植物工厂不同静电场强度生菜的产量、品质及烧心程度

郝学明， 马丽娜*， 刘吉仁， 刘厚诚

(1.源康(深圳)农业科技有限公司，广东 深圳 518000； 2.华南农业大学， 广东 广州 510642)

0 引言

【研究意义】地球上的所有生命，包括人类、动物和植物，都处于一个自然电场中[1]。静电场应用在农业方面，是属于物理农业的一种新技术，静电场是植物生长发育必不可少的环境之一[2]。【前人研究进展】有研究发现，高压静电场促进大豆幼苗生长，显著提高光合色素含量，通过加快植物的新陈代谢，提高植物叶片的光合作用速率[3]。静电场处理还能够提高可溶性蛋白质水平，影响植物细胞膜，改变细胞膜的通透性[4-7]，提高植物的抗旱、抗寒和抗病能力等[8]。电场可以促进植物细胞的分裂和增生，一定强度的电场可以提高幼苗的生长速度[9-10]，但当电场超过一定强度则出现相反效果，比如对大豆幼苗施加场强高于8 kV/cm时会出现明显抑制作用，且场强越高抑制效应越明显，甚至致死[11-12]。静电场也会影响植物对矿质营养元素的吸收[13]，如促进植物对Ca2+、K+的吸收等[14]，可能是通过其影响膜电势，使根系内外离子浓度平衡发生改变而起作用[15]。【研究切入点】随着生活水平提高，健康绿色、无污染蔬菜越来越受到人们的喜爱。与传统农业相比，植物工厂作为设施农业的最高级发展阶段，在环境、产量、稳定生产以及食品安全等方面有着明显的优势。但是烧心现象是植物工厂生菜栽培主要品质异常点，严重影响工厂的生产效益。随着植物工厂的广泛应用，用科学的方法解决结球、半结球类生菜在植物工厂栽培中的烧心问题已经迫在眉睫。【拟解决的关键问题】以工厂内常出现烧心的意大利生菜为试验材料，通过应用静电场技术，研究不同强度静电场对其动态生长、产量品质以及烧心的影响，以期为利用电场农业新技术解决植物工厂水培生菜常见病害和提高产量品质提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生菜品种为意大利生菜，试剂主要有乙醇、蒽酮试剂、考马斯亮蓝、磷酸、氨缓冲溶液、亚铁氰化钾溶液、硫酸锌、草酸和2,6-二氯酚靛酚。电场处理装置：由静电发生器和3对左、右2块平行搁置的电极板组成。在静电发生器中采用交-直-交变换器工作原理，通过整流电路、中间电路和逆变电路得到电压从0～6 000 V连续可调的交流电压，逆变电路是闭环脉宽调制工作模式。电场装置由国博电器(广东)有限公司提供。

1.2 试验设计

挑选大小一致(3叶一心)的生菜幼苗移栽在温室中，并开始进行静电场处理。设置3个电场强度处理：对照(CK)，0 kV/cm ；T1，0～0.2 kV/cm；T2，0.2～2 kV/cm；T3，>2 kV/cm。每个处理5次重复，随机排列。LED光质红蓝光3∶4，光照强度(200±20)μmol/(m2·s)，昼夜时间和温度分别为12/12 h和24/22℃，营养液pH 5.8～6.0，EC值(2.0±0.2) ms/cm。

1.3 测定指标

1.3.1 生长指标 分别于电场处理后(移栽后)7 d、14 d、21 d、28 d时测定植株株高、冠幅、叶片长度、叶片宽度等指标。株高、冠幅、叶长、叶宽均用直尺测量，株高表示生菜基部至主茎顶部之间的距离，冠幅表示生菜南北与东西方向宽度的平均值。处理后28 d采样，使用百分秤称量地上部与根部鲜重，烂叶重表示发黄、枯萎叶片的重量。

1.3.2 品质指标 叶绿素含量使用SPAD-502仪测定，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马斯亮蓝G-250染色法，硝酸盐含量采用紫外分光光度法。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 23.0进行处理与统计分析，利用Origin 23.0进行绘图，通过单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)进行检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同静电场强度处理植株的生长发育

从图1看出，随着生菜生育进程的推进，植株株高、冠幅、叶长及叶宽不同处理间存在差异。株高：植株的株高在移栽后21 d时处理间差异均不显著，至28 d时T1处理显著低于其余处理，与对照相比下降12.28%。冠幅：移栽前期(7～14 d)，对照明显高于电场处理；在移栽后21 d时，T3处理显著高于其余处理，较对照高12.17%。在生长后期(28 d时)生菜的叶长和叶宽各处理间差异不显著，说明在植物生长发育过程中，静电场处理对意大利生菜叶片形态变化影响较小。

注：处理间不同小写字母表示相同时间内差异达显著(P<0.05)水平，下同。

2.2 不同静电场强度处理植株的生物量

由表1看出，T2处理意大利生菜的生物量达最大值，地上部鲜重与总重显著高于其他静电场处理，与对照相比分别增加7.15%和7.71%。而T1、T3处理的地上部鲜重和单株总重低于对照，即场强过低或过高对生菜生物量均会产生抑制作用。烂叶重在T2处理达最大，说明在该处理下植株叶片新陈代谢活动最活跃，从而加速老叶的衰败。T2电场处理一定程度可提高生菜的生物量，但是相比对照差异不显著。

表1 不同静电场强度处理意大利生菜的生物量

2.3 不同静电场强度处理植株的品质指标

从图2可知，不同强度静电场处理生菜的品质指标存在差异。叶绿素含量SPAD值：与对照相比，静电处理的均有不同程度下降，但未达显著水平。可溶性蛋白含量：T2处理最高，比对照提高26.25%，且与其余处理的差异均达显著显著水平(P<0.05)。可溶性糖含量：T2处理较对照高33.31%，差异显著；T1和T3处理较对照显著下降。硝酸盐含量：静电处理的硝酸盐含量均低于对照，其中以T2处理的硝酸盐含量最低，比对照低37.91%，且与其余处理的差异均达显著水平。综上看，T2处理的生菜品质最好。

图2 不同静电场强度处理意大利生菜的品质指标

2.4 不同静电场强度处理生菜植株的烧心发生情况

根据烧心程度生菜植株划分为无烧心、刚出现烧心(叶片边缘出现褐色斑点)、轻微烧心(1～2片叶片边缘出现烧焦痕迹，有皱缩现象)和严重烧心(大于等于3片叶片出现严重烧焦，严重者甚至腐烂)4种类型。由表2可知，在静电处理下，随着场强增加，无烧心植株比例呈逐渐上升趋势，烧心植株比例逐渐下降，说明增加静电场强可降低烧心比例。T1处理严重烧心比例为9.68%，合计烧心比例为61.29%；T2处理严重烧心比例占18.18%，合计烧心比例为45.45%，均低于对照；T3处理没有发现严重烧心植株，说明该场强减缓植株烧心程度的效果最佳。综合看，降低烧心的效果表现为T3>T1>T2>CK。

表2 不同静电场强度处理意大利生菜的烧心发生比例

3 讨论

静电技术的应用逐渐渗透到农业领域，其中静电场对植物生物效应影响方面的研究越来越多[16-19]。试验发现，在生菜植株生长发育过程中，静电场对其形态与产量的影响较小，总鲜重在电场强度0.2～2 kV/cm时达最大值，与高压静电场对番茄产量的影响结果一致[20]。另有研究表明，适量静电场强度能够促进植株的生长，若静电场对植株的影响超过本身的调节能力，则会造成伤害[21]。

生菜叶片中的可溶性糖含量在电场强度0.2～2 kV/cm时达最大值，而当场强低于0.2 kV/cm或高于2 kV/cm时，导致可溶性糖含量下降。有研究发现，静电处理能够增加其可溶性蛋白含量，原因是电场作用导致体内离子浓度改变、电子密度的重新有序分布加速多肽链疏水侧链的相互作用，更有利于氢键的形成，从而加速蛋白质的合成[11]。本研究发现，当静电场强度在0.2～2 kV/cm时，叶片蛋白质含量相比对照显著提高；超过2 kV/cm时，场强效果下降，与前人研究结果一致[22]。与其他作物相比，蔬菜是易富集硝酸盐的作物，尤其是在水培情况下。本研究发现，静电处理能够降低植物工厂内生菜叶片中的硝酸盐含量，在0.2～2 kV/cm处理下硝酸盐含量显著下降。因此认为，当静电场强度在0.2～2 kV/cm时，对增加生菜的生物量和提高其品质指标的效果最好。

生菜烧心是在植物工厂内常见的生理性病害，发病初期在心叶的叶缘或叶尖，逐渐扩展变成褐色，严重时腐烂。本研究发现，静电处理能够缓解植物工厂内生菜烧心情况，尤其是降低植株严重烧心的比例高于2 kV/cm的场强对降低严重烧心比例效果最好，并且能够减缓生菜烧心的程度。导致植株烧心的因素有很多，其中有可能因缺钙而引发烧心的生理性病害[23]，而在本试验条件下，当场强高于2 kV/cm时，严重烧心比例下降的原因可能是电场产生的电流电位差改变细胞的膜电位，从而改善植株细胞吸收和运转物质的能力，促进对离子的吸收。前人研究发现，在植株吸收的所有矿物质中只有钙和碳酸氢根离子被发现受控于外界电场[24]，所以电场可能是对其分布以及运输起到调控作用，从而使烧心情况好转，而验证该结论还需继续对植株体内元素含量变化进行进一步探索。此外，在生菜生物量、品质和烧心情况上，不同静电场处理得到的最佳效果并不一致，是因为低量和超量电场强度处理影响生菜的生长，进而影响到烧心情况。综合比较，0.2～2 kV/cm电场强度处理是最佳选择。

目前本研究针对植物工厂内高压静电场处理生菜还处于初步试验阶段，今后还需进行不同品种之间的处理以及进一步研究植株体内离子变化对静电场的响应机制。

4 结论

经过静电场作用一定时间后，植物工厂内意大利生菜的生物量、品质指标以及烧心情况较空白对照均有明显的改善效果。强度为0.2～2 kV/cm电场对意大利生菜产量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量的促进效果最优，该处理下硝酸盐含量最低。静电场处理可以减缓植物工厂内意大利生菜的烧心情况，并且结合产量、品质指标，0.2～2 kV/cm电场处理最好。