《Smart Agricultural Technology》：Smart plasma-enhanced aeroponic cultivation of lettuce (lactuca sativa l.): comparative evaluation with soil and hydroponic systems on growth responses, nitrogen absorption, and nutritional quality
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本文推荐一项关于等离子体增强气雾栽培的创新研究。为解决传统土壤栽培资源浪费、水培根系供氧受限及气雾培可能增加叶片硝酸盐等问题，研究人员开发了集成非热等离子体（NTP）模块与实时气体传感的智能气雾培平台，比较了不同等离子体输送模式（直接/间接；干/雾；15/38kV）与土壤、水培及等离子体关闭气雾培对照的效果。结果表明，38kV间接雾化配置（T5）表现最佳，显著提高了生菜生物量（鲜重259.4 g/株）、根系发育、光合能力及营养品质（如可溶性糖+116% vs. 土壤，维生素C、酚类抗氧化潜力及抗氧化能力均提升），同时叶片亚硝酸盐保持极低水平（2.29 mg/kg FW），硝酸盐在安全限内。该研究为可控环境农业提供了一种高效、优质、安全的可持续生产新策略。
随着全球粮食需求预计到2050年将增长70%以上，加之水资源短缺和可耕地减少，对资源高效型食物生产的需求日益紧迫。传统的土壤栽培存在水分和养分通过淋溶和径流大量损失的问题。水培技术虽能提高生物量生产并减少高达60%的肥料和90%的用水，但与土壤系统相比，可能会降低抗氧化剂水平并限制根系氧气供应。气雾栽培通过将营养液直接雾化喷施到悬空的根系上，进一步优化了根际的氧水平衡，实现了高达98%的节水率和更快的生长周期。然而，营养优化，特别是氮素管理，仍然是一个挑战。生菜（Lactuca sativa L.）作为主要的叶用蔬菜，其在不含土壤系统中的生产力取决于营养平衡和环境控制。值得注意的是，生菜贡献了高达80%的膳食硝酸盐摄入量，其叶片中过量的硝酸盐积累在高氮或低光照条件下常见，可能形成有害的亚硝酸盐和亚硝胺，引发食品安全担忧。
非热等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP）作为一种有前景的生物刺激剂，为应对无土栽培中的挑战提供了新途径。NTP在常压低温下运行，产生富含活性氧氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）的等离子体，如臭氧（O3）、氨（NH3）、硝酸根（NO3-）、亚硝酸根（NO2-）和过氧化氢（H2O2）。这些活性物质可以影响植物生长、防御和营养吸收。等离子体活化水（Plasma-Activated Water, PAW）或等离子体活化雾（Plasma-Activated Mist, PAM）等形式的应用已显示出在叶菜类水培和气雾培条件下增加生物量和抗氧化剂含量的潜力。然而，现有研究大多缺乏在相同操作条件下与土壤、水培和气雾培系统的整体性能基准比较，且等离子体暴露模式（直接/间接）、强度和时间常常定义不清，限制了结果的可重复性和实际应用。
为了填补这一空白，本研究开发了一个传感器引导、微控制器控制的等离子体气雾培平台，并在统一的实验设计下进行评估。研究旨在评估等离子体辅助气雾培对生菜根冠分配、养分吸收和生理响应的影响，并与基于土壤和水培的对照系统进行比较。研究团队特别关注了不同等离子体输送模式（直接等离子体模式 DPM 与间接等离子体活化空气雾 PAAM）及电压强度（低电压15kV 与 高电压38kV）的相对效率。
本研究由江苏大学农业工程学院的研究团队完成，成果发表在《Smart Agricultural Technology》期刊上。研究团队设计了一个包含七个处理的实验：非等离子体对照（土壤T1、水培T2）、等离子体辅助气雾培系统（T3-T6）以及一个气雾培等离子体关闭的设备对照（T7）。等离子体处理（T3-T6）配置包括直接低电压（DLP, T3）、间接低电压（ILP, T4）、间接高电压（IHP, T5）和直接高电压（DHP, T6）。研究采用了定制的大气压电弧放电等离子体设备（低电压15-20kV和高电压38-40kV模块），通过光学发射光谱（OES）确认RONS的生成，并利用集成NH3/O3传感器进行实时监测。等离子体活化空气（PAA）以恒定气流（4 L·min?1）产生并输送至气雾培生长室。植物材料为意大利品种生菜（Lactuca sativa L.），在受控环境（温度23±2°C/20±2°C，湿度60-75%）下栽培40天。测量指标涵盖生长参数（根长、茎粗、叶面积、生物量等）、生理参数（光合速率、蒸腾速率、叶绿素荧光等）、营养液动态（pH、EC）、组织氮代谢（硝酸盐、亚硝酸盐、全氮）以及营养品质（维生素C、可溶性蛋白、总酚、抗氧化能力等）。数据统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较检验。
3.1. 等离子体放电的电学和活性物种表征
光学发射光谱和电学特性分析证实，15kV和38kV放电均能持续产生关键的活性物种。38kV设备产生更长、更强烈的电弧，导致更强的光学发射强度和更高浓度的活性物种，如NO、OH、O等。传感器监测显示，NH3在等离子体处理后稳定积累，而O3则快速衰减，表明NH3是稳定、持久的等离子体生成氮物种。38kV间接雾化配置（PAAM）下NH3的积累最为显著。这些活性物种，特别是氮氧化物（NOx）和过氧化物，在雾化根区通过气液传递和水合作用转化为植物可利用的形态，如硝酸（HNO3）和亚硝酸（HNO2），从而供应NO3-/NO2-。
3.2. 营养液动态（EC和pH）
在7天的更新周期内，营养液的pH在所有处理中均下降，EC则上升。高电压等离子体处理（T5和T6）导致的pH下降和EC上升最为显著。例如，T6在第七天的pH最低（5.323），EC最高（2.196 dS m?1）。这表明等离子体处理通过改变根区化学环境，影响了营养液的离子强度和酸度。这种变化可能与等离子体诱导的活性物种参与的营养液化学改性以及植物吸收利用效率改变有关。
3.3. 生长和生物量发育
3.3.1. 根系形态和生物量响应
等离子体辅助气雾培处理，特别是T5（38kV间接模式），显著促进了根系伸长、生物量积累和根系结构改善。T5的根长达到70.0 cm/株，根鲜重和干重也最高。根系体积、网络周长、中位根数和最大根数等参数在T5和T6处理下也显著优于其他处理。这表明等离子体处理通过改善养分吸收效率、氧气可用性以及RONS驱动的根系生长过程激活，显著促进了根系发育。
3.3.2. 茎叶生长
茎叶生长同样表现出明显的处理间差异。T5处理在株高、茎粗、叶片鲜重和干重方面均表现最佳。其总鲜重生物量（259.4 g/株）几乎是土壤对照（T1, 44.2 g/株）的5倍，是水培对照（T2, 66.7 g/株）的近3倍。根冠比（鲜重基础）在T5和T6处理下最低，表明生物量更倾向于向可食用的地上部分配。这些改善归因于等离子体增强的养分吸收、光合作用效率以及RONS对细胞分裂和伸长的刺激。
3.3.3. 叶片生长
叶片长度、宽度、面积和数量在等离子体辅助处理下均显著增加。T5处理获得了最大的平均叶面积（311.8 cm2）和最多的叶片数（24片）。叶片鲜重和干重也以T5最高。这表明等离子体处理促进了叶片的扩展和冠层形成，从而增强了光捕获能力，为高生物量生产奠定了基础。
3.3.4. 总生物量积累和根冠比
总生物量（鲜重和干重）在T5处理下达到最大值。根冠比（干重基础）在等离子体处理下，特别是T5和T6，显著低于对照，表明等离子体处理优化了光合产物的分配，更有利于地上部可食用部分的形成。
3.3.5. 生理和光合响应
气体交换参数和叶绿素荧光参数测量显示，等离子体辅助处理，尤其是T5，显著提高了生菜的光合能力。T5的平均净光合速率（APn）、气孔导度（AGs）和实际量子产量（ΦPSII）均最高，而胞间CO2浓度（ACi）相对较低，表明CO2同化效率高。叶绿素含量（SPAD值）和PSII最大光化学效率（Fv/Fm）也在T5处理下表现最佳。这些生理优势共同贡献了观察到的生长和生物量增益。
3.4. 硝酸盐和亚硝酸盐浓度
在收获期（40 DAT），叶片硝酸盐浓度在等离子体辅助处理下（T3-T6）高于非等离子体对照。T5的硝酸盐浓度为2900 mg kg?1 FW，高于气雾培等离子体关闭对照T7（2000 mg kg?1 FW），但处于报道的膳食安全限值内。相反，亚硝酸盐浓度在所有处理中均保持极低水平（1.50-3.0 mg kg?1 FW），T5处理为2.30 mg kg?1 FW，T6处理甚至低至1.50 mg kg?1 FW。硝酸盐和亚硝酸盐呈负相关，表明在等离子体处理下，虽然硝酸盐吸收增加，但植物体内将其转化为亚硝酸盐并进一步同化的能力并未受损，亚硝酸盐没有出现积累。
3.5. 茎叶组织中的大量元素积累和营养品质
营养品质分析表明，等离子体辅助处理，特别是T5，显著提高了生菜茎叶的营养品质。T5处理在氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）等大量元素积累上最高。同时，其维生素C、可溶性蛋白、总糖、总酚含量和抗氧化能力也显著优于其他处理。例如，T5的总糖含量比土壤对照高出116.3%，总酚含量高出24.7%，抗氧化能力高出102.3%。这表明等离子体处理不仅提高了产量，还改善了生菜的功能性营养成分和健康促进特性。
本研究得出结论，等离子体增强气雾栽培，特别是38kV间接雾化模式（T5），在生菜生产方面显著优于土壤、水培和普通气雾培系统。该技术能同时大幅提升生物量产量、光合效率、氮素吸收利用效率以及产品的营养品质和抗氧化能力，且能将亚硝酸盐维持在极低的安全水平。尽管观察到硝酸盐含量有所增加，但仍处于安全范围内，这可能是由于氮吸收增强的同时，在给定的光强条件下硝酸盐还原能力相对饱和所致。
该研究的重要意义在于，它首次在统一的实验框架下，系统比较了等离子体气雾培与传统种植方式的性能差异，并明确了等离子体输送模式和强度对植物响应的关键影响。研究结果证明了将非热等离子体技术与智能气雾培平台相结合，在可控环境农业中生产高品质、安全蔬菜的巨大潜力。这种技术为实现资源高效、环境友好、可持续的现代农业，特别是垂直农业和城市农业提供了有前景的解决方案。未来研究可着眼于通过优化光强和营养管理进一步降低硝酸盐含量，并利用实时传感和反馈控制实现过程的精确调控，以推动该技术的规模化应用。
