呂劍，郁繼華，張國斌，金寧，唐中祺，張婧，張瀟丹

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黃瓜(CucumissativusL.)為葫蘆科甜瓜屬植物，是我國設(shè)施栽培面積最大的蔬菜之一[1].戈壁農(nóng)業(yè)是指在非耕地(包括戈壁灘、砂石地和鹽堿地等)上，以高效節(jié)能日光溫室為載體，以基質(zhì)栽培為核心技術(shù)，強(qiáng)調(diào)發(fā)展節(jié)水灌溉，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蔬菜瓜果等農(nóng)產(chǎn)品的新型農(nóng)業(yè)[2].因此，戈壁農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多以有機(jī)基質(zhì)栽培代替天然土壤栽培進(jìn)行設(shè)施蔬菜生產(chǎn)，基質(zhì)栽培本是緩解設(shè)施土壤重度連作障礙的有效途徑之一.但因在栽培過程中，需要不斷更換基質(zhì)，從而造成了人力、物力的大量消耗，生產(chǎn)成本增加，農(nóng)民為片面追求高收益，使得設(shè)施基質(zhì)栽培中黃瓜復(fù)種指數(shù)過高，由此造成的基質(zhì)連作障礙已成為設(shè)施黃瓜栽培的關(guān)鍵制約因素[3]

Mitani和Ma認(rèn)為，硅在地上部的積累可能與蒸騰作用、植株生長狀態(tài)及生長速率等有關(guān)，其中根系吸收能力是最重要因素[4].硅可以促進(jìn)植物生長發(fā)育，其對植物生長的促進(jìn)主要通過增加葉綠素含量、提高葉片光合作用、增強(qiáng)根系活力等途徑實(shí)現(xiàn)[5].夏石頭等的研究表明，硅能使水稻葉片增厚、維管束加粗，穗軸直徑增大，葉片細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)量、片層結(jié)構(gòu)及基粒增多，葉綠素含量增加，凈光合速率提高[6].硅還提高植物對生物脅迫和非生物脅迫的抵抗能力，主要體現(xiàn)在硅還可沉積在角質(zhì)層下部，形成角質(zhì)-硅雙層結(jié)構(gòu)，可減少角質(zhì)蒸騰作用，減輕萎焉現(xiàn)象，從而增強(qiáng)抗旱和抵御病蟲害的能力[7-8]；外源施硅還可提高土壤栽培下連作黃瓜幼苗抗氧化酶活性、增加其光合作用進(jìn)而增強(qiáng)黃瓜幼苗對連作障礙的抗性[9].

目前關(guān)于外源硅緩解連作障礙的研究主要集中在其他作物[10-11]或黃瓜的土壤連作栽培模式下[9]，關(guān)于硅對基質(zhì)栽培黃瓜連作的緩解效應(yīng)卻鮮見報道，而基質(zhì)栽培相較于土壤栽培存在差異，其持水性、緩沖性較弱，且易干易濕.因此，本試驗(yàn)以‘博耐882’黃瓜幼苗為試材，用酒泉連作8 a黃瓜已產(chǎn)生明顯連作障礙的基質(zhì)作為栽培基質(zhì)，研究根施不同濃度硅對連作基質(zhì)栽培黃瓜幼苗生長生理的影響，旨在篩選出適宜的緩解基質(zhì)栽培黃瓜連作障礙的硅濃度，闡明緩解機(jī)制，并為基質(zhì)栽培黃瓜連作障礙的克服提供新的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年3～5月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代溫室與蔬菜生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.采用黃瓜品種‘博耐882’(CucumissativusL.)種子為試驗(yàn)材料，基質(zhì)取自酒泉連作8 a黃瓜已產(chǎn)生明顯連作障礙的連作基質(zhì).供試外源硅為化學(xué)試劑硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O；AR,源葉生物).

試驗(yàn)設(shè)硅處理濃度分別為CK(0)、A(0.25 mmol/L)、B(0.50 mmol/L)、C(0.75 mmol/L)、 D(1.00 mmol/L)、E(1.50 mmol/L)、F(2.00 mmol/L).黃瓜定植后澆水時將Na2SiO3·9H2O溶入水中，每次處理每盆的灌水量均為1 L，每隔7 d處理1次.

1.2 方法

1.2.1 生長指標(biāo)的測定 株高：采用卷尺測定子葉下方1 cm至植株生長點(diǎn).莖粗：采用電子游標(biāo)卡尺測定子葉下方1 cm處.葉片數(shù)：從第一片真葉開始計(jì)數(shù)，真葉葉長和葉寬大于2 cm時均可計(jì)入；干鮮質(zhì)量測定：定植20 d后，在每組處理中挑選3株測定其干鮮質(zhì)量，測量地上部及地下部鮮質(zhì)量后裝入信封，然后放入烘箱中調(diào)至105 ℃殺青，之后在80 ℃烘至恒質(zhì)量后用0.001 g的電子天平稱其干質(zhì)量.

根系體積和主根長度的測定：根系體積采用排水法測定，測定時取20 mL量筒，注入10 mL左右的水，記下讀數(shù)后將干凈的根系放入量筒中，當(dāng)根系完全沉入水中后再次計(jì)數(shù)，兩次之差即為根系體積；主根長度使用直尺測量，測量時將根系拉直，測定莖基部到主根根尖的距離.

1.2.2 生理指標(biāo)的測定 葉綠素含量的測定：采用乙醇-丙酮混合液比色法[12]；丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量的測定：丙二醛(MDA)含量的測定方法采用TBA法(硫代巴比妥酸法)，脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸提取法[13-14]；抗氧化酶活性的測定：超氧化物歧化酶(SOD)測定方法采用NBT(氮藍(lán)四唑)法[15]；過氧化物酶(POD)活性測定方法采用愈創(chuàng)木酚(guaiacol)法；過氧化氫酶(CAT)活性測定方法采用紫外吸收法[16].

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010對據(jù)進(jìn)行處理及作圖，并用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析，并運(yùn)用Duncan’s檢驗(yàn)法對顯著性差異(P<0.05)進(jìn)行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜植株生長的影響

2.1.1 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)的影響 由圖1可知，隨著根施外源硅濃度的增加，黃瓜幼苗株高、莖粗、葉片數(shù)均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢.株高、莖粗及葉片數(shù)均以處理C最大且顯著高于CK，較CK的增幅分別為48.3%、24.4%和47.8%.其中，處理C的株高顯著高于其他處理；處理D的莖粗及葉片數(shù)與處理C無顯著性差異；處理C的葉片數(shù)顯著高于處理A、B、E和F.說明在一定的濃度范圍內(nèi)，黃瓜的生長指標(biāo)隨著根施外源硅濃度的增加，生長指標(biāo)呈逐漸上升的趨勢，超過一定的范圍，則表現(xiàn)為下降的趨勢，以硅濃度為0.75 mmol/L時，株高、莖粗和葉片數(shù)表現(xiàn)最優(yōu).

圖1 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)的影響Figure 1 Effects of exogenous silicon root application on plant height,stem diameter and leaf number of cucumber cultivated in continuous cropping substrate

2.1.2 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜植株干鮮質(zhì)量及根冠比的影響 由表1可知，根施不同濃度的外源硅，黃瓜植株的地上部和地下部的干鮮質(zhì)量與CK相比均有所提升.其中，處理C地上部鮮質(zhì)量最大且顯著高于CK，較CK增加了1.1倍；且處理C顯著高于處理A、B、D、E、F，增幅分別為45.8%、23.7%、24.6%、15.2%、28.2%；處理B、D、E、F之間無顯著性差異.各處理的地下部鮮質(zhì)量均顯著高于CK，其中處理C地下部鮮質(zhì)量最大，是CK的2.9倍；且處理C均顯著高于處理A、B、D、E和F.處理C地上部干質(zhì)量最大且與CK差異顯著，較CK增加了104.5%，處理C與處理D、 E之間無顯著差異.地下部干質(zhì)量中處理C最大且顯著高于CK，是CK的2.2倍.處理C鮮質(zhì)量根冠比最高且顯著高對照CK，較CK增幅為45.8%；處理A、B、D、E、F與CK無顯著性差異；另外，處理C與處理A、D、E、F均無顯著差異.

表1 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜植株干鮮質(zhì)量及根冠比的影響

2.1.3 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜根系體積和主根長度的影響 由圖2可知，不同濃度外源硅處理的黃瓜根系體積均顯著高于CK，其中，處理C的根系體積最大，為4.36 ml，與CK相比，處理A、B、C、D、E、F分別提高了28.1%、34.2%、76.0%、72.2%、65.8%、53.2%，但處理C、D、E、F間無顯著性差異.不同濃度外源硅處理下的黃瓜根系長度也均顯著高于CK，其中處理C分別較處理CK、A、B、D、E、F相比，分別增加了55.0%、25.2%、19.4%、14.0%、12.1%、11.5%；處理B與處理D、E、F無顯著性差異.說明隨著根施外源硅的濃度增大，其對連作基質(zhì)栽培黃瓜根系生長抑制作用的緩解效果呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)濃度增加到0.75 mmol/L時，緩解效果最好.

圖2 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜根系體積和主根長度的影響Figure 2 Effect of exogenous silicon root application on root volume and main root length of cucumber cultivated in continuous cropping substrate

2.2 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片生理的影響

2.2.1 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片葉綠素含量的影響 由圖3可知，硅處理C黃瓜葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量最高，較CK相比，3個指標(biāo)的增幅分別為68.7%、63.6%和67.3%，與處理B無顯著性差異，但二者均顯著高于其他5個處理.而類胡蘿卜素含量以處理B最大且顯著高于CK，較CK提高了46.2%，但與處理C無顯著性差異，且處理C較CK的增幅為35.6%，類胡蘿卜素從含量最大到小依次為B>C>F>D>E>CK>A.

2.2.2 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片MDA和Pro的影響 如圖4所示，隨著根施外源硅濃度的增加，連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片中的MDA含量呈先下降后上升的趨勢，處理B、C的MDA含量無顯著性差異，均顯著低于對照CK，降幅為30.1%、26.7%.隨著根施外源硅濃度的增加，連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片中的Pro含量變化趨勢與MDA相似，處理A、B、C、D、E的Pro含量均顯著低于與對照CK，分別較CK減少了26.6%、48.3%、49.4%、54.8%和27.4%，處理F與CK差異不顯著.以上結(jié)果顯示，在外源硅濃度為0.75 mmol/L左右時，有效緩解了連作基質(zhì)栽培所造成的氧化脅迫產(chǎn)物MDA的積累以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro的過量產(chǎn)生.

圖3 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片葉綠素含量的影響Figure 3 Effect of exogenous silicon root application on chlorophyll content of cucumber leaves cultivated in continuous cropping substrate

2.2.3 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片抗氧化酶活性的影響 由圖5可知，隨著根施外源硅濃度的增加，連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片SOD、POD和CAT酶活性均呈先上升后下降的趨勢.其中，硅處理B、C、D、E和F的SOD、POD及CAT酶活性均顯著高于CK，且均以處理C的酶活性最高，SOD酶活性較CK的增幅為70.9%，POD酶活性是CK的4.5倍，CAT酶活性是CK的3.9倍；處理A的SOD、POD及CAT酶活性均與CK無顯著性差異.

圖4 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片MDA和Pro的影響Figure 4 Effects of exogenous silicon root application on MDA and pro of cucumber leaves cultivated in continuous cropping substrate

圖5 外源硅根施對連作基質(zhì)栽培黃瓜葉片抗氧化酶活性的影響Figure 5 Effects of exogenous silicon root application on antioxidant enzyme activities of cucumber leaves cultivated in continuous cropping substrate

3 討論

植株長勢強(qiáng)弱的最直觀形式就是通過株高、莖粗、葉片數(shù)和地上部干鮮質(zhì)量等生長指標(biāo)反映的[17].本試驗(yàn)以連作8 a黃瓜的已產(chǎn)生明顯連作障礙的基質(zhì)種植黃瓜，研究表明，外源硅根施能夠顯著緩解連作障礙對黃瓜植株生長指標(biāo)的影響，與對照CK相比，各濃度硅處理的黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)、地上部干鮮質(zhì)量均有所提升，且隨著根施外源硅濃度的增加，以上指標(biāo)均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，其中濃度為0.75 mmol/L的硅處理緩解效果最為顯著，說明外源硅濃度并不是越高越有利于黃瓜植株的生長，超過一定的濃度范圍則表現(xiàn)為抑制植株的生長，這與前人在小麥及生姜上的研究結(jié)果一致[18-19].在基質(zhì)栽培中，連作障礙產(chǎn)生的主要原因是基質(zhì)理化性質(zhì)惡化，單一養(yǎng)分的過度消耗，自毒物質(zhì)的過量積累，因此采用連作基質(zhì)栽培最先影響的便是植物的根系[20].本試驗(yàn)研究表明，外源硅根施對連作黃瓜的根系體積、主根長度和地下部鮮重均有不同程度的促進(jìn)作用，其中濃度為0.75 mmol/L的硅處理的根系體積、主根長度及地下部干鮮重較對照CK增幅最大，緩解效果最為顯著.

光合色素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素含量的高低決定著植物的代謝水平和有機(jī)物的合成能力[21].Mateos-Naranjo等[22]的研究表明，Si能增加高鹽脅迫下鹽生牧草的株高、莖粗和葉面積，提高葉綠素和類胡蘿卜素含量，促進(jìn)光合作用.本試驗(yàn)中，同樣表明，根施不同濃度外源Si可不同程度提高黃瓜葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量，其中，以處理濃度為0.75 mmol/L時，黃瓜葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及類胡蘿卜素含量最高.Si可提高光合還可能存在的原因有：一是植物吸收的Si在體表面聚集形成硅化細(xì)胞，其對散射光的透過量為綠色細(xì)胞的10倍，能增加植物葉片對光能的吸收，從而促進(jìn)光合作用[19]；二是，Si沉積于細(xì)胞壁與角質(zhì)層之間，形成角質(zhì)-硅雙層結(jié)構(gòu)，可降低水分散失，而且Si可降低木質(zhì)部汁液的流速，以此降低蒸騰作用，提高光合速率[23]；三是施Si可減少光合“午休”時的谷值，使午休現(xiàn)象不明顯，有利于光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)而有利于植株生長[24].

當(dāng)植物遭受逆境脅迫時，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量增多，電解質(zhì)滲漏率(EL)增加，因此EL和MDA含量可間接作為判斷植物受逆境脅迫或細(xì)胞膜受傷害程度的指標(biāo)[25].過量產(chǎn)生脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是植物對環(huán)境脅迫一個常見的抗逆機(jī)制.這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物中的積累可能涉及一個或多個過程，例如滲透調(diào)節(jié)、活性氧物質(zhì)的解毒和蛋白質(zhì)或酶的穩(wěn)定，從而有助于提高植物的抗逆性[26].SOD是植物體內(nèi)清除ROS的第一道防線，可將植物細(xì)胞中的O2-歧化為H2O2和O2，H2O2又可在CAT和POD等酶的共同作用下被消除，從而防止水分脅迫等應(yīng)激條件下造成的細(xì)胞損傷[27].其中，CAT可直接分解生成水和分子氧來消除H2O2，因此這種酶不需要還原力，反應(yīng)速率較高，但對H2O2的親和力較低，因此只能去除高濃度的H2O2[28].硅緩解環(huán)境脅迫的一個重要機(jī)制在于它能夠增強(qiáng)植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)活性，能夠有效清除活性氧，從而減少植物傷害[29].在水稻上的研究發(fā)現(xiàn)，葉面施加納米硅可增強(qiáng)其SOD、POD和CAT的活性[30]，在棉花上的研究發(fā)現(xiàn)，施加外源硅能同時增強(qiáng)棉花根和葉中SOD、POD和CAT的活性[31].李清芳等[32]研究發(fā)現(xiàn)，施Si使干旱脅迫下玉米葉片POD、SOD和CAT活性提高，抑制了葉片細(xì)胞膜透性的增加和MDA含量的升高，從而減輕了自由基對玉米葉片的傷害作用.本試驗(yàn)結(jié)果亦表明，與對照相比，施加外源Si可有效降低黃瓜葉片MDA及Pro含量，提高了抗氧化酶SOD、POD及CAT的酶活性，說明根施外源硅可有效清除連作障礙所造成的活性氧的增加，避免細(xì)胞受到氧化脅迫，維持細(xì)胞膜的完整性.同時本試驗(yàn)中，可以看出，只有外源硅在一定的濃度范圍內(nèi)，才能對基質(zhì)連作障礙起到一定的緩解作用，以硅處理濃度為0.75 mmol/L時緩解效果最佳，超過則表現(xiàn)為抑制作用，這與金莉等[33]關(guān)于外源添加硅對連作基質(zhì)浸提液抑制黃瓜種子萌發(fā)的緩解效應(yīng)上的研究結(jié)果相似.

4 結(jié)論

硅處理濃度為0.75 mmol/L黃瓜幼苗株高、莖粗、葉片數(shù)、地上地下部干鮮重、根系體積及主根長度的生長指標(biāo)最優(yōu)；0.75 mmol/L硅處理的黃瓜葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b及類胡蘿卜素含量較CK的增幅明顯，分別為68.7%、63.6%、67.3%和35.6%；且0.75 mmol/L硅處理的MDA、Pro含量較低且抗氧化酶活性最高，表明0.75 mmol/L硅處理可通過促進(jìn)黃瓜幼苗的生長，提高葉綠素含量，進(jìn)而提高光合作用及降低連作造成的氧化脅迫等途徑，有效緩解連作基質(zhì)栽培對黃瓜幼苗生長的抑制作用.綜上可知，外源硅根施可有效緩解基質(zhì)栽培黃瓜的連作障礙，且當(dāng)外源硅處理濃度為0.75 mmol/L時對黃瓜連作障礙的緩解效果最好，以上研究結(jié)果可為黃瓜基質(zhì)栽培連作障礙的克服提供一定的理論依據(jù).