郝學(xué)明， 馬麗娜*， 劉吉仁， 劉厚誠(chéng)

(1.源康(深圳)農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣東 深圳 518000； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 廣東 廣州 510642)

0 引言

【研究意義】地球上的所有生命，包括人類、動(dòng)物和植物，都處于一個(gè)自然電場(chǎng)中[1]。靜電場(chǎng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面，是屬于物理農(nóng)業(yè)的一種新技術(shù)，靜電場(chǎng)是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的環(huán)境之一[2]。【前人研究進(jìn)展】有研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場(chǎng)促進(jìn)大豆幼苗生長(zhǎng)，顯著提高光合色素含量，通過加快植物的新陳代謝，提高植物葉片的光合作用速率[3]。靜電場(chǎng)處理還能夠提高可溶性蛋白質(zhì)水平，影響植物細(xì)胞膜，改變細(xì)胞膜的通透性[4-7]，提高植物的抗旱、抗寒和抗病能力等[8]。電場(chǎng)可以促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和增生，一定強(qiáng)度的電場(chǎng)可以提高幼苗的生長(zhǎng)速度[9-10]，但當(dāng)電場(chǎng)超過一定強(qiáng)度則出現(xiàn)相反效果，比如對(duì)大豆幼苗施加場(chǎng)強(qiáng)高于8 kV/cm時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯抑制作用，且場(chǎng)強(qiáng)越高抑制效應(yīng)越明顯，甚至致死[11-12]。靜電場(chǎng)也會(huì)影響植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[13]，如促進(jìn)植物對(duì)Ca2+、K+的吸收等[14]，可能是通過其影響膜電勢(shì)，使根系內(nèi)外離子濃度平衡發(fā)生改變而起作用[15]?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】隨著生活水平提高，健康綠色、無(wú)污染蔬菜越來(lái)越受到人們的喜愛。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，植物工廠作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級(jí)發(fā)展階段，在環(huán)境、產(chǎn)量、穩(wěn)定生產(chǎn)以及食品安全等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但是燒心現(xiàn)象是植物工廠生菜栽培主要品質(zhì)異常點(diǎn)，嚴(yán)重影響工廠的生產(chǎn)效益。隨著植物工廠的廣泛應(yīng)用，用科學(xué)的方法解決結(jié)球、半結(jié)球類生菜在植物工廠栽培中的燒心問題已經(jīng)迫在眉睫。【擬解決的關(guān)鍵問題】以工廠內(nèi)常出現(xiàn)燒心的意大利生菜為試驗(yàn)材料，通過應(yīng)用靜電場(chǎng)技術(shù)，研究不同強(qiáng)度靜電場(chǎng)對(duì)其動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)、產(chǎn)量品質(zhì)以及燒心的影響，以期為利用電場(chǎng)農(nóng)業(yè)新技術(shù)解決植物工廠水培生菜常見病害和提高產(chǎn)量品質(zhì)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生菜品種為意大利生菜，試劑主要有乙醇、蒽酮試劑、考馬斯亮藍(lán)、磷酸、氨緩沖溶液、亞鐵氰化鉀溶液、硫酸鋅、草酸和2,6-二氯酚靛酚。電場(chǎng)處理裝置：由靜電發(fā)生器和3對(duì)左、右2塊平行擱置的電極板組成。在靜電發(fā)生器中采用交-直-交變換器工作原理，通過整流電路、中間電路和逆變電路得到電壓從0～6 000 V連續(xù)可調(diào)的交流電壓，逆變電路是閉環(huán)脈寬調(diào)制工作模式。電場(chǎng)裝置由國(guó)博電器(廣東)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選大小一致(3葉一心)的生菜幼苗移栽在溫室中，并開始進(jìn)行靜電場(chǎng)處理。設(shè)置3個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度處理：對(duì)照(CK)，0 kV/cm ；T1，0～0.2 kV/cm；T2，0.2～2 kV/cm；T3，>2 kV/cm。每個(gè)處理5次重復(fù)，隨機(jī)排列。LED光質(zhì)紅藍(lán)光3∶4，光照強(qiáng)度(200±20)μmol/(m2·s)，晝夜時(shí)間和溫度分別為12/12 h和24/22℃，營(yíng)養(yǎng)液pH 5.8～6.0，EC值(2.0±0.2) ms/cm。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 分別于電場(chǎng)處理后(移栽后)7 d、14 d、21 d、28 d時(shí)測(cè)定植株株高、冠幅、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度等指標(biāo)。株高、冠幅、葉長(zhǎng)、葉寬均用直尺測(cè)量，株高表示生菜基部至主莖頂部之間的距離，冠幅表示生菜南北與東西方向?qū)挾鹊钠骄怠Ｌ幚砗?8 d采樣，使用百分秤稱量地上部與根部鮮重，爛葉重表示發(fā)黃、枯萎葉片的重量。

1.3.2 品質(zhì)指標(biāo) 葉綠素含量使用SPAD-502儀測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法，硝酸鹽含量采用紫外分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 23.0進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，利用Origin 23.0進(jìn)行繪圖，通過單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理植株的生長(zhǎng)發(fā)育

從圖1看出，隨著生菜生育進(jìn)程的推進(jìn)，植株株高、冠幅、葉長(zhǎng)及葉寬不同處理間存在差異。株高：植株的株高在移栽后21 d時(shí)處理間差異均不顯著，至28 d時(shí)T1處理顯著低于其余處理，與對(duì)照相比下降12.28%。冠幅：移栽前期(7～14 d)，對(duì)照明顯高于電場(chǎng)處理；在移栽后21 d時(shí)，T3處理顯著高于其余處理，較對(duì)照高12.17%。在生長(zhǎng)后期(28 d時(shí))生菜的葉長(zhǎng)和葉寬各處理間差異不顯著，說(shuō)明在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，靜電場(chǎng)處理對(duì)意大利生菜葉片形態(tài)變化影響較小。

注：處理間不同小寫字母表示相同時(shí)間內(nèi)差異達(dá)顯著(P<0.05)水平，下同。

2.2 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理植株的生物量

由表1看出，T2處理意大利生菜的生物量達(dá)最大值，地上部鮮重與總重顯著高于其他靜電場(chǎng)處理，與對(duì)照相比分別增加7.15%和7.71%。而T1、T3處理的地上部鮮重和單株總重低于對(duì)照，即場(chǎng)強(qiáng)過低或過高對(duì)生菜生物量均會(huì)產(chǎn)生抑制作用。爛葉重在T2處理達(dá)最大，說(shuō)明在該處理下植株葉片新陳代謝活動(dòng)最活躍，從而加速老葉的衰敗。T2電場(chǎng)處理一定程度可提高生菜的生物量，但是相比對(duì)照差異不顯著。

表1 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理意大利生菜的生物量

2.3 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理植株的品質(zhì)指標(biāo)

從圖2可知，不同強(qiáng)度靜電場(chǎng)處理生菜的品質(zhì)指標(biāo)存在差異。葉綠素含量SPAD值：與對(duì)照相比，靜電處理的均有不同程度下降，但未達(dá)顯著水平?？扇苄缘鞍缀浚篢2處理最高，比對(duì)照提高26.25%，且與其余處理的差異均達(dá)顯著顯著水平(P<0.05)?？扇苄蕴呛浚篢2處理較對(duì)照高33.31%，差異顯著；T1和T3處理較對(duì)照顯著下降。硝酸鹽含量：靜電處理的硝酸鹽含量均低于對(duì)照，其中以T2處理的硝酸鹽含量最低，比對(duì)照低37.91%，且與其余處理的差異均達(dá)顯著水平。綜上看，T2處理的生菜品質(zhì)最好。

圖2 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理意大利生菜的品質(zhì)指標(biāo)

2.4 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理生菜植株的燒心發(fā)生情況

根據(jù)燒心程度生菜植株劃分為無(wú)燒心、剛出現(xiàn)燒心(葉片邊緣出現(xiàn)褐色斑點(diǎn))、輕微燒心(1～2片葉片邊緣出現(xiàn)燒焦痕跡，有皺縮現(xiàn)象)和嚴(yán)重?zé)?大于等于3片葉片出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)梗瑖?yán)重者甚至腐爛)4種類型。由表2可知，在靜電處理下，隨著場(chǎng)強(qiáng)增加，無(wú)燒心植株比例呈逐漸上升趨勢(shì)，燒心植株比例逐漸下降，說(shuō)明增加靜電場(chǎng)強(qiáng)可降低燒心比例。T1處理嚴(yán)重?zé)谋壤秊?.68%，合計(jì)燒心比例為61.29%；T2處理嚴(yán)重?zé)谋壤?8.18%，合計(jì)燒心比例為45.45%，均低于對(duì)照；T3處理沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?zé)闹仓?，說(shuō)明該場(chǎng)強(qiáng)減緩植株燒心程度的效果最佳。綜合看，降低燒心的效果表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK。

表2 不同靜電場(chǎng)強(qiáng)度處理意大利生菜的燒心發(fā)生比例

3 討論

靜電技術(shù)的應(yīng)用逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其中靜電場(chǎng)對(duì)植物生物效應(yīng)影響方面的研究越來(lái)越多[16-19]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在生菜植株生長(zhǎng)發(fā)育過程中，靜電場(chǎng)對(duì)其形態(tài)與產(chǎn)量的影響較小，總鮮重在電場(chǎng)強(qiáng)度0.2～2 kV/cm時(shí)達(dá)最大值，與高壓靜電場(chǎng)對(duì)番茄產(chǎn)量的影響結(jié)果一致[20]。另有研究表明，適量靜電場(chǎng)強(qiáng)度能夠促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，若靜電場(chǎng)對(duì)植株的影響超過本身的調(diào)節(jié)能力，則會(huì)造成傷害[21]。

生菜葉片中的可溶性糖含量在電場(chǎng)強(qiáng)度0.2～2 kV/cm時(shí)達(dá)最大值，而當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)低于0.2 kV/cm或高于2 kV/cm時(shí)，導(dǎo)致可溶性糖含量下降。有研究發(fā)現(xiàn)，靜電處理能夠增加其可溶性蛋白含量，原因是電場(chǎng)作用導(dǎo)致體內(nèi)離子濃度改變、電子密度的重新有序分布加速多肽鏈?zhǔn)杷畟?cè)鏈的相互作用，更有利于氫鍵的形成，從而加速蛋白質(zhì)的合成[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度在0.2～2 kV/cm時(shí)，葉片蛋白質(zhì)含量相比對(duì)照顯著提高；超過2 kV/cm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)效果下降，與前人研究結(jié)果一致[22]。與其他作物相比，蔬菜是易富集硝酸鹽的作物，尤其是在水培情況下。本研究發(fā)現(xiàn)，靜電處理能夠降低植物工廠內(nèi)生菜葉片中的硝酸鹽含量，在0.2～2 kV/cm處理下硝酸鹽含量顯著下降。因此認(rèn)為，當(dāng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度在0.2～2 kV/cm時(shí)，對(duì)增加生菜的生物量和提高其品質(zhì)指標(biāo)的效果最好。

生菜燒心是在植物工廠內(nèi)常見的生理性病害，發(fā)病初期在心葉的葉緣或葉尖，逐漸擴(kuò)展變成褐色，嚴(yán)重時(shí)腐爛。本研究發(fā)現(xiàn)，靜電處理能夠緩解植物工廠內(nèi)生菜燒心情況，尤其是降低植株嚴(yán)重?zé)牡谋壤哂? kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)降低嚴(yán)重?zé)谋壤Ч詈?，并且能夠減緩生菜燒心的程度。導(dǎo)致植株燒心的因素有很多，其中有可能因缺鈣而引發(fā)燒心的生理性病害[23]，而在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)高于2 kV/cm時(shí)，嚴(yán)重?zé)谋壤陆档脑蚩赡苁请妶?chǎng)產(chǎn)生的電流電位差改變細(xì)胞的膜電位，從而改善植株細(xì)胞吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)物質(zhì)的能力，促進(jìn)對(duì)離子的吸收。前人研究發(fā)現(xiàn)，在植株吸收的所有礦物質(zhì)中只有鈣和碳酸氫根離子被發(fā)現(xiàn)受控于外界電場(chǎng)[24]，所以電場(chǎng)可能是對(duì)其分布以及運(yùn)輸起到調(diào)控作用，從而使燒心情況好轉(zhuǎn)，而驗(yàn)證該結(jié)論還需繼續(xù)對(duì)植株體內(nèi)元素含量變化進(jìn)行進(jìn)一步探索。此外，在生菜生物量、品質(zhì)和燒心情況上，不同靜電場(chǎng)處理得到的最佳效果并不一致，是因?yàn)榈土亢统侩妶?chǎng)強(qiáng)度處理影響生菜的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響到燒心情況。綜合比較，0.2～2 kV/cm電場(chǎng)強(qiáng)度處理是最佳選擇。

目前本研究針對(duì)植物工廠內(nèi)高壓靜電場(chǎng)處理生菜還處于初步試驗(yàn)階段，今后還需進(jìn)行不同品種之間的處理以及進(jìn)一步研究植株體內(nèi)離子變化對(duì)靜電場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)制。

4 結(jié)論

經(jīng)過靜電場(chǎng)作用一定時(shí)間后，植物工廠內(nèi)意大利生菜的生物量、品質(zhì)指標(biāo)以及燒心情況較空白對(duì)照均有明顯的改善效果。強(qiáng)度為0.2～2 kV/cm電場(chǎng)對(duì)意大利生菜產(chǎn)量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量的促進(jìn)效果最優(yōu)，該處理下硝酸鹽含量最低。靜電場(chǎng)處理可以減緩植物工廠內(nèi)意大利生菜的燒心情況，并且結(jié)合產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)，0.2～2 kV/cm電場(chǎng)處理最好。