基质栽培黄瓜叶片水分状况、光合与荧光参数对不同灌水下限的响应

金 宁，吕 剑，郁继华，金 莉，张国斌，肖雪梅，胡琳莉

(甘肃农业大学 园艺学院，甘肃 兰州 730070)

土地荒漠化是指自然气候变异和人类活动影响在内的种种因素造成的土地退化，其原因主要有干旱半干旱气候环境、过度砍伐森林、林火灾害等[1-2]。水是影响干旱半干旱区农业的重要因素，水资源不合理利用是加速沙漠化的主要原因之一。土地荒漠化如今已成为全球最严重的环境与社会经济问题之一，其造成非耕地的增加，大大制约了农业的发展。因此，戈壁农业应运而生，戈壁农业是指利用非耕地，以设施温室为载体，基质栽培为核心技术，强调发展节水灌溉，培育高产优质农产品的新型农业[3]。

黄瓜(CucumissativusL.)是设施农业中栽培面积最大的蔬菜种类之一，同时也是耗水量较大的蔬菜作物，目前在干旱半干旱地区设施黄瓜生产中，“大水大肥”的粗放式管理模式仍普遍存在，水资源浪费严重，因此发展黄瓜节水栽培意义重大，而黄瓜对不同水分条件的生理生态响应是其理论基础[4]。国内外有关设施黄瓜栽培的水分管理对黄瓜叶片水分状况及光合荧光等水分生理生态的研究发现，土壤水分灌溉上限90%田间持水量时，叶片汁液浓度、膜透性最小，细胞膜透性、光合速率与灌溉上限呈曲线相关关系[5]。水分是影响作物光合特性的重要因素之一，作物受到水分胁迫后会出现光合速率下降的现象[6-9]。目前，对水分胁迫造成的作物光合速率下降的研究较多，但所得的结果和结论还存在一定的差异，刘明等[10]和张仁和等[11]在玉米上的研究认为，是由气孔关闭引起CO2供应受阻导致的气孔因素为主；韩国君等[12]在番茄的研究认为，是由叶绿体活性与光合酶活性下降导致的非气孔因素为主；Zhang等[13]在苹果中的研究则认为，是由气孔与非气孔因素共同作用的结果。丛雪等[14]研究了不同品种玉米在干旱胁迫下叶绿素荧光参数的变化，结果表明，干旱胁迫会使光化学猝灭(qP)和最大光化学效率(Fv/Fm)减小；须晖等[15]研究番茄叶绿素荧光特性对水分胁迫的响应发现，适度的水分胁迫会导致Fv/Fm、qL等叶绿素荧光参数的急剧增大，而NPQ则呈增大趋势。肖文静等[16]的研究表明，适度的水分胁迫还可提高黄瓜幼苗光合作用对弱光的适应性，为发展黄瓜节水灌溉提供了一定的理论支持。

在干旱半干旱气候条件及发展戈壁农业的大背景下，探索适宜的基质栽培黄瓜节水灌溉制度具有重要意义。灌水下限决定了作物的灌水次数、灌水间隔时间及灌水量，是灌水的始点[17]。而以上这些大都是针对玉米、小麦、番茄等作物或黄瓜的土壤水分管理相关的研究，对基质栽培的黄瓜灌水下限的研究较少，而基质栽培相比于土壤持水性、缓冲性较弱，易干易湿，因此，研究基质栽培条件下的不同灌水下限对黄瓜生长的影响显得尤为重要。故本试验采用黄瓜博特209为试材，通过研究基质栽培黄瓜在不同灌水下限下的叶片水分状况、光合特性及荧光参数的综合变化，探讨基质栽培黄瓜对不同灌水下限的响应机制，明确其实现水分高效利用的适宜基质栽培的不同灌水下限范围，以期为黄瓜的节水生理研究提供参考依据，最终实现农业节水。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年3月—7月在甘肃农业大学温室内进行。供试黄瓜品种为博特209。2019年3月20日在甘肃农业大学人工气候箱育苗，4月20日定植于玻璃温室中，栽培方式为基质盆栽，定植基质绿能瑞奇∶草炭∶蛭石体积比为2∶1∶1，其基质田间最大持水量为61.03%，容重为521.86 kg·m-3，pH 7.8，EC 2.1 mS·cm-1，全氮1.612 g·kg-1，碱解氮498.6 mg·kg-1，速效磷136.7 mg·kg-1，速效钾346.5 mg·kg-1。定植盆高为20 cm，直径为26 cm。

1.2 试验设计

试验从缓苗8 d后开始进行水分处理，共设4个处理，每个处理3个重复，每个重复15盆。4个处理的灌水下限分别为田间持水量的50%、60%、70%、80%，用A、B、C、D表示，灌水上限统一设定为90%田间持水量。TDR350水分速测仪保持基质含水量，待含水量到下限时灌水至上限，灌水量参照文献[18]进行计算，每盆灌水量如表1所示。

表1 不同处理盆栽单株单次灌水量

1.3 指标测定

1.3.1 叶片水分状况指标

(1)相对含水量(relative water content，RWC)和水分饱和亏(water saturation deficit，WSD)测定：称量叶片鲜重后，将叶片完全浸泡在盛有蒸馏水的大铝盒中，静置12 h至饱和，取出后滤纸擦干称重。然后，将其在105 ℃下杀青15 min，再80 ℃烘干称重。根据文献[19]计算相对含水量和水分饱和亏。

(2)细胞汁液浓度测定：叶片用榨汁钳榨取汁液，用全自动折光仪(济南海能仪器股份有限公司)测量[20]。

(3)自由水和束缚水含量测定：将叶片用0.5 cm2的钻孔器打成小圆片，混合均匀后分别装入6个已称重的称量瓶中，立即盖盖再称重。其中，3瓶烘干之后称重，其余3瓶各加入5 mL的60%～65%的蔗糖溶液，再称重。将称量瓶置于暗处6 h，并在期间不时摇动，用阿贝折射仪测定浸没叶片后的糖液浓度，按参考文献[18]计算总含水量、自由水含量、束缚水含量。

1.3.2 叶片光合参数指标

采用80%丙酮提取法[21]提取色素，在440、663和645 nm波长下比色，计算光合色素含量。

在盛瓜期，选择一晴朗天气，在8:00—18:00每隔2 h，采用CIRAS-2型便携式光合仪(英国PP-System公司)，测定黄瓜自上而下第5片真叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)，进而根据文献[22]计算叶片瞬时水分利用效率(WUEi)和气孔限制值(Ls)。

1.3.3 叶片荧光参数指标

在盛瓜期，采用FMS-2型便携式脉冲调制式荧光仪(英国汉莎科学仪器公司)测定黄瓜自上而下第5片真叶的Fo(初始荧光)、Fm(最大荧光)、ΦPSⅡ(PSⅡ有效光化学量子产量)、Fv/Fm(PSⅡ的原初转换效率)以及qP(光化学淬灭系数)和NPQ(非光化学淬灭系数)。

1.4 数据分析

运用Excel 2010对数据进行处理及作图，用SPSS 19.0进行单因素方差分析，并运用Duncan’s检验法对显著性差异(P<0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水下限对基质栽培黄瓜叶片水分状况的影响

由表2可知，叶片的相对含水量随着灌水下限的提高呈逐渐上升的趋势，而水分饱和亏则呈现逐渐下降的趋势。表现为相对含水量以处理D最高，处理C、D无显著差异，且均显著(P<0.05)高于处理A、B，处理D相较于处理A、B，增幅分别为5.757、4.199百分点，处理C相较于处理A、B，分别提高了4.343、2.785百分点；而水分饱和亏以处理D最低，处理C、D无显著差异，且均显著(P<0.05)低于处理A、B。叶片细胞汁液浓度随着灌水下限的提高表现为逐渐下降的趋势，以处理A细胞汁液浓度最大，显著高于处理C、D，相较于处理C、D分别提高了1.575、1.900百分点，处理A、B之间无显著差异。随着灌水下限的提高，叶片的自由水含量逐渐上升，束缚水含量逐渐下降，自由水/束缚水的比值也逐渐升高，表现为自由水以处理D最大，与处理C无显著差异，处理C、D均显著(P<0.05)高于处理A、B，处理C相较于处理A、B分别提高了11.955、5.821百分点，处理D相较于处理A、B分别提高了16.372、10.238百分点，束缚水则以处理D最小，自由水/束缚水的比值也以处理D最大。说明基质栽培的不同灌水下限对黄瓜叶片的水分状况影响明显，70%～80%田间持水量的灌水下限有利于维持叶片细胞正常形态，利于叶片的生理活性代谢。

表2 不同灌水下限对黄瓜叶片水分状况的影响

2.2 不同灌水下限对基质栽培黄瓜叶片光合色素含量的影响

从图1可以看出，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量均随灌水下限的升高表现为先上升后下降，而类胡萝卜素含量则表现为先下降后上升的趋势。叶绿素a的含量以处理C最大，且显著(P<0.05)高于处理A、B，增幅分别为30.05%、17.50%，处理C、D之间差异不显著；叶绿素b虽然也以处理C最高，但与处理A、B、D均无显著性差异；叶绿素a+b含量最大的仍为处理C，且显著(P<0.05)高于处理A、B，增幅分别为30.54%、16.32%，处理C、D之间仍无显著差异；类胡萝卜素含量最高的为处理A，含量最低的为处理C，处理A显著(P<0.05)高于处理C、D，分别为处理C、D的2.5倍、2.3倍，处理C、D间差异不显著。以上结果可以看出，70%田间持水量的灌水下限更有利于光合色素合成，说明适宜的轻度水分胁迫有利于光合色素的形成，超过一定的范围，就会造成光合色素的降解。

2.3 不同灌水下限对基质栽培黄瓜叶片光合日变化的影响

图2为不同灌水下限下基质栽培黄瓜叶片的光合特征参数的日变化曲线图，其中，处理C、D黄瓜叶片的Ci的变化趋势基本呈“V”型，而处理A、B的Ci的变化趋势基本呈“W”型；各处理Ci日变化范围介于241.5～320.75 μmol·mol-1，但不同灌水下限处理间Ci存在着明显的差异，与10:00相比，12:00时处理C、D的Ci分别降低了5.56%和6.44%，而处理A、B分别升高了2.33%和3.01%。处理A、B、C、D的Tr日变化均呈现先上升后下降的趋势，处理B、C、D的Tr在14:00之后呈逐渐下降的趋势，而处理A在12:00之后就呈现快速下降的趋势，在8:00—18:00，各处理黄瓜叶片的Tr始终表现为处理D>C>B>A。处理B、C、D的气孔导度Gs的日变化大致呈“M”型的双峰曲线，峰值分别出现在10:00和16:00，处理A则呈单峰曲线，峰值出现在10:00；在8:00—10:00，Gs表现为处理D>C>B>A；在10:00—14:00，Gs均表现为处理C>D>B>A；在14:00—18:00，Gs依旧表现为处理D>C>B>A。处理B、C、D黄瓜叶片的净光合速率Pn和Gs日变化趋势基本一致，也大致呈“M”型的双峰曲线，处理A依旧为单峰曲线；在8:00—10:00，Pn表现为处理C>D>B>A，在10:00—18:00，Pn表现为处理D>C>B>A，各处理的净光合速率均在12:00时出现明显的“光合午休”现象，处理B、C、D在12:00后均有所回升，而处理A的Pn则一直处于较低的状态。

不同处理间没有相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。The bars with different letters showed significant difference (P<0.05). The same as below.图1 不同灌水下限对黄瓜叶片光合色素含量的影响Fig.1 Effect of different irrigation lower limit on photosynthetic pigment content of cucumber leaves

图2 不同灌水下限对黄瓜叶片光合日变化的影响Fig.2 Effect of different irrigation lower limit on the diurnal variation of photosynthesis in cucumber leaves

2.4 不同灌水下限对基质栽培黄瓜WUEi和Ls的影响

如图3所示，就整个变化趋势而言，处理A、B的叶片瞬时水分利用效率的变化相似，处理C、D的变化趋势基本一致，各处理的最大WUEi均出现在10:00，在8:00—12:00，各处理WUEi的大小表现为处理B>C>D>A，12:00以后，则处理A始终高于其他三个处理。处理C、D黄瓜叶片的Ls的变化趋势基本呈倒“V”型，而处理A、B的Ls的变化趋势基本呈“M”型；但12:00，各处理黄瓜叶片Pn快速下降，出现明显的“光合午休”现象时，此时，12:00时处理C、D的Ls均高于处理A、B，与10:00相比，12:00时处理C、D的Ls分别升高了7.71%和8.51%，而处理A、B分别降低了2.74%和4.02%。

图3 不同灌水下限对黄瓜叶片瞬时水分利用率和气孔限制值的影响Fig.3 Effect of different irrigation lower limit on instantaneous water use efficiency and stomatal limit of cucumber leaves

2.5 不同灌水下限对基质栽培黄瓜叶片荧光参数的影响

图4为不同灌水下限下基质栽培黄瓜叶片的最大光化学效率Fv/Fm、实际光化学效率ΦPSⅡ、光化学淬灭系数qP和非光化学淬灭系数NPQ。结果显示，随着灌水下限的提高，Fv/Fm呈逐渐上升的趋势，表现为处理D>C>B>A，处理B、C、D显著(P<0.05)大于处理A，处理B、C、D之间无显著性差异。ΦPSⅡ与Fv/Fm的趋势一致，也表现为处理D>C>B>A，处理D显著(P<0.05)高于处理A，处理B、C、D之间无显著性差异，处理A、B、C之间也无显著性差异。光化学淬灭系数qP也表现为处理D>C>B>A，其中，处理C、D均显著(P<0.05)高于处理A、B，较处理A的增幅分别为13.99%和17.67%，较处理B的增幅分别为6.41%和9.85%。非光化学淬灭系数NPQ则表现为处理A>B>C>D，处理A显著(P<0.05)高于处理C、D，分别降低了30.58%和37.69%，处理B显著(P<0.05)高于处理D，降幅为26.53%，处理A、B之间无显著差异，处理C、D之间差异不显著。综合以上荧光参数指标分析，灌水下限为70%～80%田间持水量时，更有利于光能的转化，而灌水下限为50%的田间持水量已经严重抑制了光能的转化。

图4 不同灌水下限对黄瓜叶片荧光参数的影响Fig.4 Effect of different irrigation lower limit on fluorescence parameters of cucumber leaves

3 结论与讨论

目前，在干旱半干旱地区的温室黄瓜种植中存在着对水分管理缺乏科学的量化指标，常根据经验来确定灌水量和灌水周期，对水分的有效利用和温室病虫害的防治均有不利影响。基于根冠通信理论[23]、生长冗余理论[17]、生长补偿效应[24]、气孔调节理论[25]和作物有限水量最优分配理论[26]发展起来的非充分灌溉是有效应对水资源短缺的措施之一。国内外学者关于非充分灌溉的研究主要有亏缺灌溉、调亏灌溉、交替隔沟灌溉、控制上下限灌溉等[27-30]。反映叶片水分状况的指标大致包括了叶片相对含水量(RWC)、相对水分饱和亏(WSD)、叶片细胞汁液浓度、自由水和束缚水等，其中叶片相对含水量(RWC)和水分饱和亏(WSD)分别反映了植物保水、抗脱水的能力和植物体内水分亏缺的程度，是反映植物抗旱性和敏感性的重要指标[31-32]；叶片细胞汁液浓度、自由水和束缚水均反映了植物细胞内的物质代谢程度，若自由水含量低、细胞汁液浓度过大，则细胞质黏稠，细胞内生理生化代谢受阻[5]。有研究表明，当植物遭受水分胁迫时，叶片的自由水含量降低，束缚水含量增加，最终相对含水量和叶水势下降，叶片含水量的减少主要是由于自由水的减少所致[33]；更有研究表明，番茄叶片细胞汁液浓度随着土壤含水量的下降而直线上升[34]。本试验结果同样表明，随着灌水下限的下降，黄瓜叶片RWC、自由水及自由水/束缚水的比值呈下降趋势，而WSD、束缚水及叶片汁液浓度则呈上升趋势。就以上叶片水分状况而言，70%、80%田间持水量的灌水下限有利于维持黄瓜叶片细胞的正常状态，相对含水量、自由水含量、自由水/束缚水较高，组织液浓度、水分饱和亏较小，植株体内代谢活跃。而在吕剑[35]关于基质栽培番茄的叶片水分状况的研究中却发现60%、70%田间持水量的灌水下限有利于维持叶片细胞的正常代谢，这可能与作物的种类不同有关，在农业生产中，黄瓜的生产对水分的需求量更大，也可能与开展研究的季节不同有关，对番茄的研究在冬季，而黄瓜的研究处于春夏季节，叶片产生的无效蒸腾较多。

光合作用是植物生长发育和决定作物产量高低的重要决定因素，不同水分管理更是改善作物的光合作用、促进增产的重要途径[36-37]。光合色素含量可直接影响植株叶片的光合能力，其参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，聚光色素分子捕获光能(包括大部分叶绿素a、全部的叶绿素b和类胡萝卜素分子)再传递给邻近的色素分子，最终传递给反应中心色素(少数叶绿素a分子)，进行光化学反应。本研究结果表明，叶绿素a、b含量随灌水下限降低，呈先上升后下降的趋势，齐曼·尤努斯等[38]研究也发现水分胁迫下，尖果沙枣的叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素含量随着胁迫程度加重呈先升高后降低的趋势，而吴顺等[39]在黄瓜上研究却发现，黄瓜幼苗的叶绿素含量随着模拟干旱胁迫浓度的增加明显降低，这可能与黄瓜所处的生育期不同有关，黄瓜在幼苗期的抵抗力更弱。本研究在对黄瓜光合日变化的研究中发现，各处理净光合速率Pn的日变化与气孔开度Gs的日变化趋势基本一致，其中，灌水下限为60%、70%、80%田间持水量的Pn和Gs均为双峰曲线，灌水下限50%田间持水量则为单峰曲线，这与翟胜等[40]在土壤水分含量对黄瓜光合日变化影响的研究结果一致。土壤水分状况影响作物光合参数峰值的高低和出现时间早晚，植物遭受水分胁迫时，光合速率、蒸腾速率和气孔导度峰值出现时间提前[41-43]，在本研究中，灌水下限为60%、70%、80%田间持水量的Tr在14:00之后才呈逐渐下降的趋势，灌水下限50%田间持水量在12:00之后就呈现快速下降的趋势，与前人研究结果一致。植物受到水分胁迫时，造成叶片光合速率减小的原因包括气孔限制与非气孔限制。Farquhar等[44]认为，若Pn下降，Ci降低，且Ls升高，表明气孔限制是影响净光合速率下降的主要因素；若Pn下降，Ci升高或者不变同时Ls降低，表明非气孔限制是影响净光合速率下降的主要因素。本试验中，12:00时，各处理的Pn快速下降，均表现出明显的“光合午休”现象，灌水下限为70%和80%田间持水量的Pn下降，Ci下降，Ls升高，说明造成其“光合午休”现象的原因为气孔限制；灌水下限为50%和60%田间持水量的Pn下降，Ci升高，Ls降低，说明造成其“光合午休”现象的原因为非气孔限制。水分胁迫会造成叶片气孔导度下降、CO2反应受阻，进而造成叶片光合能力降低，植物通过提高叶片水分利用效率来适应这种逆境[43，45]，这与本试验结果中，12:00以后，随着灌水下限的降低，灌水下限为50%田间持水量的WUEi最高表现一致。但不能简单认为灌水下限越低，WUEi越高越好，因为基质含水量低会限制根系生长，同时严重影响到气孔开度和净光合速率，最终导致植株发育不良，产量降低。qP在一定程度上反映PSⅡ反应中心的开放程度[46]，NPQ反映的是PSⅡ天线色素吸收的不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分，它是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用[47]。本研究结果表明，随着灌水下限的下降，qP逐渐下降，NPQ逐渐上升，这与前人的研究结果一致[40]。

综上，70%～80%田间持水量的灌水下限的自由水和相对含水量较高，细胞汁液浓度适宜，叶绿素a、b含量最高，且具有较高的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP和较低的NPQ，有利于维持叶片细胞正常形态和光合色素合成，进而有利于光能的有效转化，光能转化速率高；对光合日变化的研究显示，灌水下限为70%和80%田间持水量的Ci变化趋势基本相同，灌水下限为50%和60%田间持水量的Ci变化趋势一致；灌水下限为50%田间持水量的Tr峰值出现得早于其他三个处理，灌水下限为50%田间持水量峰值出现在12:00，而其他三个处理峰值出现在14:00；造成各个处理出现“光合午休”现象的原因也不同，造成70%和80%田间持水量的灌水下限出现“光合午休”现象的原因为气孔限制因素，而50%和60%田间持水量的灌水下限则为非气孔限制因素，且70%和80%田间持水量的净光合速率在整个变化过程中始终高于其他两个处理；因此，灌水下限为田间持水量的70%～80%较为适宜黄瓜的生长发育，本研究结果明确了不同灌水下限下基质栽培黄瓜叶片水分变化情况、光合日变化和荧光变化情况，为基质栽培黄瓜节水灌溉制度的建立提供了一定的理论依据。