明显(图2)。可能因为
凹凸棒土为种子萌发提供的微量元素达到萌发所需
的最大值后,再增加凹凸棒土的含量对种子发芽率
影响不大,因此,适宜的凹凸棒土添加量为7~11g。
2.1.3 保水剂添加量的选择 在一定范围内发芽
率随着保水剂添加量的增加而增加,至添加量为15
g时,发芽率达峰值(94%),当添加量超过一定范围
时,发芽率反而随着保水剂添加量的增加而降低(图
3)。保水剂可以让种子在恶劣干燥的自然条件下保
持发芽所需要的水分,保水剂是高分子吸水树脂,用
其处理后的种子再在包衣的最外层覆上一层多聚合
物的薄膜,在环境水分不足时可起到延缓种子发芽
的作用,在环境水分充足时使保水剂起到吸水作用,
供种子萌发。但当保水剂添加量过高时,又会对种
子的萌发造成伤害,可能是由于保水剂自身的化学
特性会对种子的萌发起到副作用,并且可能会吸出
种子里面的自由水,对种子造成伤害[8],因此,适宜
的保水剂添加量为11~19g。
图2 凹凸棒土添加量对发芽率的影响
Fig.2 Effects of attapulgite weight on
seed germination rate
图3 保水剂添加量对发芽率的影响
Fig.3 Effects of water retention agent on
seed germination rate
2.2 Box-Behnken试验结果
采用Design-Expert软件,以赤霉素体积、凹凸
棒土添加量和保水剂添加量为响应变量,以发芽率
为响应值进行二次多项式回归拟合(表2),得到二
次多项式回归模型为:
R=94.00-2.38A+0.062B+0.25C+
0.5AB+0.25BC+0.75BC-8.5A2 -1.5B2 -
2.75C2
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  对表2中试验结果进行响应曲面统计分析(表
3)表明,整体模型的P<0.0001,说明该方程对试验
拟合较好。校正系数R2=0.992 3,表明99.23%的
数据可以用此方程来解释。赤霉素添加量、凹凸棒
土添加量和保水剂添加量在试验过程中起主要作
用,在考察变量范围内,对发芽率的影响顺序为赤霉
素添加量>凹凸棒土添加量>保水剂添加量。
  根据回归方程作出响应面,检验拟合响应面的
形状,分析赤霉素添加量、凹凸棒土添加量和保水剂
添加量的两两交互作用对紫羊茅种子发芽率的影响
(图4)。在考察的变量范围内,发芽率随着赤霉素
和凹凸棒土添加量的增加而升高,赤霉素到达一定
水平后,发芽率会出现一个峰值,但当因素水平继续
升高时,发芽率开始降低;发芽率会随着凹凸棒土的
增加出现峰值后,不再变化(图4)。凹凸棒土和保
水剂交互作用(图5)变化趋势与图4中相似,在低
因素水平下发芽率增长,但变化量较小,因素水平较
高时,发芽率反而开始下降。赤霉素与保水剂交互
作用显示(图6),发芽率随着两因素的增加而升高,
达最大值后开始下降。因此,在变量的考察范围内,
赤霉素添加量是包衣种子发芽率最关键的因素。
表2 Box-Behnken试验方案与结果
Table 2 Box-Behnken experimental design and result
试验号
Trial number
A  B  C
发芽率(R)
Germination/%
1 -1 -1  0  86
2  1 -1  0  81
3 -1  1  0  86
4  1  1  0  83
5 -1  0 -1  85
6  1  0 -1  79
7 -1  0  1  86
8  1  0  1  81
9  0 -1 -1  90
10  0  1 -1  90
11  0 -1  1  88
12  0  1  1  91
13  0  0  0  94
14  0  0  0  94
15  0  0  0  94
16  0  0  0  94
17  0  0  0  94
表3 响应面分析试验方差分析结果
Table 3 Box-Behnken experimental design and experimental results for response surface analysis
方差来源
Source
平方和
Sum of squares
自由度
df
均方
Mean square
F值
Fvalue
P值
Pvalue
模型 Model  418.75  9  46.53  100.21 <0.000 1
A  45.13  1  45.13  97.19 <0.000 1
B  3.12  1  3.12  6.73  0.035 7
C  0.50  1  0.50  1.08  0.333 9
AB  1.00  1  1.00  2.15  0.185 7
AC  0.25  1  0.25  0.54  0.486 9
BC  2.25  1  2.25  4.85  0.063 6
A2 304.21  1  304.21  655.22 <0.000 1
B2 9.47  1  9.47  20.40  0.002 7
C2 31.84  1  31.84  68.58 <0.000 1
残差Residual  3.25  7  0.46
失拟项Lack of fit  3.25  3  1.08
纯误差Pure of error  0  4  0
总差Cor total  422  16  16
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图4 赤霉素含量和凹凸棒土质量交互作用
Fig.4 Interaction effects of gibberelin diluent and attapulgite
图5 凹凸棒土质量和保水剂质量交互作用
Fig.5 Interaction effects of attapulgite and water retention agent
图6 赤霉素含量和保水剂质量交互作用
Fig.6 Interaction effects of gibberelin diluent and water retention agent
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3 讨论与结论
通过回归模型预测,得到100g紫羊茅种子包
衣剂主要成分最佳含量为:4%的赤霉素乳油800倍
稀释液5mL、凹凸棒土9g、保水剂15g。在此条件
下,经过验证试验,得到包衣后的紫羊茅种子,在自
然播种状态下的发芽率可以达到93%。与理论误
差为1%,因此,基于响应曲面法所得的优化工艺参
数准确可靠,具有实用价值,其发芽率比未包衣的种
子高53%。与赵秀华等[15]在最适条件下测得未包
衣的紫羊茅发芽率相近。包衣后的种子可以克服不
良的自然环境,是由于包衣剂中赤霉素、凹凸棒土和
保水剂等为解除种子的休眠期、促进种子萌发等提
供了一个良好的内环境,并且供给了发芽过程中所
需要的水分和营养物质,从而使发芽率有显著提高。
使用软件 Design-Expert 7.0 中的 Box-Be-
hnken试验设计,通过回归设计得到了紫羊茅种子
包衣后发芽率与赤霉素添加量、凹凸棒土添加量、保
水剂添加量的回归模型,经检验证明该模型是合理
可靠的,能够较准确地预测包衣种子的发芽率,得到
紫羊茅种子包衣最佳工艺条件。
参考文献
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(责任编辑 武艳培)
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