空间电场对番茄初果期生长及生理特性的影响

张佳，李海平＊，李灵芝，郭文忠，余礼根，卫如雪，王曦，马悦，左鹏

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801； 2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3.山西农机新技术开发公司晋中分公司，山西 榆次 030609)

空间电场对番茄初果期生长及生理特性的影响

张佳1，李海平1＊，李灵芝1，郭文忠2，余礼根2，卫如雪2，王曦3，马悦3，左鹏3

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801； 2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；3.山西农机新技术开发公司晋中分公司，山西 榆次 030609)

[目的]通过日光温室试验，研究空间电场对番茄初果期生长性状与生理特性的影响，为空间电场在蔬菜生产中的应用提供依据。[方法]试验设置对照温室和试验温室，分别测量番茄初果期内的株高、茎粗；测定番茄叶片叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性及番茄根系活力等生理指标，进行比较分析。[结果]与对照温室相比，空间电场处理后的番茄植株，其株高增长19.3%、茎粗增长18.9%；空间电场处理后的番茄植株叶片SOD、POD、CAT活性分别增长13.7%、32.6%、23.4%；叶片叶绿素a含量增长17.3%，叶绿素b含量增长54.4%；植株根系活力增长79%。[结论]日光温室内布设空间电场能有效提升番茄生长性能、酶活性、叶绿素含量和根系活力，为番茄等温室作物“绿色生产”提供一种可行的技术措施，同时也为化肥和农药的“减施、低施”技术提供一定的参考。

空间电场； 番茄； 初果期； 酶活性

近年来，食品和农产品安全问题受到广泛关注。为了减少农药和化肥的大量使用，将物理技术应用到农业生产中逐渐成了一种新型的农业生产方式。物理农业技术主要是利用电、磁、光、声等物理因子来调控动植物的生长发育[1，2]，如高压静电场[3]、磁化水处理种子[4]、激光育种[5]、声频技术[6，7]等。将现代物理技术应用到蔬菜生产，可以减少化肥和农药的使用，实现优质安全的蔬菜生产。

空间电场是一种异极距相对较大且人可以进入的安全静电场，其研究与应用来源于人们对大气静电场的认识。温室中，以绝缘子固定的电极线为正极，埋地铁柱为负极，当电极线带有高压电时，温室里形成空间电场，该电场可使空气中产生臭氧、氮氧化物、高能带电粒子。臭氧和氮氧化物能增加空气的氮肥化作用；高能带电粒子可净化空气，使温室除尘除雾[8]。综上，空间电场具有净化空气、预防气传病害、气传土传混合病害[1]、促进生长的作用。目前国内外关于空间电场的研究主要是空间电场对植株生长发育[9]、吸收CO2[10]、光合作用等方面的影响[11，12]和果蔬采后处理、贮藏保鲜的影响[13～15]以及对土壤性质的影响[16]等。

番茄初果期是番茄营养生长与生殖生长并存竞争的时期，对光合产物的需求旺盛，要求植株具备相对强大的光合产物输出能力，对植株的根系活力、植株长势和光合能力要求较高。试验以番茄为研究对象，研究空间电场对番茄初果期生长性状及生理生化指标的影响，以期从番茄生长特定时期探索空间电场对番茄生长的影响，旨在为空间电场在番茄等温室作物“绿色生产”上的应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室与材料

试验于2016年11月-2017年1月在山西省晋中市东阳镇(37°32′N，112°40′E)进行。试验温室属于一面坡式结构，温室长度25 m、跨度6 m，北墙高3 m，脊高4 m，温室内土壤为壤土，以“园帅一号”番茄品种为试材，种植番茄15垄，番茄植株总数为450株，株距30 cm，行距分别为30 cm和90 cm。温室内番茄为南北方向种植。2016年11月6日定植，定植长势一致的番茄幼苗植株。

1.2 试验装置与试验设计

试验温室布置有空间电场(型号3DFC-450)，由主电源、控制器、绝缘子和电极线4部分组成；有效控制面积为50～450 m2，输出电压为0～50 kV，最大输出功率0.08 kW、日耗电0.5 kWh。绝缘子的布设为双线制，2排相距2 m，每排2个，相距20 m，合计4个，电极线架设高度为2.5 m。温室空间电场设备采用间歇循环工作方式，即工作15 min，休息45 min，自动循环工作。安装效果如图1所示。

1 带线绝缘子；2 绝缘子；3 高电压控制器；4 主电源；5 电极线；6 接电线；7 埋地铁柱1 wired insulator, 2 insulator, 3 high voltage controller, 4 main power supply, 5 electrode line, 6 connect wires,7 buried iron图1 3DFC-450型空间电场安装与连接示意图Fig.1 Schematic diagram of installation and connection for 3DFC-450 type of space electric field

试验在2个温室中进行：1号温室不安装空间电场设备(对照温室，CK)，2号温室安装空间电场设备(试验温室)。2个温室水肥管理、吊绳绑蔓、整枝打杈等田间管理保持一致，番茄植株开花后，每个温室分别随机选取长势一致的10株番茄植株测量株高、茎粗(每7 d测一次，选5株作为标记植株)；选取2个温室位置相似植株(10株)生长点下第5片叶子，测定该叶片叶绿素含量、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)、过氧化物酶(Peroxidase，POD)、过氧化氢酶(Catallase，CAT)酶活性；每个温室分别随机选取10株进行破坏性取样测量其根系活力。

1.3 测定方法

(1)番茄株高及茎粗测量：番茄植株开花后，每个温室分别随机选取10株长势一致的番茄植株作为标记植株，每隔7 d测量植株的株高(子叶到生长点之间的长度)，茎粗(子叶与第一片真叶中间位置)；分别使用皮尺(150 cm，迈利达，浙江)和数显游标卡尺(MNT-150T，美耐特，德国)测量。

(2)叶绿素含量的测定：称取0.1 g叶片样品，用95%酒精浸提，使用紫外分光光度计(UV-2450，Shimadzu Corporation，苏州)在665 nm、649 nm、470 nm波长下比色测定叶绿素含量。

(3)SOD活性测定：称取0.1 g叶片样品，加1 mL磷酸缓冲溶液研磨，冷冻离心(3K30，Sigma，德国)取上清液50 μL，加入NBT反应液4 mL，在4 000 lx荧光灯(SPX-300IC，上海博讯，上海)下显色反应20 min，使用紫外分光光度计(同上)在560 nm波长下比色测定SOD酶活性。

(4)POD活性测定：称取0.3 g叶片样品，加1 mL Tris-Hcl缓冲溶液研磨，冷冻离心(同上)取上清液100 μL，加入愈创木酚反应液3 mL，使用紫外分光光度计(同上)在470 nm波长下比色测定POD酶活性。

(5)CAT活性测定：称取0.3 g叶片样品，加入3 mL磷酸缓冲溶液研磨，冷冻离心(同上)取上清液50 μL，加入2 mL磷酸缓冲溶液，在加1 mL 0.08% H2O2，使用紫外分光光度计(同上)在240 nm波长下比色测定CAT酶活性。

(6)根系活力测定：称取根尖0.5 g，加入5 mL磷酸缓冲溶液和5 mL 0.4% TTC溶液，在37 ℃暗保存1 h，然后加1 mol·L-1硫酸1 mL终止反应，使用紫外分光光度计(同上)在485 nm波长下比色测定根系活力。

2 结果与分析

2.1 空间电场对番茄初果期植株生长性状的影响

空间电场对番茄初果期株高的影响如图2，由图2可知，与对照温室相比，电场处理可明显提高番茄初果期株高，促进其生长。在每个测量时期，电场处理株高与对照温室株高相比分别高4.7 cm(2016/12/25)、5.2 cm(2017/1/1)、8.2 cm(2017/1/8)和10.2 cm(2017/1/15)。电场处理下，番茄初果期株高增长率分别为9.4%、13.6%、10.7%。对照情况下，番茄初果期株高增长率分别为9.3%、8.5%、8.4%，说明电场处理能促进番茄初果期细胞的分裂和伸长，促进番茄植株生长，增强番茄植株生长势。

图2 空间电场对番茄初果期株高的影响Fig.2 Effect of spatial electric field on plant height of tomato during primary fruit stage

空间电场对番茄初果期茎粗的影响如图3，由图3可知，与对照温室相比，电场处理可明显提高番茄初果期茎粗。在每个测量时期，电场处理茎粗与对照温室茎粗相比分别粗1.03 mm(2016/12/25)、1.42 mm(2017/1/1)、2.06 mm(2017/1/8)、2.35 mm(2017/1/15)。电场处理下，番茄初果期茎粗增长率分别为12.4%、10.3%、8.5%，而对照情况下分别为9.8%、5.8%、7.5%，说明电场处理可以促进番茄初果期的茎粗，使番茄植株健壮，增强番茄植株的抗逆性。

图3 空间电场对番茄初果期茎粗的影响Fig.3 Effect of spatial electric field on stem diameter of tomato during primary fruit stage

2.2 空间电场对番茄初果期生理生化特性的影响

空间电场对番茄初果期叶绿素含量的影响如图4。由图4可知，与对照温室相比，电场处理可明显提高番茄初果期叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量。在每个测量时期，电场处理与对照相比叶绿素含量分别增加了0.23 mg·g-1FW(叶绿素a)、0.22 mg·g-1FW(叶绿素b)、0.45 mg·g-1FW(总叶绿素)，增长率分别为17.3%(叶绿素a)、54.4%(叶绿素b)、25.8%(总叶绿素)，说明电场处理可以促进番茄初果期叶片叶绿素含量的积累，有利于番茄植株进行光合作用，从而促进番茄植株生长。

图4 空间电场对番茄初果期叶绿素含量的影响Fig.4 Effect of spatial electric field on chlorophyll contents of tomato during primary fruit stage

空间电场对番茄初果期酶活性及根系活力的影响如表1所示。由表1可知，电场处理下番茄初果期叶片中活性氧代谢防御酶系统SOD、POD、CAT活性均比对照有明显提高。与对照温室相比，电场处理下番茄初果期叶片SOD活性增长13.7%，POD活性增长32.6%，CAT活性增长23.4%。表明电场处理增强了番茄初果期叶片内源活性氧防御酶清除自由基的能力，使自由基维持在较低水平，从而减轻了自由基对番茄植株的伤害。

表1 空间电场对番茄初果期酶活性及根系活力的影响Table 1 Effect of space electric field on enzyme activity and root activity of Tomato during primary fruit stage

同时，电场处理下番茄初果期根系活力比对照有明显提高。与对照相比，电场处理下番茄初果期根系活力增79.0%，表明电场处理在一定程度上能促进番茄根系发育，提高根系的吸收能力。

3 讨论与结论

试验证明，空间电场能够促进植株的生长发育，陈淑英[17]以大麦为试验材料，研究不同异极距下空间电场对土壤水分和大麦生长发育的影响，结果表明，与大气电场相比，空间电场处理下的大麦苗鲜质量和株高分别增长了26%～53%、24%～68%；郭光照[18]研究了空间电场对日光温室番茄株高、茎粗、产量及单果重的影响，结果表明，空间电场处理下的番茄株高、茎粗在番茄定植后30 d、45 d较对照开始明显增长，空间电场处理下的单果重较对照增加25.05%，产量也较对照增长13.96%。

本试验结果表明，经空间电场处理后，在番茄初果期的株高、茎粗均比对照显著提高，与陈淑英[17]、郭光照[18]等的研究结果基本一致，说明空间电场能促进番茄初果期细胞的分裂和伸长，促进番茄植株生长，增强番茄植株生长势。经空间电场处理后，番茄叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均比对照显著提高，与曹永军[12]的相关研究一致，说明空间电场能促进番茄叶片叶绿素含量的积累；SOD、POD、CAT作为番茄植株内的保护酶，可以清除番茄植株受到环境胁迫时产生的活性氧，防止膜脂被氧化，避免细胞受到伤害，经空间电场处理后，番茄初果期叶片内的SOD活性、POD活性、CAT活性得到提高，说明空间电场处理能增强番茄植株的抗氧化能力；经空间电场处理后，番茄根系活力比对照显著提高，表明电场处理在一定程度上能促进番茄根系发育，提高根系的吸收能力。

总之，经空间电场处理后，番茄初果期叶绿素含量显著增加，提高了番茄叶片光合能力，有利于积累更多的光合产物，对缓解营养与生殖生长养分竞争有一定作用；番茄叶片保护酶系(SOD活性、POD活性和CAT活性)活性提高，增强了番茄的抗氧化能力；番茄根系活力的提高，使根系能够更好地吸收水分及矿物质离子，为提升光合性能，增加产物积累获得丰产奠定良好的基础。

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Effectsofspaceelectricfieldonphysiologicalcharacteristicsoftomatoduringprimaryfruitstage

ZhangJia1,LiHaiping1＊,LiLingzhi1,GuoWenzhong2,YuLigen2,WeiRuxue2,WangXi3,MaYue3,ZuoPeng3

(1.CollegeofHorticulture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2.BeijingAgriculturalIntelligentEquipmentTechnologyResearchCenter,Beijing100097,China; 3.ShanxiAgriculturalMachineryNewTechnologyDevelopmentCompanyJinzhongBranch,Yuci030609,China)

[Objective]The effects of space electric field on the growth and physiological characteristics of tomatoes during primary fruit period were investigated by means of solar greenhouse experiment.[Methods]The experimental greenhouse and control greenhouse were used in this study. After the treatment of space electric field, the plant height and stem diameter of tomato were measured.Superoxide dismutase(SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT) activities and chlorophyll contents with tomato leaves and the root activity were also determined during primary fruit stage.[Results]The experiment result showed that the tomatoes with the space electric field treatment have better performances with comparison to the control greenhouse. It was found that the plant height was 19.3% and the stem diameter was 18.9% higher than the control one. Similarly, the space electric field treatment increased the activity of SOD、POD、CAT with tomato leaves in 13.7%,32.6% and 23.4% respectively. For the chlorophyll-a and chlorophyll-b, the increased yield were 17.3% and 54.4%.[Conclusion]Since the space electric field used in solar greenhouse could effectively improve the tomato growth performances, enzyme activity,chlorophyll content and root activity, it provides a feasible technical measure for green production of greenhouse crops such as tomatoes, and also provides some references for the chemical fertilizer and pesticide reduction and reduction.

Space electric field, Tomato, primary fruit stage, Enzymatic activity

2017-05-04

2017-07-07

张佳(1992-)，女(汉)，山西晋城人，硕士研究生，研究方向：蔬菜栽培与生理

*通信作者：李海平，副教授，硕士生导师，Tel:18703545568；E-mail:lihp0205@163.com

山西省科技攻关项目(201603D221010-2)；山西农业大学引进人才博士科研启动基金项目(2013YJ23)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目(2016JD22)；科技部星火计划(2015GA600005)；北京市农林科学院设施园艺科技创新团队(JNKST201615)

S641.2

A

1671-8151(2017)11-0785-04

(编辑：李晓斌)