唐衛(wèi)東，劉振文，劉冬生，胡雪華

(井岡山大學(xué) a.農(nóng)作物生長重點實驗室；b.電子與信息工程學(xué)完；c.生命科學(xué)學(xué)院，江西 吉安 343009)

低溫弱光是設(shè)施農(nóng)作物越冬和早春季節(jié)生產(chǎn)中最具威脅性的逆境之一。研究表明，低溫弱光脅迫對黃瓜等喜溫作物生育期葉片的形態(tài)功能影響較大，可導(dǎo)致葉片大小、比葉質(zhì)量與葉綠素含量等變化出現(xiàn)異常。由于葉性狀特征能夠較好地反映作物生長發(fā)育狀況及其與外部環(huán)境之間的作用關(guān)系，從不同角度研究葉性狀特征及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系，以便進(jìn)一步探索作物生長對環(huán)境變化的適應(yīng)性，是近年來國內(nèi)外學(xué)者廣為關(guān)注的問題。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)與數(shù)字農(nóng)業(yè)等技術(shù)的快速發(fā)展，深入探索低溫弱光脅迫下葉片形態(tài)變化有助于作物生長動態(tài)的定量分析與實時監(jiān)測。

為探究葉性狀對環(huán)境變化的適應(yīng)性，人們常根據(jù)葉性狀生理特征的變化來探尋滿足作物生長所需的溫光環(huán)境等。陳春宏等研究了光合有效輻射對黃瓜葉片光合作用、器官發(fā)育、干物質(zhì)累積與分配等的影響。有文獻(xiàn)研究了溫度變化對黃瓜葉片光合速率、蒸騰速率、葉綠素組成結(jié)構(gòu)與含量的影響，進(jìn)而探尋了光強(qiáng)對黃瓜葉片光合產(chǎn)物積累與代謝功能的影響。已有成果較好地研究了外部環(huán)境因子對葉性狀特征及其變化的作用規(guī)律，但是多數(shù)以單因素對葉性狀特性的影響研究為主。例如，現(xiàn)有研究大部分致力于溫度或光照對葉片形態(tài)參數(shù)、光合特性等性狀的作用，但實際上溫度往往與光照等其他環(huán)境因子共同影響葉性狀的變化，而探究多因素對葉性狀及其特性變化的影響尚不夠深入。目前大多成果主要集中于探究黃瓜葉性狀及其受外部環(huán)境因子影響規(guī)律，缺乏在多重逆境下針對不同葉齡葉片形態(tài)變化的深入研究。研究表明，與單一逆境脅迫相比，作物在低溫弱光等多重逆境作用下其葉片大小、形狀、葉柄大小與葉片表面附屬結(jié)構(gòu)特征之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

國內(nèi)外學(xué)者對大田作物低溫弱光脅迫響應(yīng)研究方面做了大量工作，但是目前有關(guān)低溫弱光對設(shè)施園藝作物葉片形態(tài)變化的影響研究較少，尤其是低溫弱光對黃瓜不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響尚未見報道。探討低溫弱光對黃瓜不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響，既可以為逆境下作物葉性狀特征的分析和預(yù)測提供支持，也能為溫室環(huán)境管理與優(yōu)化調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以水果型黃瓜品種碧玉3號為試材，該品種為全雌無限生長型。通過組培育苗，待黃瓜幼苗長至2葉1心時，選取長勢一致的幼苗定植于溫室中，緩苗2周后開始進(jìn)行低溫弱光脅迫試驗。黃瓜栽培采用枕式袋裝，袋內(nèi)基質(zhì)為珍珠巖與蛭石(質(zhì)量比為2∶1)。每袋種植4株，栽培密度為2.4株·m，株行間距均勻。在黃瓜栽培管理時，除植株第3節(jié)以下，其余節(jié)位均保留1個花芽，及時摘除側(cè)枝和卷須。試驗采用營養(yǎng)液滴灌并按照設(shè)施無土栽培技術(shù)要求進(jìn)行常規(guī)管理。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年11月—2019年3月在井岡山農(nóng)業(yè)園人工可控溫室內(nèi)進(jìn)行。每個溫室頂高4.5 m，肩高4.0 m，寬6.0 m，長20.0 m。在溫室內(nèi)搭架并在其上覆蓋黑色遮陽網(wǎng)，架高2.5 m。按照溫度變化范圍設(shè)置1個對照與3個低溫脅迫處理，晝溫分3個時段(即4-6-4 h)設(shè)定，夜溫不變(10 h)。各處理及其溫度設(shè)定分別為：對照組(CK)，晝溫20-25-20 ℃，夜溫20 ℃；輕度低溫脅迫(T1)，晝溫15-20-15 ℃，夜溫15 ℃；中度低溫脅迫(T2)，晝溫10-15-10 ℃，夜溫10 ℃；重度低溫脅迫(T3)，晝溫5-10-5 ℃，夜溫5 ℃。

同時，用遮陽網(wǎng)對自然光進(jìn)行遮光處理，在每個低溫脅迫處理下按照光量子通量密度(photosynthetic photon flux density，PPFD)變化范圍設(shè)置1個對照與3個弱光脅迫，同樣，白天分3個時段(即4-6-4 h)進(jìn)行遮光處理，夜間恒定(10 h)。各處理及其PPFD分別設(shè)定為：對照(CL)，白天500-600-500 μmol·m·s，夜間400 μmol·m·s；輕度弱光脅迫(L1)，白天300-400-300 μmol·m·s，夜間200 μmol·m·s；中度弱光脅迫(L2)，白天150-200-150 μmol·m·s，夜間100 μmol·m·s；重度弱光脅迫(L3)，白天50-100-50 μmol·m·s，夜間50 μmol·m·s。

采用正交試驗設(shè)計方法研究溫度和光照組合對黃瓜葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響。采用2因素4水平的正交試驗，溫度的1、2、3、4水平分別與CK、T1、T2、T3一致，光照的1、2、3、4水平同CL、L1、L2、L3一致。正交試驗組合見表1，共設(shè)16個復(fù)合處理，每個處理3次重復(fù)，共48個試驗小區(qū)。CO釋放由CO人工鋼瓶提供，濃度控制在(400±5)μmol·mol，相對濕度控制在75%。在上述不同處理下分別隨機(jī)選取長勢相當(dāng)?shù)?棵植株作為樣本進(jìn)行觀測。

表1 正交試驗設(shè)計Table 1 Orthogonal design of experiment

1.3 觀測指標(biāo)

考慮到黃瓜葉片在生育期內(nèi)的形態(tài)變化特性，且單葉從出葉到定形大約15～25 d，分別對葉齡為5、10、15、20、25 d且葉序為15的葉片進(jìn)行監(jiān)測，測量葉面積、葉和植株的干物質(zhì)量。

溫室內(nèi)外的溫度、光照、濕度等環(huán)境信息主要通過溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的相應(yīng)傳感器獲得。葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)信息采取破壞性和非破壞性方式并通過常規(guī)觀測方法獲得。采用托普云農(nóng)葉面積測定儀采取非破壞性方式測定樣本的葉面積，采取破壞性方式測定葉片與植株干物質(zhì)量，先將采摘的新鮮葉片、根莖等器官放入干燥箱中，105 ℃殺青30 min后，60 ℃干燥至質(zhì)量恒定，冷卻后再用天平稱量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和繪圖，利用SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件下葉面積與干物質(zhì)量的變化

從圖1可以看出，溫度為CK條件下，當(dāng)弱光等級相同時，葉片葉面積隨著葉齡增長逐漸增大，不同葉齡葉片面積存在顯著差異(<0.05)，當(dāng)葉齡超過15 d后，葉面積增加緩慢，超過20 d，葉面積基本不再增加。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡葉面積均呈減少趨勢。

溫度為CK條件下，當(dāng)弱光等級相同時，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長均呈顯著(<0.05)增加趨勢。相較于其他不同葉齡，當(dāng)葉齡為5～20 d時干物質(zhì)量增長幅度較大，當(dāng)葉齡為20～25 d時的干物質(zhì)量增長幅度較小。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈減少趨勢，表明葉片與植株的干物質(zhì)量隨葉齡增長和弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時，葉片與植株的干物質(zhì)量增長幅度下降。

同處理各葉齡后不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)，下同。Different lowercase letters behind the leaf ages in the same treatment indicated significant differences (P<0.05).The same as below.圖1 CK條件下弱光脅迫對不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.1 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under CK

輕度低溫脅迫下(處理T1)，各弱光脅迫的黃瓜不同葉齡葉片葉面積、葉干物質(zhì)量和植株干物質(zhì)量變化規(guī)律基本與CK處理條件下變化情況一致(圖2)。

圖2 輕度低溫處理下弱光脅迫對不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.2 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under mild low temperature

在中度低溫脅迫下(T2處理)，不同葉齡葉片的葉面積與CK、T1處理相比均有一定程度下降，如圖3所示。當(dāng)弱光等級相同且葉齡為5～15 d時，葉面積隨著葉齡增長均呈顯著(<0.05)增加趨勢；當(dāng)葉齡為15～25 d時，葉面積增長變緩。此外，隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉面積均呈減少趨勢。以上結(jié)果表明，葉面積隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(超過15 d)，葉面積基本不再增加。

圖3 中度低溫處理下弱光脅迫對不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.3 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under moderate low temperature

在中度低溫脅迫下(T2處理)，當(dāng)弱光等級相同時，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長呈增加趨勢。葉齡為5～15 d時干物質(zhì)量增長幅度較大，各處理差異顯著(<0.05)；葉齡為15～25 d時干物質(zhì)量增長幅度較小。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈降低趨勢。表明葉片與植株干物質(zhì)量隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(超過15 d)，葉片與植株干物質(zhì)量增長幅度下降。

重度低溫脅迫下(T3處理)，不同葉齡葉片的葉面積與CK、T1、T2處理相比均有一定程度下降(圖4)。當(dāng)弱光等級相同且葉齡為5～10 d時，葉片的葉面積隨著葉齡增長呈顯著(<0.05)增加趨勢；當(dāng)葉齡為10～25 d時，葉片的葉面積增長減緩。此外，隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉面積均呈減少趨勢。這表明葉面積隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(超過10 d)，葉面積基本不再增加。當(dāng)弱光等級相同時，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長呈增加趨勢。5～10 d葉齡的干物質(zhì)量增長幅度較大，10～25 d葉齡的干物質(zhì)量增加緩慢。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈降低趨勢。這表明葉片與植株干物質(zhì)量隨葉齡增長和弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(超過10 d)，葉片與植株干物質(zhì)量增長幅度較小。

圖4 重度低溫處理下弱光脅迫對不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.4 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under severe low temperature

2.2 不同溫度條件下葉面積與干物質(zhì)量的變化

與CK相比，輕度低溫脅迫下(T1處理)，不同弱光脅迫下不同葉齡的葉片葉面積均降低；其中，L1、L2條件下，葉齡為5～20 d的葉面積下降幅度相對較小(最大為15.8%)，葉齡為20～25 d的葉面積下降幅度小于3%。中度低溫脅迫下(T2處理)，不同弱光脅迫下不同葉齡的葉片葉面積與CK相比均降低；其中，L1、L2條件下，葉齡為5～15 d的葉片葉面積下降幅度較大(最大為19.5%)，而葉齡為15～25 d的葉片葉面積下降幅度相對較小(小于6.8%)；在L3條件下，與CK對比，相較于其他葉齡，葉齡為5～15 d的葉片葉面積下降幅度均相對較大(達(dá)到28.8%)。重度低溫脅迫下(T3處理)，與CK對比，葉齡為5～20 d的葉面積下降幅度均相對較大(達(dá)到25.2%)。這表明葉片從發(fā)育初期到迅速伸展期(葉齡為5～15 d)，葉片葉面積受低溫弱光脅迫影響較大，而當(dāng)葉片發(fā)育成熟后(葉齡為15～25 d)葉面積受低溫弱光脅迫影響較小，變化幅度較小。

與CK中不同弱光脅迫的葉片干物質(zhì)量相比，不同程度的低溫脅迫下(T1～T3處理)不同葉齡的葉片干物質(zhì)量均降低，且變化規(guī)律與對應(yīng)的葉面積一致，只是變化幅度相對較小。其中，L1和L2處理(PPFD大于100 μmol·m·s)中，葉齡為5～20 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度較大(最大為10.6%)，而葉齡為20～25 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度相對較小(小于2%)。L3處理(重度弱光脅迫)與CK相比，葉齡為5～20 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度均相對較大(達(dá)到20.3%)。表明葉片從發(fā)育初期到迅速伸展期，葉片干物質(zhì)量受低溫弱光脅迫影響較大，而當(dāng)葉片發(fā)育成熟后，葉片干物質(zhì)量受低溫弱光脅迫影響較小。

3 討論

3.1 連續(xù)弱光對不同葉齡葉片形態(tài)變化的影響

葉片在生育期不同階段對光照需求與敏感程度不一樣。葉片在發(fā)育初期主要依靠其他源器官合成的同化物來保證其正常生長，此時外部光照對葉片生長影響較小。當(dāng)葉片進(jìn)入迅速伸展期，葉片從吸收有機(jī)物(同化物)的庫器官開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┩锏脑雌鞴伲藭r外部光照對葉片生長影響較為顯著。本研究中，在滿足一定溫度前提下，當(dāng)葉齡小于5 d時，弱光脅迫對葉片葉面積增長與干物質(zhì)量積累影響較??；當(dāng)葉齡為5～15 d時，隨著弱光脅迫的加劇，葉片葉面積與干物質(zhì)量不斷下降且變化明顯。當(dāng)葉齡大于15 d時，由于葉片生長逐漸成熟，此時，隨著弱光脅迫的加劇，葉片葉面積增長幅度較小且干物質(zhì)量呈下降趨勢。這表明葉片進(jìn)入成熟期后葉面積受到弱光脅迫的影響較小，而且弱光促使葉片將光合產(chǎn)物向其他庫器官輸送同化物的能力顯著增強(qiáng)，這與前人相關(guān)研究結(jié)果基本一致。

3.2 不同程度的低溫弱光脅迫對葉片形態(tài)變化的影響

受植物器官種類與生育期特性等因素影響，葉片在生長過程中對溫度、光照的敏感性和需求水平有所差異。因此，為避免因外部環(huán)境脅迫導(dǎo)致葉片生長出現(xiàn)異常，及時掌握葉片在不同生育期所需的溫度與光照條件對于植物生長及其環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要。常溫下適度的光照不僅有利于黃瓜葉片進(jìn)行光合作用而且也是確保作物正常生長發(fā)育的必要條件，低溫下弱光使得光合速率下降，并對葉片光合功能造成一定傷害，從而導(dǎo)致葉片形態(tài)變化受到抑制。本研究中，PPFD大于200 μmol·m·s時，溫度為15～25 ℃能夠確保不同葉齡的葉片正常生長，表明輕度低溫脅迫基本不影響葉片的正常生長發(fā)育；當(dāng)PPFD小于200 μmol·m·s，溫度過低(中度低溫脅迫)對葉片形態(tài)變化有一定影響，此時處于迅速伸展期(葉齡5～15 d)的葉片由于低溫下受到光抑制影響，葉面積增長量明顯減少，但葉片與植株的干物質(zhì)量有所增加，這與前人的研究結(jié)果基本一致。在重度低溫脅迫下，當(dāng)光照由中度弱光(L2)轉(zhuǎn)為重度弱光(L3)時，雖然葉片葉面積無明顯變化，但葉片與植株的干物質(zhì)量有所減少。這表明當(dāng)溫度為5～10 ℃，PPFD為0～100 μmol·m·s時，雖然葉片光合生產(chǎn)能力下降，但并未導(dǎo)致葉片生長代謝過程出現(xiàn)停滯，反而在一定程度上促進(jìn)了葉片形成的光合產(chǎn)物在不同器官之間的輸送與分配。

4 結(jié)論

輕度的低溫弱光(15～20 ℃，PPFD為200～400 μmol·m·s)脅迫對黃瓜葉片的正常發(fā)育不構(gòu)成顯著威脅；在中度低溫(10～15 ℃)與弱光(PPFD為100～200 μmol·m·s)脅迫下，處于伸展期(葉齡5～15 d)的葉片葉面積增長量明顯減少，葉干物質(zhì)量有所增加；而重度低溫(5～10 ℃)與弱光(0～100 μmol·m·s)條件下葉齡小于15 d的葉片形態(tài)發(fā)育基本停滯。由此可知，黃瓜生產(chǎn)中應(yīng)避免中度以上低溫弱光脅迫(5～15 ℃，PPFD為0～200 μmol·m·s)對黃瓜生長發(fā)育的影響。