基質(zhì)粒徑對槽培黃瓜根系、產(chǎn)量及光合特性的影響

宋朝義 季延海 劉明池 武占會 黃遠 王麗萍

摘? ? 要：以黃瓜為試材，珍珠巖為基質(zhì)，在連棟溫室內(nèi)研究了不同基質(zhì)粒徑配比對黃瓜生長、產(chǎn)量、光合氣體交換參數(shù)、熒光動力學(xué)參數(shù)及PSⅡ光能分配情況的影響。結(jié)果表明，純小粒徑（小于2 mm）珍珠巖T9處理的物理性質(zhì)最理想，T9處理黃瓜生長勢和根系適應(yīng)性最好，產(chǎn)量最高。T9處理黃瓜葉片Pn、Gs和Tr均最大，T9處理黃瓜葉片的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均比T1處理顯著提高，而Fo和NPQ比T1處理顯著降低，這顯著提高了PSⅡ反應(yīng)中心開放程度和PSⅡ電子傳遞效率。T9處理葉片吸收的光能向P（光化學(xué)反應(yīng)）的分配占比最大，而T1處理葉片吸收的光能向P的分配占比降低，向E（反應(yīng)中心耗散能）的分配占比增加。綜上所述，在封閉式槽培栽培條件下，以純小粒徑珍珠巖作為栽培基質(zhì)，黃瓜生長勢和根系適應(yīng)性最好，黃瓜葉片的碳同化效率和光合能力最強，產(chǎn)量最高。

關(guān)鍵詞：黃瓜;珍珠巖;粒徑;基質(zhì)栽培;產(chǎn)量;光合特性

中圖分類號：S642.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）08-056-06

Effects of substrate particle size on the root， yield and photosynthetic characteristics of slot-cultured cucumber

SONG Chaoyi1，2， JI Yanhai2，4， LIU Mingchi2，4， WU Zhanhui2，4， HUANG Yuan3， WANG Liping1

（1. College of Landscape and Ecological Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， Hebei， China; 2. Vegetable Research Center of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 3. College of Horticulture and Forestry Sciences， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， Hubei， China; 4. Key Laboratory of Urban Agriculture of North China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100097， China）

Abstract：Cucumber was used as test material and perlite was used as substrate in this research， the effects of different diameter ratios of substrate particle on the cucumber growth and yield，photosynthetic gas exchange parameters，fluorescence kinetics and t PSⅡ light energy distribution were investigated in the greenhouse. The physical properties of pure small-size perlite T9 were found the best，the growth potential and root adaptability of cucumber T9 were the best，and the yield was the highest. Under the T9 particle substrate treatment， the Pn，Gs and Tr of cucumber leaves were all maximized， Fv/Fm，ΦPSⅡ and qP were increased significantly，F(xiàn)o and NPQ were dropped significantly， the PSⅡ reaction center open degree and PSⅡ electron transfer efficiency were extremely promoted. The leaf absorption of light energy to P allocation proportion of T9 was the largest，while the leaf absorption of light energy to the distribution of P was decreased under T1 treatment，which added to the distribution of E. It was concluded that under the pure small-size perlite culture condition，the growth potential and root adaptability of cucumber were the best，the carbon assimilation efficiency and photosynthetic capacity of cucumber leaves were the strongest，and the yield was the highest.

Key words： Cucumber; Perlite; Particle size; Matrix culture; Yield; Photosynthetic characteristics

基質(zhì)栽培是指利用固體基質(zhì)支持、固定植物根系，并通過基質(zhì)吸收水分、養(yǎng)分和氧氣的一種無土栽培方式[1]。隨著我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，栽培基質(zhì)的市場需求日益增加。目前大規(guī)模使用的基質(zhì)類型有巖棉、草炭、椰糠以及有機廢棄材料混合基質(zhì)等。國內(nèi)學(xué)者在基質(zhì)篩選和配比方面做了大量研究。李堃等[2]研究指出，枸杞枝條、珍珠巖、蛭石按體積比6∶1∶2復(fù)配，可作為無土栽培基質(zhì)進行研發(fā)和利用。目前國內(nèi)基質(zhì)研究主要集中在有機基質(zhì)方面，無機基質(zhì)研究較少。

與傳統(tǒng)土壤栽培相比，基質(zhì)栽培作物生長快，產(chǎn)量高，可克服土壤連作障礙、減少土傳病害，但由于基質(zhì)水肥含量有限，需要定期灌溉營養(yǎng)液來滿足植物生長需要[3-4]。有機基質(zhì)含有較多生物殘留物，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易與營養(yǎng)液中的離子發(fā)生反應(yīng)，造成鹽分積累，因此會影響營養(yǎng)液的EC值、pH值和離子比例等，而營養(yǎng)液的EC值、pH值和離子比例與作物的生長密切相關(guān)，過高或者過低都會對作物產(chǎn)生不利影響[5-7]。珍珠巖作為一種不易分解、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、疏松多孔的無機基質(zhì)，能夠為植物根系提供適宜的生長環(huán)境。固體基質(zhì)的物理性質(zhì)直接影響著基質(zhì)的性能，基質(zhì)性能優(yōu)劣決定了作物的長勢和產(chǎn)量[1]。基質(zhì)的物理性質(zhì)與其顆粒大小、粒徑和松緊程度密切相關(guān)[8]。園藝上常用珍珠巖的粒徑為3～4 mm[1]，然而不同植物的根系對珍珠巖粒徑大小適應(yīng)性不同。李炎艷[3]等研究表明，珍珠巖粒徑大于4 mm、2 ～4 mm、小于2 mm配比為3∶4∶3的配比更適于番茄根系的生長。

基質(zhì)栽培方式分為開放式和封閉式。目前，國內(nèi)主要基質(zhì)栽培方式為開放式栽培，開放式栽培排放出的營養(yǎng)液廢液會嚴重污染周邊土壤環(huán)境，并且會造成水肥浪費。封閉式栽培實現(xiàn)了營養(yǎng)液的循環(huán)利用，避免了向外排放問題，更加節(jié)水節(jié)肥環(huán)保[9]。因此，在封閉式栽培模式下篩選出黃瓜最適宜的無機基質(zhì)，對生產(chǎn)上無土栽培、無機基質(zhì)封閉栽培系統(tǒng)的推廣與精準、高效應(yīng)用具有重要意義。

筆者采用北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心研發(fā)的封閉式無機基質(zhì)槽培系統(tǒng)，用珍珠巖作為栽培基質(zhì)，以黃瓜為試材，研究珍珠巖粒徑配比對黃瓜根系、產(chǎn)量及光合特性的影響，以期篩選出適宜的珍珠巖粒徑配比，為該系統(tǒng)黃瓜栽培的標(biāo)準化生產(chǎn)、應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料

供試黃瓜品種為京研118，由京研益農(nóng)（北京）種業(yè)科技有限公司提供，該品種耐低溫弱光，亦較耐熱，適宜溫室栽培。營養(yǎng)液采用北京農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心的黃瓜專用配方。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2019年8—12月在北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心連棟溫室進行。2019年8月30日采用72孔穴盤育苗，基質(zhì)為V草炭∶V蛭石=2∶1，常規(guī)苗期管理。采用蔬菜研究中心研發(fā)的封閉式槽培栽培方式和營養(yǎng)液循環(huán)供給系統(tǒng)，9月20日黃瓜幼苗定植于栽培槽（長×寬×高=48 cm×20 cm×13 cm）中，每個栽培槽定植2株，基質(zhì)采用珍珠巖。珍珠巖粒徑采用大于4 mm、大于2 mm且小于4 mm、小于2 mm三個標(biāo)準，分別采用大、中、小簡稱。珍珠巖按體積比設(shè)置9個處理，以未過篩的珍珠巖作為對照（CK），詳細配比見表1。采用完全隨機設(shè)計，每個處理定植30盆，株距40 cm，小行距20 cm，大行距150 cm，試驗田面積約為200 m2。試驗期間7：00—19：00循環(huán)提供營養(yǎng)液5次，其他時間不供液。幼苗期每天每株供液1.5 L;結(jié)果期每天每株供液2.0 L，正常田間管理。各處理設(shè)3次重復(fù)，每個重復(fù)20株，共定植600株。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 基質(zhì)物理性質(zhì)的測定 采用環(huán)刀法測定基質(zhì)的容重、持水能力、總孔隙度、通氣孔隙、持水孔隙、大小孔隙比，參照鮑士旦[10]的研究方法。

1.3.2 基質(zhì)含水量的測定 分別于定植后25、35、45、55、65 d最后1次灌溉結(jié)束后2 h取基質(zhì)測定質(zhì)量，烘干后測定干質(zhì)量，計算含水量。每個處理隨機從栽培槽取基質(zhì)，3次重復(fù)。

1.3.3 黃瓜生長指標(biāo)和產(chǎn)量的測定 于定植后52 d，用卷尺測量株高，游標(biāo)卡尺測量莖粗，直尺測量最大葉長（L）、葉寬（W），并通過回歸方程[11]計算最大葉面積，最大葉面積=14.61-5.0（L）+0.94（L2）+0.47（W）+0.63（W2）-0.62（L×W）。拉秧前統(tǒng)計總產(chǎn)量。

1.3.4 黃瓜根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)和根系活力的測定 于定植后20 d，分別隨機選取各處理3株，將待測根系清洗干凈，用Epson Perfection 4990 PHOTO根系掃描系統(tǒng)掃描，Win RHIZO軟件分析系統(tǒng)對根系總長度、表面積、根系體積和根尖數(shù)等形態(tài)參數(shù)進行分析測定。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[12]測定黃瓜根系活力。

1.3.5 黃瓜葉片光合參數(shù)和熒光參數(shù)的測定 于盛瓜期晴天9：00—11：00，選擇第3片功能葉，采用LI-6400XT（美國，LI-COR）測定光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）。采用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)測定熒光參數(shù)，葉片暗處理30 min后測定初始熒光（Fo）、暗適應(yīng)下最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光適應(yīng)下實際光化學(xué)效率（ΦPSⅡ）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）等。3次重復(fù)，取平均值。參照蔡建國[13]等的方法，計算黃瓜葉片的PSⅡ光能分配情況，公式如下：光化學(xué)反應(yīng)能（P）=qP×Fv'/Fm'，天線耗散能（D）=1-Fv'/Fm'，反應(yīng)中心耗散能（E）=（1-qP）×Fv'/Fm'。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用IBM SPSS statistics 20.0統(tǒng)計軟件進行顯著性分析;采用Microsoft Excel 2007軟件對試驗數(shù)據(jù)進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑配比珍珠巖粒的物理性質(zhì)

由表2可以看出，隨著珍珠巖小粒徑的增加，T1、T8、T9處理的基質(zhì)容重和持水孔隙均呈增大趨勢，而基質(zhì)持水能力、通氣孔隙、大小孔隙比呈減小趨勢。其中，T9處理基質(zhì)容重、總孔隙度、持水孔隙等均顯著高于其他處理，分別比CK提高81.82%、20.50%、44.24%，且T9處理基質(zhì)持水能力最小，通氣孔隙和大小孔隙比均較小;而T1處理基質(zhì)容重、持水孔隙均最小，持水能力、通氣孔隙、大小孔隙比均最大，總孔隙度較大。

2.2 不同粒徑配比珍珠巖粒含水量

從圖1可以看出，各處理隨著定植時間的增加，各基質(zhì)含水量變化較小。定植后第25、35、45、55 d時，T1處理基質(zhì)含水量均最大，T9處理基質(zhì)含水量均最小。定植55 d時，T1處理基質(zhì)含水量比T9處理明顯提高81.09%。

2.3 不同珍珠巖粒徑配比對黃瓜生長和產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，T9處理黃瓜各項生長指標(biāo)均顯著高于其他處理。T1、T8、T9處理黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)、最大葉面積、單株產(chǎn)量等生長指標(biāo)均表現(xiàn)出T9>T8>T1，由此可以看出，隨珍珠巖粒徑減小，黃瓜生長指標(biāo)均呈增高趨勢。其中，T9處理黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)、最大葉面積、單株產(chǎn)量分別比T1提高21.59%、25.28%、16.87%、41.04%、37.93%。純大粒徑珍珠巖T1處理株高、葉片數(shù)、單株產(chǎn)量均最低，其莖粗和最大葉面積均較小。

2.4 不同珍珠巖粒徑配比對黃瓜根系的影響

由表4可以看出，T9處理黃瓜根系的總根長、總表面積、根體積、根尖數(shù)和根系活力均最大，T1處理根系各指標(biāo)均最小。T9處理黃瓜總根長、總表面積、根體積、根尖數(shù)和根系活力分別比T1處理顯著提高76.38%、76.21%、76.96%、70.36%和87.14%。由黃瓜根系的總根長、總表面積、根體積、根尖數(shù)以及根系活力等指標(biāo)均表現(xiàn)出T9>T8>T1的生長規(guī)律，由此可以看出，隨著小粒徑珍珠巖的增加，黃瓜的根系指標(biāo)均呈增大趨勢。結(jié)果表明，小粒徑珍珠巖更有利于黃瓜根系的生長發(fā)育，大粒徑珍珠巖不利于黃瓜根系的生長發(fā)育。

2.5 不同珍珠巖粒徑配比對黃瓜葉片光合參數(shù)的影響

由表5可以看出，T9處理黃瓜葉片Pn、Gs和Tr均最大，Ci值最小，而T1處理黃瓜葉片Pn、Gs和Tr均最小。T9處理葉片Pn和Tr均與T6處理差異不顯著，而顯著高于其他處理;T5、T6、T9處理葉片Gs均顯著高于其他處理，三者之間差異不顯著。T9處理葉片Pn、Gs、Tr分別比T1處理顯著提高39.48%、95.83%、60.36%。T9處理葉片Ci顯著低于T3、T8處理，而與其他處理差異不顯著。

2.6 不同珍珠巖粒徑配比對黃瓜葉片熒光參數(shù)的影響

由表6可知，T1、T8、T9處理各熒光參數(shù)隨著基質(zhì)粒徑的減小，黃瓜葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP有增大趨勢，F(xiàn)o和NPQ有減小趨勢。其中，T9處理葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP均最大，F(xiàn)o和NPQ均最小;而T1處理葉片F(xiàn)0和NPQ均最大，F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ均最小。T9處理黃瓜葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP比T1處理分別顯著提高2.53%、13.21%和11.27%，T1處理黃瓜葉片F(xiàn)o和NPQ分別比T9提高31.28%和65.52%。

2.7 不同珍珠巖粒徑配比對黃瓜葉片吸收光能分配的影響

由表7可以看出，不同處理光能分配存在一定差異。T9處理黃瓜葉片吸收的光能主要分配于光化學(xué)反應(yīng)P部分，占60%，且顯著高于T1、T2、T3和T7處理，T9處理比T1處理顯著提高13.21%。在各處理中，天線耗散能的D部分無顯著差異。T1、T2和T3處理用于反應(yīng)中心耗散的E份額顯著高于T9處理。由此可以看出，大粒徑珍珠巖降低了葉片吸收的光能向P的分配，增加了向E的分配。

3 討論與結(jié)論

研究認為[1，14-15]容重為0.1～0.8 g·cm-3，總孔隙度為60%～90%，持水孔隙為45%～75%，通氣孔隙度為20%左右，大小孔隙比為0.25～0.5為理想的基質(zhì)物理性質(zhì)范圍。本試驗中只有純小粒徑T9處理基質(zhì)物理性質(zhì)指標(biāo)全在此范圍內(nèi)，因此純小粒徑T9處理的物理性質(zhì)最優(yōu)，這與蘇麗影等[16]的研究結(jié)果一致。T9處理基質(zhì)含水量顯著低于T1處理，這可能是純小粒徑基質(zhì)對水的吸持力較小，基質(zhì)對水的吸持力越小，對植物的有效性越高[17]，因此，T9處理黃瓜更容易吸收更多的水分。

T9處理的黃瓜生長勢和根系適應(yīng)性均最好，產(chǎn)量最高，一個原因可能是澆小粒徑的珍珠巖營養(yǎng)液以后基質(zhì)會緊實，在黃瓜定植初期會有利于植株根系與基質(zhì)緊密結(jié)合，吸收水分與營養(yǎng)物質(zhì)，縮短緩苗時間，這與李爽等[18]的研究結(jié)果一致。另一個原因可能是黃瓜須根系發(fā)達，易與小粒徑珍珠巖緊密貼合，根系末端有許多白色的突起，小粒徑珍珠巖更容易為其提供水分，適宜的水分會使突起長出更多不定根，較高的根系生物量為地上部生長以及元素吸收提供了基礎(chǔ)，從而提高了產(chǎn)量。這與陳瑤春[19]的研究結(jié)果一致，基質(zhì)中河沙比重較大時，不易發(fā)生顆粒間極松散的無結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，使基質(zhì)與根部的接觸較緊密，有利于根系的萌生。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[20]。葉片光合速率與自身因素和環(huán)境因子密切相關(guān)[21]，本試驗中T1處理葉片Pn和Gs值最小，Ci值較大，這表明導(dǎo)致T1光合速率降低的主要因素為非氣孔限制[22-23]，而T9處理葉片的Pn、Gs和Tr最大，表明T9處理的光合能力最強，這可能是由于T9處理良好的根系適應(yīng)性，提高了植株水分和養(yǎng)分的吸收能力，從而促進了葉片的光合作用。Fo和PSⅡ反應(yīng)中心遭受破壞程度有關(guān)[24]。本試驗中，T1處理葉片F(xiàn)o比T9處理顯著提高，F(xiàn)v/Fm比T9處理顯著降低，這可能是純大粒徑的珍珠巖為黃瓜提供了較差的根區(qū)環(huán)境，導(dǎo)致黃瓜根系吸收水分和營養(yǎng)受到限制，水分和營養(yǎng)供給不足使葉片發(fā)育不良，PSⅡ反應(yīng)中心遭到破壞。T9處理比T1處理葉片ΦPSⅡ和qP顯著增高，T9處理葉片吸收的光能向P的分配占比最大，這可能是因為T9處理的良好根區(qū)環(huán)境為黃瓜的生長提供了適宜的條件，促進了黃瓜葉片的光合作用，因此PSⅡ中的電子傳遞速率最高，PSⅡ反應(yīng)中心開放程度最大，光能中轉(zhuǎn)變?yōu)榛顫娀瘜W(xué)能的能量最大，葉片用于光化學(xué)反應(yīng)的部分最多，碳同化效率最高。這與吳甘霖等[25]的研究結(jié)果一致。T1處理葉片的NPQ較高，且T1處理葉片吸收的光能向P的分配降低，向E的分配增加，表明用于熱耗散部分的比例增加，這可能是植物面對逆境自我保護的表現(xiàn)。這與許培磊等[26]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，在封閉式珍珠巖槽培條件下，珍珠巖粒徑小于2 mm處理可為黃瓜提供適宜的根區(qū)環(huán)境，促進黃瓜生長，提高黃瓜產(chǎn)量，適宜作為該系統(tǒng)黃瓜的栽培基質(zhì)。由于該試驗僅用了2個規(guī)格的篩子作為標(biāo)準，進行過篩處理，珍珠巖粒徑小于2 mm標(biāo)準下是否越小越好，有待進一步探究。

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