二次通用旋转设计优化电场处理高粱种子萌发条件

张作伟，杜慧玲

（1.山西运城农业职业技术学院农林与工程系，山西 运城 044000；2.山西农业大学文理学院，山西 太谷 030801）

电场处理属于物理农业的一项重要技术，它能对置于其中的生物产生明显的生物效应[1-3]。前人研究表明，种子经适宜电场处理后，明显提高了种子的发芽势和发芽率，种子的生活力大大增强，有效解决了田间种子出苗差、出苗参差不齐的问题，促进壮苗、齐苗，同时提高了抗病虫害能力，达到了增产增收的目的[4-7]。研究也发现，电场效应受到多种因素的叠加影响，如电场剂量（电场强度×电场处理时间）、品种本身特性（如作物种子种类、种子含水量等）、周围环境条件等等[8-10]，这就大大制约了电场处理技术在农业中的应用。虽然该技术的应用范围日益扩大，但由于电场处理机理的不确定性，对于不同作物的高压电场处理剂量还没有确定的范围，仍然需要根据作物的种类、品种通过大量的预试验进行筛选。高粱作为适应性和抗逆能力较强的谷类品种，不仅可以食用、酿酒和制作糖浆，还能够作为饲料、制作笤帚及入药等[11-14]。随着社会的发展，人们越来越意识到小杂粮食品的重要养生功能，提高高粱等杂粮作物的产量就成为农业研究领域的一项重要课题。目前，对高粱种子施加电场处理方面的研究鲜见报道。

本试验在二次通用旋转设计方法基础上，利用降维思路提取主成分方程，分析电场处理对种子萌发的影响，并通过模型解析，优化最佳电场处理高粱种子条件，旨在为电场技术在农业生产中的应用提供一定实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料和装置

1.1.1 试验材料 供试高粱种子：晋杂“122#”，由山西省农业科学院高粱研究所提供。千粒质量29.85±0.36 g，含水量12.8%±0.4%，收获时间为2013年。

1.1.2 种子处理 高压电场处理种子发生装置如图1所示。其主要由电场发生器、电缆线、塑胶绝缘棒、金属网和金属板5部分组成。试验原理是把220 V的交流电经电场发生器整流，得到0～150 kV的可调节的直流高压，再经电缆线输送到金属网上，金属网和金属板之间通过塑胶绝缘棒相连，这样就会在在金属板和金属网间形成高压电场，在金属板上平铺上种子进行处理。

1.2 试验设计

表1 试验因素水平与编码

表2 二因素二次通用旋转组合设计和主成分分析结果

本试验采用二次通用旋转设计方法，试验因素水平与编码如表1所示。试验共13个处理，1个对照（不经电场处理），3次重复（表2）。每次电场处理挑选完整高粱种子150粒，约4.5 g，单层均匀置于金属板中央位置，处理后经H2O2浸泡消毒，蒸馏水冲洗，分别均匀分散平铺在培养皿上，每个培养皿放置50粒，然后在25℃的恒温培养箱里培养发芽。

1.3 测定项目及方法

在恒温培养箱中进行培养发芽时，适时加水保持滤纸湿润，并检查记录发芽的种子数；发芽结束后，统计或计算种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数。

式中，S1表示第3天发芽种子数；S2表示发芽种子总数；ST表示供试种子总数；Dt表示发芽日数；Gt表示与发芽日数相对应的每天发芽的种子数[15-16]；S表示幼苗鲜质量。

2 结果与分析

2.1 电场处理对发芽指标的影响

从图2-A可以看出，经电场处理后，高粱种子的发芽势均有一定程度的提高，其中，T2处理发芽势为67.3%，提高幅度最大，与对照相比，提高了21.0%；T4处理发芽势最小，为57.7%，仅比对照提高了3.78%。除T4处理外，其余处理与对照的差异均达显著水平（P＜0.05）。

从图2-B可以看出，与对照相比，13个处理中，除 T4，T5处理（发芽率分别为 86.7%，86.2%）外，其余处理的发芽率均高于对照，提高幅度为0.45%～4.62%，其中，T3处理发芽率最大，为92.9%。除T3，T12处理外，其余各处理与对照组间差异不显著（P＞0.05）。

从图2-C可以看出，经电场处理后，高粱种子的发芽指数均有提高，其中，T9处理发芽指数最大，为87.4，比对照提高了15.92%；T4处理发芽指数为76.2，提高幅度最小，仅比对照仅提高了1.06%。各处理与对照间的差异均达显著水平（P＜0.05）。

从图2-D可以看出，经电场处理后，高粱种子的活力指数均有提高，其中，T9处理活力指数为15.70，提高幅度最大，与对照相比，提高了27.12%；T5处理活力指数为12.36，提高幅度最小，仅比对照提高了0.08%。各处理与对照间差异均达显著水平 （P＜0.05）（T5，T6，T7处理除外）。

2.2 优化电场处理条件筛选

从2.1电场处理对4个发芽指标的影响不难看出，电场处理对4个发芽指标的影响结果不尽相同，为了简化分析过程，合理判断电场处理对种子萌发活力的影响，科学筛选电场处理高粱种子的优化条件，有必要对4个发芽指标进行降维分析，以消除4个相关指标在反映萌发信息方面的重叠和排序差异，更好反馈电场处理对种子萌发活力的影响。主成分分析结果表明，提取的第1主成分特征值G为3.305，能够解释82.63%的信息贡献率，因此，可以用提取的第1主成分方程求解得到的综合指标值代替原来的4个发芽指标变量，来反映电场处理对种子萌发活力的影响。提取得到的第1主成分方程为：Z＝0.518 1Z1＋0.428 9Z2＋0.524 2Z3＋0.522 4Z4，把标准化后的发芽指标原始变量代入，可得到对照和各处理相对应的主成分分析结果，即发芽综合指标值（表2）。处理T12萌发活力最高，发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数分别比对照提高20.7%，3.0%，13.0%，25.9%。为了筛选优化电场处理条件，对萌发活力综合指标和二因素间建立数学模型，Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，回归方程失拟检验为F1（4.11）＜F0.05（3，4）（6.59），表明失拟检验不显著，未控制因素对试验造成的结果影响较小；F2（54.50）＞F0.01（5，7）（7.46），表明回归检验达极显著水平，构建的回归方程模型能较好地拟合实际情况。模型解析表明，当电场强度为454 kV/m，电场处理时间为40 min时，回归方程可取得最大值，此时的电场处理条件即为最优电场处理条件。

3 讨论与结论

高压电场是一种综合效应场，植物种子在电场作用下，其周围的电场强度会发生改变，使膜内外产生附加电场，导致其体内的电荷运转受到影响，从而改善膜的通透性，促进能量物质ATP的形成和酶活性的变化，影响植物种子的生命活动[17]。大量研究结果表明，适宜电场处理植物种子后，种子的萌发及幼苗的生长都会受到正效应[18]。由于电场处理生物效应牵涉到物理和生理2个领域，导致对其机理的研究不够深入。一般认为，适宜电场处理促进种子萌发的原因主要有以下几方面：电场处理激发了与萌发相关的酶的活性，加快了萌发过程中生理生化进程；电场处理产生的附加电场加大了膜内外的电势差，有利于ATP的形成和较强动力学过程的产生；电场处理改善了膜的通透性，有利于物质交换和小分子物质的渗入；高压加到电网上，会产生电晕放电，产生氮氧化合物和臭氧，与水结合产生硝酸和亚硝酸，使种子外壳受到腐蚀，有利于打破常规休眠和刺激种子萌发[19]。

本试验结果表明，电场处理有效促进了种子的萌发，除发芽率变化较小外，其余3项种子萌发指标变化明显，尤其是发芽势和活力指数提高的幅度最为显著；多重比较表明，高粱种子的发芽率T3，T12处理与对照组间差异达显著水平，发芽势除T4处理，活力指数除 T5，T6，T7处理外，各处理发芽指标与对照组间的差异均达显著水平（P＜0.05）。主成分分析结果表明，提取出的一个主成分方程能较好反映不同处理下4个发芽指标的变化情况，从综合指标Z可以看出，T12处理的效果最好。在此基础上，利用二次通用旋转组合设计试验方法，构建了二因素（电场强度、处理时间）和萌发活力综合指标间的数学模型：Y＝1.710 0＋0.521 2X1＋0.560 9X2－1.795 6X12－0.605 6X22－1.027 5X1X2，该模型失拟检验不显著，拟合检验显著。因此，该模型能够较好地反映二因素和萌发活力综合指标间的关系；并通过对该模型的解析，得到电场处理高粱种子的最优条件为：电场强度454 kV/m，处理时间40 min。

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