土壤施用脉冲电场下榛子耐受性及杂草响应

《Frontiers in Horticulture》：Hazelnut tolerance and weed response to soil-applied pulsed electric field

　　

果园杂草管理常依赖除草剂，这增加了抗性风险，凸显了对有效非化学替代方案的需求。脉冲电场（PEF）技术可输送短时、高场强脉冲以破坏细胞膜；然而，土壤施用PEF用于果园杂草防除的效果在很大程度上仍未得到验证。本研究在田间条件下评估了土壤施用PEF对杂草管理和榛子（Corylus avellana L.）耐受性的影响，并在受控条件下评估了土壤孵育时间对杂草PEF敏感性的影响。在一处幼龄榛子园中，处理包括未处理对照、人工除草对照，以及使用对置垂直针式土壤电极单次施用的1、10和100 J cm^-3土壤PEF。处理后60天内评估杂草防效，并通过目测伤害和生理指标评估作物响应。在并行的容器试验中，种植了油莎草（Cyperus esculentus）块茎以及稗草（Echinochloa crus-galli）和长芒苋（Amaranthus palmeri）种子，并在PEF处理前分别孵育0、3、5或7天，采用平行板施用器施加0、25、50或200 J cm^-3的PEF。田间条件下，土壤施用PEF造成的作物伤害极小，且对生理参数无一致影响，表明作物耐受性高；但即使在100 J cm^-3下杂草抑制也有限。相比之下，在受控条件下，PEF降低了杂草生物量，其效果受孵育时间和物种特性强烈影响。将孵育时间增加3至7天可提高各物种的敏感性，并降低有效防除所需的能量，在25–50 J cm^-3下观察到显著生物量减少。这些结果表明，在当前田间施用方法下，土壤施用PEF仅能提供有限的杂草防效，可能归因于能量传递效率低下。相反，容器中的平行板施用有效控制了杂草繁殖体。改进施用器设计和优化能量传递途径对于提升PEF技术在果园系统中的性能至关重要。

榛子（Corylus avellana L.）是重要的多年生坚果作物，在土耳其、意大利及美国等地广泛种植，具有较高经济价值。果园杂草管理长期依赖除草剂，导致抗性杂草种群增加，例如俄勒冈州榛子园中的多花黑麦草和早熟禾已出现抗药性，因此亟需非化学替代手段。脉冲电场（PEF）通过短时高强电场脉冲使细胞膜发生电穿孔，已在食品加工和土壤病虫害防治中展现潜力，但土壤施用PEF对果园杂草防除效果尚缺乏系统评估。为此，研究人员在幼龄榛子园中评估了土壤PEF对杂草防效和榛子生理耐受性，并在受控条件下探索土壤孵育时间对杂草敏感性的影响。

研究采用的主要技术方法包括：使用垂直针式电极在田间施用单次土壤PEF（1、10、100 J cm^-3），并设置未处理和人工除草对照；在温室容器试验中采用平行板施用器对三种杂草繁殖体施加0、25、50、200 J cm^-3 PEF，并设计0、3、5、7天孵育时间；通过目测伤害、叶绿素含量、光系统II量子效率和气孔导度评估作物响应，通过生物量干重和冗余分析（RDA）及线性斜率评估杂草响应。样本来源包括俄勒冈州立大学Lewis-Brown研究农场的幼龄榛子园，以及温室中种植的油莎草块茎、稗草和长芒苋种子。

3.1 幼龄榛子园中的脉冲电场：田间PEF处理未造成明显作物伤害，叶绿素、ΦPSII和气孔导度均无一致处理差异，表明该能量范围内榛子耐受性高。但杂草防除效果有限，仅人工除草处理有效，100 J cm^-3处理仅产生短暂且不显著的轻微抑制（最高25%），随后降至约12%。

3.2 土壤孵育时间对杂草PEF敏感性的影响：冗余分析表明，物种解释了大部分生物量变异（72.1%），去除物种效应后，能量密度和孵育时间共同解释了少量但显著的变异（4.76%）。不同物种响应不同；油莎草对PEF最敏感，孵育3–7天后在25–50 J cm^-3下生物量大幅降低，而200 J cm^-3可忽略孵育时间差异；长芒苋在50 J cm^-3下随孵育时间增加生物量显著下降；稗草对孵育时间的依赖性较弱，仅在低能量下观察到显著负斜率。

讨论指出，田间与容器结果差异主要源于施用器构型：垂直针式电极产生非均匀电场，土壤异质性使电流优先通过低阻路径，导致部分目标组织亚致死暴露；而平行板布置迫使电流垂直穿过均匀土柱，提高了能量传递效率。此外，孵育时间增加会提高种子和组织电导率，促进电流通过，这解释了延迟处理提高敏感性的现象。土壤PEF规模化应用仍受能量消耗和作业速度限制，更适合靶向处理顽固草斑或地下害虫。总体而言，土壤PEF对杂草的生物学敏感性并非主要限制，关键在于田间均匀、充足的能量输送。改进电极设计、优化能量传递路径并与其他非化学方法结合，是提升果园PEF性能的关键。该研究发表于《Frontiers in Horticulture》。