高压电场预处理杂粮种子对生长势及产量的影响*

武翠卿，孙静鑫，武新慧，王璨，赵宇航

(1. 山西农业大学农业工程学院，山西太谷，030801； 2. 运城学院机电工程系，山西运城，044000)

0 引言

山西素有“小杂粮王国”之誉，是全国杂粮主产区之一。所产小杂粮粒大、色鲜，质优，在国内外市场上享有盛誉[1]。在省级战略农业产业结构调整中将特色小杂粮种植与杂粮功能食品开发作为主导产业进行布局。采用工程新技术处理杂粮种子，提高杂粮种子萌发特性和改善杂粮生长发育状态，进而提高杂粮产量与品质，对于发展杂粮产业经济有着重要的意义[2-3]。Murr[4]与Sidaway[5]先后研究了电场对植物细胞膜穿透性和种子发芽率的影响，试验研究表明：电磁辐射效应对植物种子能够产生显著的影响，为农业生产选育新品种，促进种子的萌发和生长提供了一种物理技术。近年来，极低频高压脉冲电场(pulsed electric field，PEF)生物学效应的研究引起重视，为探明基于极低频PEF的种子处理技术与基于HVEF的种子处理技术的有效性及其差异，习岗等[6]以绿豆为材料，对比研究了1 Hz极低频PEF与HVEF对作物种子萌发的影响及其机理，结果显示，极低频高压脉冲电场对种子萌发的促进作用比HVEF的作用更加显著。刘锴[7]开发了基于植物电位波动特征的极低频高压脉冲电场处理系统，采用0.2～15 Hz频段的PEF干预玉米种子的萌发过程，研究了超弱光子辐射和常规生理指标对PEF的响应，确定了最优脉冲频率。胡建芳等[8-9]利用高压电场处理高粱种子，研究了不同电场处理对高粱种子萌发产生阈值效应，并通过建模分析得到了高压电场处理高粱种子的优化方案。黄洪云、陈建中等学者研究了高压电场预处理对小麦[10]、大豆[11]、谷子[12]等种子萌发的影响，结果显示，高压电场处理预处理对种子的萌发活力及幼苗的形态学指标均有促进作用。目前电场处理杂粮种子的研究相对较少，且大都集中在高压低频静电场处理上[12-13]，我们团队近年来利用高压矩形脉冲电场高压区幅宽长的特性作用种子产生的特别功效进行了初步探索，本文运用高压矩形脉冲电场处理多种杂粮种子，主要进行了高压静电场和高压脉冲电场两种高压电场对谷子、荞麦、高粱三种杂粮作物生长势及产量的影响研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

试验选用的杂粮种子采集于山西农业大学作物种子基地，分别为晋谷21谷种、黑丰1号苦荞麦、晋杂D30高粱优种，谷子、荞麦、高粱收获期的含水率分别为22.8%、20.9%、21.3%，密封储存在温度16 ℃以下避光环境中，试验时取出。

试验所用仪器设备主要有：美国BTX(ECM830)高压脉冲电场发生器以及配套的稳压电源、示踪仪、特配电极与电极杯；自制高压静电场发生器试验装置由电场发生器、金属网、塑胶绝缘棒、金属板等部分组成，采用闭环调整高频脉宽调制技术，将频率为50 Hz的交流电压，经多级倍压整流得到输出电压0～150 kV之间的直流高压，通过金属网电极在金属网和金属板间形成一个连续可调的均匀正向电场(电场强度=电压(kV)/极间距离(cm))；叶绿素测定仪SPAD，MP2002型电子天平、精度为0.001 g，DHG-9023A型电热恒温干燥箱，精度为0.02 mm的游标卡尺等。

1.2 试验方法与步骤

1.2.1 运用高压脉冲电场和静电场两种电场预处理谷子、荞麦、高粱种子

根据预试验选定高压脉冲电场参数为：电场强度(500 V、1 000 V、1 500 V)、脉冲个数(30个、50个、70个)、脉冲时间(30 μs、50 μs、70 μs)三个因素、三个水平。

根据三因素三水平来设计正交试验方案，有27个脉冲电场处理组与1个对照组共28组。从存放的备选试验种子中每组选择籽粒饱满大小颜色一致的种子，对应编号以此逐一对该种子样本进行电场预处理。

高压静电场的参数取值范围在10～20 kV，板间距33 mm，每个处理挑选饱满、大小相致的50粒种子，均匀铺洒于折叠的纸盒中，放置于金属板上。设置电场强度为10 kV(3 kV/cm)，15 kV(4.5 kV/cm)和20 kV(6 kV/cm)，处理时间选择30 min，分别进行处理，不使用高压静电场处理的为对照组。

1.2.2 作物生长期茎叶生长特征指标及叶绿素测试

将预处理好的试验种子样本种植在山西农业大学试验田，按试验设计小区种植并采用杂粮常规种植措施进行管理，依据试验方案主要测试经两种高压电场处理后的三种杂粮作物种子发芽后苗期及生长期的株高、茎粗、叶绿素值。

在适宜的播种期采用精少量播种机播种出苗后10 d开始测量其株高、茎粗、叶片数及叶绿素含量。每组处理随机选取三株谷子进行测量并做好标记，叶绿素含量的测定用叶绿素测定仪SPAD，在标记过的每株谷子植株上随机选定三片叶子，然后分别测量叶片的上中下三个部位的叶绿素含量，取它们的平均值作为这株的叶绿素含量，同时用直尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗，并进行记录，每隔10 d测量一次，直到收获期。此法同用于荞麦和高粱的相关实测值测试。

表1 高压脉冲电场试验设计分组Tab. 1 Design grouping of high-voltage pulse electric field test

1.2.3 收获后产量的指标千粒质量、产量的测取

作物收获以后自然晾晒风干，取均匀饱满的籽粒来测量千粒质量和含水率。用精度为0.001 g的MP2002型电子天平测量千粒质量，每组测量三次，取平均值。然后取一定数量的种子放入铝箔中称重计数，将铝箔放入DHG-9023A型电热恒温干燥箱，90 ℃ 恒温下干燥5 h后取出称重，计算含水率。随机在试验小区采集10穗，脱粒后称重按小区种植株距密度计算666.67 m2的产量。

2 结果与分析

按照上述试验方法进行一个生长周期的测试分析，并将测取的试验数据进行处理，试验结果如表2、表3所示(高压静电场在表中简称为静电场)。

2.1 高压静电场对杂粮种子生长势及产量的影响

2.1.1 高压静电场对谷子生长势及产量的影响

由表2和表3试验结果显示：与对照组相比，在拔节期，经3 kV/cm，4.5 kV/cm及6 kV/cm高压静电场处理后谷子的茎粗分别增加了20.8%、22.2%、9.7%；叶绿素含量分别增加了22.2%、20.0%、2.2%；在灌浆期，经3 kV/cm，4.5 kV/cm及6 kV/cm高压静电场处理后谷子的茎粗分别增加了49.3%、34.3%、19.4%；叶绿素含量分别增加了60.5%、55.3%、31.6%；千粒质量分别增加了3.8%、7.7%、3.8%；产量分别增加了20.8%、0.4%、19.3%；表明：高压静电场(3～6 kV/cm)对谷子在拔节期和灌浆期的茎粗、叶绿素含量、千粒质量及产量都有促进作用，且3 kV/cm、6 kV/cm的场强对产量的促进作用比较明显，4.5 kV/cm的场强对产量没有明显影响。而在拔节期，3 kV/cm和6 kV/cm场强下的株高比对照组的小，在灌浆期，6 kV/cm处理下的株高比对照组的小，表明在这两种情况下，高压静电场对株高起到抑制作用，因此适宜的电场强度可促进谷子株高的增加，场强过低或者过高反而会抑制株高的增加[14]。综合以上分析可看出：3 kV/cm和6 kV/cm场强下谷子株高较对照组小，而产量却较对照组大，在一定范围内，株高和产量呈负相关关系[15]。

2.1.2 高压静电场对荞麦生长势及产量的影响

表2和表3结果显示：在拔节期和灌浆期，3 kV/cm，4.5 kV/cm及6 kV/cm场强对荞麦的株高、茎粗和叶绿素含量没有显著影响。但经3 kV/cm，4.5 kV/cm及6 kV/cm高压静电场处理后荞麦的千粒质量分别增加了0.3%、2.5%、3.4%；产量分别增加了4.1%、13.0%、15.1%；表明4.5 kV/cm、6 kV/cm 的场强对千粒质量和产量的促进作用比较明显，3 kV/cm的场强对千粒质量和产量影响不大；而在其他处理情况下，高压静电场强度对其无显著性影响。

2.1.3 高压静电场对高粱生长势及产量的影响

表2和表3结果显示：在拔节期，经3 kV/cm，4.5 kV/cm 及6 kV/cm高压静电场处理后高粱的茎粗分别增加了12.4%、1.3%、2.6%，且经3 kV/cm，4.5 kV/cm及6 kV/cm高压静电场处理后高粱的千粒质量分别增加了5.5%、7.9%、3.5%；产量分别增加了9.2%、10.7%、21.8%，表明3 kV/cm的场强对拔节期茎粗的促进作用比较明显，4.5 kV/cm的场强对千粒质量的促进作用比较明显，6 kV/cm的场强对产量的促进作用比较明显；而在而在其他处理情况下，高压静电场强度对其无显著性影响。

表2 电场对谷子、荞麦和高粱的光合作用参数影响试验结果Tab. 2 Results of electric field influence on the photosynthetic parameter of millet, buckwheat and sorghum

表3 电场对谷子、荞麦和高粱的产量影响试验结果Tab. 3 Results of electric field influence on the yield of millet, buckwheat and sorghum

综合以上结果可知：谷子、荞麦、高粱种子经一定强度的高压静电场处理后，其千粒质量和产量都有不同幅度的增加，而对植株的生长势的影响有较大的不同，且高压静电场对三种杂粮的千粒质量和产量促进效果最佳的作用场强不同，其原因主要是：静电场对不同的植物及同一植物的不同生长期，电场作用存在阈值效应[14]。

2.2 高压脉冲电场对杂粮种子生长势及产量的影响

2.2.1 高压脉冲电场对谷子生长势及产量的影响

由表2和表3试验结果分析可看出：在0.05水平上，电场强度、脉冲个数、脉冲时间对谷子的产量有极显著性影响(P<0.000 1)；电场强度、脉冲个数、脉冲时间对谷子拔节期和灌浆期的株高有显著性影响(P<0.05)，对其他光合作用参数、千粒质量无显著性影响。

运用SAS软件中的“主分量法多元线性回归”拟合电场强度、脉冲个数、脉冲时间对谷子产量影响的关系式如式(1)所示。

Y1=162.398 15+0.029 33X1+0.902 78X2+

1.072 22X3

(1)

式中：Y1——谷子的产量，kg；

X1——电场强度，V；

X2——脉冲个数，个；

X3——脉冲时间，μs。

回归模型的P值小于0.000 1，决定系数R2达0.879 5，回归拟合极其显著且精度较高。由式(1)表达出：在本试验设置的参数范围内，谷子的产量随电场强度、脉冲个数、脉冲时间的增加而增加，结合表3可看出，当电场强度为1 500 V、脉冲个数为70个，脉冲时间为70 μs(第27组)时，谷子的产量最高，为362 kg。

2.2.2 高压脉冲电场对荞麦生长势及产量的影响

在0.05水平上，电场强度、脉冲个数、脉冲时间对荞麦的产量有极显著性影响(P<0.000 1)，电场强度、脉冲个数、脉冲时间对其光合作用参数和千粒质量无显著性影响。对产量进行回归分析如式(2)所示。

Y2=110.333 3+0.006 11X1+0.336 11X2+

0.486 11X3

(2)

式中：Y2——荞麦的产量，kg。

回归模型的P值小于0.000 1，决定系数R2达0.952 5，回归拟合极其显著且精度较高。由式(2)表达出：在本试验设置的参数范围内，荞麦的产量随电场强度、脉冲个数、脉冲时间的增加而增加，结合表3可看出，当电场强度为1 500 V、脉冲个数为70个，脉冲时间为70 μs(第27组)时，荞麦的产量最高，为179 kg。

2.2.3 高压脉冲电场对高粱生长势及产量的影响

在0.05水平上，电场强度、脉冲个数、脉冲时间对高粱拔节期的株高、灌浆期的叶绿素含量及产量都有极显著影响(P<0.000 1)；电场强度、脉冲个数、脉冲时间对高粱的其他光合作用参数和千粒质量无显著性影响。对产量进行回归分析如式(3)所示。

Y3=141.490 74+0.021 89X1+0.866 67X2+

1.625 00X3

(3)

式中：Y3——高粱的产量，kg。

回归模型的P值小于0.000 1，决定系数R2达0.933 1，回归拟合极其显著且精度较高。由式(3)可看出：在本试验设置的参数范围内，高粱的产量随电场强度、脉冲个数、脉冲时间的增加而增加，结合表3可看出，当电场强度为1 500 V、脉冲个数为70个，脉冲时间为70 μs(第27组)时，高粱的产量最高，为363 kg。

经高压脉冲电场处理以后，电场强度、脉冲个数、脉冲时间三因素对谷子、荞麦及高粱的千粒质量影响不显著，而对其产量有极显著影响，分析其原因认为，三个因素对杂粮单个籽粒的体积和重量增加没有明显促进，但促进了果穗体积增大及穗瓣数增多，即使果穗形态产生了变化，产量提高还是较明显。

3 讨论

总结本文的研究结果可见，无论从生长势、千粒质量还是产量来看，高压静电场和高压脉冲电场对谷子、荞麦和高粱的影响有很大不同。

高压静电场对谷子、荞麦和高粱产量的影响与前人的研究结果[14, 16]基本一致，低场强下，促进作用不明显，随着电场强度的增加，呈现一定的促进作用，电场强度若继续增加，则会抑制植株生长发育。促进不同的植物所需的最佳处理电场强度有很大不同。本文在4.5 kV/cm的场强下对谷子产量的促进作用相对不明显，而在3 kV/cm、6 kV/cm的场强作用时对产量的促进效果比较明显，其原因主要是：作物的产量除与自然静电场、磁场及阳光、空气、水分、土壤等因素有关[16]外，还与病虫鸟害[17]有关，因此在一个试验小区中，有籽粒饱满的谷穗，有籽粒干瘪的谷穗，测取产量时随机在试验小区采集的谷穗中存在谷穗籽粒饱瘪不一致导致结果有偏差，还需进行大样本试验验证。

4 结论

1) 经高压静电场预处理后，谷子、荞麦及高粱的千粒质量及产量都有增加。适宜的电场强度可促进谷子株高的增加，场强过低或者过高反而抑制株高的增加。

2) 高压脉冲电场预处理下，在0.05水平上，电场强度、脉冲个数、脉冲时间三因素对谷子、荞麦及高粱的产量有极显著性影响(P<0.000 1)；三因素对高粱拔节期的株高、灌浆期的叶绿素含量也有极显著影响(P<0.000 1)；三因素对谷子拔节期和灌浆期的株高有显著性影响(P<0.05)；三个因素对杂粮单个籽粒的体积和重量增加没有明显促进，但明显地促进了果穗体积及穗瓣数的增加，提高了产量。而电场强度、脉冲个数、脉冲时间对谷子、荞麦及高粱的其他光合作用参数和千粒质量无显著性影响。

3) 谷子、荞麦及高粱的产量分别随高压脉冲电场强度、脉冲个数、脉冲时间的增多而提高，电场强度为1 500 V、脉冲个数为70个，脉冲时间为70 μs(第27组)时，谷子、荞麦、高粱的产量均最高。