耕層厚度對黃瓜葉片光合熒光與根系生理特性的影響

蘭摯謙，張凱歌，張雪艷

(寧夏大學 農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021)

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，耕地是支撐人類經(jīng)濟社會發(fā)展的重要土地資源[1]。我國長期以來高產(chǎn)出、超負荷運行的糧食生產(chǎn)給耕地帶來了巨大的負擔，使得耕地質(zhì)量大幅度下降，長期以來的化肥濫用與土壤污染導致耕地退化明顯，也導致我國農(nóng)田基本地力低于歐美發(fā)達國家20%，土壤質(zhì)量的嚴重退化顯著影響了耕地的產(chǎn)出與可持續(xù)發(fā)展，進一步危及我國糧食安全[2]。設(shè)施栽培由于基礎(chǔ)建設(shè)投入大，作物種植頻繁，一年多茬，因此農(nóng)民對化肥用量需求加大，忽視了有機肥料的投入。由于化肥對土壤團粒結(jié)構(gòu)有破壞作用，加上長期不進行深翻，造成土壤結(jié)構(gòu)退化，耕層變淺，通透性變差，土壤保肥保水能力降低，蔬菜根系發(fā)育不良，吸收養(yǎng)分和水分的能力減弱，成為蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的障礙因素[3]。

土壤耕作層與土地生產(chǎn)力密切相關(guān)，土壤耕作層為植物提供物理支撐和其生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)與水分[4]。高建勝等[5]對黃淮海平原冬小麥耕層厚度的研究表明，適宜的土壤翻耕深度可以促進小麥的生長，當土壤翻耕深度為25 cm時，可顯著增加小麥的株高，相對傳統(tǒng)耕層顯著增高 11.3%。鄭祥楠[6]研究發(fā)現(xiàn)，當土壤翻耕深度為30 cm處理時，玉米的株高最高，而免耕處理的莖直徑最大。耕層厚度對烤煙的生長有顯著影響，耕層過淺，不利于養(yǎng)分吸收，易造成煙株長勢偏弱；耕層過深，易造成根系生長過旺，煙株過度吸收養(yǎng)分，葉片過大，不利于煙葉正常落黃成熟；在烤煙生長旺盛期，翻耕深度為15 cm時烤煙的株高最高，翻耕深度為25 cm時烤煙的莖直徑最大[7]。翻耕深度超過犁底層或自然形成的硬質(zhì)土層，可以疏松土壤、加厚耕層、提高土壤孔隙度、改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、增強水分的入滲能力，促進植物根系生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量[8]。楊越等[9]研究表明，30 cm耕層厚度下玉米產(chǎn)量最高，較20 cm和10 cm耕層厚度分別提高12.5%和24.1%。鄭建輝[10]研究發(fā)現(xiàn)，翻耕深度為20 cm時烤煙的產(chǎn)量最高，較15 cm耕層處理增產(chǎn)4.5%。

多數(shù)植物95%以上的干物質(zhì)是由光合作用形成的，光合作用除了受施肥、光照、溫度、水分等因素影響外，還間接受到土壤物理性質(zhì)的影響[11]，進而影響植物的生長發(fā)育和生理功能。高建勝等[5]對黃淮海平原地帶的小麥研究發(fā)現(xiàn)，適宜的土壤翻耕深度可以提高小麥的凈光合速率，當翻耕深度為25 cm時較傳統(tǒng)翻耕深度15 cm凈光合速率提高22.5%。葉綠素熒光是反應光抑制的良好指標和探針，通過熒光參數(shù)分析可以得到葉片光能利用相關(guān)信息，植物在逆境脅迫下初始熒光(Fo)上升，脅迫環(huán)境會導致反應中心的不可逆性失活，嚴重損害光合系統(tǒng)的功能[12]。葉綠素熒光與光合作用中的各種反應過程密切相關(guān)，植株受到脅迫時，對光合作用的影響通過葉片葉綠素熒光動力學反映出來，熒光參數(shù)(Fv/Fm)代表植物PSⅡ原初最大光化學效率，反映光合機構(gòu)原初光能轉(zhuǎn)化效率[13]。

根系是連接植物地上部分與土壤水分、養(yǎng)分的橋梁，對植株生長具有重要意義[14]。Dal Ferro等[15]的研究證實，作物根系的生長與土壤容重之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系，土壤容重過大時，毛管孔隙多，不透水不通氣，使土壤中產(chǎn)生水熱矛盾，對根系的生長阻力增大，不利于根系伸展。對于小麥來說，深耕30 cm可消除犁底層，促進小麥根系的生長及其對水分的吸收，增加葉面積指數(shù)和促進光合作用，小麥產(chǎn)量較常規(guī)耕法提高9.27%，水分利用效率提高1.43～4.65 kg· mm-1·hm-2[16]。增加耕作深度也能促進玉米和大豆的根系發(fā)育，增加產(chǎn)量[17]。

適宜深度的深耕可有效地打破犁底層，改善土壤的耕層狀況，提高土壤肥力，進而影響作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[18]。合理優(yōu)化和改良耕層結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造有利于作物生長發(fā)育和作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的土壤環(huán)境是當前和今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大技術(shù)需求[5]。關(guān)于耕層厚度對作物生長影響的研究大多集中在大田作物，針對園藝作物則鮮有報道。本試驗以設(shè)施主栽黃瓜為材料，探究不同耕層厚度對黃瓜生長、葉片光合熒光特性、根系生理特性，以及黃瓜地上部生長對根系生理特性的響應。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗2017年7月至11月、2018年2月至6月在寧夏賀蘭園藝產(chǎn)業(yè)園4號日光溫室同一地塊上進行。采用黃瓜品種為Deer88(天津德瑞特有限公司)。耕層與犁底層一共設(shè)置50 cm，耕層在上，犁底層在下。耕層分別設(shè)定10、20、30、40、50 cm，其他土層為犁底層。耕層用原溫室表層土壤，犁底層用原溫室底層土壤。所有處理耕層、犁底層的容重保持一致，耕層的容重為1.1～1.3 g·cm-3，犁底層的容重1.7～1.9 g·cm-3。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，高畦栽培，雙行種植，株距30 cm，行距70 cm，每個處理3次重復，小區(qū)面積4.5 m2，所有處理底肥與追肥管理一致。田間底肥二銨30 kg·667 m-2，復混肥(N∶P∶K=20∶20∶20)30 kg·667 m-2，生物有機肥1 000 kg·667 m-2(山東木美土里生物科技有限公司)，其中N+P2O5+K2O ≥ 6%，有機質(zhì)≥ 20%，有效活菌5 000萬個·g-1。所有處理采用滴灌，全生育期Hoagland營養(yǎng)液統(tǒng)一追肥。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 植株長勢測定

分別在2017年和2018年植株定植后2周開始，每個處理選取代表性植株6株，每隔2周測1次株高和莖直徑，株高的測定利用鋼制卷尺，從黃瓜莖基部到黃瓜生長點進行測量，莖直徑的測定：利用游標卡尺測量黃瓜基部子葉下端1 cm處，總共測5次，分別計算株高相對生長率(RGH-PH)和莖體積相對生長率(RGH-SV)，公式如下，h1、h2代表株高，d1、d2代表莖直徑，t1、t2代表時間[19]。

RGH-PH(cm·cm-1·d-1)=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1)；

(1)

RGH-SV(cm3·cm-3·d-1)=[ln(d2·d2·h2)-ln(d1·d1·h1)]/(t2-t1)。

(2)

1.2.2 植株葉片光合熒光的測定

分別在2017年和2018年植株定植后1.5個月，每個處理選取代表性的植株10株，每個處理每個植株取同一生長節(jié)位葉片，在晴天09：00—11：00用LI-6400XT便攜式光合儀測定葉片光合特性，用OSI-FL便攜式葉綠素儀測定葉片熒光參數(shù)。

1.2.3 植株根系生理特性的測定

在植株生長2.5個月后每個處理取完整的黃瓜根系6株用于測定根系的生理特性。根系活力采用TTC法測定；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定；丙二醛和可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定；過氧化氫酶活性采用紫外吸收法測定；過氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；超氧化物歧化酶活性采用NBT光還原法測定[20]。

1.2.4 果實產(chǎn)量的測定

在秧苗定植后的第2個月(早期)、第3個月(中期)和第4個月(后期)采集黃瓜的果實，分別統(tǒng)計各處理每個生育期的總產(chǎn)量，各個生育期產(chǎn)量相加得整個生育期產(chǎn)量，并按照小區(qū)面積折合成公頃產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析，均值通過單因素ANOVA進行分析。采用Tukey進行P<0.05水平的顯著性分析。主成分分析用于分析處理間差異和主要貢獻因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕層厚度對植株生長的影響

柱狀圖上無相同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters above the columns represent significant differences among treatments (P<0.05). The same as below.圖1 耕層厚度對株高和莖體積相對生長率的影響Fig.1 Effects of plough layer thickness on relative growth rate of plant height and stem volume

由圖1可知，隨耕層厚度的增加，株高和莖體積相對生長率呈先增加后降低的趨勢，且2018年各處理平均株高和莖體積相對生長率高于2017年。2017和2018年，PL30的株高相對生長率均顯著高于其他處理，分別較PL50增加16.98%、16.83%，其他處理間無顯著差異。2017和2018年，PL30的莖體積相對生長率也顯著高于其他處理，分別較PL50增加36.77%、14.10%。2017年P(guān)L50的莖體積相對生長率相對最低，2018年P(guān)L10莖體積相對生長率最低。

2.2 不同耕層厚度對葉片光合參數(shù)的影響

由圖2可知，2017年，凈光合速率(Pn)隨耕層深度增加變化不顯著；2018年，Pn隨耕層厚度增加呈先增大后減小趨勢，PL30的Pn顯著大于其他處理，較PL50增加17.02%，PL10和PL20的Pn最小。2017和2018年，蒸騰速率(Tr)隨耕層厚度增加呈先增大后減小趨勢，PL20的Tr最大，2017年P(guān)L40和PL50的Tr顯著小于其他處理，2018年P(guān)L10的Tr最低。2個栽培年P(guān)L40的水分利用率(WUE)平均值總體高于其他處理，PL20和PL30的WUE最低。

圖2 耕層厚度對葉片凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率的影響Fig.2 Effects of plough layer thickness on Pn，Tr and WUE of leaf

2.3 不同耕層厚度對葉片熒光參數(shù)的影響

由圖3可知，初始熒光(Fo)隨耕層厚度增加逐漸減小，2017和2018年，PL10的Fo均最大，PL40和PL50最小。2個栽培年，PL30平均最大熒光(Fm)最大，PL10和PL20最低。2017年，PL50的光能轉(zhuǎn)化率(Fv/Fm)顯著小于其他處理；2018年，各處理的Fv/Fm無顯著差異。2個栽培年，PL50的光化學淬滅系數(shù)(qP)均顯著低于其他處理，其他處理間無顯著差異。

圖3 耕層厚度對葉片初始熒光、最大熒光、光能轉(zhuǎn)化率、光化學淬滅系數(shù)的影響Fig.3 Effects of plough layer thickness on Fo，F(xiàn)m，F(xiàn)v/Fm and qP of leaf

2.4 不同耕層厚度對黃瓜根系生理特性的影響

由表1可知，2018年的黃瓜根系活力、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶活性高于2017年，脯氨酸含量、過氧化氫酶、過氧化物酶活性指標則表現(xiàn)相反。2個栽培年，PL30的根系活力均高于其他處理，2017年P(guān)L10、PL40次之，PL20和PL50最低；2018年P(guān)L50與PL30間無顯著差異，其他處理間無顯著差異。2個栽培年P(guān)L30的脯氨酸含量均顯著高于其他處理，2017年P(guān)L10、PL20次之，PL40和PL50的最低，2018年P(guān)L10的脯氨酸含量最低，PL20、PL40和PL50間無顯著差異。2017年P(guān)L10的MDA含量顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異，2018年P(guān)L30的MDA含量最低，其他處理間無顯著差異。2017年P(guān)L40的可溶性糖含量顯著高于其他處理，PL10、PL30處理次之，PL50最低；2018年可溶性糖含量PL50含量最高，PL10含量最低。2017年P(guān)L10、PL30和PL50的可溶性蛋白含量顯著高于PL40和PL20；2018年P(guān)L50的可溶性蛋白含量顯著高于其他處理，PL10處理最低。2017年P(guān)L10的CAT和POD活性均顯著高于其他處理，PL20次之；2018年，不同耕層厚度的CAT活性差異不顯著，PL20的POD活性顯著高于其他處理，PL10次之，PL40最低。2017年P(guān)L40的SOD活性最高，PL20的最低，差異顯著；2018年P(guān)L10的SOD活性最高，PL50的最低。表2方差分析結(jié)果顯示，栽培年對所有指標均有極顯著影響；除過氧化氫酶活性外，耕層厚度和耕層厚度與栽培年的交互作用對其他指標均有極顯著影響。

表1 耕層厚度對黃瓜根系生理特性的影響

表2 方差分析結(jié)果

2.5 不同耕層厚度對果實產(chǎn)量的影響

由圖4可知，2018年果實產(chǎn)量高于2017年。2017年黃瓜生長早期，PL10、PL20果實產(chǎn)量顯著高于PL40和PL50，且PL40和PL50間無顯著差異，PL30產(chǎn)量居中；黃瓜生長中期和后期PL30、PL40、PL50間無顯著差異，均顯著高于PL10和PL20，PL10產(chǎn)量最低?？傮w上，2017年P(guān)L30、PL40和PL50總產(chǎn)量間無顯著差異，顯著高于PL10和PL20。2018年，黃瓜生長早期和中期，PL10產(chǎn)量最高，PL20、PL30次之，PL50產(chǎn)量最低；黃瓜生長后期PL30產(chǎn)量大于其他處理，PL50、PL40次之，PL20產(chǎn)量最低?？傮w上，2018年，PL10、PL20、PL30黃瓜總產(chǎn)量無顯著差異，均顯著高于PL40和PL50。

圖4 耕層厚度對果實產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of plough layer thickness on fruit yield

2.6 PCA分析

對2017和2018年黃瓜生長指標、葉片光合和熒光參數(shù)、根系生理特性和果實產(chǎn)量進行PCA分析，結(jié)果如圖5所示。2017和2018年，主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別解釋差異的51.88%和22.22%，即總變異的74.10%。Fm、RA、CAT在PC1上有較高的權(quán)重，RGR-PH、Tr、POD、SOD、qP、SS在PC2上有較高的權(quán)重。在PC1上，PL30與其他處理可以明顯區(qū)分開，PL20可以與PL50明顯區(qū)分開。在PC2上，PL30與其他的處理均顯著地區(qū)分開，PL10、PL20、PL40與PL50顯著區(qū)分開。RGR-PH與RGR-SV、CAT分別呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)，F(xiàn)Y與RGR-PH、RGR-SV分別呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)，Tr與POD呈顯著正相關(guān)，F(xiàn)m與RA呈顯著正相關(guān)，RA與RGR-PH、RGR-SV呈正相關(guān)，SOD與RGR-PH、RGR-SV呈正相關(guān)，與SP呈負相關(guān)。

圖5 主成分分析處理與指標間關(guān)系Fig.5 Principal component analysis of relationship among treatments and indicators

3 討論與結(jié)論

3.1 耕層厚度對光合熒光參數(shù)的影響

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)換為可用于生命過程的化學能過程，可直接反映植株對逆境的響應[21]。本研究表明，光合參數(shù)Tr、Pn隨著耕層厚度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，中耕層(PL30)黃瓜光合性能整體優(yōu)于淺耕層(PL10、PL20)和深耕層(PL40、PL50)。主要原因是黃瓜屬于淺根系作物，主要根系集中在16～20 cm的表土層[22]，PL30相對合理的耕層結(jié)構(gòu)促進了水分和養(yǎng)分在16～20 cm土層的累積，使得黃瓜根系得到了相對充足的水分和養(yǎng)分補給，因而光合性能最優(yōu)。而PL10、PL20相對惡劣的根系生長環(huán)境嚴重影響了植株地上部的生長，導致較差的光合性能。但是黃瓜的生長環(huán)境并不是耕層越厚越好，深耕雖然破除了犁底層，增加土壤的含水量，脫鹽堿，疏通空氣，增強熱交換，但也造成了養(yǎng)分的流失和有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率降低，這也是PL40和PL50光合參數(shù)低于PL30的主要原因[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，2018年各處理的Tr、Pn均高于2017年，主要因為高等植物光合作用受溫度變化的影響顯著，2018年試驗季節(jié)溫度高于2017年，且2017年氣孔導度小于2018年，導致2017年環(huán)境CO2通過氣孔進入細胞間隙的量小于2018年，進一步降低了葉片的光合速率[24]。2018年相對更高的季節(jié)溫度促進了土壤養(yǎng)分的活化，增加了養(yǎng)分的有效性，植株可以吸收更多的養(yǎng)分，地上部生長勢更加旺盛[25]。2017年水分利用率大于2018年，原因是2018年季節(jié)溫度大于2017年，葉片氣孔開放程度相對較大，因而植株蒸騰作用散失的水分大[25]。

葉綠素熒光參數(shù)反映植物光合系統(tǒng)的內(nèi)在特性，在光合作用的光能轉(zhuǎn)化過程中起重要作用[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，2017年和2018年P(guān)L10、PL20處理的Fo均高于其他處理，主要是由于Fo是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量，PL10、PL20耕層較淺，黃瓜受到的環(huán)境脅迫相對更嚴重，光合結(jié)構(gòu)被破壞或可逆性失活可使其升高[27]。2017年，PL30處理的Fv/Fm顯著高于PL50，F(xiàn)v/Fm反映了PSⅡ反應中心光能轉(zhuǎn)化效率，對逆境脅迫較為敏感，與其他處理相比，土壤翻耕30 cm對黃瓜這種淺根系作物來說創(chuàng)造了適宜的土壤環(huán)境，植株可以吸收相對更多的水分和養(yǎng)分[27]。2017和2018年P(guān)L30的qP均最大，主要原因是PL10、PL20處理的犁底層過厚，對黃瓜的脅迫作用較嚴重，而PL40、PL50由于耕層過厚，養(yǎng)分和水分的滲漏較嚴重，不利于植株的吸收，嚴重影響到植株地上部生長[26]。2018年各處理的熒光參數(shù)均高于2017年，主要是由于2018年栽培季節(jié)溫度高于2017年，這與崔波等[26]的研究結(jié)果一致，即熒光參數(shù)隨溫度的下降而顯著降低。

3.2 耕層厚度對根系生理特性和植株生長的影響

根系不但起到固定植株地上部作用，同時吸收水分、養(yǎng)分供地上部生長所需，根系發(fā)育的狀況直接影響整個植株的生長[28]。2017和2018年P(guān)L30根系活力均高于其他處理，主要是由于PL10、PL20下層土壤容重過大，限制了根系的垂直生長，同時增加了根系的穿透阻力，極大地影響根系活力、通氣性等，而PL40、PL50耕層過厚，養(yǎng)分、水分滲漏較嚴重，影響植株的正常生長[29]。2017和2018年，PL10、PL20處理的根系MDA含量和SOD、POD、CAT活性均顯著高于其他處理，主要是由于PL10、PL20犁底層較厚，植株所受的脅迫較嚴重，細胞膜透性隨脅迫程度的加深而逐步增大，犁底層過厚導致膜脂過氧化水平加重，引起膜結(jié)構(gòu)的損傷[30]。為清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的大量活性氧自由基，減少對植物造成的傷害，植株體內(nèi)的保護酶如SOD、CAT、POD加速合成[31]。單長卷等[30]研究也發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫的加劇，MDA含量和SOD、POD活性均呈增加趨勢。2017和2018年，PL30處理的脯氨酸含量和可溶性糖含量均高于其他處理，推測PL30處理中相對良好的土壤環(huán)境使得植株自身建立起了良好的逆境防御系統(tǒng)[30]。

優(yōu)質(zhì)肥沃的耕層土壤是作物產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[9]。本研究表明，植株生長早期，PL10、PL20處理的果實產(chǎn)量高于PL30，顯著高于PL40、PL50，而在植株生長后期則顯著低于PL30、PL40、PL50，表現(xiàn)出早熟和早衰現(xiàn)象，主要原因是PL10、PL20耕層較淺，犁底層較厚，較多的養(yǎng)分累積在較淺的土層，而且在生長初期黃瓜根系體積相對較小，下扎的深度也較小，抑制了植株養(yǎng)分的供給[32]。2017年P(guān)L30處理的黃瓜總產(chǎn)量最高，PL20次之；2018年，PL10處理的黃瓜產(chǎn)量最高，PL30次之。說明適當?shù)钠瞥绲讓?，可降低根系穿透阻力，增加產(chǎn)量[5]。PL30處理的株高相對生長率和莖體積相對生長率最大，主要原因是PL30有良好的土壤環(huán)境，并且含有相對較多的養(yǎng)分和水分，植物可以從土壤中獲得更多養(yǎng)分[33]。

綜上所述：中耕層(PL30)顯著提高了株高和莖體積相對生長率，促進了葉片的光合和熒光效率，增加了光能轉(zhuǎn)化率；淺耕層(PL10、PL20)提高早期產(chǎn)量，但降低了中后期產(chǎn)量，深耕層(PL40、PL50)降低了早期產(chǎn)量，但中后期產(chǎn)量增加了，中耕層前期產(chǎn)量居中，中后期產(chǎn)量與深耕層處理間無顯著差異。中耕層(PL30)促進了根系的生長，提高了根系活力，增加了脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，淺耕層和深耕層刺激根系產(chǎn)生了較多的MDA，為清除活性氧自由基，淺根層(PL10、PL20)顯著提高了黃瓜CAT、POD、SOD活性。耕層厚度直接作用于根系，間接影響地上部生長發(fā)育，中耕層(PL30)促進了黃瓜根系的生長發(fā)育，改善了植株地上部的生長狀況，植株的生長狀況整體優(yōu)于淺耕層(PL10、PL20)和深耕層(PL40、PL50)。