根际通电栽培对植物工厂生菜生长及叶烧病发生的影响

路军灵 仝宇欣 李扬眉 李 列 刘 鑫

(中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

叶烧病是目前农业生产中最常见的一种由于植物钙缺乏而引起的生理性病害，设施环境条件下较为严重，尤其是在环境因子(光照、温度、湿度、CO2浓度等)得到精准控制的植物工厂内[1]。这是因为适宜的环境因子加速了植物的生长速度，同时也增加了钙的需求量，当植物对钙的需求量远大于根对钙的吸收量时，由钙缺乏而导致的叶烧病便会发生，从而严重影响植物的外观品质、口感和商品价值，大幅降低植物工厂的经济效益。

近年来，为了探明设施蔬菜叶烧病发生机制，降低其发生率，国内外在品种、营养液和环境因子(光、湿度和风速等)等方面进行了大量研究[2-7]。研究表明，较低蒸腾速率和较快生长速度是导致设施蔬菜叶烧病发生的根本原因。植物体内钙离子运移的主要驱动力为蒸腾作用，在植物工厂内，尤其是在规模化生产的植物工厂栽培空间，较低风速(<0.1 m/s)和较高湿度限制了植物的蒸腾作用，特别是新叶的蒸腾作用，而适宜的温度和优化的光环境加速了植物的生长速度，使得生长速度较快的植物新生叶片中钙离子得不到及时补充，从而引起由钙缺乏而导致的叶烧病的发生。通过采取有效的栽培管理和环境调控措施，如提前采收[8]，增加植物栽培空间风速[9]或引入室外干燥空气来降低湿度[10]等可以从一定程度上减少叶烧病的发生，但这些措施大多能耗较高或是以减缓植物生长速度或缩短生长周期为前提，降低了产量和经济效益，且无法从根本上预防叶烧病的发生。

电场可以促进植物生长发育以及离子的吸收和运输。李旭英等[11]研究表明，HCO3-和Ca2+的分布及其运移方向具有明显的电场可调性，当电场场强变化率E＇(t)<0时，植株地下部Ca2+上移；当E＇(t)>0时，植株地上部的Ca2+下移，HCO3-移动方向与之相反；也有研究表明，高压电场产生的空气负离子促进了植物工厂内甘蓝和生菜的生长[12]，同时也提高了甘蓝的蒸腾速率以及K、Ca和Mg等矿质元素的含量[13]；大麦、空心菜、黄瓜等在施加电场后，也都表现出对CO2吸收增加，光合速率得到不同程度的提升，且产量均有大幅提高[14-17]。以上研究均说明施加电场对植物的生长以及离子的吸收和运输具有促进作用。但电场所引起的生物效应是一个十分复杂的过程，由于受栽培环境、技术手段等多种因素的影响，目前关于电场对植物离子调控和促进其生长机理的研究报道较少。

本研究拟采用生菜根际通电的方法，使植株整体带负电，在植物冠层形成正向电场，研究根际通电栽培对植物工厂内生菜生物量、光合性能和根系的离子吸收能力等指标的影响，探明根际通电栽培对生菜生长及其叶烧病预防的作用机理，以期为提高设施蔬菜产量并预防蔬菜由钙缺失而导致的叶烧病的发生提供新方法与思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料及条件

选用“特波斯”生菜(LactucasativaL.Tiberius)为试验材料，于2019年12月10日用岩棉块育苗，育苗光强为150 μmol/(m2·s)。待第3片真叶完全展开，选择长势一致的幼苗进行移栽，采用深液流营养液栽培继续培育20 d。试验期间，植物冠层光合有效辐射强度设定为200 μmol/(m2·s)，红光与蓝光光强比例为4∶1，光周期为16 h/d，明期和暗期环境温度分别设定为24和20 ℃，相对湿度为65%，CO2浓度为1 000 μmol/mol，采用山崎营养液配方(pH≈5.8，EC≈1.0 mS/cm)，栽培密度为32株/m2。

1.2 试验设计

本试验在中国农业科学院人工光植物工厂内进行。选用2个聚乙烯树脂的绝缘栽培槽，其中1个栽培槽为试验组，即在营养液内放置通有负电压为15 kV的碳纤维电极，使生菜全天带负电，处理时间为20 d，根际通电发生器功率为1.2 W，试验期间耗电量0.58 kWh；另外1个栽培槽为对照组，除不放置通电电极外，其他环境因子与试验组均保持一致，具体装置见图1。

1.营养液槽；2.支撑绝缘子；3.电极线；4.光环境智能可调的LED灯；5.根际通电发生器；6.接地线；7.碳纤维电极；8.生菜1.Cultivation bed； 2.Electrical insulator； 3.Steel wire； 4.LED panel； 5.Electric field generator； 6.Ground connected electric wire； 7.Carbon fiber electrode； 8.Lettuce图1 根际通电栽培系统示意图Fig.1 Schematic of the rhizosphere electric field system

1.3 叶烧病发生率及生长指标的测定

移栽后第10和20天，对生菜进行随机取样并进行破坏性测量，每个处理取5株植物。用剪刀从茎基部将植物分离为地上部和地下部，用吸水纸擦干其表面水分，利用电子天平(Si-234，USA)称量地上部和地下部鲜质量，随后放入烘箱，在80 ℃下烘干至恒重，用于干质量测定。叶面积采用叶面积仪(LI-3100C，USA)测量。移栽后第20天，每个处理取6株植物，观察统计生菜总叶片数和发生叶烧病的叶片数，并计算其叶烧病发生率：

1.4 光合性能参数及光合产物的测定

移栽后第20天，利用便携式光合测定仪(Li-6400，USA)测定生菜自上而下第2片完全展开的功能叶的净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率。测定时叶室环境参数设定为：温度24 ℃，CO2浓度1 000 μmol/mol，总光强为200 μmol/(m2·s)，红光与蓝光比例为4∶1，在操作界面净光合速率的值稳定后开始记录数据，每个处理取4株植物测定。植物叶片的可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；可溶性糖含量测定采用硫酸-苯酚法。

1.5 根系形态指标及吸收功能的测定

移栽后第20天，每个处理取5株植物。测定植物根长、根表面积和根体积，利用根系STD-4800扫描仪 (Regent Instruments，Canada) 进行扫描，再经WinRHIZO根系分析系统分析[18]获得。根系活力采用氯化三苯基四氮唑 (TTC) 法测定，定量测试根系中脱氢酶的活性，以此表征各处理根系活力的大小；根系总吸收面积和活跃吸收面积采用甲烯蓝吸附法测定。

1.6 离子流速测定

离子流速采用非损伤微测系统(Younger，USA)测定，移栽后第10天，每个处理取6～8株植物。根部Ca2+测试时，选取状态良好的根尖，将其固定在培养皿底部，向培养皿中加入测试液，测试液配方为 0.1 mmol/L CaCl2和0.5 mmol/L KCl，pH 5.8，浸没根组织，静置20 min左右，弃去测试液，加入5 mL新鲜测试液，上样检测。在显微镜下，将Ca2+流速微传感器尖端置于根系表面上方30 μm，对准距离根尖顶点200～400 μm处的根系表面上的点，检测3～5 min稳定数据；叶片保卫细胞K+测试时，选取目标叶片，揭掉叶片的下表皮，暴露出叶肉细胞，操作同上，静置4 h左右。弃去测试液，加入5 mL新鲜测试液，上样检测。在显微镜下找到保卫细胞，将K+流速微传感器尖端，置于保卫细胞表面检测位点上方30 μm处，检测3～5 min稳定数据。正负值表示离子流的运动方向，负值表示阳离子内流即吸收，反之亦然。

1.7 数据统计及分析

采用Excel进行数据处理，利用SPSS 24.0(SPSS Inc，USA)对试验数据进行独立样本T检验和显著性分析，显著水平P<0.05，试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 生菜叶烧病发生率

通过试验观察，对照组的生菜叶片移栽后第13天即出现叶烧病症状，且单株生菜发生叶烧病的最大叶片数为9片，而试验组的生菜叶片则在第15天出现叶烧病症状，单株生菜发生叶烧病的最大叶片数为5片。移栽后第20天，对发生叶烧病的生菜叶片数和总叶面积进行测量统计，结果见表1：与对照组相比，试验组生菜的总叶面积提高了3.5%，叶烧病发生率降低了46.9%，因此，根际通电处理提高了生菜总叶面积，并从一定程度上减轻了叶烧病的发病程度。

表1 移栽20天生菜叶烧病发生率Table 1 Propotion of tipburn lettues plants in 20 days after transplanting

2.2 生菜产量

根际通电处理不同程度地提高了生菜地上部和地下部的鲜质量和干质量(图2)。移栽第10和20天，与对照组相比，试验组的生菜地上部和地下部的鲜质量分别显著增加了26.4%、68.9%和6.3%、30.9%；干质量分别增加了47.0%、69.2%和17.2%、22.4%，且地下部鲜质量和干质量的增长幅度大于地上部。可见，根际通电处理有利于生菜产量的增加和干物质的积累，且对地下部鲜质量和干质量的增加作用更显著。

图2 通电栽培对生菜产量的影响Fig.2 Effect of electrified cultivation on lettuce yield

2.3 生菜光合参数

通电栽培对生菜光合参数的影响见表2：与对照组相比，试验组生菜叶片的气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度均显著提高，分别增加了46.2%、49.0%和5.2%，净光合速率也较对照组略有增加，但差异不显著。根际通电处理有利于提高叶片气孔导度，增加胞间二氧化碳浓度，并能显著提升生菜蒸腾速率。

表2 通电栽培对生菜光合参数的影响Table 2 Effects of electrified cultivation on photosynthetic parameters of lettuce

2.4 生菜根系形态及离子吸收功能

移栽第20天，与对照组相比，试验组生菜的根长、根表面积和根体积均略有增加，但差异不显著(表3)。

表3 移栽20天生菜根系形态Table 3 Root morphology of lettuce in 20 days after transplanting

通电栽培对生菜根系吸收面积及离子流速的影响见表4：与对照组相比，试验组的生菜根系总吸收面积显著提高了18.7%(P<0.05)，活跃吸收面积也相应提高，但无显著性差异，即根际通电处理有助于促进根系对水分和养分的吸收；此外，根际通电后距离生菜根尖200～400 μm处(分生区)的Ca2+吸收速度较对照显著提高了108.8%，而保卫细胞的K+外排速度较CK显著降低了69.5%。说明根际通电处理后的生菜根部具有更强的Ca2+吸收能力，叶片保卫细胞K+外排的速度减弱。

移栽第10和20天，根际通电处理后生菜的根系活力得到显著提高，分别较对照组提高了133.3%和71.4%，随着根际通电时间的增加，试验组和对照组生菜的根系活力均呈现整体下降的趋势，但试验组仍然显著高于对照组(图3)，可见，根际通电处理促进了生菜的根部代谢。

图3 通电栽培对生菜根系活力的影响Fig.3 Effect of electrified cultivation on root activity of lettuce

表4 通电栽培对生菜根系吸收面积及离子流速Table 4 Effects of electrified cultivation on root absorption area and ion flux of lettuce

2.5 生菜光合产物

可溶性糖和可溶性蛋白是重要的光合产物，与光合生产密切相关。试验组生菜叶片的可溶性糖和可溶性蛋白的质量分数显著提高，分别较对照组增加了40.6%和37.2%(表5)，可知，根际通电处理促进了生菜光合产物的积累。

表5 通电栽培对生菜光合产物的影响Table 5 Effects of electrified cultivation onphotosynthetic products of lettuce mg/g

3 讨 论

生菜植株缺钙是导致叶烧病发生的主要原因。钙在植物体内属于不易移动和再利用的元素，常以难溶的化合物形式存在，因此叶烧病主要发生在新生组织上。植物对钙元素的吸收主要通过根系吸收，伴随水分的运输转移到各组织中[19]。本研究中，根际通电降低了生菜叶烧病的发生率，主要是因为根际通电促进了生菜根系的活力和钙离子吸收能力。移栽第10和20天，根际通电处理的生菜根系活力分别较对照组提高了133.3%和71.4%，移栽后第20天，根际通电处理的生菜根系总吸收面积较对照组提高了18.7%，说明根际通电处理增强了生菜的根系活力，并进一步增强了其对养分和水分的吸收。而根系活力的提高是由于植株带负电后，其根系与营养液之间形成的两相界面层内会发生水分的微电解反应，此反应使根际营养液内溶氧量含量增加，促进了根系生长[20-21]。2组在移栽第20天的生菜根系活力与第10天相比，整体大幅下降(图3)，说明生菜根系活力受栽培时间的影响较大。移栽第20天，与对照组相比，根际通电处理对根系活力的促进作用也大幅降低。其原因可能是随着根际通电处理时间延长，生菜根系逐渐适应了栽培环境。通过测定根系的Ca2+流速，发现根际通电处理提高了生菜根系对Ca2+的吸收能力。可能原因为根际通电作用下根系呼吸作用增强，呼吸释放出的CO2与水形成H2CO3，H2CO3解离出的H+又可以与营养液中的阳离子，如Ca2+发生置换，促进了根系对Ca2+的吸收；另一可能原因是呼吸作用释放的ATP能量，反过来驱动营养液中的离子转运，加快了根系对Ca2+的吸收，以上结果与已有研究中电场作用可以促进植物离子吸收的结论相符[22]。根系的吸收和代谢可以影响叶片物质的同化，进而影响地上部的生长发育[23]，因此根系较强的Ca2+吸收能力，可以促进地上部积累更多的钙元素。作为生菜根系对钙离子吸收和向地上部运输的主要动力，根际通电处理中生菜较强的蒸腾速率也加速了钙离子向新生叶片的运输与积累。综上可知，根际通电处理通过增加根系总的离子吸收面积，提升根系活力和增强蒸腾速率，促进了生菜对钙离子的吸收和转运，从而延迟了叶烧病的发生时间以及降低了其发生率。

作物产量的增加主要受植物的光合性能和形态改变2个因素的影响[24]。光合作用作为植物生长的源动力，会受各种外界环境因子的影响，朱世秋等[25]认为电场可能通过激活光合作用相关的生理机制，来提高植物的光合能力以促进植物的生长。本研究结果表明，根际通电处理的生菜的地上部和地下部鲜质量和干质量都较对照显著增加，净光合速率较对照略增加，但差异不显著，其原因可能为植物单个叶片测定的净光合速率不能代表植物整体的光合能力。Song等[26]提出不同的光质配比和电场强度对生菜叶片净光合速率的影响不尽相同，较低和较高的电场强度虽可以促进植物生长，但对净光合速率的作用并不显著。植物鲜质量和干质量的增加主要取决于净光合速率的提升和叶面积的增大[27]，因此，生物量增加的另一原因是根际通电处理显著提高了生菜的总叶面积，较大的叶面积可以截获更多的光量子，从而促进了生菜的生长。根际通电处理的生菜鲜、干质量的增加趋势与根系活力变化趋势一致(图2和图3)，即随着根际通电时间的增加，生菜的生物量增加趋势减缓。进一步说明根际通电处理通过作用于生菜的根部，改变其根系活力和离子吸收能力来进一步影响地上部生物量的形成。本研究还发现根际通电处理的生菜叶片的气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度较对照均显著增加，通过分析保卫细胞K+流速可知，根际通电处理的生菜叶片保卫细胞的钾离子外排速度较对照显著降低，钾离子外排会引起细胞失水导致气孔关闭，也就是说植株带负电在一定程度上抑制了叶片气孔的关闭，增加了气孔导度，进而促进了其对周围环境CO2的吸收，并增强蒸腾速率。Lee等[28]研究也表明，电场可以显著提高甘蓝的蒸腾作用和气孔导度。此外，通过计算可知，试验期间根际通电系统的耗电量为0.58 kWh，而生菜的鲜质量和干质量分别提升了8.8%和18.2%，可知，根际通电栽培系统在植物工厂内用于生菜植株的生长具有经济可行性。

植物叶片中可溶性糖和可溶性蛋白是光合作用中间代谢合成的产物，常被用作评价植物的代谢水平与生产潜力，环境变化对光合过程的影响也可以通过分析光合产物量的变化反映[29]。本研究表明，根际通电显著提高了叶片可溶性糖和可溶性蛋白的质量分数，进一步证明根际通电处理对生菜光合能力和产量具有一定的促进作用。这与已有研究认为电场长期作用可以促进植物光合产物(可溶性糖和可溶性蛋白)形成[30]的结论一致。

4 结 论

本研究将根际通电栽培应用到人工光植物工厂内，通过在生菜根际设置使植物带负电的装置，探究根际通电对生菜生物量和叶烧病发生的影响，主要结论如下：

1)根际通电处理减缓了生菜叶烧病的发病时间，减轻了叶烧病的发病程度。叶烧病发生率的降低主要是由于根际通电处理提高了生菜根系的总吸收面积和根系活力，促进了生菜对钙离子的吸收和利用，从而提高了生菜的品质。

2)根际通电处理在减缓叶烧病发生的同时，提高了生菜地上部和地下部的产量。产量的提升主要是由于根际通电处理增大了生菜叶片的总叶面积，改善了生菜叶片的光合能力，如增加了叶片的气孔导度和蒸腾速率，促进其对周围环境CO2的吸收和光合产物的积累，从而提高了生物量的积累。