激勵電壓對銅脅迫下水稻葉片電阻抗參數影響研究

王婧 殷華

摘 要：以不同濃度的銅離子脅迫作為基礎，采用0.5v，1v，2v等3種激勵電壓研究對水稻葉片電阻抗測量結果的影響。結果表明，電阻抗測量結果與測量時激勵電壓的選擇有密切關系：在低濃度短時間的銅脅迫后，0.5v激勵電壓所得阻抗結果與1v、2v激勵電壓所得結果差別較大;而在高濃度長時間脅迫后，三者差異并不明顯。

關鍵詞：水稻;電阻抗;激勵電壓;銅脅迫

中圖分類號 S511.4+2文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）21-0023-04

Abstract：Rice is one of the most important food crops in China，and it is easy polluted by heavy metal because of the process of industrialization is speeded up. As a simple detection method，impedance parameters are widely used in the detection and estimation of plant heavy metal pollution. However，most of the researchers are limited to fit and calculate of the parameters，and ignored the influence of the excitation voltage on the measurement. This paper discussed on the influence of three excitation voltages （0.5v，1v and 2v） at copper ion stress environment. Results shows that selection of excitation voltage is related to the measurement results：after short period of copper stress at low concentrations，the impedance at 0.5v is quite different with 1v or 2v，nevertheless，there is no difference after long period stress with high concentration.

Key words：Rice;Impedance;Excitation voltage;CU stress

水稻是我國重要的糧食作物之一。據國家統計局相關數據顯示，2018年全國稻谷播種面積約為3018.9萬hm2，平均單產7.027t/hm2，總產21213萬t。但是，近年來隨著我國工業化程度的不斷推進，水稻的種植環境正逐漸受到各種重金屬元素的污染。銅作為一種與人類關系密切的有色金屬，目前已經被廣泛應用于機械制造、建筑工業、國防工業等領域。但過多的銅通過污水排放滲入到地下后，一定程度上增加了對水稻的污染機率。雖然有文獻報道，少量的銅能促進水稻相關蛋白的分泌，有利于植物的生長發育[1];但相關研究已經證實，重金屬對水稻的脅迫程度與其劑量有顯著的相關性，若將水稻長期暴露在銅離子下，其產生的累積效應不但會帶來毒性阻礙生長、對其DNA造成損傷，而且會通過直接或食物鏈的傳遞對人類的肝臟、腎臟健康造成損害[2]。因此，如何對水稻中累積的銅進行早期檢測，及時發現和制止污染行為，對保證水稻安全，保障人們身體健康具有重要意義[4-6]。

傳統的重金屬元素含量檢測通常以化學方法為主：在對檢測區域的土壤或植物進行取樣后，采用試劑分離的方法定量獲取重金屬的含量，這種方法雖然結果準確，但是過程較為繁瑣，對實驗者的操作水平及相關儀器設備依賴性較高;而另外一種更為常見的手段是通過觀察植物在重金屬環境下的生理、生化反應并構建模型，以此來得到其受到重金屬污染的程度，包括近紅外、LIBS光譜等。電阻抗圖譜法是19世紀后期來發展起來的一種快速、非破壞性測定方法，其通過獲取不同頻率、電壓下植物組織的電阻和電抗變化，結合等效電路模型來得到植物胞外電阻、胞內電阻等參數，并以此直接或間接反應生物細胞受到環境因素脅迫時的物理、化學變化。通過近30年的發展，電阻抗圖譜法應用范圍正逐漸擴展，從估計作物活力、營養狀況到耐干旱、耐寒程度等都具有良好的表現，這為研究植物受環境因素脅迫的程度提供了依據[7-8]。但目前應用電阻抗圖譜法來反應重金屬對作物葉片的脅迫多集中于模型的確立與數據的擬合，其基本思路是分別測得作物的電阻和電抗，以電阻為實部、電抗為虛部作圖得到電阻抗圖譜的弧數和偏度，并以此確定究竟是使用集總模型還是分布模型，而后根據模型的等效電路表達，利用復最小二乘法進行擬合得到諸如弛豫時間、弛豫時間分布系數、細胞外電阻、細胞內電阻等參數。從中不難看出，為了得到準確的結果，電阻和電抗值的獲取非常關鍵，但目前現有的研究大多只關心測量時的激勵頻率，對激勵電壓的選擇討論較少，而通常植物生理模型較為復雜，對激勵電壓的反應也各不相同，因此，當激勵電壓發生變化時，電阻抗的結果應該也有所不同。本試驗通過分析在銅脅迫下水稻葉片電阻抗參數變化，探索激勵電壓的選擇對電阻、電抗測量結果的影響，為準確選擇激勵電壓、利用電阻抗參數來診斷水稻重金屬污染程度提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 本試驗選取江西省水稻生產常用的品種金優458，在不同脅迫下進行葉片阻抗測量。試驗場地為學校農學實驗站，水稻種植采用桶培方式進行，培育桶為圓形紅色塑料桶，高40cm。為了保持一致性，水稻培育周期中所用的全部土壤從同一地區獲取，每桶裝風干土10kg。土壤質地為中壤土，有機質19.46g/kg，堿解氮112.31mg/kg，速效磷11.65g/kg，速效鉀123.84g/kg，全氮1.02g/kg，全磷0.48g/kg，全鉀12.22g/kg，肥力中等。按25mg/kg、50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg含量，分別向不同的桶中添加CuSO4·5H2O溶液進行銅脅迫處理，秧齡1個月左右，選擇晴天進行移栽，每桶2穴，每穴3株，每種濃度的CuSO4·5H2O溶液各處理5桶。向每桶中施基肥N1.2g、P2O51.2g，K201.4g，栽培按常規管理方法進行，保證各個生長期處于合理的溫、濕環境

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗采用完全隨機設計，每次每組均剪取不少于6個樣品，再隨機選取3個樣品進行測試。進入分蘗期后，每隔5d取不同組別的水稻葉片進行分析，測量電阻、電抗參數。

1.2.2 測量方法 樣品電阻、電抗測量方法參考T.Repo的方法進行，避開水稻葉片的主莖剪取4mm×10mm大小的樣本，分別在開路和短路條件下校正阻抗分析（TH2832），結束后開始測量樣本在48個頻率下（20Hz～200Hz）的電阻和電抗值。測量時，保持測量電極通過導電凝膠與水稻葉片良好接觸，每個樣本測量不少于10次，激勵電壓分別選取0.5v、1v和2v，以此來驗證不同電壓對阻抗的影響程度。水稻種植土壤、葉片等試驗樣品中銅的含量采用激光誘導擊穿試驗系統（libs）對試驗土壤、不同銅濃度脅迫下的水稻葉片進行測試。根據式（1）所示的羅馬金-賽伯公式，測量所得的光譜強度與元素含量有對應的關系，因此，通過觀察激光誘導擊穿光譜的強度，可以很好的得到待測元素的含量[11]：

1.2.3 試驗儀器設備 試驗所用LIBS系統采用ND-YAG脈沖激光器作為激發光源（VLITE-200型，北京鐳寶光電技術有限公司），中心工作波長為1064nm，脈沖寬度6～8ns。激光反射處理后聚焦在待測樣品表面。產生的激光等離子體光譜信號通過石英透鏡耦合至光纖，最后再傳輸至光譜儀（AVASPEC-ULS2048-2，荷蘭愛萬提斯技術有限公司，波長210～473nm，分辨率0.08～0.16nm）完成光譜的分光與光電轉換。為了確保結果的準確性，在測量前對對水稻葉片則采用自然風干處理。

1.2.4 數據處理 根據NIST數據庫，對CU元素的鑒別常用324.75nm和327.39nm兩根譜線進行，且通常324.75nm譜線約為327.39nm譜線強度的2倍。根據具體情況選用譜線作為銅元素含量的鑒別。如圖1的土壤libs光譜曲線，由于其中的元素比較豐富，324.75nm譜線較易受Ti元素譜線324.86nm干擾而造成誤判，因此對土壤中存在的CU元素判定通常以327.40nm為依據;葉片中由于元素種類較為單一，采用2根譜線進行判別[12-13]。

2 結果與分析

2.1 水稻葉片外觀對銅脅迫的響應 由圖2可見，在脅迫前，各試驗桶中移栽的水稻葉片libs光譜數據并無顯著差別。而在經過銅脅迫后，從外觀上看，根據添加CuSO4·5H2O溶液的濃度不同，水稻葉片葉色、葉面積變化明顯，特別是在200mg/kg濃度溶液的脅迫下，葉色出現變淡、葉面積變小等現象。為了明確水稻葉片中銅的富集程度，測量經過不同濃度銅脅迫后各水稻葉片的LIBS光譜數據。結果顯示，經過脅迫后，水稻葉片中所累積的銅出現明顯差異，而光譜數據中其它元素含量沒有出現顯著差別，故在此基礎上對同樣葉片進行電阻抗分析，其所得差異是銅元素導致。

2.2 相同濃度銅脅迫不同激勵電壓的影響 隨著脅迫時間的推移，越來越多的銅離子將隨著水稻根系的吸收進入葉片內部，繼而引起其細胞發生變化，對阻抗產生一定的影響，圖3是在25mg/kg濃度的銅溶液脅迫下，采用相同的激勵電壓5d、10d和15d后的阻抗變化曲線。由圖3可見，在0.5v、1v、2v激勵下阻抗都會隨著時間的推移逐漸出現變化。以5d阻抗曲線為對照，在0.5v電壓激勵下，脅迫10d后的阻抗曲線峰值減少了21.3%，脅迫15d后的阻抗曲線峰值減少了了45.1%;在1v電壓激勵下，脅迫10d后的阻抗曲線峰值減少了51.4%，脅迫15d后的阻抗曲線峰值減少了64.2%;同樣的情況在2v電壓激勵也出現，脅迫10d后的阻抗曲線峰值減少了54.5%，15d后的阻抗曲線峰值減少了63.2%。

各種濃度的銅溶液脅迫后采用不同電壓激勵的阻抗峰值響應結果變化見圖4，由圖4可以看出，在25mg/kg濃度的銅溶液脅迫下采用0.5V電壓激勵與阻抗峰值接近于線性關系，而若采用高激勵電壓，則在脅迫初期阻抗的變化會較大，但是隨著時間的推移，這種變化趨于一致，并且不論是1v還是2v激勵，阻抗峰值幾乎一致。而在50mg/kg時3種激勵電壓的峰值逐漸靠近，呈現出一致性的趨勢，表現為近似線性關系;但在高濃度的脅迫（大于100mg/kg）時，采用何種電壓對阻抗峰值幾乎沒有影響，不同脅迫時間得到的阻抗峰值幾乎相同，這說明此時選用何種激勵電壓進行阻抗測量對于高濃度的脅迫來說關系不大。

2.3 相同激勵電壓不同濃度銅脅迫的影響 有研究表明，銅離子的濃度會對水稻的品質造成影響[6]，當環境中出現過多的銅離子后，其會通過水稻根系吸收，最終沉淀在糠層、谷殼和精米中。因此，在相同的脅迫時間里，激勵電壓能否對銅離子脅迫的濃度進行表達，采用多少激勵電壓最有利于辨識出脅迫程度是值得研究的問題。在5d時間的脅迫后，采用0.5v激勵電壓時的阻抗曲線如圖5（a）所示。由圖5（a）可以看出，4種濃度的銅脅迫在0.5v激勵電壓下其阻抗峰值分別為74.4kΩ、62.7kΩ、41.2kΩ及39.8kΩ，同樣以25mg/kg濃度作為對照，分別減少了15.7%、44.6%、46.5%。而在1v電壓激勵下，它們的阻抗峰值分別變化為97.95kΩ、48.14kΩ、37.1kΩ及38.2kΩ，相對于25mg/kg濃度時分別減少了50.8%、62.1%、61%。在2v電壓激勵下，這種情況再次出現，阻抗峰值分別變為了95.8kΩ、42.5kΩ、36.2kΩ及37.9kΩ，相對于參照的25mg/kg濃度，分別減少了55.6%、62.2%、60.4%。

不同銅濃度脅迫下激勵電壓對電阻抗峰值的影響結果見圖6，由圖6可以看出，當脅迫初期且濃度較低時，0.5v激勵電壓與1v、2v激勵電壓所產生的阻抗峰值具有明顯差別，但當脅迫的濃度逐漸升高后，1v和2v激勵電壓所造成的阻抗峰值變化率較高;然而，當濃度超過100mg/kg后這種差異反而變得并不十分明顯。圖6（b）、（c）分別為脅迫10d、15d后，脅迫濃度與阻抗峰值的關系，在低濃度脅迫時，同樣不論采用何種激勵電壓，其阻抗變化率較高，但當濃度超過100mg/kg后這種差異也十分微小，似乎水稻在吸收銅離子時出現了飽和效應，具體原因有待于后續研究揭示。

3 結論與討論

試驗結果表明，在相同的種植環境下，經過不同設計范圍的銅離子脅迫后，水稻電阻抗參數會出現相應的變化，結果與實驗時的激勵電壓、重金屬脅迫濃度、脅迫時間均有一定的關系。在低濃度、短時間的銅脅迫下，采用0.5v激勵電壓所得到的電阻抗峰值曲線與采用1v、2v激勵電壓所得到的電阻抗峰值曲線有顯著區別。而在高濃度的銅脅迫下，這種差異反而變得不太明顯。當脅迫時間較短且脅迫濃度小100mg/kg時，0.5v激勵電壓得到的電阻抗峰值變化率較小，而在大于100mg/kg脅迫濃度的場合或脅迫時間較長后的阻抗測量則采用何種電壓并無差異。因此，在低濃度的短時間的銅脅迫時，可以考慮采用低電壓進行激勵，而對于長時間高濃度的銅脅迫，采用何種電壓激勵所得阻抗結果相差不大。但具體是何種原因導致這種現象的發生，其它重金屬元素是否也會導致出現類似的結論，還需通過試驗進行深入分析。

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（責編：張宏民）