外源褪黑素对连作黄瓜幼苗生长及根际微生态环境的影响

徐宁 陈清芝 党兴强 郑岩 李建彬 李国良 郭贵虎 王闯

摘要：以黄瓜幼苗为试验材料，采用营养钵试验法，研究不同外源褪黑素处理下连作黄瓜幼苗生长及根际土壤理化性质、微生物数量和酶活性，以期为探索外源褪黑素缓控大棚黄瓜连作障碍提供参考依据。试验结果表明，添加外源褪黑素处理黄瓜幼苗株高、茎粗、根长均高于不添加褪黑素处理，100 μmol/L褪黑素处理株高、茎粗、根长比对照高13.30%、22.67%和13.29%。外源褪黑素处理黄瓜幼苗根际土壤pH值高，EC值低；根际土壤细菌和放线菌数量较高，但真菌和尖孢镰刀菌数量较低。外源褪黑素处理黄瓜幼苗根际土壤脲酶和碱性磷酸酶活性提高，且过氧化氢酶和多酚氧化酶活性较高。本试验条件下，100、150 μmol/L外源褪黑素处理幼苗生长及土质指标较好，缓解大棚黄瓜连作障碍效果显著。

关键词：褪黑素；黄瓜；连作；根际微生态环境；理化性质；微生物数量

中图分类号：S642.204  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）23-0152-05

黄瓜（Cucumis sativus L.）是现阶段我国大棚主栽蔬菜品种之一［1］。大棚黄瓜种植模式简单且常年轮作现象多，大棚内长时间缺少自然雨水淋溶，种植土质逐年下降，致使黄瓜产量下降，病虫害严重，连作土壤微生态环境逐年恶化［1-2］。连作障碍问题制约种植大棚黄瓜的高产优质，缓控土壤恶化促进黄瓜高产优质研究备受笔者所在课题组及其他学者关注［3-4］。

褪黑素（N-乙酰基-5-甲氧基色胺，melatonin，MT），一种色氨酸吲哚类衍生物，也是现阶段备受关注的新型植物生长调节剂［5］。前期研究表明，外源褪黑素可激活逆境中大棚蔬菜的抗氧化系统和渗透调节物质系统，缓解黄瓜干旱、盐、高温、低温、盐碱复合等多种非生物逆境胁迫［6-10］，且外源褪黑素可促进大棚黄瓜养分吸收和合理分配，缓解黄瓜连作障碍中自毒物质胁迫［11］。外源褪黑素缓控番茄、辣椒、萝卜、梨、香蕉、葡萄、草莓等多种园艺作物生物胁迫和非生物胁迫中作用显著，降低病害发生率延缓衰老，促进园艺植物生长发育且提高果实品质［12-20］。外源褪黑素缓控大棚连作植物逆境胁迫，连作植物根际土壤微生态环境动态变化研究较少。本试验采用褪黑素作为外源材料，研究其根施技术对连作黄瓜幼苗生长及根际土壤微生态的影响，以期为探索外源褪黑素缓控大棚黄瓜连作障碍提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试黄瓜（C. sativus L.）品种为津优35号，供试褪黑素（melatonin，MT）采购于Sigma公司。供试土壤为山东省聊城市东昌府区侯营镇12年黄瓜大棚耕层连作壤土，供试土壤基本理化性状为：pH值 6.35（土水比=1 ∶5），EC值 432 μS/cm（土水比=1 ∶5），碱解氮含量161.5 mg/kg，有效磷含量236.7 mg/kg，速效钾含量195.3 mg/kg，有机质含量8.84 g/kg。

本试验于2022年在聊城市城市园林管理服务中心科技苗圃试验站进行。

1.2 试验设计

试验挑选饱满且大小均匀一致的黄瓜种子，常规方法浸种、催芽，发芽2 d后选择生长一致的种苗播于事先准备好的营养钵中培养，每个营养钵（10 cm×10 cm）内装300 g连作土壤。自幼苗子叶展平，采用不同浓度褪黑素溶液灌溉处理，以等量去离子水作对照（CK），2 d浇灌1次，每营养钵 50 mL。试验处理设置见表1。每个处理重复 3 次，每次重复20盆，完全随机区组排列。定植30 d后取出幼苗，测量其生长指标及根际土壤微生态指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 幼苗生长指标测定 株高和根长采用卷尺测量，株高为茎基部到植株生长最高处的距离（cm），根长为幼苗主根长度（cm）；茎粗采用游标卡尺测量，茎粗为茎基部的粗度（mm）。

1.3.2 幼苗根际土壤微生态指标测定 每处理随机选取12盆，采用根际土壤抖落法［21］取黄瓜根际土壤，充分混合均匀后分成2份。一份土样立即带回实验室用于土壤微生物数量检测分析，另一份土样风干保存用于土壤酶活性检测分析。微生物群落数量分析采用系列稀释计数法统计微生物数量［22］，细菌、放线菌、真菌培养基参考徐宁等的方法［3］配制，尖孢镰刀菌培养基参考韩宝坤等的方法［23］配制；土壤酶活性参考关松荫的方法［24］检测分析。

1.4 数据分析及处理

利用Microsoft Office 2010软件进行各试验数据整理，利用DPS V18.10软件进行处理数据统计分析，处理数据差异显著性（α=0.05）分析采用Duncans新复极差法。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素對连作黄瓜幼苗生长的影响

由表2可知，外源褪黑素处理的连作黄瓜株高、茎粗、根长均高于对照（CK），随着外源褪黑素浓度增加，黄瓜幼苗株高、茎粗、根长呈先上升后降低的趋势，外源褪黑素浓度为100 μmol/L时上升最明显。与对照（CK）相比，100 μmol/L褪黑素处理（T2）株高、茎粗、根长提升13.30%、22.67%、13.29%；200 μmol/L褪黑素处理（T4）株高、茎粗、根长提升4.51%、6.55%、9.00%，与不加褪黑素处理结果最接近。各处理相比对照均差异显著（P<0.05），添加外源褪黑素缓解连作土壤对黄瓜幼苗生长具有抑制。

2.2 外源褪黑素对连作黄瓜幼苗根际土壤微生态环境的影响

2.2.1 外源褪黑素对连作黄瓜幼苗根际土壤pH值和EC值的影响 由图1可知，外源褪黑素处理的黄瓜根际土壤pH值较高，其中，50、100、150 μmol/L褪黑素处理（T1、T2、T3）与对照（CK）差异显著，外源褪黑素处理根际土壤EC值均显著低于对照（CK）。50、100、150 μmol/L褪黑素处理的根际土壤pH值比对照（CK）高3.90%、6.17%、5.59%，200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤pH值与对照（CK）差异不显著。50、100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤EC值比对照（CK）低14.40%、17.99%、15.82%、11.27%，其中，100 μmol/L褪黑素处理（T2）与对照（CK）差异最明显。

2.2.2 外源褪黑素对连作黄瓜幼苗根际土壤微生物的影响 由图2可知，外源褪黑素处理的连作黄瓜根际土壤细菌和放线菌数量均显著高于对照（CK），随着外源褪黑素浓度增加，细菌数量呈先上升后降低的趋势。50、100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤细菌数量比对照（CK）高7.79%、18.93%、10.99%、6.52%，其中，100 μmol/L褪黑素处理（T2）与对照（CK）差异最明显。100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤放线菌数量显著高于50 μmol/L褪黑素处理和对照（CK），但三者之间差异不显著，它们分别比对照高22.00%、22.98%、22.89%，150 μmol/L褪黑素處理（T3）与对照（CK）差异最明显。

由图3可知，外源褪黑素处理的连作黄瓜根际土壤真菌和镰刀菌数量均显著低于对照（CK），且随着外源褪黑素浓度增加，连作黄瓜根际土壤的真菌和镰刀菌数量均呈先下降后上升趋势。50、100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤真菌和镰刀菌数量比对照（CK）少12.45%、19.12%、16.25%、9.27%和12.25%、17.33%、14.02%、5.86%，2种试验指标均以100 μmol/L褪黑素处理（T2）与对照（CK）差异最显著。

2.2.3 外源褪黑素对连作黄瓜幼苗根际土壤酶活性的影响 由图4可知，外源褪黑素处理的连作黄瓜根际土壤脲酶和碱性磷酸酶活性均高于对照（CK），且两者均以100 μmol/L褪黑素处理（T2）与对照（CK）差异最显著。100 μmol/L褪黑素处理的根际土壤脲酶活性比对照（CK）高10.94%，50、150、200 μmol/L褪黑素处理根际土壤脲酶活性与对照（CK）差异不显著。50、100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤碱性磷酸酶活性比对照（CK）高3.85%、12.50%、6.32%、2.61%。

由图5可知，外源褪黑素处理的连作黄瓜根际土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性均高于对照（CK），且随着外源褪黑素浓度增加，2个指标均呈先升后降的趋势。50、100、150、200 μmol/L褪黑素处理的根际土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性比对照（CK） 高15.22%、 27.17%、 14.13%、 4.35%和12.90%、30.11%、32.26%、22.58%。100 μmol/L褪黑素处理（T2）与对照（CK）过氧化氢酶活性差异最明显，150 μmol/L褪黑素处理（T3）与对照（CK）多酚氧化酶活性差异最明显。

3 讨论

国内外研究表明，连作障碍的原因复杂，土壤理化性质恶化、养分失衡、病虫害加重、自毒物质积累、根际微生态系统失调均是主要原因，连作障碍是植物-土壤-微生物综合环境系统失调后的植物生长表现。试验结果表明，外源褪黑素处理的连作黄瓜幼苗株高、茎粗、根长显著高于不加褪黑素处理，这与李娟起等的研究结果一致，即外源褪黑素缓解黄瓜幼苗连作障碍效果显著［25-26］。该试验结果与褪黑素缓解辣椒、甜瓜连作障碍研究结果［27-28］一致。

植物根际土壤微生态体系动态变化主要受土壤理化性质、土壤微生物群落数量、土壤酶活性等影响，与植物生长发育形成交互影响，是植物-土壤-微生物综合环境系统构成的一套微生态体系［29-31］。外源褪黑素处理提高连作黄瓜幼苗根际土壤pH值，降低根际土壤EC值，缓控连作土壤酸化和次生盐渍化，促进缓解黄瓜幼苗连作障碍。

在植物生长过程中，土壤微生物群落动态变化较大，微生物群落变化受土质环境、养分配比、植物根系分泌物等多因素影响［27，31］。根施褪黑素，黄瓜幼苗根际土壤中细菌和放线菌数量较高，但真菌和尖孢镰刀菌较低。外源褪黑素处理一方面调控黄瓜根际土壤养分吸收，促进其生长发育，另一方面引起碳源数量和种类的变化，优化土壤微生物群落结构及数量。外源褪黑素还可使连作病原菌寄主环境变化，有利于减轻土传病害发生，其对连作病原菌有一定的抑制作用，这与褪黑素调控西瓜枯萎病逆境胁迫研究结果［32］一致。

土壤微生物群落结构及数量动态变化中，土壤酶活性变化也较明显。脲酶、碱性磷酸酶是植物根际土壤中氮元素、磷元素的转化酶，其活性影响着土壤中碱解氮、有效磷、有机质等养分物质的优化平衡。增强多酚氧化酶活性，可加速植物根际土壤中酚类物质到有机质的持续转化［33］。土壤过氧化氢酶活性升高可促进过氧化氢分解，减轻过量的过氧化氢对植物生长发育的危害。可见，本试验条件下，褪黑素根施优化了植物根际土壤中的养分平衡，显著降低了过量过氧化物的危害，有利于缓解大棚黄瓜连作障碍问题。下一步试验中，笔者所在课题组将针对外源褪黑素与植物根系分泌物定性分析进一步研究。

4 结论

综上，外源褪黑素处理提高连作黄瓜幼苗根际土壤pH值，降低EC值，缓控连作土壤酸化和次生盐渍化。根施褪黑素，黄瓜幼苗根际土壤中细菌和放线菌数量较高，但真菌和尖孢镰刀菌数量较低，褪黑素处理优化微调连作土壤微生物区系。外源褪黑素处理，黄瓜幼苗根际土壤脲酶和碱性磷酸酶活性提高，且过氧化氢酶和多酚氧化酶活性较高，褪黑素处理促进植物养分吸收防止土壤肥力失衡，且进一步降低过氧化物危害，缓解连作土壤对黄瓜幼苗生长抑制。外源褪黑素处理的连作黄瓜株高、茎粗、根长均高于不添加处理，外源褪黑素有效缓解大棚黄瓜连作障碍，本试验条件下，100、150 μmol/L 褪黑素处理效果显著。

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