張作偉，杜慧玲

（1.山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)林與工程系，山西 運(yùn)城 044000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西 太谷 030801）

電場處理屬于物理農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，它能對置于其中的生物產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng)[1-3]。前人研究表明，種子經(jīng)適宜電場處理后，明顯提高了種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率，種子的生活力大大增強(qiáng)，有效解決了田間種子出苗差、出苗參差不齊的問題，促進(jìn)壯苗、齊苗，同時(shí)提高了抗病蟲害能力，達(dá)到了增產(chǎn)增收的目的[4-7]。研究也發(fā)現(xiàn)，電場效應(yīng)受到多種因素的疊加影響，如電場劑量（電場強(qiáng)度×電場處理時(shí)間）、品種本身特性（如作物種子種類、種子含水量等）、周圍環(huán)境條件等等[8-10]，這就大大制約了電場處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。雖然該技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，但由于電場處理機(jī)理的不確定性，對于不同作物的高壓電場處理劑量還沒有確定的范圍，仍然需要根據(jù)作物的種類、品種通過大量的預(yù)試驗(yàn)進(jìn)行篩選。高粱作為適應(yīng)性和抗逆能力較強(qiáng)的谷類品種，不僅可以食用、釀酒和制作糖漿，還能夠作為飼料、制作笤帚及入藥等[11-14]。隨著社會的發(fā)展，人們越來越意識到小雜糧食品的重要養(yǎng)生功能，提高高粱等雜糧作物的產(chǎn)量就成為農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。目前，對高粱種子施加電場處理方面的研究鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)在二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，利用降維思路提取主成分方程，分析電場處理對種子萌發(fā)的影響，并通過模型解析，優(yōu)化最佳電場處理高粱種子條件，旨在為電場技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定實(shí)踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和裝置

1.1.1 試驗(yàn)材料 供試高粱種子：晉雜“122#”，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供。千粒質(zhì)量29.85±0.36 g，含水量12.8%±0.4%，收獲時(shí)間為2013年。

1.1.2 種子處理 高壓電場處理種子發(fā)生裝置如圖1所示。其主要由電場發(fā)生器、電纜線、塑膠絕緣棒、金屬網(wǎng)和金屬板5部分組成。試驗(yàn)原理是把220 V的交流電經(jīng)電場發(fā)生器整流，得到0～150 kV的可調(diào)節(jié)的直流高壓，再經(jīng)電纜線輸送到金屬網(wǎng)上，金屬網(wǎng)和金屬板之間通過塑膠絕緣棒相連，這樣就會在在金屬板和金屬網(wǎng)間形成高壓電場，在金屬板上平鋪上種子進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 試驗(yàn)因素水平與編碼

表2 二因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)和主成分分析結(jié)果

本試驗(yàn)采用二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)因素水平與編碼如表1所示。試驗(yàn)共13個(gè)處理，1個(gè)對照（不經(jīng)電場處理），3次重復(fù)（表2）。每次電場處理挑選完整高粱種子150粒，約4.5 g，單層均勻置于金屬板中央位置，處理后經(jīng)H2O2浸泡消毒，蒸餾水沖洗，分別均勻分散平鋪在培養(yǎng)皿上，每個(gè)培養(yǎng)皿放置50粒，然后在25℃的恒溫培養(yǎng)箱里培養(yǎng)發(fā)芽。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)芽時(shí)，適時(shí)加水保持濾紙濕潤，并檢查記錄發(fā)芽的種子數(shù)；發(fā)芽結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)或計(jì)算種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

式中，S1表示第3天發(fā)芽種子數(shù)；S2表示發(fā)芽種子總數(shù)；ST表示供試種子總數(shù)；Dt表示發(fā)芽日數(shù)；Gt表示與發(fā)芽日數(shù)相對應(yīng)的每天發(fā)芽的種子數(shù)[15-16]；S表示幼苗鮮質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場處理對發(fā)芽指標(biāo)的影響

從圖2-A可以看出，經(jīng)電場處理后，高粱種子的發(fā)芽勢均有一定程度的提高，其中，T2處理發(fā)芽勢為67.3%，提高幅度最大，與對照相比，提高了21.0%；T4處理發(fā)芽勢最小，為57.7%，僅比對照提高了3.78%。除T4處理外，其余處理與對照的差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

從圖2-B可以看出，與對照相比，13個(gè)處理中，除 T4，T5處理（發(fā)芽率分別為 86.7%，86.2%）外，其余處理的發(fā)芽率均高于對照，提高幅度為0.45%～4.62%，其中，T3處理發(fā)芽率最大，為92.9%。除T3，T12處理外，其余各處理與對照組間差異不顯著（P＞0.05）。

從圖2-C可以看出，經(jīng)電場處理后，高粱種子的發(fā)芽指數(shù)均有提高，其中，T9處理發(fā)芽指數(shù)最大，為87.4，比對照提高了15.92%；T4處理發(fā)芽指數(shù)為76.2，提高幅度最小，僅比對照僅提高了1.06%。各處理與對照間的差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

從圖2-D可以看出，經(jīng)電場處理后，高粱種子的活力指數(shù)均有提高，其中，T9處理活力指數(shù)為15.70，提高幅度最大，與對照相比，提高了27.12%；T5處理活力指數(shù)為12.36，提高幅度最小，僅比對照提高了0.08%。各處理與對照間差異均達(dá)顯著水平 （P＜0.05）（T5，T6，T7處理除外）。

2.2 優(yōu)化電場處理?xiàng)l件篩選

從2.1電場處理對4個(gè)發(fā)芽指標(biāo)的影響不難看出，電場處理對4個(gè)發(fā)芽指標(biāo)的影響結(jié)果不盡相同，為了簡化分析過程，合理判斷電場處理對種子萌發(fā)活力的影響，科學(xué)篩選電場處理高粱種子的優(yōu)化條件，有必要對4個(gè)發(fā)芽指標(biāo)進(jìn)行降維分析，以消除4個(gè)相關(guān)指標(biāo)在反映萌發(fā)信息方面的重疊和排序差異，更好反饋電場處理對種子萌發(fā)活力的影響。主成分分析結(jié)果表明，提取的第1主成分特征值G為3.305，能夠解釋82.63%的信息貢獻(xiàn)率，因此，可以用提取的第1主成分方程求解得到的綜合指標(biāo)值代替原來的4個(gè)發(fā)芽指標(biāo)變量，來反映電場處理對種子萌發(fā)活力的影響。提取得到的第1主成分方程為：Z＝0.518 1Z1＋0.428 9Z2＋0.524 2Z3＋0.522 4Z4，把標(biāo)準(zhǔn)化后的發(fā)芽指標(biāo)原始變量代入，可得到對照和各處理相對應(yīng)的主成分分析結(jié)果，即發(fā)芽綜合指標(biāo)值（表2）。處理T12萌發(fā)活力最高，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別比對照提高20.7%，3.0%，13.0%，25.9%。為了篩選優(yōu)化電場處理?xiàng)l件，對萌發(fā)活力綜合指標(biāo)和二因素間建立數(shù)學(xué)模型，Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，回歸方程失擬檢驗(yàn)為F1（4.11）＜F0.05（3，4）（6.59），表明失擬檢驗(yàn)不顯著，未控制因素對試驗(yàn)造成的結(jié)果影響較??；F2（54.50）＞F0.01（5，7）（7.46），表明回歸檢驗(yàn)達(dá)極顯著水平，構(gòu)建的回歸方程模型能較好地?cái)M合實(shí)際情況。模型解析表明，當(dāng)電場強(qiáng)度為454 kV/m，電場處理時(shí)間為40 min時(shí)，回歸方程可取得最大值，此時(shí)的電場處理?xiàng)l件即為最優(yōu)電場處理?xiàng)l件。

3 討論與結(jié)論

高壓電場是一種綜合效應(yīng)場，植物種子在電場作用下，其周圍的電場強(qiáng)度會發(fā)生改變，使膜內(nèi)外產(chǎn)生附加電場，導(dǎo)致其體內(nèi)的電荷運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響，從而改善膜的通透性，促進(jìn)能量物質(zhì)ATP的形成和酶活性的變化，影響植物種子的生命活動[17]。大量研究結(jié)果表明，適宜電場處理植物種子后，種子的萌發(fā)及幼苗的生長都會受到正效應(yīng)[18]。由于電場處理生物效應(yīng)牽涉到物理和生理2個(gè)領(lǐng)域，導(dǎo)致對其機(jī)理的研究不夠深入。一般認(rèn)為，適宜電場處理促進(jìn)種子萌發(fā)的原因主要有以下幾方面：電場處理激發(fā)了與萌發(fā)相關(guān)的酶的活性，加快了萌發(fā)過程中生理生化進(jìn)程；電場處理產(chǎn)生的附加電場加大了膜內(nèi)外的電勢差，有利于ATP的形成和較強(qiáng)動力學(xué)過程的產(chǎn)生；電場處理改善了膜的通透性，有利于物質(zhì)交換和小分子物質(zhì)的滲入；高壓加到電網(wǎng)上，會產(chǎn)生電暈放電，產(chǎn)生氮氧化合物和臭氧，與水結(jié)合產(chǎn)生硝酸和亞硝酸，使種子外殼受到腐蝕，有利于打破常規(guī)休眠和刺激種子萌發(fā)[19]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，電場處理有效促進(jìn)了種子的萌發(fā)，除發(fā)芽率變化較小外，其余3項(xiàng)種子萌發(fā)指標(biāo)變化明顯，尤其是發(fā)芽勢和活力指數(shù)提高的幅度最為顯著；多重比較表明，高粱種子的發(fā)芽率T3，T12處理與對照組間差異達(dá)顯著水平，發(fā)芽勢除T4處理，活力指數(shù)除 T5，T6，T7處理外，各處理發(fā)芽指標(biāo)與對照組間的差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。主成分分析結(jié)果表明，提取出的一個(gè)主成分方程能較好反映不同處理下4個(gè)發(fā)芽指標(biāo)的變化情況，從綜合指標(biāo)Z可以看出，T12處理的效果最好。在此基礎(chǔ)上，利用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，構(gòu)建了二因素（電場強(qiáng)度、處理時(shí)間）和萌發(fā)活力綜合指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型：Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，該模型失擬檢驗(yàn)不顯著，擬合檢驗(yàn)顯著。因此，該模型能夠較好地反映二因素和萌發(fā)活力綜合指標(biāo)間的關(guān)系；并通過對該模型的解析，得到電場處理高粱種子的最優(yōu)條件為：電場強(qiáng)度454 kV/m，處理時(shí)間40 min。

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