根際通電栽培對植物工廠生菜生長及葉燒病發(fā)生的影響

路軍靈 仝宇欣 李揚眉 李 列 劉 鑫

(中國農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農業(yè)部設施農業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

葉燒病是目前農業(yè)生產中最常見的一種由于植物鈣缺乏而引起的生理性病害，設施環(huán)境條件下較為嚴重，尤其是在環(huán)境因子(光照、溫度、濕度、CO2濃度等)得到精準控制的植物工廠內[1]。這是因為適宜的環(huán)境因子加速了植物的生長速度，同時也增加了鈣的需求量，當植物對鈣的需求量遠大于根對鈣的吸收量時，由鈣缺乏而導致的葉燒病便會發(fā)生，從而嚴重影響植物的外觀品質、口感和商品價值，大幅降低植物工廠的經濟效益。

近年來，為了探明設施蔬菜葉燒病發(fā)生機制，降低其發(fā)生率，國內外在品種、營養(yǎng)液和環(huán)境因子(光、濕度和風速等)等方面進行了大量研究[2-7]。研究表明，較低蒸騰速率和較快生長速度是導致設施蔬菜葉燒病發(fā)生的根本原因。植物體內鈣離子運移的主要驅動力為蒸騰作用，在植物工廠內，尤其是在規(guī)?；a的植物工廠栽培空間，較低風速(<0.1 m/s)和較高濕度限制了植物的蒸騰作用，特別是新葉的蒸騰作用，而適宜的溫度和優(yōu)化的光環(huán)境加速了植物的生長速度，使得生長速度較快的植物新生葉片中鈣離子得不到及時補充，從而引起由鈣缺乏而導致的葉燒病的發(fā)生。通過采取有效的栽培管理和環(huán)境調控措施，如提前采收[8]，增加植物栽培空間風速[9]或引入室外干燥空氣來降低濕度[10]等可以從一定程度上減少葉燒病的發(fā)生，但這些措施大多能耗較高或是以減緩植物生長速度或縮短生長周期為前提，降低了產量和經濟效益，且無法從根本上預防葉燒病的發(fā)生。

電場可以促進植物生長發(fā)育以及離子的吸收和運輸。李旭英等[11]研究表明，HCO3-和Ca2+的分布及其運移方向具有明顯的電場可調性，當電場場強變化率E＇(t)<0時，植株地下部Ca2+上移；當E＇(t)>0時，植株地上部的Ca2+下移，HCO3-移動方向與之相反；也有研究表明，高壓電場產生的空氣負離子促進了植物工廠內甘藍和生菜的生長[12]，同時也提高了甘藍的蒸騰速率以及K、Ca和Mg等礦質元素的含量[13]；大麥、空心菜、黃瓜等在施加電場后，也都表現(xiàn)出對CO2吸收增加，光合速率得到不同程度的提升，且產量均有大幅提高[14-17]。以上研究均說明施加電場對植物的生長以及離子的吸收和運輸具有促進作用。但電場所引起的生物效應是一個十分復雜的過程，由于受栽培環(huán)境、技術手段等多種因素的影響，目前關于電場對植物離子調控和促進其生長機理的研究報道較少。

本研究擬采用生菜根際通電的方法，使植株整體帶負電，在植物冠層形成正向電場，研究根際通電栽培對植物工廠內生菜生物量、光合性能和根系的離子吸收能力等指標的影響，探明根際通電栽培對生菜生長及其葉燒病預防的作用機理，以期為提高設施蔬菜產量并預防蔬菜由鈣缺失而導致的葉燒病的發(fā)生提供新方法與思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及條件

選用“特波斯”生菜(LactucasativaL.Tiberius)為試驗材料，于2019年12月10日用巖棉塊育苗，育苗光強為150 μmol/(m2·s)。待第3片真葉完全展開，選擇長勢一致的幼苗進行移栽，采用深液流營養(yǎng)液栽培繼續(xù)培育20 d。試驗期間，植物冠層光合有效輻射強度設定為200 μmol/(m2·s)，紅光與藍光光強比例為4∶1，光周期為16 h/d，明期和暗期環(huán)境溫度分別設定為24和20 ℃，相對濕度為65%，CO2濃度為1 000 μmol/mol，采用山崎營養(yǎng)液配方(pH≈5.8，EC≈1.0 mS/cm)，栽培密度為32株/m2。

1.2 試驗設計

本試驗在中國農業(yè)科學院人工光植物工廠內進行。選用2個聚乙烯樹脂的絕緣栽培槽，其中1個栽培槽為試驗組，即在營養(yǎng)液內放置通有負電壓為15 kV的碳纖維電極，使生菜全天帶負電，處理時間為20 d，根際通電發(fā)生器功率為1.2 W，試驗期間耗電量0.58 kWh；另外1個栽培槽為對照組，除不放置通電電極外，其他環(huán)境因子與試驗組均保持一致，具體裝置見圖1。

1.營養(yǎng)液槽；2.支撐絕緣子；3.電極線；4.光環(huán)境智能可調的LED燈；5.根際通電發(fā)生器；6.接地線；7.碳纖維電極；8.生菜1.Cultivation bed； 2.Electrical insulator； 3.Steel wire； 4.LED panel； 5.Electric field generator； 6.Ground connected electric wire； 7.Carbon fiber electrode； 8.Lettuce圖1 根際通電栽培系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the rhizosphere electric field system

1.3 葉燒病發(fā)生率及生長指標的測定

移栽后第10和20天，對生菜進行隨機取樣并進行破壞性測量，每個處理取5株植物。用剪刀從莖基部將植物分離為地上部和地下部，用吸水紙擦干其表面水分，利用電子天平(Si-234，USA)稱量地上部和地下部鮮質量，隨后放入烘箱，在80 ℃下烘干至恒重，用于干質量測定。葉面積采用葉面積儀(LI-3100C，USA)測量。移栽后第20天，每個處理取6株植物，觀察統(tǒng)計生菜總葉片數(shù)和發(fā)生葉燒病的葉片數(shù)，并計算其葉燒病發(fā)生率：

1.4 光合性能參數(shù)及光合產物的測定

移栽后第20天，利用便攜式光合測定儀(Li-6400，USA)測定生菜自上而下第2片完全展開的功能葉的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度和蒸騰速率。測定時葉室環(huán)境參數(shù)設定為：溫度24 ℃，CO2濃度1 000 μmol/mol，總光強為200 μmol/(m2·s)，紅光與藍光比例為4∶1，在操作界面凈光合速率的值穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據，每個處理取4株植物測定。植物葉片的可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法；可溶性糖含量測定采用硫酸-苯酚法。

1.5 根系形態(tài)指標及吸收功能的測定

移栽后第20天，每個處理取5株植物。測定植物根長、根表面積和根體積，利用根系STD-4800掃描儀 (Regent Instruments，Canada) 進行掃描，再經WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析[18]獲得。根系活力采用氯化三苯基四氮唑 (TTC) 法測定，定量測試根系中脫氫酶的活性，以此表征各處理根系活力的大?。桓悼偽彰娣e和活躍吸收面積采用甲烯藍吸附法測定。

1.6 離子流速測定

離子流速采用非損傷微測系統(tǒng)(Younger，USA)測定，移栽后第10天，每個處理取6～8株植物。根部Ca2+測試時，選取狀態(tài)良好的根尖，將其固定在培養(yǎng)皿底部，向培養(yǎng)皿中加入測試液，測試液配方為 0.1 mmol/L CaCl2和0.5 mmol/L KCl，pH 5.8，浸沒根組織，靜置20 min左右，棄去測試液，加入5 mL新鮮測試液，上樣檢測。在顯微鏡下，將Ca2+流速微傳感器尖端置于根系表面上方30 μm，對準距離根尖頂點200～400 μm處的根系表面上的點，檢測3～5 min穩(wěn)定數(shù)據；葉片保衛(wèi)細胞K+測試時，選取目標葉片，揭掉葉片的下表皮，暴露出葉肉細胞，操作同上，靜置4 h左右。棄去測試液，加入5 mL新鮮測試液，上樣檢測。在顯微鏡下找到保衛(wèi)細胞，將K+流速微傳感器尖端，置于保衛(wèi)細胞表面檢測位點上方30 μm處，檢測3～5 min穩(wěn)定數(shù)據。正負值表示離子流的運動方向，負值表示陽離子內流即吸收，反之亦然。

1.7 數(shù)據統(tǒng)計及分析

采用Excel進行數(shù)據處理，利用SPSS 24.0(SPSS Inc，USA)對試驗數(shù)據進行獨立樣本T檢驗和顯著性分析，顯著水平P<0.05，試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 生菜葉燒病發(fā)生率

通過試驗觀察，對照組的生菜葉片移栽后第13天即出現(xiàn)葉燒病癥狀，且單株生菜發(fā)生葉燒病的最大葉片數(shù)為9片，而試驗組的生菜葉片則在第15天出現(xiàn)葉燒病癥狀，單株生菜發(fā)生葉燒病的最大葉片數(shù)為5片。移栽后第20天，對發(fā)生葉燒病的生菜葉片數(shù)和總葉面積進行測量統(tǒng)計，結果見表1：與對照組相比，試驗組生菜的總葉面積提高了3.5%，葉燒病發(fā)生率降低了46.9%，因此，根際通電處理提高了生菜總葉面積，并從一定程度上減輕了葉燒病的發(fā)病程度。

表1 移栽20天生菜葉燒病發(fā)生率Table 1 Propotion of tipburn lettues plants in 20 days after transplanting

2.2 生菜產量

根際通電處理不同程度地提高了生菜地上部和地下部的鮮質量和干質量(圖2)。移栽第10和20天，與對照組相比，試驗組的生菜地上部和地下部的鮮質量分別顯著增加了26.4%、68.9%和6.3%、30.9%；干質量分別增加了47.0%、69.2%和17.2%、22.4%，且地下部鮮質量和干質量的增長幅度大于地上部?？梢姡H通電處理有利于生菜產量的增加和干物質的積累，且對地下部鮮質量和干質量的增加作用更顯著。

圖2 通電栽培對生菜產量的影響Fig.2 Effect of electrified cultivation on lettuce yield

2.3 生菜光合參數(shù)

通電栽培對生菜光合參數(shù)的影響見表2：與對照組相比，試驗組生菜葉片的氣孔導度、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度均顯著提高，分別增加了46.2%、49.0%和5.2%，凈光合速率也較對照組略有增加，但差異不顯著。根際通電處理有利于提高葉片氣孔導度，增加胞間二氧化碳濃度，并能顯著提升生菜蒸騰速率。

表2 通電栽培對生菜光合參數(shù)的影響Table 2 Effects of electrified cultivation on photosynthetic parameters of lettuce

2.4 生菜根系形態(tài)及離子吸收功能

移栽第20天，與對照組相比，試驗組生菜的根長、根表面積和根體積均略有增加，但差異不顯著(表3)。

表3 移栽20天生菜根系形態(tài)Table 3 Root morphology of lettuce in 20 days after transplanting

通電栽培對生菜根系吸收面積及離子流速的影響見表4：與對照組相比，試驗組的生菜根系總吸收面積顯著提高了18.7%(P<0.05)，活躍吸收面積也相應提高，但無顯著性差異，即根際通電處理有助于促進根系對水分和養(yǎng)分的吸收；此外，根際通電后距離生菜根尖200～400 μm處(分生區(qū))的Ca2+吸收速度較對照顯著提高了108.8%，而保衛(wèi)細胞的K+外排速度較CK顯著降低了69.5%。說明根際通電處理后的生菜根部具有更強的Ca2+吸收能力，葉片保衛(wèi)細胞K+外排的速度減弱。

移栽第10和20天，根際通電處理后生菜的根系活力得到顯著提高，分別較對照組提高了133.3%和71.4%，隨著根際通電時間的增加，試驗組和對照組生菜的根系活力均呈現(xiàn)整體下降的趨勢，但試驗組仍然顯著高于對照組(圖3)，可見，根際通電處理促進了生菜的根部代謝。

圖3 通電栽培對生菜根系活力的影響Fig.3 Effect of electrified cultivation on root activity of lettuce

表4 通電栽培對生菜根系吸收面積及離子流速Table 4 Effects of electrified cultivation on root absorption area and ion flux of lettuce

2.5 生菜光合產物

可溶性糖和可溶性蛋白是重要的光合產物，與光合生產密切相關。試驗組生菜葉片的可溶性糖和可溶性蛋白的質量分數(shù)顯著提高，分別較對照組增加了40.6%和37.2%(表5)，可知，根際通電處理促進了生菜光合產物的積累。

表5 通電栽培對生菜光合產物的影響Table 5 Effects of electrified cultivation onphotosynthetic products of lettuce mg/g

3 討 論

生菜植株缺鈣是導致葉燒病發(fā)生的主要原因。鈣在植物體內屬于不易移動和再利用的元素，常以難溶的化合物形式存在，因此葉燒病主要發(fā)生在新生組織上。植物對鈣元素的吸收主要通過根系吸收，伴隨水分的運輸轉移到各組織中[19]。本研究中，根際通電降低了生菜葉燒病的發(fā)生率，主要是因為根際通電促進了生菜根系的活力和鈣離子吸收能力。移栽第10和20天，根際通電處理的生菜根系活力分別較對照組提高了133.3%和71.4%，移栽后第20天，根際通電處理的生菜根系總吸收面積較對照組提高了18.7%，說明根際通電處理增強了生菜的根系活力，并進一步增強了其對養(yǎng)分和水分的吸收。而根系活力的提高是由于植株帶負電后，其根系與營養(yǎng)液之間形成的兩相界面層內會發(fā)生水分的微電解反應，此反應使根際營養(yǎng)液內溶氧量含量增加，促進了根系生長[20-21]。2組在移栽第20天的生菜根系活力與第10天相比，整體大幅下降(圖3)，說明生菜根系活力受栽培時間的影響較大。移栽第20天，與對照組相比，根際通電處理對根系活力的促進作用也大幅降低。其原因可能是隨著根際通電處理時間延長，生菜根系逐漸適應了栽培環(huán)境。通過測定根系的Ca2+流速，發(fā)現(xiàn)根際通電處理提高了生菜根系對Ca2+的吸收能力?？赡茉驗楦H通電作用下根系呼吸作用增強，呼吸釋放出的CO2與水形成H2CO3，H2CO3解離出的H+又可以與營養(yǎng)液中的陽離子，如Ca2+發(fā)生置換，促進了根系對Ca2+的吸收；另一可能原因是呼吸作用釋放的ATP能量，反過來驅動營養(yǎng)液中的離子轉運，加快了根系對Ca2+的吸收，以上結果與已有研究中電場作用可以促進植物離子吸收的結論相符[22]。根系的吸收和代謝可以影響葉片物質的同化，進而影響地上部的生長發(fā)育[23]，因此根系較強的Ca2+吸收能力，可以促進地上部積累更多的鈣元素。作為生菜根系對鈣離子吸收和向地上部運輸?shù)闹饕獎恿?，根際通電處理中生菜較強的蒸騰速率也加速了鈣離子向新生葉片的運輸與積累。綜上可知，根際通電處理通過增加根系總的離子吸收面積，提升根系活力和增強蒸騰速率，促進了生菜對鈣離子的吸收和轉運，從而延遲了葉燒病的發(fā)生時間以及降低了其發(fā)生率。

作物產量的增加主要受植物的光合性能和形態(tài)改變2個因素的影響[24]。光合作用作為植物生長的源動力，會受各種外界環(huán)境因子的影響，朱世秋等[25]認為電場可能通過激活光合作用相關的生理機制，來提高植物的光合能力以促進植物的生長。本研究結果表明，根際通電處理的生菜的地上部和地下部鮮質量和干質量都較對照顯著增加，凈光合速率較對照略增加，但差異不顯著，其原因可能為植物單個葉片測定的凈光合速率不能代表植物整體的光合能力。Song等[26]提出不同的光質配比和電場強度對生菜葉片凈光合速率的影響不盡相同，較低和較高的電場強度雖可以促進植物生長，但對凈光合速率的作用并不顯著。植物鮮質量和干質量的增加主要取決于凈光合速率的提升和葉面積的增大[27]，因此，生物量增加的另一原因是根際通電處理顯著提高了生菜的總葉面積，較大的葉面積可以截獲更多的光量子，從而促進了生菜的生長。根際通電處理的生菜鮮、干質量的增加趨勢與根系活力變化趨勢一致(圖2和圖3)，即隨著根際通電時間的增加，生菜的生物量增加趨勢減緩。進一步說明根際通電處理通過作用于生菜的根部，改變其根系活力和離子吸收能力來進一步影響地上部生物量的形成。本研究還發(fā)現(xiàn)根際通電處理的生菜葉片的氣孔導度、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度較對照均顯著增加，通過分析保衛(wèi)細胞K+流速可知，根際通電處理的生菜葉片保衛(wèi)細胞的鉀離子外排速度較對照顯著降低，鉀離子外排會引起細胞失水導致氣孔關閉，也就是說植株帶負電在一定程度上抑制了葉片氣孔的關閉，增加了氣孔導度，進而促進了其對周圍環(huán)境CO2的吸收，并增強蒸騰速率。Lee等[28]研究也表明，電場可以顯著提高甘藍的蒸騰作用和氣孔導度。此外，通過計算可知，試驗期間根際通電系統(tǒng)的耗電量為0.58 kWh，而生菜的鮮質量和干質量分別提升了8.8%和18.2%，可知，根際通電栽培系統(tǒng)在植物工廠內用于生菜植株的生長具有經濟可行性。

植物葉片中可溶性糖和可溶性蛋白是光合作用中間代謝合成的產物，常被用作評價植物的代謝水平與生產潛力，環(huán)境變化對光合過程的影響也可以通過分析光合產物量的變化反映[29]。本研究表明，根際通電顯著提高了葉片可溶性糖和可溶性蛋白的質量分數(shù)，進一步證明根際通電處理對生菜光合能力和產量具有一定的促進作用。這與已有研究認為電場長期作用可以促進植物光合產物(可溶性糖和可溶性蛋白)形成[30]的結論一致。

4 結 論

本研究將根際通電栽培應用到人工光植物工廠內，通過在生菜根際設置使植物帶負電的裝置，探究根際通電對生菜生物量和葉燒病發(fā)生的影響，主要結論如下：

1)根際通電處理減緩了生菜葉燒病的發(fā)病時間，減輕了葉燒病的發(fā)病程度。葉燒病發(fā)生率的降低主要是由于根際通電處理提高了生菜根系的總吸收面積和根系活力，促進了生菜對鈣離子的吸收和利用，從而提高了生菜的品質。

2)根際通電處理在減緩葉燒病發(fā)生的同時，提高了生菜地上部和地下部的產量。產量的提升主要是由于根際通電處理增大了生菜葉片的總葉面積，改善了生菜葉片的光合能力，如增加了葉片的氣孔導度和蒸騰速率，促進其對周圍環(huán)境CO2的吸收和光合產物的積累，從而提高了生物量的積累。