植物工廠不同靜電場強度生菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及燒心程度

郝學明， 馬麗娜*， 劉吉仁， 劉厚誠

(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， 廣東 廣州 510642)

0 引言

【研究意義】地球上的所有生命，包括人類、動物和植物，都處于一個自然電場中[1]。靜電場應用在農(nóng)業(yè)方面，是屬于物理農(nóng)業(yè)的一種新技術，靜電場是植物生長發(fā)育必不可少的環(huán)境之一[2]。【前人研究進展】有研究發(fā)現(xiàn)，高壓靜電場促進大豆幼苗生長，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]。靜電場處理還能夠提高可溶性蛋白質(zhì)水平，影響植物細胞膜，改變細胞膜的通透性[4-7]，提高植物的抗旱、抗寒和抗病能力等[8]。電場可以促進植物細胞的分裂和增生，一定強度的電場可以提高幼苗的生長速度[9-10]，但當電場超過一定強度則出現(xiàn)相反效果，比如對大豆幼苗施加場強高于8 kV/cm時會出現(xiàn)明顯抑制作用，且場強越高抑制效應越明顯，甚至致死[11-12]。靜電場也會影響植物對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收[13]，如促進植物對Ca2+、K+的吸收等[14]，可能是通過其影響膜電勢，使根系內(nèi)外離子濃度平衡發(fā)生改變而起作用[15]。【研究切入點】隨著生活水平提高，健康綠色、無污染蔬菜越來越受到人們的喜愛。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，植物工廠作為設施農(nóng)業(yè)的最高級發(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。但是燒心現(xiàn)象是植物工廠生菜栽培主要品質(zhì)異常點，嚴重影響工廠的生產(chǎn)效益。隨著植物工廠的廣泛應用，用科學的方法解決結球、半結球類生菜在植物工廠栽培中的燒心問題已經(jīng)迫在眉睫。【擬解決的關鍵問題】以工廠內(nèi)常出現(xiàn)燒心的意大利生菜為試驗材料，通過應用靜電場技術，研究不同強度靜電場對其動態(tài)生長、產(chǎn)量品質(zhì)以及燒心的影響，以期為利用電場農(nóng)業(yè)新技術解決植物工廠水培生菜常見病害和提高產(chǎn)量品質(zhì)提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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、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。電場處理裝置：由靜電發(fā)生器和3對左、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。電場裝置由國博電器(廣東)有限公司提供。

1.2 試驗設計

挑選大小一致(3葉一心)的生菜幼苗移栽在溫室中，并開始進行靜電場處理。設置3個電場強度處理：對照(CK)，0 kV/cm ；T1，0～0.2 kV/cm；T2，0.2～2 kV/cm；T3，>2 kV/cm。每個處理5次重復，隨機排列。LED光質(zhì)紅藍光3∶4，光照強度(200±20)μmol/(m2·s)，晝夜時間和溫度分別為12/12 h和24/22℃，營養(yǎng)液pH 5.8～6.0，EC值(2.0±0.2) ms/cm。

1.3 測定指標

1.3.1 生長指標 分別于電場處理后(移栽后)7 d、14 d、21 d、28 d時測定植株株高、冠幅、葉片長度、葉片寬度等指標。株高、冠幅、葉長、葉寬均用直尺測量，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寬度的平均值。處理后28 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 葉綠素含量使用SPAD-502儀測定，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)計與分析

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

2 結果與分析

2.1 不同靜電場強度處理植株的生長發(fā)育

從圖1看出，隨著生菜生育進程的推進，植株株高、冠幅、葉長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時處理間差異均不顯著，至28 d時T1處理顯著低于其余處理，與對照相比下降12.28%。冠幅：移栽前期(7～14 d)，對照明顯高于電場處理；在移栽后21 d時，T3處理顯著高于其余處理，較對照高12.17%。在生長后期(28 d時)生菜的葉長和葉寬各處理間差異不顯著，說明在植物生長發(fā)育過程中，靜電場處理對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間內(nèi)差異達顯著(P<0.05)水平，下同。

2.2 不同靜電場強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最大值，地上部鮮重與總重顯著高于其他靜電場處理，與對照相比分別增加7.15%和7.71%。而T1、T3處理的地上部鮮重和單株總重低于對照，即場強過低或過高對生菜生物量均會產(chǎn)生抑制作用。爛葉重在T2處理達最大，說明在該處理下植株葉片新陳代謝活動最活躍，從而加速老葉的衰敗。T2電場處理一定程度可提高生菜的生物量，但是相比對照差異不顯著。

表1 不同靜電場強度處理意大利生菜的生物量

2.3 不同靜電場強度處理植株的品質(zhì)指標

從圖2可知，不同強度靜電場處理生菜的品質(zhì)指標存在差異。葉綠素含量SPAD值：與對照相比，靜電處理的均有不同程度下降，但未達顯著水平。可溶性蛋白含量：T2處理最高，比對照提高26.25%，且與其余處理的差異均達顯著顯著水平(P<0.05)。可溶性糖含量：T2處理較對照高33.31%，差異顯著；T1和T3處理較對照顯著下降。硝酸鹽含量：靜電處理的硝酸鹽含量均低于對照，其中以T2處理的硝酸鹽含量最低，比對照低37.91%，且與其余處理的差異均達顯著水平。綜上看，T2處理的生菜品質(zhì)最好。

圖2 不同靜電場強度處理意大利生菜的品質(zhì)指標

2.4 不同靜電場強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燒心、剛出現(xiàn)燒心(葉片邊緣出現(xiàn)褐色斑點)、輕微燒心(1～2片葉片邊緣出現(xiàn)燒焦痕跡，有皺縮現(xiàn)象)和嚴重燒心(大于等于3片葉片出現(xiàn)嚴重燒焦，嚴重者甚至腐爛)4種類型。由表2可知，在靜電處理下，隨著場強增加，無燒心植株比例呈逐漸上升趨勢，燒心植株比例逐漸下降，說明增加靜電場強可降低燒心比例。T1處理嚴重燒心比例為9.68%，合計燒心比例為61.29%；T2處理嚴重燒心比例占18.18%，合計燒心比例為45.45%，均低于對照；T3處理沒有發(fā)現(xiàn)嚴重燒心植株，說明該場強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 不同靜電場強度處理意大利生菜的燒心發(fā)生比例

3 討論

靜電技術的應用逐漸滲透到農(nóng)業(yè)領域，其中靜電場對植物生物效應影響方面的研究越來越多[16-19]。試驗發(fā)現(xiàn)，在生菜植株生長發(fā)育過程中，靜電場對其形態(tài)與產(chǎn)量的影響較小，總鮮重在電場強度0.2～2 kV/cm時達最大值，與高壓靜電場對番茄產(chǎn)量的影響結果一致[20]。另有研究表明，適量靜電場強度能夠促進植株的生長，若靜電場對植株的影響超過本身的調(diào)節(jié)能力，則會造成傷害[21]。

生菜葉片中的可溶性糖含量在電場強度0.2～2 kV/cm時達最大值，而當場強低于0.2 kV/cm或高于2 kV/cm時，導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，原因是電場作用導致體內(nèi)離子濃度改變、電子密度的重新有序分布加速多肽鏈疏水側鏈的相互作用，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)，當靜電場強度在0.2～2 kV/cm時，葉片蛋白質(zhì)含量相比對照顯著提高；超過2 kV/cm時，場強效果下降，與前人研究結果一致[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。因此認為，當靜電場強度在0.2～2 kV/cm時，對增加生菜的生物量和提高其品質(zhì)指標的效果最好。

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，逐漸擴展變成褐色，嚴重時腐爛。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，尤其是降低植株嚴重燒心的比例高于2 kV/cm的場強對降低嚴重燒心比例效果最好，并且能夠減緩生菜燒心的程度。導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]，而在本試驗條件下，當場強高于2 kV/cm時，嚴重燒心比例下降的原因可能是電場產(chǎn)生的電流電位差改變細胞的膜電位，從而改善植株細胞吸收和運轉物質(zhì)的能力，促進對離子的吸收。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[24]，所以電場可能是對其分布以及運輸起到調(diào)控作用，從而使燒心情況好轉，而驗證該結論還需繼續(xù)對植株體內(nèi)元素含量變化進行進一步探索。此外，在生菜生物量、品質(zhì)和燒心情況上，不同靜電場處理得到的最佳效果并不一致，是因為低量和超量電場強度處理影響生菜的生長，進而影響到燒心情況。綜合比較，0.2～2 kV/cm電場強度處理是最佳選擇。

目前本研究針對植物工廠內(nèi)高壓靜電場處理生菜還處于初步試驗階段，今后還需進行不同品種之間的處理以及進一步研究植株體內(nèi)離子變化對靜電場的響應機制。

4 結論

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