农药快讯:2019年第15期
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种子处理配方及常见问题
作者:丑靖宇 遇 璐 刘变娥(沈阳中化农药化工研发有限公司,新农药创制与开发国家重点实验室) 更新时间:2019-09-11 点击量:275

    摘要:种子处理技术因其投入成本低,经济效益高,环保压力小等优点已成为当今农业绿色发展的重要抓手,是一种十分盛行的作物保护手段。随着人们环保意识的不断增强,研究新型种子处理剂已成为热点。本文总结了国内外种子处理剂的登记应用现状,并从活性组分、配方技术和对根系健康的影响等方面对种子处理剂的现状及常见问题技术进行了阐述,重点对开发过程中常见的研究难点和种子处理剂的未来发展方向进行了归纳分析。

 

种子处理剂发展概况

    种子处理剂是一类用于种子处理的农药制剂,是继杀虫剂、杀菌剂、除草剂之后的第四大类农药剂型产品。种子处理剂在作物萌发和生长初期用药,消灭土传和种传病虫害,大大减轻了中后期的防治压力。有些病害和虫害只有通过种子处理才能有效防治,后期大田用药防治效果很差,例如玉米粗缩病采用克百威处理玉米种子能够有效防治;玉米丝黑穗病可通过采用戊唑醇进行种子处理实现有效防治。据统计,中国农作物种子处理的面积达10亿亩,按全国种植面积22亿亩次计算,种子处理技术应用面积约45%;按全国病虫害防治面积80亿亩次计算,种子处理技术应用占12.5%。种子处理剂具有高效、经济、环保、持效期长、多功能、便于机械化作业等诸多优点,是降低农药使用量,提高农药利用率的重要方式。

 

1.1  种子处理剂市场概况

    中国从上世纪80年代开始种子处理剂的登记、生产和应用。进入本世纪之后,种子处理剂得到了快速发展。2004年,中国种子处理剂市场仅有2.2亿元,2008年增长为8亿元,这期间增长主要来自于国内种衣剂企业,国产种衣剂占比最高达到81%。2012年,中国种子处理剂市场快速增长至16亿元,这期间贡献更多来自于跨国公司,国产种衣剂占比降至53%。2013—2017年,这5年期间中国种子处理剂的市场增长比较平稳,市场总额达到29亿元,其中国内企业占比稳定在2/3左右。种衣剂市场总额占农药制剂产品市场总额的比例大约为6.5%左右,呈现稳定增长趋势。随着种植结构的调整和人们环保意识的提高,农业绿色化发展使国内种子处理剂市场前景光明(图1)。

 

 

图1  2008—2017中国种子处理剂市场发展

 

1.2  种子处理剂的应用概况

    土壤处理易受土壤湿度、土壤质地、有机质含量、pH、风沙等因素的影响,药效不稳定,大部分药剂会被土壤中的胶体固定,另一部分易挥发和光解,药剂损失严重。为了降低挥发和光解需进行混土作业,成本较高。而种子处理在药效、经济、健康上均优于土壤处理,成为当今农药使用的重要趋势,由于其具有特有的优势深受人们关注,并得到广泛发展。

 

    从近十年来,中国种子处理应用情况(表1)可以看出:① 2008—2018年近十余年,中国种子处理面积呈现不断增长的趋势,土壤处理面积增长缓慢;② 种子处理面积远大于土壤处理面积。种子处理具有环境污染小,防治效果好,农药利用率高等特点,在农业生产中得到广泛应用并稳定增长。

 

表1  2008-2018年中国种子处理和土壤处理面积

年份

种子处理(万亩)

土壤处理(万亩)

2008

68,741.97

23,465.74

2009

80,242.64

28,042.94

2010

76,652.59

31,092.59

2011

81,432.38

27,251.51

2012

93,795.35

26,236.12

2013

95,091.86

27,271.22

2014

98,240.02

27,388.03

2015

99,697.87

29,979.35

2016

99,134.44

26,495.00

2017

10,177.38

30,799.27

2018

102,893.54

28,290.01

 

1.3  种子处理剂的登记政策

    2017年11月1日发布的国标《GB/T19378—2017 农药剂型名称及代码》,从2018年5月1日正式实施,替代GB/T19378—2003标准。该标准中对于种子处理剂修改的部分包括种子处理固体制剂部分,删除了种子处理可溶性粉剂;种子处理液体制剂中将悬浮种衣剂、种子处理悬浮剂和种子处理微囊悬浮剂合并为种子处理悬浮剂,英文命名为(Suspension concentrate for seed treatment),缩写为FS。

 

1.4  种子处理剂的登记情况

    1985年,首个种子处理剂(35%甲霜灵拌种剂)在中国取得登记。1985—2000年,仅有5个种子处理剂产品获得登记。2000—2007年,三唑类杀菌剂、新烟碱类杀虫剂出现,种子处理剂平稳发展。2007—2010年,双酰胺类、吡唑类农药新品种用于种子处理。2010年以来,种子处理剂开始迅速发展,近十年的登记数量总体呈持续增长趋势。种子处理剂在这30多年的发展历程中,其登记数量总体上呈现持续增加的趋势,2018年,中国登记的种子处理剂共107个(其中单剂55个,混剂52个)。截止2018年底,中国登记的种子处理剂产品数量共829个,登记厂家278家,其中悬浮种衣剂650个,种子处理可分散粉剂57个,种子处理悬浮剂53个,种子处理干粉剂21个,其他48个。对种子处理剂登记情况按照登记剂型种类、登记作物、有效成分种类、登记配方种类进行汇总(表2)。截至2018年,中国共有微生物农药登记2种,分别是作用于大豆胞囊线虫的苏云金杆菌和作用于黄瓜枯萎病的枯草芽孢杆菌。

 

表2  种子处理剂登记情况

项目

登记数量(种)

剂型种类

16

登记作物

15

有效成分种类

47

登记配方种类

160

微生物农药

2

 

1.5  种子处理剂产品情况

    跨国公司种子处理技术起步较早,目前已经拥有大量成熟且效果较好的产品。主流国外公司产品如下:先正达主要围绕苯醚甲环唑、咯菌腈、嘧菌酯、噻虫嗪、甲霜灵等有效成分生产适乐时®、敌委丹®、亮盾®、满适金®、锐胜®、酷拉斯®等品牌;拜尔主要围绕戊唑醇、吡虫啉等有效成分生产高巧®、立克秀®、奥拜瑞®等品牌;爱丽思达(原科聚亚)主要围绕种菌唑、萎锈灵、氯氰菊酯等有效成分生产帅苗®、卫福®、劲苗®、顶苗新®等品牌。国内产品情况,以福美双混剂(克百威、多菌灵、戊唑醇、萎锈灵等)为主,共占(中国企业供应产品价值)80%以上份额。此外,噻虫嗪、吡虫啉、咯菌腈等以单剂或混剂使用也占有一定的市场比例。目前,国内种子处理剂产品仍以中低端和跟随国外过期产品为主,近年技术进步明显,成膜剂、功能助剂的研发、加工工艺及设备有所进步较大。但总体而言,与跨国公司相比,仍有较大差距,产品单剂或二元复配为主,功能较为单一,配方及工艺研究精细程度不够,生产设备及生产管理仍需要改进提升,市场技术支持服务能力需要加强。

 

2  种子处理剂配方研究

2.1  活性组分

    种子处理用杀菌剂的活性成分不断向高效低毒演变。20世纪30年代,其活性成分主要是有机汞类(醋酸苯汞)。20世纪20~50年代,二硫代氨基甲酸酯类(福美双)、芳烃类(五氯硝基苯)和酞酰亚胺类(克菌丹)等应用于种子处理。20世纪60年代,酰胺类(甲基硫菌灵、萎锈灵)和苯丙咪唑类(多菌灵)等杀菌剂开始用于种子处理。20世纪70~90年代,三唑类(三唑醇、戊唑醇、苯醚甲环唑)、苯基酰胺类(甲霜灵)和苯基吡咯类(咯菌腈)等逐渐成为主要种子处理剂产品。21世纪,甲氧基丙烯酸酯类(嘧菌酯、吡唑醚菌酯)和琥珀酸脱氢酶抑制剂类(氟唑环菌胺)等新成分开始应用于种子处理。

 

    应用于种子处理的杀虫剂从1948—1990年,以具有较高毒性的有机氯类(林丹)、有机磷类(二嗪磷、乙拌磷、毒死蜱、乙酰甲胺磷、甲基嘧啶磷)、氨基甲酸酯类(灭多威、克百威)等为主要有效成分。1990—1999年,以高效中低毒的新烟碱类(吡虫啉)、拟除虫菊酯类(氯氰菊酯、氯菊酯)和苯基吡咯类(氟虫腈)等为主。2000年以后,发展为高效低毒的新烟碱类(噻虫嗪、噻虫胺)和双酰胺类(氯虫苯甲酰胺、溴氰虫酰胺)等。

 

    我们对2007—2018年种子处理剂中新用有效成分情况进行汇总(表3),可以看出,酰胺类杀虫剂成为种子处理新主力,新型琥珀酸脱氢酶抑制剂(SDHI)类杀菌剂数量较多,全新作用机制有效成分应用前景广阔。

 

表3  2017-2018年种子处理剂中新用有效成分情况(百万美元)

名称

商品名

类别

上市时间

2016年销售额

双炔酰菌胺

Mandipropamid

杀菌剂

2007

120

安美素

Amisulbrom

杀菌剂

2008

<30

氯虫苯甲酰胺

Chlorantraniliprole

杀虫剂

2008

1,365

坚强芽孢杆菌

Bacillus firmus

杀虫剂

2010

60

异噻菌胺

Isotianil

杀菌剂

2010

<30

氟唑环菌胺

Sedaxane

杀菌剂

2011

65

溴氰虫酰胺

Cyantraniliprole

杀虫剂

2012

80

氟吡菌酰胺

Fluopyram

杀菌剂/杀线剂

2012

65

氟唑菌酰胺

Fluxapyroxad

杀菌剂

2012

410

氟唑菌苯胺

Penflufen

杀菌剂

2012

150

氟吡呋喃酮

Flupyradifurone

杀虫剂

2014

<10

氟噻唑吡乙酮

Oxathiapiprolin

杀菌剂

2015

 

Tioxazafen

 

杀虫剂

2018

 

 

2.2  配方技术

    种子处理在配方研究过程中要考虑以下几点:(1)原药性质:外观、熔点、闪点、密度、分解温度、蒸汽压、分配系数、溶解度、稳定性等;(2)助剂性质:类型(与原药的匹配度,发挥的作用机理)、分子量、pH、毒性、稳定性、适应性等;(3)方案评估:物理性质和化学性质、生物活性数据、市场导向、商业价值、政策影响等。

 

    种子处理剂的有效成分有杀菌剂、杀虫剂、杀线虫剂。助剂体系包括成膜剂、润湿分散剂、功能性助剂、警色剂、增效剂等,不同的种子及不同的防治对象所用种子处理剂的组成不一样。其它助剂有pH调节剂、抗冻剂、消泡剂、防腐剂等,这些辅助助剂在一定程度上也会影响制剂的物理稳定性。

 

    种子处理悬浮剂工艺流程与悬浮剂的工艺类似:原药、助剂和水预混合分散,经过高剪切分散、砂磨后,加入成膜剂,消泡剂等使体系更均匀,得到的产品进行贮存,检测一系列稳定性指标。种子处理悬浮剂配方中存在的稳定性问题包括:(1)粒子相互作用引起絮凝和聚结。悬浮体系中,存在粒子布朗运动,悬浮剂更容易形成链状或链团的网络聚集状态从而更容易发生絮凝或聚结。(2)晶体长大。悬浮剂体系属于热力学上不稳定体系,随着时间的推移,粒子的大小和分布会慢慢朝着较大粒子的方向移动,出现粒子结晶变大的现象,称为奥氏熟化。(3)重力作用引起的分层和沉淀。

 

    从粒径上解决沉降和聚集问题时,两者不能很好的兼顾,因为粒径越小沉降速度越慢,但能耗增加,对设备要求高,且粒径越小也意味比表面积越大,体系不稳定,粒子间容易聚集。常规悬浮种衣剂的粒径在1~5 µm,并要求粒径范围尽可能窄。达到此目的的主要途径是除合适的配方以外需要控制加工设备及加工工艺条件:① 加工设备:选用剪切分散机和框式搅拌高效组合搅拌,效果比较好,卧式盘式向卧式棒销式发展,新增冷却手段,向高效化,智能化发展,研磨后的固体粒子明显降低;② 研磨介质:目前应用较多的是氧化锆珠,其体积小,耐磨性强,适用于研磨要求较细的物料。此外研磨介质的大小对物料的细度影响也较大,一般选用0.6~2 mm的氧化锆珠,或将大小不同的锆珠混合,可得到粒径小于5 的物料;③ 装填系数:研磨介质的最大填充体积一般不超过砂磨机筒体体积的75%。研磨介质用量要适当,过高会导致出料率降低,生产效率低。过低不利于物料在砂磨机里研磨,导致粒径较大。一般研磨介质用量为物料的1.5倍~2倍;④ 研磨时间:可通过改变研磨介质的尺寸进行多次研磨,先用较大研磨介质进行粗略研磨,再用尺寸较小研磨介质重复研磨,最终也可得到稳定性较好的样品;⑤ 研磨温度:研磨过程中要注意控制物料温度,温度过高得到的物料一般稳定性较差,粒径不均匀,研磨过程中一般通入冷凝水保证温度稳定在低温。此外物料硬度、加料方式及顺序等也会不同程度影响砂磨效果和效率,加工过程中也需要注意关注。

 

2.3  根系健康—活性组分影响

    经过种子处理剂包衣的种子,在播种后,包裹的膜物质在土壤中吸水膨胀,此时“无活性”的“活性物质库”转变为有活性的“活性物质库”,其活性成分通过膜孔道或者膜本身极缓慢地移动或扩散而逐步与种子及邻近土壤接触,防治种传和土传病害及虫害。活性组分是一把双刃剑,对未萌发的种子风险比较大,影响根系健康,对作物幼苗生长指标(株高、根长、茎粗和鲜重等)和生理生化指标(根活、叶绿素和酶等)有一定的影响;对萌发后的种子相对安全,“活性物质库”中内吸性杀虫杀菌剂等在助剂的帮助下,逐步被种子及植株吸收传导至地上植株部分,从而有效防控作物苗期病虫害。

 

    种子处理剂的药害产生主要有以下几个原因:(1)有效成分:随意添加其他成分、原药中部分杂质或者有效成分超量使用等都会带来药害风险。比如三唑类杀菌剂的超量使用经常会产生药害。(2)剂型:有机溶剂对种子有严重药害,乳油等喷雾使用的制剂不当使用于种子处理存在巨大风险,助剂中含有少量有机溶剂也可能产生药害。(3)播种技术如播种时间和播种深度不当也可能产生药害,如提前播种遭遇低温或者播种较深,种子也容易延迟出苗或导致缺苗。

 

2.4  根系健康—助剂组分的影响

    助剂是种衣剂中重要成分,助剂中杂质如重金属离子、有机溶剂等可能会影响包衣种子的安全性,不当成膜剂可能在种子萌发中形成较大种皮压力延迟种子萌发。特别需要关注助剂中影响种子萌发的不利因素的叠加效应,不同表面活性剂复配需要通过大量系统的安全性试验。种子处理剂配方中严禁使用含有机溶剂的助剂,大豆种子处理剂对短链醇类物质较为敏感,严禁使用短链醇类物质作为抗冻剂。逆境下包衣种子安全性试验非常必要。

 

2.5  根系健康—生长调节剂的影响

    植物生长调节剂是一类用于调节植物生长的物质,包括从生物中提取的天然植物激素和人工合成的具有植物激素相似作用的化合物。作为抗逆性种子处理剂,有以下作用:(1)可抑制顶端优势:能有效控制顶部细胞的正常生长;使植株矮化、穗位下降;促进生殖生长,可增产达8%~12%。(2)提高抗逆性:降低作物的穗位高;促进茎秆增粗;增加基部节间粗度;跟粗壮,叶增厚;玉米植株抗倒伏能力明显增强。(3)提高光合作用:提高植株叶面积,缩短功能叶节间;使植株紧凑,提高光合效率;加速光合产物的积累;增强作物自身防御力。(4)促进植物根系生长:增加作物气生根数和层数;增强幼苗根系吸水能力;以及植株营养供给;作物茎秆变壮增粗;提高对抗各种环境胁迫能力。

 

种子处理剂常见问题

3.1  现存问题

    国内种子处理剂目前存在的主要问题包括:① 农药登记问题,新农药管理条例规定混合制剂农药中的有效成分最多3个,在一定程度上不利于种子处理剂向多功能发展;② 种子处理剂之间的可混性需要关注和研究;③ 包衣机械没有标准,部分作物仍然以农民、经销商包衣为主,没有实现种子包衣规模化生产;④ 适用的有效成分相对较少,产品雷同现象较为普遍;⑤ 安全性问题,特别是在逆境下对种苗的安全性问题,需要深入研究;⑥ 种子处理剂的质量评价体系和标准,有关应用性能、种子健康标准方面的评价体系,有待完善;⑦ 市场销售的农药质量存在问题,市售种子处理剂良莠不齐,产品质量亟待提高;⑧ 应用推广方面,农民对种子包衣技术认识还需要提升,种衣剂应用滞后于作物生产,政府尚需加大投入力度。

 

3.2  发展瓶颈

    经过近10年的发展,国内种衣剂得到了较快发展。但是,国内种衣剂要再上一个台阶,缩小和跨国农化企业在该领域的差距,面临如下发展的瓶颈:(1)产品安全性较差:种业的技术支持,配方安全化,规范市场,适时播种,包衣技术,标准用药。(2)系统精细不够:配方精细化,工艺精细化,标准精细化,应用精细化等。(3)创新性不足:原药的创新,助剂的创新,剂型的创新,制剂的创新等。

 

3.3  安全性问题

    随着种子处理剂的使用面积扩大与种子处理技术的发展,安全性评价的改进,逐渐认识到种子处理剂的生产应用中对作物安全的风险和重要性,杀菌剂的更新换代、激素类杀菌剂应用、人工合成植物生长调节剂、微量元素等均造成药害、肥害发生频繁。

 

    种子处理剂存在安全性问题的原因包括:① 在作物生存能力最薄弱(萌发、芽期、苗期)时期用药;② 单位面积承载有效成分的量最高:承载面积远小于喷施;③ 有效成分分布不均几率大:大多数种衣剂不经稀释或低倍数稀释进行种子包衣,施药不均的几率最大等。这些因素在种子质量参差不齐、气候异常多变、应用技术支持不到位等情况下很有可能发生安全性风险和问题。

 

4  种子处理剂的应用发展方向

    鉴于种子处理剂的自身特点和应用阶段,未来发展方向需要关注以下几个方面:(1)研究新的制剂技术:缓控释剂型的研究开发,种子处理剂新型专用助剂研究,纳米新复合材料的应用,开发抗逆(抗旱、抗寒、抗酸、抗盐碱、抗低温)等产品,环保、高效制剂技术研究。(2)研究开发新活性组分:不同作用机制的化学农药开发为种子处理剂,生物农药用于种子处理剂的开发,生长调节剂的选择,抗病诱导剂的选择,营养物质的选择。(3)种子处理技术功能化研究:防治植物病虫害,促进植物健康,具有增产保护作用,关注转基因技术发展。(4)技术开发方向:开发新的化合物/生物,增加安全剂、作物免疫力、增强根系/节间压力,开发新的包衣技术,增加激素、营养成分等。(5)防除病虫害方向:开发能够防治病、虫、鸟、鼠等,抗除草剂,抗倒伏,提高种衣剂持效期,调节父母本开花时间的新型种衣剂产品。(6)种植作物方向:使用范围依然集中在小麦、玉米、棉花、水稻、大豆、花生、马铃薯以及蔬菜等特色作物上。

 

    综上,种子处理剂作为一种从萌芽期着手的有效保护作物生长的手段,正受当今行业内众人力推,发展迅速。尽管如此,前述的发展问题必须引起注意,弥补不足,向安全高效方向引导种子处理技术,保证种子处理剂品种和应用的健康发展。

 

农药快讯, 2019 (15): 40-43.

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