李嘉炜,陈 潇,张 晶,司 雨,刘诗华,李湘妮,张白鸽*
(1.广东农业科学院蔬菜研究所/ 广东省蔬菜新技术研究重点实验室,广东 广州 510640;2.佛山市农业科学研究所,广东 佛山 528000)
近年来研究发现,氢气是一种重要的内源性抗氧化物质,对生物有着不可忽视的生理学效应[1]。农业上,Z.DONG 等人研究发现,氢气可以作为“氢肥”来减缓土壤中有机质的降解速度,提高根际二氧化碳的固定量;而在抗逆性研究中,大量试验证明,氢气可能与一氧化碳参与调节植物生长的信号系统有密切关系[2],并且能通过提高抗氧化相关酶的活性、维持ROS 内稳态以及参与离子转运的调控来提高植物抗逆性[3-4],在盐胁迫[5]、干旱胁迫[6]、渗透胁迫[7]、极端温度胁迫[8]、重金属离子胁迫[9]、强光胁迫[10]等多种胁迫上有明显效果。科学家发现,适宜浓度的富氢水可以显著改善植物生长发育和营养品质[11]、促进多种植物不定根的生长[12-13]、延长插花商品期[14],同时在育苗和花卉栽培上也有着巨大的潜力[15-16]。经过大量试验研究发现,适合浓度的氢水处理能显著提高蔬菜种子的发芽率,促进蔬菜发芽后种苗子叶的生长,提升种苗的质量,增强种苗抗逆性,提高种苗的成活率[17]。将氢水应用到育苗上,能有效减少育苗过程中抗病虫害药剂的施用,提升效益。
富氢水的制备是应用富氢水进行蔬菜育苗的第一步。实验室中制氢水时一般先采用高纯氢气发生装置制备99.99%(v/v)的高纯氢气,再将氢气通入溶液中制成饱和氢水。这种方法制备氢水虽然准确有效,但因为产氢纯度过高,且无法避免在通气过程中氢气与氧气混合,存在很大的安全隐患。因此在实际生产中建议选择其他更安全、更可靠的氢水制备方法。下面介绍几种比较常见的氢水制备方法,见图1。
图1 4 种常用氢水制备技术
MgH2是一种白色结晶的化学物,在干燥空气中安全稳定,通常会通过慢慢吸收空气中的水分而分解释放出氢气,其与水反应可生成H2和Mg(OH)2[18],可实现镁离子和氢气共补。
取MgH2粉末0.05 g 定容到1 L,摇匀,待反应完全后,便形成了浓度为0.45 mM的氢水,在大规模生产上也可以通过在水肥一体化系统中加入MgH2以实现同时补氢补镁的效果。
可在水渗透性多孔陶瓷制盒中填充镁颗粒和银颗粒构成富氢水棒,利用金属镁和水反应产生氢来制备氢水。将富氢水棒置于500 mL 水容器中,并将容器注满水密闭常温保存,静置24 h 后制得0.45 mM 氢水。使用富氢水棒需要保证容器密闭,容器内部空余空间尽可能少,以保证制氢效果。
电解式富氢水机能对水进行直接电解,使水产生氢气[19]。这类氢水机一般规格在1~2L,制备0.6 mM的氢水一般需要7 min,在小规模浸种时比较方便,但氢水机无法对纯水进行电解,且电解模块容易结垢,对水质有一定要求,需要定时用白醋清理。
SPE 电解融氢式氢水机利用SPE(固体聚合物)电解水制氢技术[20],通过电解纯水产生高纯氢气后,采用物理融氢技术将氢气融于水中形成饱和富氢水[21]。固体聚合物电解质膜是一种质子交换膜,在起到电极作用的同时,还起到隔膜的效果,能将氢气和氧气隔开[22],同时该氢水机融氢时是在封闭环境中进行,制氢效率和安全性很高。一吨式的农用SPE 电解融氢式氢水机,氢水流量能达1 m3/h,氢水浓度0.45~0.5 mM,可用于大规模育苗上。
氢水在不同蔬菜品类中的应用效果有所差异。下面介绍几种比较适合应用氢水的蔬菜类型及其合适的氢水浓度,以供参考。
菜心又名菜薹,十字花科芸薹属,生长周期短,苗期约15 d,从播种到商品期一般仅需25~30 d。菜心种子最适氢水浓度为0.2~0.3 mM,超过0.35 mM会抑制发芽。菜心苗期的最适氢水浓度同样为0.2~0.3 mM。菜心应用氢水后,发芽率提高6.06%,幼苗生物量增大14.7%,抗干旱能力明显提升,见图2。
图2 干旱处理下菜心幼苗的生长状况
番茄,茄科番茄属,冬季苗期70 d,春季苗期40~50 d,夏秋季苗期30 d。番茄种子最适氢水浓度为0.2~0.3 mM,超过0.4 mM开始抑制发芽。番茄苗期的最适氢水浓度为0.3~0.4 mM。番茄应用氢水浇灌后,发芽势提高60%,幼苗生物量增大28.6%,叶生长促进效果明显,叶鲜重提升50%,见图3。
图3 番茄幼苗的叶片生长状况
黄瓜,葫芦科黄瓜属,苗期一般在30 d 左右,种子最适氢水浓度为0.2~0.3 mM,超过0.4 mM时对发芽的促进效果减弱。苗期最适氢水浓度为0.3~0.4 mM。黄瓜应用氢水后,发芽势提高6.7%,幼苗生物量增大34.7%,幼苗根系生长促进明显,根鲜重提升28.6%,见图4。
图4 黄瓜幼苗在发芽纸上的生长状况
冬瓜,葫芦科冬瓜属,苗期一般在30 d 左右,是现代农产品加工的理想原料和调节市场均衡供应的重要蔬菜作物。冬瓜种子较大,浸种时间为6 h,种子发芽和幼苗生长的最适氢水浓度均为0.2~0.3 mM。冬瓜应用氢水灌溉后,发芽率和发芽势分别提升了21.62%、18.75%,幼苗真叶SPAD 值提升23.3%,光合能力增强,根冠比提升30.4%,见图5。
图5 冬瓜幼苗的根系生长状况
一吨式农用SPE 电解融氢式氢水机(以下简称一吨式氢水机)较适合大规模农业生产,下面以该款氢水机为例介绍富氢水育苗的具体操作方法。
3.1.1 开机前准备
机器需放置在干燥通风且地面平稳的环境方便散热。使用一吨式氢水机前,先根据说明书接好过滤器和水管,进水管连接生产用水源(如储水罐或者贮水池),出水管连接按照需求(如需要育种时可接到育种槽,需要浇灌时可接到出水管道),确认无漏水现象后,接通电源线。
3.1.2 开机制氢
通过设备上端的纯水水箱加水口注入纯水,水位加到水箱2/3 处即可(约2.5 L)。提前从进水口注入一部分水以保证机器内水泵有水,确保进水管口有水源后,按下启动按钮,检查泵水环节是否正常。大概30 s后,出水口的出水开始变乳白色,取该水样会发现有很多微细气泡。用制氢笔检查氢水具体浓度,正常浓度为0.45~0.5 mM。
3.1.3 氢水稀释
为达到适宜氢水浓度,即0.2~0.3 mM,需要对原氢水进行稀释。经试验得出,制备100 L 浓度为0.2~0.3 mM育苗用氢水,需原氢水35 L 及清水65 L 混合。对于番茄这种在苗期需要更高浓度氢水的蔬菜品种,制备100 L 浓度为0.3~0.4 mM育苗用氢水,需要50 L原氢水及50 L 清水混合。
使用氢水前应先采用温汤浸种,即先将种子放入55 ℃的热水中,均匀搅拌8~10 min,然后捞出沥干,再用事先制备好的适宜浓度的氢水进行浸种处理。不同蔬菜浸种时间有所差异,菜心只需浸种1 h,黄瓜、番茄需4 h,冬瓜需6 h。浸种后捞出种子,用清水将种子表面冲洗干净(特别是黄瓜、冬瓜,需要将表面黏液冲洗干净,以防催芽时滋生病菌),之后用纱布将种子包好。保持纱布湿润(湿润标准为纱布刚好不流水),并置于32 ℃黑暗环境中催芽。2~3 d 后有70%的种子露白出芽即可播种。黄瓜和冬瓜在催芽期间需要每天用清水冲洗种子1 次。
育苗容器可选用50 孔的育苗穴盘,营养基质应符合《NY/T 2118—2012 蔬菜育苗基质》的规定,要求基质材料无污染、无病菌、无虫害、无成活草籽、有机基质材料必须充分发酵腐熟。
播种前先将基质适当淋水湿润,然后每穴压出1 cm 播种穴(大约1 节手指头的程度,可用专用压穴工具进行压穴)。每穴点播1 粒已发芽种子(黄瓜、冬瓜种子尽量平放以防子叶畸形)。然后覆盖1 cm 左右的基质,用0.2~0.3 mM氢水淋足基质。早春播种时,宜用塑料薄膜覆盖,保温保湿;若是夏秋季播种,可改用遮阳网或稻草覆盖,降温保湿。
3.4.1 控温控水
出苗前温度控制在25~28 ℃,需要控制水分,维持育苗基质表面湿润即可。出苗后揭开薄膜,温度控制在20~25 ℃最佳。低温时可用塑料大棚、小拱棚防寒保温,同时注意棚室内的通风管理。子叶展开后,可适当淋湿质量分数0.3%左右的专用复合肥。1 周浇灌1次0.2~0.3 mM 氢水(番茄为0.3~0.4 mM 氢水),以浇透基质为标准,宜在晴天早上进行。注意阴雨天时要保持生长环境通风干爽。
3.4.2 移栽标准
不同品种可移栽标准有所不同。菜心有4~5 片真叶后即可移植。番茄在两叶一心时需要分苗继续培育,在长有7~9 片叶片且第一花蕾已现大蕾时可移植。黄瓜在两叶一心时可移植。冬瓜在三叶一心时可移植。
除菜心外,番茄、黄瓜、冬瓜都需要提前进行炼苗。菜心起苗前先用水将苗床浇透,待水渗下后即可边起苗边定植。
番茄、黄瓜、冬瓜容易徒长,出圃5~7 d 可揭开棚膜进行炼苗,同时控制水分。出圃前1 d 可淋0.3%的复合肥作为送嫁肥。
番茄壮苗标准为:壮苗株高15~20 cm,下胚轴2~3 cm;茎粗一般在0.5~0.8 cm,节间短,呈紫绿色;叶片7~9 片,叶色深绿色带紫,叶片肥厚;第一花穗已现大蕾;根系发达,吸收根多。
黄瓜壮苗标准为:种苗两叶一心,叶色墨绿,节间短粗,根系很发达,苗体健壮,苗能够顺利从穴孔中拔出。
冬瓜壮苗标准为:种苗有三叶一心,叶片墨绿色、表面有一层白色保护膜,茎秆粗壮。可用手捏一下主茎茎基部与基质相接处,判断是否空心,如空心还需控制水分进行炼苗,以免影响定植成活率[23]。