耕层厚度对黄瓜叶片光合荧光与根系生理特性的影响

兰挚谦，张凯歌，张雪艳

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，耕地是支撑人类经济社会发展的重要土地资源[1]。我国长期以来高产出、超负荷运行的粮食生产给耕地带来了巨大的负担，使得耕地质量大幅度下降，长期以来的化肥滥用与土壤污染导致耕地退化明显，也导致我国农田基本地力低于欧美发达国家20%，土壤质量的严重退化显著影响了耕地的产出与可持续发展，进一步危及我国粮食安全[2]。设施栽培由于基础建设投入大，作物种植频繁，一年多茬，因此农民对化肥用量需求加大，忽视了有机肥料的投入。由于化肥对土壤团粒结构有破坏作用，加上长期不进行深翻，造成土壤结构退化，耕层变浅，通透性变差，土壤保肥保水能力降低，蔬菜根系发育不良，吸收养分和水分的能力减弱，成为蔬菜优质高产的障碍因素[3]。

土壤耕作层与土地生产力密切相关，土壤耕作层为植物提供物理支撑和其生长所必需的营养物质与水分[4]。高建胜等[5]对黄淮海平原冬小麦耕层厚度的研究表明，适宜的土壤翻耕深度可以促进小麦的生长，当土壤翻耕深度为25 cm时，可显著增加小麦的株高，相对传统耕层显著增高 11.3%。郑祥楠[6]研究发现，当土壤翻耕深度为30 cm处理时，玉米的株高最高，而免耕处理的茎直径最大。耕层厚度对烤烟的生长有显著影响，耕层过浅，不利于养分吸收，易造成烟株长势偏弱；耕层过深，易造成根系生长过旺，烟株过度吸收养分，叶片过大，不利于烟叶正常落黄成熟；在烤烟生长旺盛期，翻耕深度为15 cm时烤烟的株高最高，翻耕深度为25 cm时烤烟的茎直径最大[7]。翻耕深度超过犁底层或自然形成的硬质土层，可以疏松土壤、加厚耕层、提高土壤孔隙度、改善土壤团粒结构、增强水分的入渗能力，促进植物根系生长发育、提高作物产量[8]。杨越等[9]研究表明，30 cm耕层厚度下玉米产量最高，较20 cm和10 cm耕层厚度分别提高12.5%和24.1%。郑建辉[10]研究发现，翻耕深度为20 cm时烤烟的产量最高，较15 cm耕层处理增产4.5%。

多数植物95%以上的干物质是由光合作用形成的，光合作用除了受施肥、光照、温度、水分等因素影响外，还间接受到土壤物理性质的影响[11]，进而影响植物的生长发育和生理功能。高建胜等[5]对黄淮海平原地带的小麦研究发现，适宜的土壤翻耕深度可以提高小麦的净光合速率，当翻耕深度为25 cm时较传统翻耕深度15 cm净光合速率提高22.5%。叶绿素荧光是反应光抑制的良好指标和探针，通过荧光参数分析可以得到叶片光能利用相关信息，植物在逆境胁迫下初始荧光(Fo)上升，胁迫环境会导致反应中心的不可逆性失活，严重损害光合系统的功能[12]。叶绿素荧光与光合作用中的各种反应过程密切相关，植株受到胁迫时，对光合作用的影响通过叶片叶绿素荧光动力学反映出来，荧光参数(Fv/Fm)代表植物PSⅡ原初最大光化学效率，反映光合机构原初光能转化效率[13]。

根系是连接植物地上部分与土壤水分、养分的桥梁，对植株生长具有重要意义[14]。Dal Ferro等[15]的研究证实，作物根系的生长与土壤容重之间呈显著负相关关系，土壤容重过大时，毛管孔隙多，不透水不通气，使土壤中产生水热矛盾，对根系的生长阻力增大，不利于根系伸展。对于小麦来说，深耕30 cm可消除犁底层，促进小麦根系的生长及其对水分的吸收，增加叶面积指数和促进光合作用，小麦产量较常规耕法提高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进玉米和大豆的根系发育，增加产量[17]。

适宜深度的深耕可有效地打破犁底层，改善土壤的耕层状况，提高土壤肥力，进而影响作物生长发育，提高作物产量[18]。合理优化和改良耕层结构，创造有利于作物生长发育和作物持续高产稳产的土壤环境是当前和今后农业生产的重大技术需求[5]。关于耕层厚度对作物生长影响的研究大多集中在大田作物，针对园艺作物则鲜有报道。本试验以设施主栽黄瓜为材料，探究不同耕层厚度对黄瓜生长、叶片光合荧光特性、根系生理特性，以及黄瓜地上部生长对根系生理特性的响应。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验2017年7月至11月、2018年2月至6月在宁夏贺兰园艺产业园4号日光温室同一地块上进行。采用黄瓜品种为Deer88(天津德瑞特有限公司)。耕层与犁底层一共设置50 cm，耕层在上，犁底层在下。耕层分别设定10、20、30、40、50 cm，其他土层为犁底层。耕层用原温室表层土壤，犁底层用原温室底层土壤。所有处理耕层、犁底层的容重保持一致，耕层的容重为1.1～1.3 g·cm-3，犁底层的容重1.7～1.9 g·cm-3。试验采用完全随机区组设计，高畦栽培，双行种植，株距30 cm，行距70 cm，每个处理3次重复，小区面积4.5 m2，所有处理底肥与追肥管理一致。田间底肥二铵30 kg·667 m-2，复混肥(N∶P∶K=20∶20∶20)30 kg·667 m-2，生物有机肥1 000 kg·667 m-2(山东木美土里生物科技有限公司)，其中N+P2O5+K2O ≥ 6%，有机质≥ 20%，有效活菌5 000万个·g-1。所有处理采用滴灌，全生育期Hoagland营养液统一追肥。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 植株长势测定

分别在2017年和2018年植株定植后2周开始，每个处理选取代表性植株6株，每隔2周测1次株高和茎直径，株高的测定利用钢制卷尺，从黄瓜茎基部到黄瓜生长点进行测量，茎直径的测定：利用游标卡尺测量黄瓜基部子叶下端1 cm处，总共测5次，分别计算株高相对生长率(RGH-PH)和茎体积相对生长率(RGH-SV)，公式如下，h1、h2代表株高，d1、d2代表茎直径，t1、t2代表时间[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 植株叶片光合荧光的测定

分别在2017年和2018年植株定植后1.5个月，每个处理选取代表性的植株10株，每个处理每个植株取同一生长节位叶片，在晴天09：00—11：00用LI-6400XT便携式光合仪测定叶片光合特性，用OSI-FL便携式叶绿素仪测定叶片荧光参数。

1.2.3 植株根系生理特性的测定

在植株生长2.5个月后每个处理取完整的黄瓜根系6株用于测定根系的生理特性。根系活力采用TTC法测定；游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定；丙二醛和可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定；过氧化氢酶活性采用紫外吸收法测定；过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定；超氧化物歧化酶活性采用NBT光还原法测定[20]。

1.2.4 果实产量的测定

在秧苗定植后的第2个月(早期)、第3个月(中期)和第4个月(后期)采集黄瓜的果实，分别统计各处理每个生育期的总产量，各个生育期产量相加得整个生育期产量，并按照小区面积折合成公顷产量。

1.3 数据分析

所有数据采用Excel 2010和SPSS 20.0进行统计分析，均值通过单因素ANOVA进行分析。采用Tukey进行P<0.05水平的显著性分析。主成分分析用于分析处理间差异和主要贡献因子。

2 结果与分析

2.1 不同耕层厚度对植株生长的影响

柱状图上无相同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters above the columns represent significant differences among treatments (P<0.05). The same as below.图1 耕层厚度对株高和茎体积相对生长率的影响Fig.1 Effects of plough layer thickness on relative growth rate of plant height and stem volume

由图1可知，随耕层厚度的增加，株高和茎体积相对生长率呈先增加后降低的趋势，且2018年各处理平均株高和茎体积相对生长率高于2017年。2017和2018年，PL30的株高相对生长率均显著高于其他处理，分别较PL50增加16.98%、16.83%，其他处理间无显著差异。2017和2018年，PL30的茎体积相对生长率也显著高于其他处理，分别较PL50增加36.77%、14.10%。2017年PL50的茎体积相对生长率相对最低，2018年PL10茎体积相对生长率最低。

2.2 不同耕层厚度对叶片光合参数的影响

由图2可知，2017年，净光合速率(Pn)随耕层深度增加变化不显著；2018年，Pn随耕层厚度增加呈先增大后减小趋势，PL30的Pn显著大于其他处理，较PL50增加17.02%，PL10和PL20的Pn最小。2017和2018年，蒸腾速率(Tr)随耕层厚度增加呈先增大后减小趋势，PL20的Tr最大，2017年PL40和PL50的Tr显著小于其他处理，2018年PL10的Tr最低。2个栽培年PL40的水分利用率(WUE)平均值总体高于其他处理，PL20和PL30的WUE最低。

图2 耕层厚度对叶片净光合速率、蒸腾速率、水分利用率的影响Fig.2 Effects of plough layer thickness on Pn，Tr and WUE of leaf

2.3 不同耕层厚度对叶片荧光参数的影响

由图3可知，初始荧光(Fo)随耕层厚度增加逐渐减小，2017和2018年，PL10的Fo均最大，PL40和PL50最小。2个栽培年，PL30平均最大荧光(Fm)最大，PL10和PL20最低。2017年，PL50的光能转化率(Fv/Fm)显著小于其他处理；2018年，各处理的Fv/Fm无显著差异。2个栽培年，PL50的光化学淬灭系数(qP)均显著低于其他处理，其他处理间无显著差异。

图3 耕层厚度对叶片初始荧光、最大荧光、光能转化率、光化学淬灭系数的影响Fig.3 Effects of plough layer thickness on Fo，Fm，Fv/Fm and qP of leaf

2.4 不同耕层厚度对黄瓜根系生理特性的影响

由表1可知，2018年的黄瓜根系活力、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、过氧化氢酶、过氧化物酶活性指标则表现相反。2个栽培年，PL30的根系活力均高于其他处理，2017年PL10、PL40次之，PL20和PL50最低；2018年PL50与PL30间无显著差异，其他处理间无显著差异。2个栽培年PL30的脯氨酸含量均显著高于其他处理，2017年PL10、PL20次之，PL40和PL50的最低，2018年PL10的脯氨酸含量最低，PL20、PL40和PL50间无显著差异。2017年PL10的MDA含量显著高于其他处理，其他处理间无显著差异，2018年PL30的MDA含量最低，其他处理间无显著差异。2017年PL40的可溶性糖含量显著高于其他处理，PL10、PL30处理次之，PL50最低；2018年可溶性糖含量PL50含量最高，PL10含量最低。2017年PL10、PL30和PL50的可溶性蛋白含量显著高于PL40和PL20；2018年PL50的可溶性蛋白含量显著高于其他处理，PL10处理最低。2017年PL10的CAT和POD活性均显著高于其他处理，PL20次之；2018年，不同耕层厚度的CAT活性差异不显著，PL20的POD活性显著高于其他处理，PL10次之，PL40最低。2017年PL40的SOD活性最高，PL20的最低，差异显著；2018年PL10的SOD活性最高，PL50的最低。表2方差分析结果显示，栽培年对所有指标均有极显著影响；除过氧化氢酶活性外，耕层厚度和耕层厚度与栽培年的交互作用对其他指标均有极显著影响。

表1 耕层厚度对黄瓜根系生理特性的影响

表2 方差分析结果

2.5 不同耕层厚度对果实产量的影响

由图4可知，2018年果实产量高于2017年。2017年黄瓜生长早期，PL10、PL20果实产量显著高于PL40和PL50，且PL40和PL50间无显著差异，PL30产量居中；黄瓜生长中期和后期PL30、PL40、PL50间无显著差异，均显著高于PL10和PL20，PL10产量最低。总体上，2017年PL30、PL40和PL50总产量间无显著差异，显著高于PL10和PL20。2018年，黄瓜生长早期和中期，PL10产量最高，PL20、PL30次之，PL50产量最低；黄瓜生长后期PL30产量大于其他处理，PL50、PL40次之，PL20产量最低。总体上，2018年，PL10、PL20、PL30黄瓜总产量无显著差异，均显著高于PL40和PL50。

图4 耕层厚度对果实产量的影响Fig.4 Effects of plough layer thickness on fruit yield

2.6 PCA分析

对2017和2018年黄瓜生长指标、叶片光合和荧光参数、根系生理特性和果实产量进行PCA分析，结果如图5所示。2017和2018年，主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分别解释差异的51.88%和22.22%，即总变异的74.10%。Fm、RA、CAT在PC1上有较高的权重，RGR-PH、Tr、POD、SOD、qP、SS在PC2上有较高的权重。在PC1上，PL30与其他处理可以明显区分开，PL20可以与PL50明显区分开。在PC2上，PL30与其他的处理均显著地区分开，PL10、PL20、PL40与PL50显著区分开。RGR-PH与RGR-SV、CAT分别呈极显著正相关和显著正相关，FY与RGR-PH、RGR-SV分别呈显著正相关和极显著正相关，Tr与POD呈显著正相关，Fm与RA呈显著正相关，RA与RGR-PH、RGR-SV呈正相关，SOD与RGR-PH、RGR-SV呈正相关，与SP呈负相关。

图5 主成分分析处理与指标间关系Fig.5 Principal component analysis of relationship among treatments and indicators

3 讨论与结论

3.1 耕层厚度对光合荧光参数的影响

光合作用是植物将光能转换为可用于生命过程的化学能过程，可直接反映植株对逆境的响应[21]。本研究表明，光合参数Tr、Pn随着耕层厚度的增加呈现先增后减的趋势，中耕层(PL30)黄瓜光合性能整体优于浅耕层(PL10、PL20)和深耕层(PL40、PL50)。主要原因是黄瓜属于浅根系作物，主要根系集中在16～20 cm的表土层[22]，PL30相对合理的耕层结构促进了水分和养分在16～20 cm土层的累积，使得黄瓜根系得到了相对充足的水分和养分补给，因而光合性能最优。而PL10、PL20相对恶劣的根系生长环境严重影响了植株地上部的生长，导致较差的光合性能。但是黄瓜的生长环境并不是耕层越厚越好，深耕虽然破除了犁底层，增加土壤的含水量，脱盐碱，疏通空气，增强热交换，但也造成了养分的流失和有效养分转化率降低，这也是PL40和PL50光合参数低于PL30的主要原因[23]。本研究发现，2018年各处理的Tr、Pn均高于2017年，主要因为高等植物光合作用受温度变化的影响显著，2018年试验季节温度高于2017年，且2017年气孔导度小于2018年，导致2017年环境CO2通过气孔进入细胞间隙的量小于2018年，进一步降低了叶片的光合速率[24]。2018年相对更高的季节温度促进了土壤养分的活化，增加了养分的有效性，植株可以吸收更多的养分，地上部生长势更加旺盛[25]。2017年水分利用率大于2018年，原因是2018年季节温度大于2017年，叶片气孔开放程度相对较大，因而植株蒸腾作用散失的水分大[25]。

叶绿素荧光参数反映植物光合系统的内在特性，在光合作用的光能转化过程中起重要作用[26]。本研究发现，2017年和2018年PL10、PL20处理的Fo均高于其他处理，主要是由于Fo是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量，PL10、PL20耕层较浅，黄瓜受到的环境胁迫相对更严重，光合结构被破坏或可逆性失活可使其升高[27]。2017年，PL30处理的Fv/Fm显著高于PL50，Fv/Fm反映了PSⅡ反应中心光能转化效率，对逆境胁迫较为敏感，与其他处理相比，土壤翻耕30 cm对黄瓜这种浅根系作物来说创造了适宜的土壤环境，植株可以吸收相对更多的水分和养分[27]。2017和2018年PL30的qP均最大，主要原因是PL10、PL20处理的犁底层过厚，对黄瓜的胁迫作用较严重，而PL40、PL50由于耕层过厚，养分和水分的渗漏较严重，不利于植株的吸收，严重影响到植株地上部生长[26]。2018年各处理的荧光参数均高于2017年，主要是由于2018年栽培季节温度高于2017年，这与崔波等[26]的研究结果一致，即荧光参数随温度的下降而显著降低。

3.2 耕层厚度对根系生理特性和植株生长的影响

根系不但起到固定植株地上部作用，同时吸收水分、养分供地上部生长所需，根系发育的状况直接影响整个植株的生长[28]。2017和2018年PL30根系活力均高于其他处理，主要是由于PL10、PL20下层土壤容重过大，限制了根系的垂直生长，同时增加了根系的穿透阻力，极大地影响根系活力、通气性等，而PL40、PL50耕层过厚，养分、水分渗漏较严重，影响植株的正常生长[29]。2017和2018年，PL10、PL20处理的根系MDA含量和SOD、POD、CAT活性均显著高于其他处理，主要是由于PL10、PL20犁底层较厚，植株所受的胁迫较严重，细胞膜透性随胁迫程度的加深而逐步增大，犁底层过厚导致膜脂过氧化水平加重，引起膜结构的损伤[30]。为清除植物体内产生的大量活性氧自由基，减少对植物造成的伤害，植株体内的保护酶如SOD、CAT、POD加速合成[31]。单长卷等[30]研究也发现，随干旱胁迫的加剧，MDA含量和SOD、POD活性均呈增加趋势。2017和2018年，PL30处理的脯氨酸含量和可溶性糖含量均高于其他处理，推测PL30处理中相对良好的土壤环境使得植株自身建立起了良好的逆境防御系统[30]。

优质肥沃的耕层土壤是作物产量形成的物质基础[9]。本研究表明，植株生长早期，PL10、PL20处理的果实产量高于PL30，显著高于PL40、PL50，而在植株生长后期则显著低于PL30、PL40、PL50，表现出早熟和早衰现象，主要原因是PL10、PL20耕层较浅，犁底层较厚，较多的养分累积在较浅的土层，而且在生长初期黄瓜根系体积相对较小，下扎的深度也较小，抑制了植株养分的供给[32]。2017年PL30处理的黄瓜总产量最高，PL20次之；2018年，PL10处理的黄瓜产量最高，PL30次之。说明适当的破除犁底层，可降低根系穿透阻力，增加产量[5]。PL30处理的株高相对生长率和茎体积相对生长率最大，主要原因是PL30有良好的土壤环境，并且含有相对较多的养分和水分，植物可以从土壤中获得更多养分[33]。

综上所述：中耕层(PL30)显著提高了株高和茎体积相对生长率，促进了叶片的光合和荧光效率，增加了光能转化率；浅耕层(PL10、PL20)提高早期产量，但降低了中后期产量，深耕层(PL40、PL50)降低了早期产量，但中后期产量增加了，中耕层前期产量居中，中后期产量与深耕层处理间无显著差异。中耕层(PL30)促进了根系的生长，提高了根系活力，增加了脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，浅耕层和深耕层刺激根系产生了较多的MDA，为清除活性氧自由基，浅根层(PL10、PL20)显著提高了黄瓜CAT、POD、SOD活性。耕层厚度直接作用于根系，间接影响地上部生长发育，中耕层(PL30)促进了黄瓜根系的生长发育，改善了植株地上部的生长状况，植株的生长状况整体优于浅耕层(PL10、PL20)和深耕层(PL40、PL50)。