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中国现有人工林面积约6 933万hm2，居世界之首[1]。但人工林木材存在材质松软、尺寸不稳定、不耐腐等缺陷，长期以来被作为劣质材，在实际应用中受到制约[2]。为了解决这些缺陷，弥补优质针、阔叶材资源不足的问题，科研人员开展了一系列高效利用人工林木材的研究。重组木是以人工林木材为主要原料，木束或纤维化木单板为基本构成单元，浸渍胶黏剂后按顺纹组坯压制而成的板（方）材。重组木经过40余年的研究和发展，逐渐成为速生林木材小材大用、劣材优用最有效的途径之一[3]。由于重组木密度基本在0.80 g·cm-3以上，其力学性能大部分已经超越优质硬阔叶材和普通人造板[4]。随着木结构建筑、湿地园林景观设施等领域的蓬勃发展，一些企业已经开始探索重组木材的应用领域由室内用材向耐候户外材等高附加值领域跨越的可行性。但木材作为有机天然生物高分子材料，在合适的温湿度条件下，容易遭受微生物和虫类的侵蚀破坏，导致木材“三大素”的降解，从而降低了木材的材质和使用寿命[5]。同时，速生材杨木材质轻，导管直径大，极易受到腐朽菌的侵害，属不耐久木材[6]。因此，杨木重组木防腐技术的研究和推广应用显得尤为重要。目前，木质材料的防腐主要是应用化学药剂处理材料，阻止菌虫等生物因子对材料的危害，从而使材料的平均使用寿命能延长到5~6倍。水载型防腐剂具有使用方便、物料成本低，处理材表面洁净，而且一般不增加可燃性等优点。水溶性铜唑（CuAz）防腐剂作为一种环保、高效的木材防腐剂，其制剂不含砷、铬，近年来被列入国内外标准，被广泛应用于室内外结构材等领域的防腐处理[7]。为了提高杨木重组木的户外耐久性，对其组成单元进行CuAz防腐剂常压浸渍和真空浸渍处理，并研究其对重组木防腐性能和物理力学性能的影响。
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杨木采自河北文安县，树龄为20 a，胸径25~35 cm，气干密度0.33 g·cm-3；低分子量浸渍用酚醛树脂胶黏剂（PF）购自广东太尔化工有限公司，固体含量为48.06%，黏度为72 mPa·s（30 ℃），pH 11，水溶倍数大于10；CuAz主要成分配比m铜:m戊醇:m丙环唑＝50:1:1，防腐剂质量分数为10.2%。
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按原木旋切→单板裁剪→疏解→干燥→浸防腐剂→干燥→浸胶→干燥→组坯→热压→平衡→锯解的流程进行。
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新鲜杨木锯材经旋切机旋切成6 mm厚的单板，裁剪后利用多功能疏解机疏解成网状的纤维化单板，并自然大气干燥至含水率为10%左右。
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根据目标试材的载药量（约1 kg·m-3）和前期预实验，采用常压浸渍和真空浸渍法对干燥后的杨木纤维化单板进行浸渍，浸渍液为质量分数0.28%的CuAz防腐剂溶液。①常压浸渍：将纤维化单板浸渍于防腐剂溶液中，5 min后取出，自然大气干燥至含水率10%左右。②真空浸渍：将纤维化单板浸渍于防腐剂溶液中，放入真空浸渍处理罐内，真空浸渍处理罐的工作参数为-0.05 MPa，浸渍30 s，卸压至常压，浸渍30 s取出，自然大气干燥至含水率10%左右。
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根据预浸胶试验结果，配置12%固体含量的PF胶液对杨木纤维化单板进行浸渍3 min，调控沥胶时间确保纤维化单板浸胶量在（13.0±0.5）%，自然大气干燥至含水率10%左右。
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按试验设定的重组木密度（1.05 g·cm-3），称取干燥后的浸胶纤维化单板，按顺纹方向均匀铺装在模具中，板坯幅面为45 cm × 16 cm，最终厚度为20 mm。采用热进冷出的热压工艺，热压温度为（140±1）℃，压力为2.5 MPa，热压速率为1 mm·min-1。未进行防腐处理的杨木纤维化单板按上述工艺压制成重组木，作为对照组。
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上述试板在大气中平衡2周，按规定尺寸裁边，锯制试件。
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用带能谱的扫描电子显微镜（Hitachi SU 8010, 日本）观察浸渍CuAz防腐剂后纤维化单板横切面的微观结构，并在相同细胞位置进行能谱面扫，利用系统自带的软件获得相应的元素含量。
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采用粉碎机将防腐重组木和对照组粉碎后，筛选大于200目的粉末样品，将样品在103 ℃烘箱内干燥至绝干后，用傅立叶变换红外光谱仪（Bruker Vertex 70, 德国）测试分析重组木的主要化学成分变化。
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参照GB/T 13942.1-2009《木材天然耐腐性实验室试验方法》进行防腐实验，12周后测定重组木的质量损失率，评价重组木的耐腐性能。检测结果为6个试样的平均值。选用耐腐试验菌种：白腐菌为采绒革盖菌Coriolus versicolor（CV），褐腐菌为密黏褶菌Gloeophyllum trabeum（GT）。
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参照GB/T 30364-2013《重组竹地板》进行耐水性能检测。采用28 h循环水煮法，先将试件放入100 ℃沸水中水煮4 h，然后在（63±3）℃空气对流干燥箱中干燥20 h，再将试件放入100 ℃继续水煮4 h。测试试件的吸水宽度膨胀率（WSR）、吸水厚度膨胀率（TSR）和吸水率（WAR）。结果取6个试件平均值。
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参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，检测试件的静曲强度和弹性模量；参照GB/T 20241-2006《单板层积材》，检测试件的垂直加载水平剪切强度。结果取6个试件平均值。
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采用带能谱的扫描电镜对铜唑防腐剂浸渍后的杨木纤维化单板进行微观结构观察和能谱分析，从图 1可知：纤维化单板横切面上，导管、木射线和纤维中均有明显的铜元素分布，但分布不均匀，以导管和木射线中分布居多：纤维中分布较少。在导管和木射线中，CuAz防腐剂黏附在这些细胞腔壁上。由图 1B和图 1E可知：CuAz防腐剂填充至木射线细胞中。由图 1C和图 1F可知：CuAz防腐剂渗透进入纤维细胞壁中。上述分析表明，CuAz防腐剂具有很好的渗透性，能很好地进入到导管、木射线和纤维细胞的细胞腔和细胞壁中。
图 1 铜元素在纤维化单板横切面上的分布
Figure 1. Distribution of Cu element on the tangential section of fibrotic veneer
对CuAz防腐剂处理后纤维化木单板中各元素相对含量测定可知（表 1）：木射线中铜元素相对含量最高（2.57%），约纤维中的3.5倍。原因可能是与纤维细胞相比，壁厚腔大的导管和壁薄腔大的木射线的细胞壁上纹孔多，有利于防腐剂的渗透。
表 1 防腐浸渍处理纤维化木单板的元素相对含量
Table 1. Element content of CuAz treated fibrotic veneer
部位 碳/% 氧/% 铜/% 导管 71.38 29.19 1.42 木射线 71.54 25.88 2.57 纤维 72.56 26.71 0.73 -
图 2是防腐重组木的红外光谱（FTIR）图，其中素材为杨木，对照组为未经过防腐处理的重组木，常压防腐为常压防腐处理的重组木，真空防腐为真空防腐处理的重组木。由图 2可知：防腐重组木1 740 cm-1附近吸收峰的减弱，表明半纤维素的羧基发生变化，原因可能是热压过程中半纤维素的降解和CuAz与半纤维素之间进行配体交换形成络合物[8-9]。木质素上的部分官能团也易与CuAz反应生成新的化合物。代表芳香族骨架振动的1 510和1 423 cm-1附近吸收峰的降低，表明CuAz与芳香环上的C＝C发生了反应[10]。1 333 cm-1附近的酚羟基面外振动吸收峰减弱，表明酚羟基参与了木质素-铜络合物的形成。红外光谱分析表明：CuAz防腐剂与纤维化木单板中细胞壁的半纤维素和木质素发生了络合反应。
图 2 防腐重组木的红外光谱图
Figure 2. FTIR images of the CuAz treated scrimber
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从图 3可知：经CV菌和GT菌侵染12周后，杨木素材的平均质量损失率达90%以上，未经防腐处理的重组木对照组试样平均质量损失率在15%以上，而经过常压浸渍和真空浸渍防腐处理的重组木平均质量损失率均低于10%，达到Ⅰ级强耐腐等级。表明经过CuAz防腐剂处理的重组木具有优异的耐腐性能。CV菌腐朽下（图 3A），常压防腐重组木的平均质量损失率为5.71%，比真空防腐重组木和对照重组木分别降低3.38%和65.41%。GT菌腐朽下（图 3B），真空防腐重组木的平均质量损失率为6.07%，比常压防腐重组木和对照重组木分别降低5.75%和60.27%。相比而言，真空防腐重组木抗CV菌腐朽性能小于常压防腐重组木，抗GT菌腐朽性能大于常压防腐重组木。
图 3 防腐重组木的质量损失率
Figure 3. Mass loss of CuAz treated scrimber
重组木以纤维化单板为基本单元，经过施加酚醛树脂胶黏剂后组坯胶压而成。研究表明：由酚醛树脂浸注处理后的木质材料具有很好的耐腐性能[11]。木材经过疏解，除导管等重要的渗透路径外，其中大部分薄壁细胞的胞壁也被破坏，有利于防腐剂进入导管、木射线和纤维的细胞壁中，并与细胞壁物质反应生成铜络合物不易流失，可有效抑制腐朽菌的生长和繁殖，对提高重组木的耐腐性能有利。
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如图 4所示：重组木经过常压浸渍和真空浸渍防腐剂处理，吸水率（WAR）、吸水厚度膨胀率（TSR）和吸水宽度膨胀率（WSR）均低于未经防腐处理的重组木对照组，表明经过CuAz防腐剂处理的重组木具有更优的耐水性能。真空防腐重组木的WAR、TSR和WSR分别为34.76%、31.21%和5.15%，比常压防腐重组木分别降低了13.30%、8.80%和5.33%，可见真空防腐重组木的耐水性能比常压防腐重组木更优异。其主要原因是：CuAz防腐剂的铜离子与半纤维素的羧基发生作用形成铜-羧酸盐络合物，与木质素的酚羟基进行反应形成“氮-铜-氧”络合物，减少重组木的吸水性基团，提高重组木的耐水性能；真空状态下，材料内部的空气被抽出，更有利于防腐剂进入木材细胞壁内与细胞壁组分进行络合反应，因此真空防腐的耐水性能比常压防腐木更优异。
图 4 铜唑防腐剂对重组木耐水性能的影响
Figure 4. Effect of CuAz preservative on the water resistance of scrimber
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秦韶山等[12]研究发现：经CuAz防腐处理的竹材弹性模量无显著变化，静曲强度稍有降低。金菊婉等[13]则发现：CuAz防腐处理竹材定向刨花板，静曲强度低于对照试板，弹性模量有所增加。本研究发现：不同防腐工艺处理的重组木静曲强度相比对照组有不同程度的下降（图 5A），其中常压防腐重组木下降了20.07%，真空防腐重组木下降了10.13%；弹性模量有所提高（图 5B），其中常压防腐重组木提高了1.84%，真空防腐重组提高了7.48%。表明铜唑防腐剂处理对重组木的抗弯强度有一定影响。
图 5 铜唑防腐剂对重组木力学性能的影响
Figure 5. Effect of CuAz preservative on the mechanical properties of scrimber
水平剪切强度反映了材料在短梁剪切力作用下的胶合性能。由图 5C可知：常压防腐重组木和真空防腐重组木的水平剪切强度均高于对照组；同时，真空防腐重组木的水平剪切强度比常压防腐重组木表现优异，前者比后者增加了1.70%。表明铜唑防腐剂处理提高了重组木的水平剪切强度。
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本研究利用水溶性CuAz防腐剂对杨木纤维化单板进行常压和真空浸渍处理，分析CuAz防腐剂对重组木化学组分、防腐性能和物理力学性能的影响。微观结构和红外光谱研究发现：CuAz防腐剂具有很好的渗透性，能很好地进入杨木纤维化单板的导管、木射线和纤维等细胞的细胞腔和细胞壁中，并与细胞壁的半纤维素和木质素发生络合反应。经过12周的白腐菌侵蚀，常压防腐和真空防腐重组木的质量损失率均小于10%，比未防腐处理的重组木分别减少了65.41%和64.20%，达到强耐腐等级；经过12周的褐腐菌侵蚀，常压防腐和真空防腐重组木的质量损失率均小于10%，比未防腐处理的重组木分别减少了57.85%和60.27%，达到强耐腐等级。经过真空防腐处理的重组木，其物理力学性能最优异，吸水率和吸水厚度膨胀率比未防腐处理的重组木分别降低了19.24%和13.67%，弹性模量和水平剪切强度比未防腐处理的重组木分别提高了7.48%和10.39%。
因此，CuAz防腐剂处理重组木，不仅可提高重组木耐腐性能，而且能改善其物理力学性能，对拓宽重组木的户外应用具有十分重要的意义。
Effects of CuAz preservative on the antiseptic performance and physical and mechanical properties of poplar scrimber
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摘要:
目的 探讨铜唑（CuAz）防腐剂对重组木化学组分、防腐性能和物理力学性能的影响，以提高重组木的户外耐久性。 方法 采用水溶性CuAz防腐剂对杨木纤维化单板进行常压和真空浸渍处理，以酚醛胶为胶黏剂压制防腐重组木。 结果 CuAz防腐剂能进入导管、木射线和纤维等细胞的细胞腔和细胞壁中，并与细胞壁的半纤维素和木质素发生络合反应。经过白腐采绒革盖菌Coriolus versicolor和褐腐密黏褶菌Gloeophyllum trabeum 12周侵蚀，防腐重组木的质量损失率均小于10%，达到强耐腐等级。防腐重组木的吸水率、吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率均低于未经防腐处理的重组木。同时，防腐重组木的弹性模量和水平剪切强度优于未经防腐处理的重组木，但静曲强度相比对照组有所降低。 结论 CuAz防腐剂处理重组木，可提高重组木耐腐性能，改善其物理力学性能。 Abstract:Objective The research aim is to improve the outdoor durability of scrimber. Method Water-soluble CuAz preservative was used to impregnate poplar fibrous veneer by means of atmospheric pressure and vacuum-pressure, respectively. The effects of CuAz preservative on chemical composition, antiseptic performance and physical and mechanical properties of scrimber were investigated. Result CuAz preservative could enter the cell lumen and cell wall of vessel, wood ray and fiber, and complexed with hemicellulose and lignin of cell wall. After 12 weeks of decay test by Coriolus versicolor and Gloeophyllum trabeum, the mass loss rate of the antiseptic scrimber was less than 10%, reaching the grade of strong decay resistance. The water absorption rate, thickness swelling rate and width swelling rate of antiseptic scrimber were lower than those of untreated scrimber. The modulus of elasticity and horizontal shear strength of anticorrosive scrimber were higher than those of untreated scrimber, while the static bending strength of antiseptic scrimber was lower than that of control scrimber. Conclusion Water-soluble CuAz preservative can improve the scrimber's antiseptic performance and physical and mechanical properties. -
种子的呼吸作用是指在酶的参与下将种子本身的储藏物质进行一系列的氧化分解，同时释放二氧化碳、水以及能量的过程，是种子萌发过程中不可或缺的能量来源，其变化会直接影响种子的生理现象。种子的呼吸强度又称呼吸速率是衡量其呼吸作用强弱的重要生理指标[1]，反映了种子的活力与代谢等生理现象的强弱，与种子的储藏存在密切关系。呼吸代谢途径的顺利启动是种子萌发并健康成长为幼苗的关键因素，对植物的后续生长发育具有重要影响。储藏过程中种子的呼吸作用会改变种子的质量和品质，影响种子活力，能否控制好种子呼吸是关系种子储藏成败的主要问题[2]，因此，对种子呼吸过程进行精准检测十分必要。本研究对种子呼吸检测方法及其原理进行了综述，分析了各种检测方法的优点与存在的问题，讨论了种子呼吸检测方法在种子呼吸代谢、种子储藏和种子活力等方面的研究与应用。
1. 种子呼吸检测方法
呼吸强度是种子生命活动最重要的指标之一，有效检测种子呼吸强度是研究种子呼吸作用的重要前提。种子呼吸消耗氧气(O2)，释放二氧化碳(CO2)，所以氧气消耗量或者CO2释放量可以在一定程度上反映种子的呼吸强度。检测种子呼吸耗氧量的方法有瓦氏微量法、Clark氧电极法和氧传感技术检测法(Q2技术)等；检测种子呼吸CO2释放量的方法有小篮子法、红外线CO2分析仪法和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术检测法等。种子呼吸检测方法向着检测速度快、效率高、重现性好的方向发展，并将成为研究热点。
1.1 小篮子法
小篮子法主要通过测量种子在密闭容器中呼吸产生CO2增加量来测定种子呼吸的强度。将种子放入小篮子中，密封广口瓶，利用饱和碱液氢氧化钡[Ba(OH)2]吸收种子呼吸过程中产生的CO2。待测试结束后，再用草酸溶液滴定残留的Ba(OH)2，记录消耗的草酸溶液量为V1，另取空白组滴定记录草酸溶液量为V0。根据呼吸过程中Ba(OH)2减少量可定量测出种子在整个检测过程中CO2的增加量。基于小篮子法测定种子呼吸强度的计算公式为：种子呼吸强度(mg·g−1·h−1)=( V0−V1)/(mt)，其中：m为种子鲜质量(g)，t为测定时间(h)。
在不同激素、药物和生长环境下，种子萌发过程的呼吸作用会出现很大差异，利用小篮子法能够直观地研究种子在不同外界环境下呼吸作用的变化情况。张璇等[3]利用小篮子法观测到适当浓度的赤霉素浸种可以提高香果树Emmenopterys henryi种子的呼吸速率；李佳等[4]利用小篮子法测定经不同浓度赤霉素处理后的杜仲Eucommia ulmoides种子的呼吸强度，发现随着赤霉素浓度上升，种子的呼吸速率下降；方能虎等[5]采用小篮子法对水稻Oryza sativa种子进行呼吸检测，观察到种子萌发初期稀土元素对其呼吸速率动态变化具有影响；杨雪鹏等[6]利用小篮子法研究不同浓度的维生素吡咯喹啉醌对水芹Oenanthe javanica种子萌发的影响。上述研究表明：利用小篮子法测定种子呼吸，能够简单高效地获取不同浸种环境下种子的呼吸变化规律，为不同环境因素对种子萌发生理效应的探索奠定了基础。
小篮子法操作简便，但不能完全反映种子呼吸CO2浓度的动态变化过程，难以避免外界CO2的侵入和干扰，反应不敏感，在一定程度上影响了种子呼吸强度检测的精度，且计算相对复杂。李海霞等[7]对此做了改进，以利于小篮子法的推广。
1.2 瓦氏微量法
瓦氏呼吸仪(Warburg Respirometer)是测定生物因新陈代谢而产生的气压变化所用的装置。其工作原理为在恒温、恒体积的密闭系统中，用氢氧化钾(KOH)溶液吸收CO2使得气体压力降低，利用测压计显示压力值，从而得到种子呼吸过程中O2消耗量。利用瓦氏呼吸仪测量种子呼吸时，首先将种子称量后放入反应瓶中，并将反应瓶放入恒温控制器。实验开始后调节U型测压管底部的旋钮，使右侧闭管内测压液的液面保持在h=150 mm，读取左侧开管液面高度值。关闭三通活塞使压力计与反应瓶相通，待种子呼吸一段时间后，将右侧液面仍调节至原处，并记录左侧液面高度，然后关闭测压管。瓦氏微量法具有微量和多组测定的特点，灵敏度较高，压力计上只要有1 mm的测压液水柱变化就可以进行测定，比小篮子法的灵敏度和精确度好。
吕洪飞等[8]利用瓦氏呼吸仪对杉木Cunninghamia lanceolata不同无性系小孢子叶球的呼吸强度进行了测量，比较不育株与可育株小孢子叶球及其子叶的呼吸强度，并将所测结果与Clark氧电极法进行比较，2种方法所测结果趋势一致。黄真池等[9]参照黄学林等[10]的瓦氏微量法，使用Shw-2型呼吸仪在25 ℃下测定不同活力等级的白菜Brassica pekinensis种子在不同吸水时间下的呼吸速率，发现了高活力种子和中等活力种子在吸水初期(1~12 h)呼吸速率相差不明显，低活力种子的呼吸速率在吸水前4 h明显低于前两者，但随着吸水时间延长，低活力种子的呼吸速率大小与高、中等级活力种子的呼吸速率逐渐接近。王亚文等[11]利用瓦氏呼吸仪测定在暗反应与光反应条件下黑豆Glycine max种子萌发时产生CO2和消耗O2之间的变化关系，发现黑豆种子的呼吸速率变化符合“S”形曲线，存在明显的呼吸滞缓期。
利用瓦氏呼吸仪测定种子呼吸强度在一定程度上提高了测量的灵敏度和准确性。需要注意的是在瓦氏实验过程中需要保持温度恒定，进行温度校准，并尽可能采用小的呼吸室。为了避免瓦氏呼吸仪中压力和温度对呼吸室的容积产生影响，瓦氏微量法要求所取样品体积小，因此，难以用于大粒种子呼吸强度的测量。此外，Gilson差分呼吸仪和Warburg呼吸计根据呼吸作用产生的压力变化测得种子的呼吸速率，也属于瓦氏微量法，但目前Gilson差分呼吸仪在种子呼吸检测领域应用较少。
1.3 Clark氧电极法
Clark氧电极(Clark oxygen electrode)是一种极谱电极，最早用于测定水溶液中溶解氧的含量，在20世纪30年代就有人利用裸露的银-铂电极研究藻类的光合作用。CLARK[12]在1956年提出薄膜氧电极，1983年，日本学者首次采用微机械加工技术将氧电极微型化，使得测氧技术更加简便稳定[13]。Clark氧电极一般是用银作阳极，铂作阴极，加上一层氧分子可以通过但液体不能通过的薄膜以防止电极被污染，充以氯化钾(KCl)作为电解液。2个电极之间加上0.07 V左右的恒定电压，在极化电压及温度恒定的条件下，将扩散电流的大小作为溶解氧定量测定的基础，即电流大小反应溶解氧含量。Clark氧电极具有反应快、灵敏度高、可连续测量、能够记录O2的动态变化过程等优点，因此常用于研究植物根系、芽、种子、果实、叶片等组织的呼吸速率和耗氧情况，分析糖酵解、三羧酸循环等呼吸代谢途径，从而研究植物组织的休眠和休眠解除等变化过程。
线粒体与种子呼吸直接相关，是细胞进行三羧酸循环和生物氧化的场所[14-15]。BENAMAR等[16]在25 ℃下用校准氧电极检测种子碎片和线粒体耗氧量，证实了线粒体功能与种子品质之间具有相关性。王伟青等[17]利用Clark氧电极分别测定黄皮Clausena lansium种子胚轴、子叶和线粒体的耗氧速率，研究黄皮种子的脱水敏感性与种子呼吸速率显著降低的关系。陶宗娅等[18]采用Clark氧电极测定大豆Glycine max和豌豆Pisum sativum种子子叶和去子叶胚的耗氧量，研究低温吸胀对种子呼吸代谢的影响。
Clark氧电极法实现了种子呼吸的连续测量，提高了测量精度和灵敏度，但该方法对温度变化较为敏感，在测定中需要维持温度恒定。除此之外，测定前需要先从种胚中提取和纯化线粒体，操作方法较为繁琐，且需保持良好的线粒体结构不被其他细胞器污染，对操作要求较高。
1.4 红外线CO2分析仪法
20世纪50年代，为了克服传统气体测压方法操作复杂、难以实现自动化等缺点，利用CO2气体能够强烈吸收红外线特定波段能量的特点，设计制造了红外线CO2分析仪(Infrared CO2 Analyzer)[19]，其工作原理为：由光源发出的红外线经反射镜分成2束能量相等的平行光束，分别通过参比气室与分析气室2个气室。由于气体吸收红外线能量，使得原来能量相等的2束红外线产生了能量差，被电容检测器接收后转变成1个电信号，从而间接测量出待测CO2的浓度。红外线CO2分析仪具有操作简单，反应灵敏，读数直观，数据可存储等优点，已被国内外学者广泛应用于各种农业和气体监测等领域[20-21]。
诸多学者利用红外线CO2分析仪测定种子呼吸强度，探究种子呼吸与其萌发过程之间的关系，发现了很多重要的呼吸现象。如陈润政等[22]利用FQ-W-002型红外线CO2分析仪对花生Arachis hypogaea种子呼吸强度进行了研究，证实了种子呼吸强度与其生活力的密切相关。陈禅友等[23]使用GXH-3010E型便携式红外线CO2分析仪测定黄秋葵Hibiscus esculentus种子在萌发期间的呼吸速率，发现其呼吸速率变化曲线符合“快—慢—快”的规律，并且发芽率高的种子比发芽率低的种子呼吸速率更高。刘美[24]利用GXH-305型便携式红外线CO2分析仪测量不同温度条件下小麦‘山农17’ Triticum aestivum ‘Shannong 17’种子萌发期间呼吸速率变化，证明了温度对种子的萌发进程具有重要影响，温度过高或过低均不利于种子萌发。
与小篮子法和瓦氏呼吸仪相比，利用红外线CO2分析仪测定种子呼吸强度，精度较高，能够在一定程度上减少人为干涉，提高种子呼吸强度测量的准确度。目前，国内红外线CO2分析仪多是进口仪器，价格较为昂贵，且在测量过程中环境温度变化会影响红外光源的稳定，直接影响测量结果。
1.5 氧传感技术检测法(Q2技术)
氧传感技术(oxygen sensing technology)检测法是在密闭环境中，通过测量种子萌发过程中氧气的消耗情况来检测种子呼吸强度，由荷兰ASTEC Global公司开发。该技术基于荧光猝灭原理，由氧传感检测仪向含有荧光材料的种子萌发试管中释放蓝光，蓝光被荧光物质吸收并发出红光返回传感器。O2分子可以消耗红光能量(即猝灭效应)。当种子萌发消耗氧气时，试管内O2浓度降低，返回的红光随之增强，所以红光的强度与O2分子的浓度成反比。在测量过程中，操作软件会根据O2浓度和时间自动绘制成耗氧曲线，测定种子呼吸时消耗O2的浓度，得到种子呼吸强度。根据耗氧曲线的特征，设定不同的氧代谢值，通过种子萌发启动时间(IMT)、萌发O2消耗速率(OMR)、临界O2压强(COP)、理论萌发时间(RGT)和理论萌发率(RGR)等值，快速区分不同活力种子。
诸多学者对不同植物种子进行测量，分析了氧传感技术测定种子呼吸的原理、测定方法和测定结果，取得了较多研究成果。陈能阜等[25]利用氧传感技术测定了番茄Solanum lycopersicum、辣椒Capsicum annuum、黄瓜Cucumis sativus、茄Solanum melongena、杉木和马尾松Pinus massoniana等6种植物种子耗氧情况，发现不同种类、活力等级相同的种子，其耗氧曲线形状类似。利用耗氧曲线分析了IMT、OMR、COP和RGT等参数，全面分析了种子O2消耗曲线的特征。陈合云[26]选用浙江省主栽的籼稻和粳稻各20个品种，通过室内标准发芽试验、田间出苗试验和氧传感检测试验，确定了适用于常规籼稻种子和粳稻种子最佳氧传感指标分别为RGR和OMR，并且基于氧传感技术研究了经处理后种子活力的变化情况，表明氧传感技术测定种子呼吸可以有效地将老化处理、未处理与引发处理的种子区分开。
氧传感技术是集生物技术与信息技术于一体的自动化测定种子呼吸耗氧能力的新技术，目前已经被应用于多种类型种子的活力水平测定[27-28]。该方法可以测量单粒种子在萌发过程中的呼吸速率，然而该方法需要对种子进行萌发，属于有损检测，检测时间较长，需要每间隔30 min或1 h对种子呼吸耗氧数据进行1次采样，无法展示种子耗氧曲线的细节。
1.6 TDLAS技术检测法
可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)利用激光器发出的光被待测气体选择性吸收来测量气体的浓度。HINKLEY[29]和REID等[30]在20世纪中期最早提出通过吸收光谱来检测气体浓度。1981年，REID等[31]利用波长调制技术采集数据，最终得到了和气体浓度成正比的二次谐波表达式，从而推动了TDLAS技术向高精度气体浓度检测的研究方向发展。由于TDLAS技术目前已经能够达到10−9级别甚至10−12级别的检测限，因此，很多学者利用TDLAS技术检测CO2的浓度[32-33]。目前，TDLAS技术在农业领域的研究主要包括：土地排放的气体浓度和通量的检测[34]、植物叶片水分蒸腾速率的测量[35]、农产品运输冷藏车内CO2浓度的检测[36]等方面，而对种子呼吸检测的研究较少。种子代谢产物成为种子活力检测的新思路[37]。
贾良权等[38]基于TDLAS技术自主搭建了一套种子呼吸检测系统。相较于近红外光谱技术、高光谱技术和 X 光谱技术，该系统检测成本较低，能够反演出水稻和玉米Zea mays种子呼吸过程中产生的CO2浓度曲线。通过与发芽试验数据进行相关性分析，证明种子呼吸强度与种子活力等级的之间存在高度相关性。从水稻和玉米等种子呼吸与活力实验结果来看，TDLAS技术可以对种子呼吸强度进行连续实时的监测，检测精度可以达到10−6。通过优化设计光路和选择合适波长，可以进一步提高检测精度，实时监测单粒种子的呼吸情况。可见该方法具有较广阔的发展前景。此外，理论上TDLAS技术既可以检测CO2，也可以检测O2，因此，该方法也可以通过测定耗氧量来检测种子的呼吸强度，但在实际测量时参数选择会直接影响最终检测结果，选择实验参数的依据仍有待完善。
表1归纳了上述几种种子呼吸检测方法的原理及优缺点，小篮子法、瓦氏微量法、Clark氧电极法、红外线CO2分析仪法等由于其检测精度限制，只能检测批量种子的呼吸强度或者长时间累计种子的呼吸强度。新兴技术如氧传感技术检测法和TDLAS技术检测法等在种子呼吸检测领域具有较好的发展潜力。其中，小篮子法、瓦氏微量法、Clark氧电极法等单次最小样本检测量通常为1批或数克，其检测精度取决于溶液或滴定反应沉淀物称量的准确性，检测时间取决于人为操作时间。
表 1 种子呼吸检测方法比较Table 1 Comparison of respiration detection methods for seeds检测方法 检测原理 连续测量/
自动存储优点 缺点 预处理方法 检测时间 最少样本
检测量小篮子法[3] 化学 否 装置简单；应用范围广 易受外界环境干扰；反应
不敏感浸种、萌发 10 ~20 min 1批(约2 g) 瓦氏微量法[10] 化学/物理 否 灵敏度高；可多组同时
测定受温度影响大；难以用于
大粒种子测量浸种、萌发 10~20 min 1批(约1 g) Clark氧电极法[20] 电化学 是 响应快；灵敏度高 对温度敏感；需破碎种子 破碎、吸胀 10~20 min 1批 红外线CO2分析仪法[26] 光学 是 反应灵敏；检测精度高 价格昂贵；温度影响光源
稳定浸种、萌发 约5 s 1批(约1.5 g) 氧传感技术检测法[27] 化学 是 检测氧气，实现单粒种
子和多粒种子同步测量有荧光物质的消耗，无法
实时监测浸种、萌发 约30 min 单粒 TDLAS技术检测法[39] 光学 是 灵敏度高；分辨率高 尚在实验阶段；参数选择
对结果有影响清洗 约0.1 s 单粒 2. 种子呼吸及其应用研究
2.1 种子呼吸与代谢关系研究
呼吸代谢是生命活动的中心，种子内存在多条呼吸代谢途径，最基本的3条途径为糖酵解(EMP)途径、三羧酸(TCA)循环和磷酸戊糖(PPP)途径。不同的代谢途径提供不同的能荷和还原力，在各发育阶段有不同的代谢途径与之相适应。呼吸代谢各途径的强弱与呼吸速率和种子萌发密切相关[40-41]，通过探索种子的代谢途径及其各阶段呼吸强度的变化，研究呼吸代谢在种子休眠与萌发中的作用，有助于找到打破种子休眠机制的依据，从而控制种子的休眠与萌发，缩短育种年限，提高育种效率[42]。
在研究种子休眠与萌发过程各呼吸代谢途径的变化规律中，种子的呼吸速率是重要的测定指标[43]。SIMMONDS等[44]在验证PPP途径在种子休眠解除起重要作用的研究中，利用Warburg呼吸仪测量不同后熟期种子0~10 h的呼吸变化。利用此测定方法只能对收集的数据进行回归分析，计算种子呼吸速率，不能实时反映种子呼吸连续变化情况。浦心春等[45]在研究休眠及打破休眠种子的发芽过程中加入了各种呼吸抑制剂，得出各代谢途径呼吸速率占总呼吸速率的比例，分析结果表明：TCA途径及PPP途径没有充分活化是导致休眠种子不能发芽的原因之一。采用小篮子法测定种子呼吸CO2的释放速率，虽操作简便，但受环境影响较大，并且只能人工读取结果，容易造成误差。陈丽培等[46]将培养过程中的油松Pinus tabuliformis种子每隔9 h取出并放入LI-6400光合作用呼吸仪中测量其呼吸速率，获得呈“S”形曲线的呼吸速率变化结果，并结合代谢途径关键酶活性的测定，得出种子在培养初期以EMP途径为主，而中后期由EMP途径转向PPP途径和TCA途径。该研究采用的LI-6400光合作用呼吸仪基于红外线CO2测量原理，可以有效地测定种子呼吸速率，具有测量相对精确、自动化程度高等优点，但该方法需要间隔较长时间(9 h)取出样品进行测量，时间分辨率较低，对获得的呼吸曲线质量有一定影响。
呼吸代谢由EMP/TCA途径转向PPP途径对种子休眠的解除具有重要作用，通过呼吸速率测定可以了解种子各代谢途径的活化程度。为了进一步探究种子休眠与萌发机制，需要综合分析多种因素及其相互作用，结合种子呼吸速率、酶活性和内源激素调控，全面把握种子生理变化，使呼吸代谢的研究具有更大的理论意义和实际效益。种子呼吸检测方法在种子休眠解除与促进萌发的研究中具有关键作用，研究者们采用不同的呼吸代谢检测方法对种子呼吸代谢途径的呼吸速率进行测定。传统方法受环境因素影响较大，灵敏度低，时间分辨率有限，并且由人工读取测量结果容易造成实验误差，合理选取或研究新型高灵敏度且自动化程度高的种子呼吸代谢测定方法有助于提高种子呼吸代谢效率以及结果的准确性。
2.2 种子呼吸与储藏关系研究
种子储藏是种质资源离体保存、年度间用种余缺调剂与应急用种的有效措施[47]。种子的呼吸作用是种子储藏期间的重要生理活动，控制好种子的呼吸作用，减少储藏物质的消耗，保持种子旺盛的生命力，才能达到种子安全储藏的目的[48]。测定种子的呼吸强度可以衡量其呼吸作用的强弱，有利于了解储藏过程中种子生理状态、环境影响因素与种子呼吸强度之间的关系，为改善储藏条件提供必要数据支撑。胡小荣等[49]将储藏12个月的大葱Allium fistulosum和油菜Brassica campestris种子分别存于50、35、20和−18 ℃环境下，并利用GC-7AG气相色谱仪测定种子呼吸速率，研究发现：随着储藏温度的升高，大葱和油菜种子的CO2释放量增大，同一储藏温度下，随着含水量的降低，种子CO2释放量减少。LIU等[50]在常温与低温2种环境下，用小篮子法测定储藏第4年的马尾松种子的呼吸强度，发现在常温开放储藏环境下，种子呼吸旺盛、养分消耗快，易丧失生活力，而采用低温密封法可以较好地保持种子的生活力。可见，在一定范围内，呼吸作用的强度会随温度的上升而增强。在储藏期间，温度变化导致的种子呼吸变化还可能影响种子的感官品质。王道营等[51]将玉米种子在不同温度条件下储藏一段时间后，取出放入密闭玻璃瓶中，通过GXH-3010D型红外CO2分析仪测定一段时间内种子的呼吸变化情况，发现在不同温度下含糖量递减速率随温度的升高而加大，在较低储藏温度下甜玉米含糖量较高，呼吸强度和失水量较低，能够保持较高的食用品质。种子的水分含量与空气成分同样是种子呼吸的重要影响因素。王若兰等[52]取适量预处理后的小麦种子放入SKW-3仪器的呼吸瓶内，测定在不同温度、水分和氧气浓度下小麦种子呼吸速率的变化。结果表明：在一定条件下，小麦种子呼吸作用的强度随着温度或水分的升高而加强，随着氧气浓度的降低而逐渐被抑制。
部分学者指出：种子呼吸作用在储藏期间受温度、湿度及环境中O2、CO2等因素的影响[53]，通过降温、干燥、缺氧储藏等手段能够有效抑制种子的呼吸作用[54]，使种子处于极微弱的呼吸状态，保持种子品质，延长储藏时间，减少农业生产中的经济损失。然而在不同环境中，部分呼吸检测仪器同样会受到环境因素变化的影响，如小篮子法难以避免外界CO2气体的干扰，且仅能测量取出后储藏种子的呼吸强度，无法及时反映不同储藏环境下种子的呼吸情况；Gilson差分呼吸仪和Warburg呼吸计2种仪器对压强或温度变化都极为敏感，设置不同温度与O2浓度环境，都需要对仪器进行平衡，且耗费时间较长；红外线CO2分析仪和TDLAS技术等方法可以通过调节气室环境来测量不同温度、气体浓度下种子的呼吸作用，能有效避免环境因素对仪器产生的影响。可见，在储藏环境因素对种子呼吸强度影响的研究中，所采用的种子呼吸检测方法不仅要结果精确、自动化程度高，还需尽量减少环境因素干扰，才可以实时反映不同储藏环境下种子的呼吸变化情况。
2.3 种子呼吸与活力关系研究
种子活力作为衡量种子质量的一个重要指标，对农业生产和自然环境等民生问题有着重要影响[55]。种子的呼吸强度与其活力存在一定的正相关性[56-57]。国内外学者尝试采用不同的检测技术对种子呼吸过程中O2的消耗量或产生的CO2量进行检测，研究种子呼吸与活力相关性。在种子活力研究中采用测定耗氧量的方法有：Gilson差分呼吸仪法、瓦氏微量法、Clark氧电极法[58]和氧传感技术检测法等。
WOODSTOCK等[59]将玉米种子置于装有5 mL水的反应瓶中并连接Gilson差分呼吸仪，测量种子吸水开始后2~30 h的耗氧情况，得出在空气环境下种子的呼吸速率与根长、芽长的相关系数分别为0.82和0.79，表明种子呼吸速率与发芽和幼苗生长之间呈显著正相关。赵光武等[37]探讨了氧传感测定指标与杉木种子发芽测定指标之间的相关性，应用氧传感技术软件自动绘制耗氧曲线并计算，得到COP，指出呼吸强度开始降低时O2浓度与发芽率呈显著负相关。钟希琼等[60]在水稻种子萌发进行到80~88 h时，用滴定法(同小篮子法)测定种子呼吸速率，研究发现：其生活力、发芽势、发芽率、发芽指数均与呼吸速率呈显著正相关，相关系数分别为0.847、0.931、0.937和0.870。贾良权等[38]基于TDLAS检测技术选取3个活力等级的甜玉米种子，将预处理后的种子放入基于TDLAS技术的种子呼吸容器中，启动设备自动存储数据并绘制呼吸产生的CO2浓度曲线图，计算得到第3~8小时各时刻种子的呼吸强度与活力指数的相关系数均大于0.900。这表明种子的呼吸强度可以快速反映种子的活力水平。
上述研究结果表明：玉米、水稻、杉木等种子的呼吸强度与其发芽率、发芽势、发芽指数等呈现一定的正相关性。但目前还存在一些科学问题尚未解决，如在同一遗传品系内部种子呼吸强度与种子活力的定量关系，以及不同遗传品系间种子的活力与呼吸强度相关度等具体问题。针对上述问题，可通过种子呼吸检测及发芽试验，定量研究种子呼吸强度与种子活力之间的相关关系，以期通过呼吸强度的检测来准确判定种子活力的高低，从而提高制种效率。氧传感技术与TDLAS技术在种子呼吸检测领域的应用，使得种子活力检测向着快速、准确且自动化程度高的方向发展。相比发芽、田间出苗等试验，氧传感技术与TDLAS技术操作更加简便、耗时较短、效率更高，可将呼吸强度作为鉴定种子活力的生理指标，并在种子选择、检验、储藏等领域广泛应用。
3. 展望
种子呼吸强度的检测可以用于研究种子休眠解除过程中各代谢途径，了解种子的活力情况及收获后的生理状态，指导选用和生产高活力种子，在研究种子呼吸代谢、种子活力和种子储藏等方面具有重要的意义与价值。结合目前种子呼吸检测方法和应用领域的研究进展，笔者认为应着力从以下几个方面开展进一步研究：①小篮子法、瓦氏微量法等目前常用的种子呼吸检测方法多数存在不能实时反映种子呼吸变化等缺陷且属于有损检测。新型技术如红外线CO2分析仪法、氧传感技术法等近年得到了较好的应用与发展，这些方法能够获得种子呼吸检测的变化曲线，然而这些方法多针对批量种子长时间呼吸积累量进行检测，对单粒种子以及种子萌发前的呼吸检测尚无能为力，因此具有一定的应用局限。总体种子呼吸检测方法的研究进展缓慢，对种子生理生化的深入研究产生了一定的影响。以TDLAS技术为代表的新型光学检测方法具有高灵敏度、快速检测等优点，其检测精度能够达10−6以下，通过选用强吸收线的激光器光源并配合长光程种子吸收池，种子呼吸CO2检测精度甚至可以达到10−9，种子呼吸消耗O2检测精度达10−6级别。可见，TDLAS技术是一种颇具前途的种子呼吸检测方法，能够有效地避免上述问题，且TDLAS技术可以进行CO2和O2等多种气体的同步监测，能够全面掌握种子呼吸代谢过程变化情况。因此，随着种子呼吸与生理生化、储藏环境等相关领域的研究进展，基于TDLAS等光学检测技术的研究，同时开展呼吸代谢中CO2和O2的同步监测，研究出灵敏度更高、操作更为简单的种子呼吸检测方法及装备具有可行性。②目前，种子呼吸研究主要集中在种子呼吸代谢与休眠、萌发、代谢途径等相关领域。随着技术手段的提升，可以进一步加强种子休眠、种子早期萌发机制以及盐碱、温度等环境胁迫与种子呼吸代谢关系研究，深入分析种子呼吸代谢及其影响因素的关系，从而完善种子呼吸代谢相关理论。③保持种子储藏活力的关键因素之一在于降低种子的呼吸强度和减缓劣变进程。在种子储藏仓库中除了设置测温仪、水分测定仪、发芽箱等设备，还应该增加呼吸检测仪器，监测储藏过程中种子的呼吸强度，及时了解种子的生理活动状态。开展低成本种子储藏呼吸CO2在线气体监测系统研制具有重要价值。④目前种子呼吸与种子活力的研究主要为定性研究，定量研究还相对较少。两者定量关系模型的研究和建立可为利用种子呼吸进行种子活力检测提供重要的理论支撑。此外，在种子呼吸与种子活力关系研究中，应将种子呼吸指标和种子活力参数(种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数)以及种子发育过程中内含物的变化情况相结合，全面分析种子呼吸强度与种子活力的定量关系，并以此为依据，探寻能够将种子呼吸强度作为有效判定种子活力的方法，特别应加强种子萌发前的呼吸与活力相关指标的研究。
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图 1 铜元素在纤维化单板横切面上的分布
Figure 1 Distribution of Cu element on the tangential section of fibrotic veneer
图 4 铜唑防腐剂对重组木耐水性能的影响
不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)
Figure 4 Effect of CuAz preservative on the water resistance of scrimber
图 5 铜唑防腐剂对重组木力学性能的影响
不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)
Figure 5 Effect of CuAz preservative on the mechanical properties of scrimber
表 1 防腐浸渍处理纤维化木单板的元素相对含量
Table 1. Element content of CuAz treated fibrotic veneer
部位 碳/% 氧/% 铜/% 导管 71.38 29.19 1.42 木射线 71.54 25.88 2.57 纤维 72.56 26.71 0.73 
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2020.01.022
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