武翠卿,孫靜鑫,武新慧,王璨,趙宇航
(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山西太谷,030801; 2. 運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系,山西運(yùn)城,044000)
山西素有“小雜糧王國”之譽(yù),是全國雜糧主產(chǎn)區(qū)之一。所產(chǎn)小雜糧粒大、色鮮,質(zhì)優(yōu),在國內(nèi)外市場(chǎng)上享有盛譽(yù)[1]。在省級(jí)戰(zhàn)略農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中將特色小雜糧種植與雜糧功能食品開發(fā)作為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局。采用工程新技術(shù)處理雜糧種子,提高雜糧種子萌發(fā)特性和改善雜糧生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài),進(jìn)而提高雜糧產(chǎn)量與品質(zhì),對(duì)于發(fā)展雜糧產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)有著重要的意義[2-3]。Murr[4]與Sidaway[5]先后研究了電場(chǎng)對(duì)植物細(xì)胞膜穿透性和種子發(fā)芽率的影響,試驗(yàn)研究表明:電磁輻射效應(yīng)對(duì)植物種子能夠產(chǎn)生顯著的影響,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)選育新品種,促進(jìn)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)提供了一種物理技術(shù)。近年來,極低頻高壓脈沖電場(chǎng)(pulsed electric field,PEF)生物學(xué)效應(yīng)的研究引起重視,為探明基于極低頻PEF的種子處理技術(shù)與基于HVEF的種子處理技術(shù)的有效性及其差異,習(xí)崗等[6]以綠豆為材料,對(duì)比研究了1 Hz極低頻PEF與HVEF對(duì)作物種子萌發(fā)的影響及其機(jī)理,結(jié)果顯示,極低頻高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)種子萌發(fā)的促進(jìn)作用比HVEF的作用更加顯著。劉鍇[7]開發(fā)了基于植物電位波動(dòng)特征的極低頻高壓脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng),采用0.2~15 Hz頻段的PEF干預(yù)玉米種子的萌發(fā)過程,研究了超弱光子輻射和常規(guī)生理指標(biāo)對(duì)PEF的響應(yīng),確定了最優(yōu)脈沖頻率。胡建芳等[8-9]利用高壓電場(chǎng)處理高粱種子,研究了不同電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)產(chǎn)生閾值效應(yīng),并通過建模分析得到了高壓電場(chǎng)處理高粱種子的優(yōu)化方案。黃洪云、陳建中等學(xué)者研究了高壓電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)小麥[10]、大豆[11]、谷子[12]等種子萌發(fā)的影響,結(jié)果顯示,高壓電場(chǎng)處理預(yù)處理對(duì)種子的萌發(fā)活力及幼苗的形態(tài)學(xué)指標(biāo)均有促進(jìn)作用。目前電場(chǎng)處理雜糧種子的研究相對(duì)較少,且大都集中在高壓低頻靜電場(chǎng)處理上[12-13],我們團(tuán)隊(duì)近年來利用高壓矩形脈沖電場(chǎng)高壓區(qū)幅寬長(zhǎng)的特性作用種子產(chǎn)生的特別功效進(jìn)行了初步探索,本文運(yùn)用高壓矩形脈沖電場(chǎng)處理多種雜糧種子,主要進(jìn)行了高壓靜電場(chǎng)和高壓脈沖電場(chǎng)兩種高壓電場(chǎng)對(duì)谷子、蕎麥、高粱三種雜糧作物生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響研究。
試驗(yàn)選用的雜糧種子采集于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物種子基地,分別為晉谷21谷種、黑豐1號(hào)苦蕎麥、晉雜D30高粱優(yōu)種,谷子、蕎麥、高粱收獲期的含水率分別為22.8%、20.9%、21.3%,密封儲(chǔ)存在溫度16 ℃以下避光環(huán)境中,試驗(yàn)時(shí)取出。
試驗(yàn)所用儀器設(shè)備主要有:美國BTX(ECM830)高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器以及配套的穩(wěn)壓電源、示蹤儀、特配電極與電極杯;自制高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器試驗(yàn)裝置由電場(chǎng)發(fā)生器、金屬網(wǎng)、塑膠絕緣棒、金屬板等部分組成,采用閉環(huán)調(diào)整高頻脈寬調(diào)制技術(shù),將頻率為50 Hz的交流電壓,經(jīng)多級(jí)倍壓整流得到輸出電壓0~150 kV之間的直流高壓,通過金屬網(wǎng)電極在金屬網(wǎng)和金屬板間形成一個(gè)連續(xù)可調(diào)的均勻正向電場(chǎng)(電場(chǎng)強(qiáng)度=電壓(kV)/極間距離(cm));葉綠素測(cè)定儀SPAD,MP2002型電子天平、精度為0.001 g,DHG-9023A型電熱恒溫干燥箱,精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺等。
1.2.1 運(yùn)用高壓脈沖電場(chǎng)和靜電場(chǎng)兩種電場(chǎng)預(yù)處理谷子、蕎麥、高粱種子
根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選定高壓脈沖電場(chǎng)參數(shù)為:電場(chǎng)強(qiáng)度(500 V、1 000 V、1 500 V)、脈沖個(gè)數(shù)(30個(gè)、50個(gè)、70個(gè))、脈沖時(shí)間(30 μs、50 μs、70 μs)三個(gè)因素、三個(gè)水平。
根據(jù)三因素三水平來設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案,有27個(gè)脈沖電場(chǎng)處理組與1個(gè)對(duì)照組共28組。從存放的備選試驗(yàn)種子中每組選擇籽粒飽滿大小顏色一致的種子,對(duì)應(yīng)編號(hào)以此逐一對(duì)該種子樣本進(jìn)行電場(chǎng)預(yù)處理。
高壓靜電場(chǎng)的參數(shù)取值范圍在10~20 kV,板間距33 mm,每個(gè)處理挑選飽滿、大小相致的50粒種子,均勻鋪灑于折疊的紙盒中,放置于金屬板上。設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度為10 kV(3 kV/cm),15 kV(4.5 kV/cm)和20 kV(6 kV/cm),處理時(shí)間選擇30 min,分別進(jìn)行處理,不使用高壓靜電場(chǎng)處理的為對(duì)照組。
1.2.2 作物生長(zhǎng)期莖葉生長(zhǎng)特征指標(biāo)及葉綠素測(cè)試
將預(yù)處理好的試驗(yàn)種子樣本種植在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)小區(qū)種植并采用雜糧常規(guī)種植措施進(jìn)行管理,依據(jù)試驗(yàn)方案主要測(cè)試經(jīng)兩種高壓電場(chǎng)處理后的三種雜糧作物種子發(fā)芽后苗期及生長(zhǎng)期的株高、莖粗、葉綠素值。
在適宜的播種期采用精少量播種機(jī)播種出苗后10 d開始測(cè)量其株高、莖粗、葉片數(shù)及葉綠素含量。每組處理隨機(jī)選取三株谷子進(jìn)行測(cè)量并做好標(biāo)記,葉綠素含量的測(cè)定用葉綠素測(cè)定儀SPAD,在標(biāo)記過的每株谷子植株上隨機(jī)選定三片葉子,然后分別測(cè)量葉片的上中下三個(gè)部位的葉綠素含量,取它們的平均值作為這株的葉綠素含量,同時(shí)用直尺測(cè)量株高,用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗,并進(jìn)行記錄,每隔10 d測(cè)量一次,直到收獲期。此法同用于蕎麥和高粱的相關(guān)實(shí)測(cè)值測(cè)試。

表1 高壓脈沖電場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組Tab. 1 Design grouping of high-voltage pulse electric field test
1.2.3 收獲后產(chǎn)量的指標(biāo)千粒質(zhì)量、產(chǎn)量的測(cè)取
作物收獲以后自然晾曬風(fēng)干,取均勻飽滿的籽粒來測(cè)量千粒質(zhì)量和含水率。用精度為0.001 g的MP2002型電子天平測(cè)量千粒質(zhì)量,每組測(cè)量三次,取平均值。然后取一定數(shù)量的種子放入鋁箔中稱重計(jì)數(shù),將鋁箔放入DHG-9023A型電熱恒溫干燥箱,90 ℃ 恒溫下干燥5 h后取出稱重,計(jì)算含水率。隨機(jī)在試驗(yàn)小區(qū)采集10穗,脫粒后稱重按小區(qū)種植株距密度計(jì)算666.67 m2的產(chǎn)量。
按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行一個(gè)生長(zhǎng)周期的測(cè)試分析,并將測(cè)取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示(高壓靜電場(chǎng)在表中簡(jiǎn)稱為靜電場(chǎng))。
2.1.1 高壓靜電場(chǎng)對(duì)谷子生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
由表2和表3試驗(yàn)結(jié)果顯示:與對(duì)照組相比,在拔節(jié)期,經(jīng)3 kV/cm,4.5 kV/cm及6 kV/cm高壓靜電場(chǎng)處理后谷子的莖粗分別增加了20.8%、22.2%、9.7%;葉綠素含量分別增加了22.2%、20.0%、2.2%;在灌漿期,經(jīng)3 kV/cm,4.5 kV/cm及6 kV/cm高壓靜電場(chǎng)處理后谷子的莖粗分別增加了49.3%、34.3%、19.4%;葉綠素含量分別增加了60.5%、55.3%、31.6%;千粒質(zhì)量分別增加了3.8%、7.7%、3.8%;產(chǎn)量分別增加了20.8%、0.4%、19.3%;表明:高壓靜電場(chǎng)(3~6 kV/cm)對(duì)谷子在拔節(jié)期和灌漿期的莖粗、葉綠素含量、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量都有促進(jìn)作用,且3 kV/cm、6 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯,4.5 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)產(chǎn)量沒有明顯影響。而在拔節(jié)期,3 kV/cm和6 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下的株高比對(duì)照組的小,在灌漿期,6 kV/cm處理下的株高比對(duì)照組的小,表明在這兩種情況下,高壓靜電場(chǎng)對(duì)株高起到抑制作用,因此適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度可促進(jìn)谷子株高的增加,場(chǎng)強(qiáng)過低或者過高反而會(huì)抑制株高的增加[14]。綜合以上分析可看出:3 kV/cm和6 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下谷子株高較對(duì)照組小,而產(chǎn)量卻較對(duì)照組大,在一定范圍內(nèi),株高和產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]。
2.1.2 高壓靜電場(chǎng)對(duì)蕎麥生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
表2和表3結(jié)果顯示:在拔節(jié)期和灌漿期,3 kV/cm,4.5 kV/cm及6 kV/cm場(chǎng)強(qiáng)對(duì)蕎麥的株高、莖粗和葉綠素含量沒有顯著影響。但經(jīng)3 kV/cm,4.5 kV/cm及6 kV/cm高壓靜電場(chǎng)處理后蕎麥的千粒質(zhì)量分別增加了0.3%、2.5%、3.4%;產(chǎn)量分別增加了4.1%、13.0%、15.1%;表明4.5 kV/cm、6 kV/cm 的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯,3 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)千粒質(zhì)量和產(chǎn)量影響不大;而在其他處理情況下,高壓靜電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其無顯著性影響。
2.1.3 高壓靜電場(chǎng)對(duì)高粱生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
表2和表3結(jié)果顯示:在拔節(jié)期,經(jīng)3 kV/cm,4.5 kV/cm 及6 kV/cm高壓靜電場(chǎng)處理后高粱的莖粗分別增加了12.4%、1.3%、2.6%,且經(jīng)3 kV/cm,4.5 kV/cm及6 kV/cm高壓靜電場(chǎng)處理后高粱的千粒質(zhì)量分別增加了5.5%、7.9%、3.5%;產(chǎn)量分別增加了9.2%、10.7%、21.8%,表明3 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)拔節(jié)期莖粗的促進(jìn)作用比較明顯,4.5 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)千粒質(zhì)量的促進(jìn)作用比較明顯,6 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯;而在而在其他處理情況下,高壓靜電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其無顯著性影響。

表2 電場(chǎng)對(duì)谷子、蕎麥和高粱的光合作用參數(shù)影響試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of electric field influence on the photosynthetic parameter of millet, buckwheat and sorghum

表3 電場(chǎng)對(duì)谷子、蕎麥和高粱的產(chǎn)量影響試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of electric field influence on the yield of millet, buckwheat and sorghum
綜合以上結(jié)果可知:谷子、蕎麥、高粱種子經(jīng)一定強(qiáng)度的高壓靜電場(chǎng)處理后,其千粒質(zhì)量和產(chǎn)量都有不同幅度的增加,而對(duì)植株的生長(zhǎng)勢(shì)的影響有較大的不同,且高壓靜電場(chǎng)對(duì)三種雜糧的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量促進(jìn)效果最佳的作用場(chǎng)強(qiáng)不同,其原因主要是:靜電場(chǎng)對(duì)不同的植物及同一植物的不同生長(zhǎng)期,電場(chǎng)作用存在閾值效應(yīng)[14]。
2.2.1 高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)谷子生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
由表2和表3試驗(yàn)結(jié)果分析可看出:在0.05水平上,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)谷子的產(chǎn)量有極顯著性影響(P<0.000 1);電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)谷子拔節(jié)期和灌漿期的株高有顯著性影響(P<0.05),對(duì)其他光合作用參數(shù)、千粒質(zhì)量無顯著性影響。
運(yùn)用SAS軟件中的“主分量法多元線性回歸”擬合電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)谷子產(chǎn)量影響的關(guān)系式如式(1)所示。
Y1=162.398 15+0.029 33X1+0.902 78X2+
1.072 22X3
(1)
式中:Y1——谷子的產(chǎn)量,kg;
X1——電場(chǎng)強(qiáng)度,V;
X2——脈沖個(gè)數(shù),個(gè);
X3——脈沖時(shí)間,μs。
回歸模型的P值小于0.000 1,決定系數(shù)R2達(dá)0.879 5,回歸擬合極其顯著且精度較高。由式(1)表達(dá)出:在本試驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi),谷子的產(chǎn)量隨電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間的增加而增加,結(jié)合表3可看出,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1 500 V、脈沖個(gè)數(shù)為70個(gè),脈沖時(shí)間為70 μs(第27組)時(shí),谷子的產(chǎn)量最高,為362 kg。
2.2.2 高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)蕎麥生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
在0.05水平上,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)蕎麥的產(chǎn)量有極顯著性影響(P<0.000 1),電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)其光合作用參數(shù)和千粒質(zhì)量無顯著性影響。對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析如式(2)所示。
Y2=110.333 3+0.006 11X1+0.336 11X2+
0.486 11X3
(2)
式中:Y2——蕎麥的產(chǎn)量,kg。
回歸模型的P值小于0.000 1,決定系數(shù)R2達(dá)0.952 5,回歸擬合極其顯著且精度較高。由式(2)表達(dá)出:在本試驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi),蕎麥的產(chǎn)量隨電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間的增加而增加,結(jié)合表3可看出,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1 500 V、脈沖個(gè)數(shù)為70個(gè),脈沖時(shí)間為70 μs(第27組)時(shí),蕎麥的產(chǎn)量最高,為179 kg。
2.2.3 高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)高粱生長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響
在0.05水平上,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)高粱拔節(jié)期的株高、灌漿期的葉綠素含量及產(chǎn)量都有極顯著影響(P<0.000 1);電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)高粱的其他光合作用參數(shù)和千粒質(zhì)量無顯著性影響。對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析如式(3)所示。
Y3=141.490 74+0.021 89X1+0.866 67X2+
1.625 00X3
(3)
式中:Y3——高粱的產(chǎn)量,kg。
回歸模型的P值小于0.000 1,決定系數(shù)R2達(dá)0.933 1,回歸擬合極其顯著且精度較高。由式(3)可看出:在本試驗(yàn)設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi),高粱的產(chǎn)量隨電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間的增加而增加,結(jié)合表3可看出,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1 500 V、脈沖個(gè)數(shù)為70個(gè),脈沖時(shí)間為70 μs(第27組)時(shí),高粱的產(chǎn)量最高,為363 kg。
經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)處理以后,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間三因素對(duì)谷子、蕎麥及高粱的千粒質(zhì)量影響不顯著,而對(duì)其產(chǎn)量有極顯著影響,分析其原因認(rèn)為,三個(gè)因素對(duì)雜糧單個(gè)籽粒的體積和重量增加沒有明顯促進(jìn),但促進(jìn)了果穗體積增大及穗瓣數(shù)增多,即使果穗形態(tài)產(chǎn)生了變化,產(chǎn)量提高還是較明顯。
總結(jié)本文的研究結(jié)果可見,無論從生長(zhǎng)勢(shì)、千粒質(zhì)量還是產(chǎn)量來看,高壓靜電場(chǎng)和高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)谷子、蕎麥和高粱的影響有很大不同。
高壓靜電場(chǎng)對(duì)谷子、蕎麥和高粱產(chǎn)量的影響與前人的研究結(jié)果[14, 16]基本一致,低場(chǎng)強(qiáng)下,促進(jìn)作用不明顯,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,呈現(xiàn)一定的促進(jìn)作用,電場(chǎng)強(qiáng)度若繼續(xù)增加,則會(huì)抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育。促進(jìn)不同的植物所需的最佳處理電場(chǎng)強(qiáng)度有很大不同。本文在4.5 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)谷子產(chǎn)量的促進(jìn)作用相對(duì)不明顯,而在3 kV/cm、6 kV/cm的場(chǎng)強(qiáng)作用時(shí)對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)效果比較明顯,其原因主要是:作物的產(chǎn)量除與自然靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)及陽光、空氣、水分、土壤等因素有關(guān)[16]外,還與病蟲鳥害[17]有關(guān),因此在一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中,有籽粒飽滿的谷穗,有籽粒干癟的谷穗,測(cè)取產(chǎn)量時(shí)隨機(jī)在試驗(yàn)小區(qū)采集的谷穗中存在谷穗籽粒飽癟不一致導(dǎo)致結(jié)果有偏差,還需進(jìn)行大樣本試驗(yàn)驗(yàn)證。
1) 經(jīng)高壓靜電場(chǎng)預(yù)處理后,谷子、蕎麥及高粱的千粒質(zhì)量及產(chǎn)量都有增加。適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度可促進(jìn)谷子株高的增加,場(chǎng)強(qiáng)過低或者過高反而抑制株高的增加。
2) 高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理下,在0.05水平上,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間三因素對(duì)谷子、蕎麥及高粱的產(chǎn)量有極顯著性影響(P<0.000 1);三因素對(duì)高粱拔節(jié)期的株高、灌漿期的葉綠素含量也有極顯著影響(P<0.000 1);三因素對(duì)谷子拔節(jié)期和灌漿期的株高有顯著性影響(P<0.05);三個(gè)因素對(duì)雜糧單個(gè)籽粒的體積和重量增加沒有明顯促進(jìn),但明顯地促進(jìn)了果穗體積及穗瓣數(shù)的增加,提高了產(chǎn)量。而電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對(duì)谷子、蕎麥及高粱的其他光合作用參數(shù)和千粒質(zhì)量無顯著性影響。
3) 谷子、蕎麥及高粱的產(chǎn)量分別隨高壓脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間的增多而提高,電場(chǎng)強(qiáng)度為1 500 V、脈沖個(gè)數(shù)為70個(gè),脈沖時(shí)間為70 μs(第27組)時(shí),谷子、蕎麥、高粱的產(chǎn)量均最高。
中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2022年8期