高壓電場預(yù)處理雜糧種子對生長勢及產(chǎn)量的影響*

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)

0 引言

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)外市場上享有盛譽(yù)[1]。在省級戰(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發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)而提高雜糧產(chǎn)量與品質(zhì)，對于發(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]先后研究了電場對植物細(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)和生長提供了一種物理技術(shù)。近年來，極低頻高壓脈沖電場(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，對比研究了1 Hz極低頻PEF與HVEF對作物種子萌發(fā)的影響及其機(jī)理，結(jié)果顯示，極低頻高壓脈沖電場對種子萌發(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]利用高壓電場處理高粱種子，研究了不同電場處理對高粱種子萌發(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)者研究了高壓電場預(yù)處理對小麥[10]、大豆[11]、谷子[12]等種子萌發(fā)的影響，結(jié)果顯示，高壓電場處理預(yù)處理對種子的萌發(fā)活力及幼苗的形態(tài)學(xué)指標(biāo)均有促進(jìn)作用。目前電場處理雜糧種子的研究相對較少，且大都集中在高壓低頻靜電場處理上[12-13]，我們團(tuán)隊(duì)近年來利用高壓矩形脈沖電場高壓區(qū)幅寬長的特性作用種子產(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處理多種雜糧種子，主要進(jìn)行了高壓靜電場和高壓脈沖電場兩種高壓電場對谷子、蕎麥、高粱三種雜糧作物生長勢及產(chǎn)量的影響研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

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；自制高壓靜電場發(fā)生器試驗(yàn)裝置由電場發(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(電場強(qiáng)度=電壓(kV)/極間距離(cm))；葉綠素測定儀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 試驗(yàn)方法與步驟

1.2.1 運(yùn)用高壓脈沖電場和靜電場兩種電場預(yù)處理谷子、蕎麥、高粱種子

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選定高壓脈沖電場參數(shù)為：電場強(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)脈沖電場處理組與1個(gè)對照組共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，對應(yīng)編號以此逐一對該種子樣本進(jìn)行電場預(yù)處理。

高壓靜電場的參數(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，不使用高壓靜電場處理的為對照組。

1.2.2 作物生長期莖葉生長特征指標(biāo)及葉綠素測試

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)方案主要測試經(jīng)兩種高壓電場處理后的三種雜糧作物種子發(fā)芽后苗期及生長期的株高、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)行測量并做好標(biāo)記，葉綠素含量的測定用葉綠素測定儀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)用直尺測量株高，用游標(biāo)卡尺測量莖粗，并進(jìn)行記錄，每隔10 d測量一次，直到收獲期。此法同用于蕎麥和高粱的相關(guān)實(shí)測值測試。

表1 高壓脈沖電場試驗(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)量的測取

作物收獲以后自然晾曬風(fēng)干，取均勻飽滿的籽粒來測量千粒質(zhì)量和含水率。用精度為0.001 g的MP2002型電子天平測量千粒質(zhì)量，每組測量三次，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。

2 結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行一個(gè)生長周期的測試分析，并將測取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示(高壓靜電場在表中簡稱為靜電場)。

2.1 高壓靜電場對雜糧種子生長勢及產(chǎn)量的影響

2.1.1 高壓靜電場對谷子生長勢及產(chǎn)量的影響

由表2和表3試驗(yàn)結(jié)果顯示：與對照組相比，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(3～6 kV/cm)對谷子在拔節(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的場強(qiáng)對產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯，4.5 kV/cm的場強(qiáng)對產(chǎn)量沒有明顯影響。而在拔節(jié)期，3 kV/cm和6 kV/cm場強(qiáng)下的株高比對照組的小，在灌漿期，6 kV/cm處理下的株高比對照組的小，表明在這兩種情況下，高壓靜電場對株高起到抑制作用，因此適宜的電場強(qiáng)度可促進(jìn)谷子株高的增加，場強(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場強(qiáng)下谷子株高較對照組小，而產(chǎn)量卻較對照組大，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 高壓靜電場對蕎麥生長勢及產(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場強(qiáng)對蕎麥的株高、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 的場強(qiáng)對千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯，3 kV/cm的場強(qiáng)對千粒質(zhì)量和產(chǎn)量影響不大；而在其他處理情況下，高壓靜電場強(qiáng)度對其無顯著性影響。

2.1.3 高壓靜電場對高粱生長勢及產(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的場強(qiáng)對拔節(jié)期莖粗的促進(jìn)作用比較明顯，4.5 kV/cm的場強(qiáng)對千粒質(zhì)量的促進(jìn)作用比較明顯，6 kV/cm的場強(qiáng)對產(chǎn)量的促進(jìn)作用比較明顯；而在而在其他處理情況下，高壓靜電場強(qiáng)度對其無顯著性影響。

表2 電場對谷子、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 電場對谷子、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)度的高壓靜電場處理后，其千粒質(zhì)量和產(chǎn)量都有不同幅度的增加，而對植株的生長勢的影響有較大的不同，且高壓靜電場對三種雜糧的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量促進(jìn)效果最佳的作用場強(qiáng)不同，其原因主要是：靜電場對不同的植物及同一植物的不同生長期，電場作用存在閾值效應(yīng)[14]。

2.2 高壓脈沖電場對雜糧種子生長勢及產(chǎn)量的影響

2.2.1 高壓脈沖電場對谷子生長勢及產(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，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對谷子的產(chǎn)量有極顯著性影響(P<0.000 1)；電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對谷子拔節(jié)期和灌漿期的株高有顯著性影響(P<0.05)，對其他光合作用參數(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”擬合電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對谷子產(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 高壓脈沖電場對蕎麥生長勢及產(chǎn)量的影響

在0.05水平上，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對蕎麥的產(chǎn)量有極顯著性影響(P<0.000 1)，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對其光合作用參數(shù)和千粒質(zhì)量無顯著性影響。對產(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 高壓脈沖電場對高粱生長勢及產(chǎn)量的影響

在0.05水平上，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對高粱拔節(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)；電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對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)高壓脈沖電場處理以后，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間三因素對谷子、蕎麥及高粱的千粒質(zhì)量影響不顯著，而對其產(chǎn)量有極顯著影響，分析其原因認(rèn)為，三個(gè)因素對雜糧單個(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。

3 討論

總結(jié)本文的研究結(jié)果可見，無論從生長勢、千粒質(zhì)量還是產(chǎn)量來看，高壓靜電場和高壓脈沖電場對谷子、蕎麥和高粱的影響有很大不同。

高壓靜電場對谷子、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，低場強(qiáng)下，促進(jìn)作用不明顯，隨著電場強(qiáng)度的增加，呈現(xiàn)一定的促進(jìn)作用，電場強(qiáng)度若繼續(xù)增加，則會(huì)抑制植株生長發(fā)育。促進(jìn)不同的植物所需的最佳處理電場強(qiáng)度有很大不同。本文在4.5 kV/cm的場強(qiáng)下對谷子產(chǎn)量的促進(jìn)作用相對不明顯，而在3 kV/cm、6 kV/cm的場強(qiáng)作用時(shí)對產(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、磁場及陽光、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。

4 結(jié)論

1) 經(jīng)高壓靜電場預(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。適宜的電場強(qiáng)度可促進(jìn)谷子株高的增加，場強(qiáng)過低或者過高反而抑制株高的增加。

2) 高壓脈沖電場預(yù)處理下，在0.05水平上，電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間三因素對谷子、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。而電場強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間對谷子、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強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖時(shí)間的增多而提高，電場強(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。