二次通用旋轉設計優化電場處理高粱種子萌發條件

張作偉，杜慧玲

（1.山西運城農業職業技術學院農林與工程系，山西 運城 044000；2.山西農業大學文理學院，山西 太谷 030801）

電場處理屬于物理農業的一項重要技術，它能對置于其中的生物產生明顯的生物效應[1-3]。前人研究表明，種子經適宜電場處理后，明顯提高了種子的發芽勢和發芽率，種子的生活力大大增強，有效解決了田間種子出苗差、出苗參差不齊的問題，促進壯苗、齊苗，同時提高了抗病蟲害能力，達到了增產增收的目的[4-7]。研究也發現，電場效應受到多種因素的疊加影響，如電場劑量（電場強度×電場處理時間）、品種本身特性（如作物種子種類、種子含水量等）、周圍環境條件等等[8-10]，這就大大制約了電場處理技術在農業中的應用。雖然該技術的應用范圍日益擴大，但由于電場處理機理的不確定性，對于不同作物的高壓電場處理劑量還沒有確定的范圍，仍然需要根據作物的種類、品種通過大量的預試驗進行篩選。高粱作為適應性和抗逆能力較強的谷類品種，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]。隨著社會的發展，人們越來越意識到小雜糧食品的重要養生功能，提高高粱等雜糧作物的產量就成為農業研究領域的一項重要課題。目前，對高粱種子施加電場處理方面的研究鮮見報道。

本試驗在二次通用旋轉設計方法基礎上，利用降維思路提取主成分方程，分析電場處理對種子萌發的影響，并通過模型解析，優化最佳電場處理高粱種子條件，旨在為電場技術在農業生產中的應用提供一定實踐依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和裝置

1.1.1 試驗材料 供試高粱種子：晉雜“122#”，由山西省農業科學院高粱研究所提供。千粒質量29.85±0.36 g，含水量12.8%±0.4%，收獲時間為2013年。

1.1.2 種子處理 高壓電場處理種子發生裝置如圖1所示。其主要由電場發生器、電纜線、塑膠絕緣棒、金屬網和金屬板5部分組成。試驗原理是把220 V的交流電經電場發生器整流，得到0～150 kV的可調節的直流高壓，再經電纜線輸送到金屬網上，金屬網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間形成高壓電場，在金屬板上平鋪上種子進行處理。

1.2 試驗設計

表1 試驗因素水平與編碼

表2 二因素二次通用旋轉組合設計和主成分分析結果

本試驗采用二次通用旋轉設計方法，試驗因素水平與編碼如表1所示。試驗共13個處理，1個對照（不經電場處理），3次重復（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H2O2浸泡消毒，蒸餾水沖洗，分別均勻分散平鋪在培養皿上，每個培養皿放置50粒，然后在25℃的恒溫培養箱里培養發芽。

1.3 測定項目及方法

在恒溫培養箱中進行培養發芽時，適時加水保持濾紙濕潤，并檢查記錄發芽的種子數；發芽結束后，統計或計算種子的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數。

式中，S1表示第3天發芽種子數；S2表示發芽種子總數；ST表示供試種子總數；Dt表示發芽日數；Gt表示與發芽日數相對應的每天發芽的種子數[15-16]；S表示幼苗鮮質量。

2 結果與分析

2.1 電場處理對發芽指標的影響

從圖2-A可以看出，經電場處理后，高粱種子的發芽勢均有一定程度的提高，其中，T2處理發芽勢為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顯著水平（P＜0.05）。

從圖2-B可以看出，與對照相比，13個處理中，除 T4，T5處理（發芽率分別為 86.7%，86.2%）外，其余處理的發芽率均高于對照，提高幅度為0.45%～4.62%，其中，T3處理發芽率最大，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，經電場處理后，高粱種子的發芽指數均有提高，其中，T9處理發芽指數最大，為87.4，比對照提高了15.92%；T4處理發芽指數為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顯著水平（P＜0.05）。

從圖2-D可以看出，經電場處理后，高粱種子的活力指數均有提高，其中，T9處理活力指數為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顯著水平 （P＜0.05）（T5，T6，T7處理除外）。

2.2 優化電場處理條件篩選

從2.1電場處理對4個發芽指標的影響不難看出，電場處理對4個發芽指標的影響結果不盡相同，為了簡化分析過程，合理判斷電場處理對種子萌發活力的影響，科學篩選電場處理高粱種子的優化條件，有必要對4個發芽指標進行降維分析，以消除4個相關指標在反映萌發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活力的影響。主成分分析結果表明，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值代替原來的4個發芽指標變量，來反映電場處理對種子萌發活力的影響。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，把標準化后的發芽指標原始變量代入，可得到對照和各處理相對應的主成分分析結果，即發芽綜合指標值（表2）。處理T12萌發活力最高，發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數分別比對照提高20.7%，3.0%，13.0%，25.9%。為了篩選優化電場處理條件，對萌發活力綜合指標和二因素間建立數學模型，Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，回歸方程失擬檢驗為F1（4.11）＜F0.05（3，4）（6.59），表明失擬檢驗不顯著，未控制因素對試驗造成的結果影響較小；F2（54.50）＞F0.01（5，7）（7.46），表明回歸檢驗達極顯著水平，構建的回歸方程模型能較好地擬合實際情況。模型解析表明，當電場強度為454 kV/m，電場處理時間為40 min時，回歸方程可取得最大值，此時的電場處理條件即為最優電場處理條件。

3 討論與結論

高壓電場是一種綜合效應場，植物種子在電場作用下，其周圍的電場強度會發生改變，使膜內外產生附加電場，導致其體內的電荷運轉受到影響，從而改善膜的通透性，促進能量物質ATP的形成和酶活性的變化，影響植物種子的生命活動[17]。大量研究結果表明，適宜電場處理植物種子后，種子的萌發及幼苗的生長都會受到正效應[18]。由于電場處理生物效應牽涉到物理和生理2個領域，導致對其機理的研究不夠深入。一般認為，適宜電場處理促進種子萌發的原因主要有以下幾方面：電場處理激發了與萌發相關的酶的活性，加快了萌發過程中生理生化進程；電場處理產生的附加電場加大了膜內外的電勢差，有利于ATP的形成和較強動力學過程的產生；電場處理改善了膜的通透性，有利于物質交換和小分子物質的滲入；高壓加到電網上，會產生電暈放電，產生氮氧化合物和臭氧，與水結合產生硝酸和亞硝酸，使種子外殼受到腐蝕，有利于打破常規休眠和刺激種子萌發[19]。

本試驗結果表明，電場處理有效促進了種子的萌發，除發芽率變化較小外，其余3項種子萌發指標變化明顯，尤其是發芽勢和活力指數提高的幅度最為顯著；多重比較表明，高粱種子的發芽率T3，T12處理與對照組間差異達顯著水平，發芽勢除T4處理，活力指數除 T5，T6，T7處理外，各處理發芽指標與對照組間的差異均達顯著水平（P＜0.05）。主成分分析結果表明，提取出的一個主成分方程能較好反映不同處理下4個發芽指標的變化情況，從綜合指標Z可以看出，T12處理的效果最好。在此基礎上，利用二次通用旋轉組合設計試驗方法，構建了二因素（電場強度、處理時間）和萌發活力綜合指標間的數學模型：Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，該模型失擬檢驗不顯著，擬合檢驗顯著。因此，該模型能夠較好地反映二因素和萌發活力綜合指標間的關系；并通過對該模型的解析，得到電場處理高粱種子的最優條件為：電場強度454 kV/m，處理時間40 min。

［1］羅瑩，張志軍，房駿.高壓靜電場在設施農業中的應用[J].天津農業科學，2010，16（1）：91-93.

［2］張俐，申勛業，楊方.高壓靜電場對生物效應影響的研究進展[J].東北農業大學學報，2000，31（3）：307-312.

［3］李曉靜，任安祥.茄子種子電磁生物效應的研究 [J].華北農學報，2007，22（2）：180-183.

［4］曹永軍，習崗，楊初平，等.不同電場對大豆種子萌發的影響[J].應用與環境生物學報，2004，10（6）：691-694.

［5］楊體強，袁德正，孟立志，等.鹽脅迫下電場處理對花葵種子發芽率的影響[J].中國油料作物學報，2007（1）：93-95.

［6］鄧紅梅，韓寒冰，畢方锨，等.高壓靜電場處理干濕黃瓜種子的生物效應及機理[J].農機化研究，2006（6）：153-159.

［7］徐江，譚敏，張春慶，等.電暈場與介電分選提高水稻種子活力[J].農業工程學報，2013，29（23）：233-240.

［8］李會山，董匯澤，董思遠.低頻電流對唐古特大黃種子萌發及活力的影響[J].揚州大學學報（農業與生命科學版），2009，30（4）：71-74.

［9］袁德正，楊體強.電場對苜蓿種子發芽率的影響及其數學模擬[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2012，33（4）：232-35.

［10］楊體強，朱海英.電場對油葵種子萌發影響的有效時間[J].核農學報，2013，27（6）：879-883.

［11］于振文.作物栽培學各論（北方本）[M].2版.北京：中國農業出版社，2013.

［12］籍貴蘇，杜瑞恒，侯升林，等.甜高粱莖稈含糖量研究[J].華北農學報，2006，21（Z2）：81-83.

［13］景小蘭，柳青山，平俊愛，等.山西省高粱產業發展趨勢與對策[J].山西農業科學，2014，42（6）：621-624.

［14］王堅強，蘭多夫·阿如，成鐘.高粱有效成分藥用價值研究進展[J].山西農業科學，2015，43（4）：493-495.

［15］張一中，周福平，張曉娟，等.鹽脅迫對3個高粱保持系種子萌發及幼苗生長的影響 [J].山西農業科學，2013，41（9）：914-918.

［16］劉霞宇，喬永剛，陳亮，等.溫度及光照對苦參種子萌發的影響[J].山西農業科學，2017，45（2）：206-207，210.

［17］張爽，李景富.高壓靜電場對黃瓜種子萌發期生化指標的影響[J].北方園藝，2013（16）：5-9.

［18］于卓靜.電場對三種固沙飼用植物種子萌發及其活力的影響[J].中國草地，1998（2）：48.

［19］張旸，胡中影，李娜，等.高壓靜電場對羽衣甘藍自交不親和系種子基因組DNA甲基化的影響 [J].華北農學報，2015，30（Z1）：8-18.