磁化水對鹽脅迫下黃瓜生長和生理特性的影響

蔡明蕾, 趙霖玉, 李秧秧, 樊 軍

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100;2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所 陜西 楊凌 712100)

土壤次生鹽漬化是限制目前設(shè)施蔬菜發(fā)展的主要障礙因子。次生鹽漬化土壤一方面因過多的鹽分積累降低土壤溶液的滲透勢，導致植物根系吸水困難；另一方面，Na+和Cl-過量累積導致離子失衡和毒害干擾，最終影響植物生長發(fā)育，導致產(chǎn)量和品質(zhì)降低[1]。因而尋找提高植物抗鹽能力的措施或途徑對減輕土壤次生鹽漬化威脅具有重要的科學意義。

磁化水是指通過外加磁場，改變水的理化性質(zhì)的方法[2-3]。作為一種安全高效、經(jīng)濟、環(huán)境友好的物理處理技術(shù)，在農(nóng)林等各個領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。在一些作物上磁化水表現(xiàn)出提高抗鹽性的能力，如水稻和菜豆上磁化NaCl溶液灌溉提高了鹽脅迫下的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)[4-5]，縮短了菜豆種子的萌發(fā)時間[5]；向日葵和甜菜上磁化微咸水灌溉提高了鹽脅迫下的株高、干重、產(chǎn)量，同時葉片葉綠素含量、養(yǎng)分(N、P、K等)含量也顯著增加[6-7]；棉花用磁化NaCl溶液灌溉顯著提高鹽脅迫下幼苗的干重，過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性及脯氨酸含量顯著增加[8]；小麥上磁化微咸水灌溉后籽粒產(chǎn)量增加19.2%，且植株含水量及N、Mg、Ca、Fe、Cu含量增加[9]；楊樹上磁化NaCl溶液灌溉增加了鹽脅迫下地上部和根系生長，提高了葉光合速率，同時可通過離子選擇性吸收來維持離子穩(wěn)態(tài)[10-11]。從這些研究看，磁化水對鹽脅迫下水分關(guān)系、光合活性、抗氧化酶活性、養(yǎng)分吸收能力等的增加是鹽脅迫下磁化水增加植物抗鹽性的重要機制，但不同植物其抗鹽機制可能并不相同。

黃瓜(CucumissativusL.)作為主要的設(shè)施蔬菜之一，其對鹽分敏感，特別是在苗期[12]。磁化水處理是否可提高黃瓜幼苗的抗鹽能力尚不清楚。為此，本研究試圖通過對鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗生長、水分關(guān)系、光合氣體交換、抗氧化能力、養(yǎng)分含量等影響的研究，探究磁化水在提高黃瓜幼苗抗鹽性方面的應(yīng)用潛力和作用機制，為黃瓜上磁化水的合理應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所人工氣候室內(nèi)進行。采用砂培試驗，供試盆為外徑11 cm，高30 cm的PVC管，底部裝有可密封的堵頭，側(cè)壁底部留有通氣孔。供試黃瓜品種為“津研4號”。黃瓜種子經(jīng)浸種催芽，于2020年6月1日進行播種，每盆播4粒，待苗長到三葉期，每盆選擇均勻一致的健康幼苗定苗至2株。人工氣候室培養(yǎng)條件為：光周期12/12 h(晝/夜)，溫度25/18oC(晝/夜)，光強600 μmol/(m2·s)，相對濕度60%左右。生長過程中每日采用1/2 Hoagland營養(yǎng)液澆至田間持水量，直至黃瓜長到4～5片葉(2020年6月28日)時開始試驗處理。

1.2 試驗設(shè)計

采用二因素二水平試驗設(shè)計，共4個處理：蒸餾水+0 mmol/L NaCl (DNa0)、磁化水+0 mmol/L NaCl (MNa0)、蒸餾水+100 mmol/L NaCl (DNa1)、磁化水+100 mmol/L NaCl (MNa1)，磁化水是將15 L蒸餾水在3000 Gs磁場強度下循環(huán)20 min所得，每處理種植10盆。所有處理每日稱重并澆至田間最大持水量，每隔1 d加入5 ml Hoagland營養(yǎng)液母液以補充所需養(yǎng)分，處理第10天及第20天進行植物生長和生理指標的測定和采樣，其中葉光合氣體交換參數(shù)為原位測定，其他參數(shù)均為破壞性測定，所有指標重復4次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長參數(shù) 黃瓜株高用直尺測定，葉面積利用掃描儀獲取圖像，image J軟件分析。根系沖洗后用根系掃描儀(Epson Perfection V700，日本Epson公司)掃描，WinRHIZO根系分析軟件(加拿大Regent儀器公司)獲得根長和根表面積。新鮮地上部與沖洗后的根放入烘箱在105℃下殺青 0.5 h，70℃烘干至恒重，萬分之一天平稱其干重。葉面積、生物量及根系生長參數(shù)均以每盆(2株)計量。

1.3.2 葉水分狀況 選擇黃瓜植株頂部完全展開葉用PMS 600型壓力室(美國PMS公司)測定上午10時的葉水勢；采集滲透勢分析的樣品保存在超低溫冰箱中直至測定，利用蒸汽壓滲透計(Vapro 5520，美國Wescor公司)測定葉滲透勢。

1.3.3 葉光合參數(shù) 葉綠素含量用80%丙酮浸提，分光光度法測定[13]。凈光合速率(Pn)、氣孔導度(gs)及蒸騰速率(E)均用Li-6800型光合儀(美國Li-COR公司)測定，測定時間為9：00—11：30，光強設(shè)定為1 200 μmol/(m2·s)，CO2濃度控制在400 μmol/mol，溫濕度為人工氣候室溫濕度值。瞬時水分利用效率為凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(E)的比值。

1.3.4 抗氧化能力 細胞膜透性用電導法測定[13]，丙二醛含量(MDA)按照張志良的方法測定[13]。超氧化物歧化酶(SOD)活性利用氮藍四唑(NBT)法測定，以抑制NBT光化還原50%為一個酶活性單位表示[13]。過氧化氫酶(CAT)活性用紫外分光光度法測定，以每分鐘每毫克鮮重的吸光度變化值[ΔA240/(min·mg)FW)]來表示[14]。過氧化物酶(POD)活性用愈創(chuàng)木酚法測定，以每分鐘每克鮮重的吸光度變化值[ΔA470/(min·gFW)]表示[14]。

1.3.5 養(yǎng)分及Na含量 樣品粉碎過篩后，用H2SO4-H2O2法消煮，凱氏定氮法測定N含量，鉬銻抗比色法測定P含量，火焰光度計法測定K與Na含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用雙因素方差分析研究鹽處理(S)、磁化處理(M)和及二者交互作用(S×M)對黃瓜生長和生理參數(shù)的影響。不同處理之間的差異采用單因素方差分析，若單因素方法分析達到顯著(p<0.05)后，用Tukey法進行多重比較。所有測定值以平均值±標準誤表示。統(tǒng)計分析用SPSS 25.0軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗生長的影響

處理10 d時，鹽脅迫導致黃瓜株高、葉面積、根干重、生物量、根長及根表面積顯著降低(p<0.05)，磁化水處理顯著增加黃瓜根長和根表面積(p<0.01)，二者的交互作用僅對根表面積達到顯著(p<0.05)；非鹽脅迫下，磁化水處理的根表面積顯著增加33.5%，而鹽脅迫下，磁化水處理的根長和根表面積顯著增加32.3%和29.6%(表1)。處理20 d時，鹽處理極顯著地降低了黃瓜的所有生長參數(shù)(p<0.01)，磁化水處理顯著增加黃瓜的株高、葉面積、生物量、根長和根表面積(p<0.05)，二者的交互作用對葉面積、生物量及根表面積達到顯著(p<0.05)；非鹽脅迫下，黃瓜幼苗株高、根長及根表面積顯著增加，增加幅度分別為9.8%，32.4%及52.6%，而在鹽脅迫下，黃瓜幼苗株高、葉面積、生物量及根長、根表面積均顯著增加，增加幅度分別為27.2%，91.2%，76.1%，80.8%和75.7%。表明磁化水改善鹽脅迫下黃瓜生長的作用優(yōu)于非鹽脅迫下。

表1 不同處理黃瓜幼苗的生長狀況

2.2 鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗葉水分狀況的影響

處理10 d時，鹽處理顯著降低黃瓜幼苗的葉水勢和滲透勢，磁化水處理以及二者的交互作用顯著影響黃瓜幼苗的葉滲透勢(p<0.05)；鹽脅迫下磁化水處理顯著降低了葉滲透勢(圖1)。處理20 d時，鹽處理及磁化水處理顯著影響黃瓜幼苗的葉水勢及葉滲透勢(p<0.05)，且二者的交互作用顯著影響葉滲透勢(p<0.05)；非鹽脅迫下，磁化水處理的葉水勢顯著增加，但葉滲透勢無顯著變化，而鹽脅迫下，葉水勢顯著增加22.6%，葉滲透勢顯著降低82.5%，表明鹽脅迫下磁化水處理改善黃瓜幼苗葉水分狀況優(yōu)于非鹽脅迫下，且主要通過葉滲透勢降低來改善葉水分狀況。

2.3 鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗葉光合作用的影響

處理10 d時，鹽脅迫導致黃瓜葉片葉綠素含量及光合氣體交換參數(shù)均顯著降低(p<0.05)，磁化水處理顯著增加葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(E)以及瞬時水分利用效率(WUE)(p<0.05)；非鹽脅迫下，磁化水處理使黃瓜葉綠素含量和Pn分別顯著增加22.1%和27.9%，而鹽脅迫下，磁化水處理顯著增加黃瓜的葉綠素含量、Pn、E、WUE，增加幅度分別為24.3%，471.9%，130.0%，102.9% (表2)。處理20 d時，鹽脅迫極顯著降低葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)(p<0.01)，磁化水處理顯著增加黃瓜葉綠素含量和Pn(p<0.05)；非鹽脅迫下，磁化水處理使黃瓜葉綠素含量和Pn分別增加18.4%，36.3%，鹽脅迫下黃瓜葉綠素含量、Pn和WUE分別顯著增加69.8%，94.1%和212.1%。表明無論是在非鹽脅迫和鹽脅迫下，磁化水處理均可顯著增加葉綠素含量，提高凈光合速率，且這種作用在鹽脅迫下更大；磁化水提高了鹽脅迫下的WUE。

圖1 不同處理黃瓜幼苗葉水分狀況

表2 不同處理黃瓜葉的光合參數(shù)

2.4 鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗葉抗氧化能力的影響

處理10 d時，鹽脅迫顯著增加了細胞膜透性、MDA含量和3種抗氧化保護酶(CAT、POD、SOD)活性(p<0.05)，磁化水顯著降低了細胞膜透性和MDA含量，增加了CAT、POD及SOD的活性(p<0.05)，二者交互作用對細胞膜透性和MDA含量的影響達到顯著(p<0.05)；非鹽脅迫下，磁化水使細胞膜透性顯著降低10.0%，CAT和SOD活性顯著增加21.8%和9.4%；鹽脅迫下，磁化水處理使細胞膜透性和MDA含量顯著降低22.5%和18.3%，CAT、POD、SOD分別顯著增加17.7%，101.0%，11.8% (表3)。鹽脅迫條件下，磁化水降低細胞膜透性及丙二醛含量，增加抗氧化酶活性的效果更甚。處理20 d時，鹽脅迫顯著增加細胞膜透性、MDA含量和CAT、POD活性，磁化水顯著降低細胞膜透性和MDA含量，且3種保護酶活性顯著增加，二者交互作用對CAT和POD活性的影響達到顯著(p<0.05)。非鹽脅迫下，磁化水使處理20 d時的細胞膜透性和MDA含量分別降低16.7%，18.7%，CAT活性顯著增加17.6%；鹽脅迫下，磁化水處理使細胞膜透性和MDA含量分別顯著降低13.1%和21.0%，CAT和POD活性分別顯著增加8.3%，49.1% (表3)。此時非鹽脅迫和鹽脅迫下磁化水保護細胞膜的作用相當，但作用機制不同。

2.5 鹽脅迫下磁化水對黃瓜幼苗養(yǎng)分和Na離子吸收的影響

對葉片而言，處理10 d時，鹽脅迫顯著影響葉片中N、P、K、Na含量及K+/Na+(p<0.05)，磁化水顯著影響葉片中的N、P、Na的含量及K+/Na+(p<0.05)，二者的交互作用顯著影響葉片中Na含量及K+/Na+(p<0.05)(表4)。非鹽脅迫條件下，磁化水處理10 d時葉片中僅P含量顯著增加20.1%，而鹽脅迫下，磁化水處理葉片中N、P含量分別顯著增加30.2%，12.2%，Na含量顯著降低21.1%，K+/Na+顯著增加47.5% (圖2)。處理20 d時，鹽脅迫與磁化水均顯著影響葉片中K、Na含量及K+/Na+且磁化水對N有著顯著影響(p<0.05)，二者的交互作用顯著影響葉片中P、Na的含量(p<0.05)(表4)。非鹽脅迫條件下，磁化水處理20 d時葉中N、P、K含量分別顯著增加33.2%，28.6%和29.9%，而鹽脅迫條件下，磁化水處理葉中N含量和K+/Na+顯著增加13.1%和145.4%，Na含量顯著降低46.3%。

表3 不同處理黃瓜幼苗葉細胞膜透性及抗氧化酶活性

對莖而言，處理10 d時，鹽處理顯著影響莖中N、P、K、Na的含量及K+/Na+(p<0.05)，磁化水處理顯著影響莖中K、Na含量和K+/Na+(p<0.05)，二者的交互作用顯著影響莖中N、K、Na的含量(p<0.05) (表4)。非鹽脅迫下，磁化水處理10 d時莖中P、K、K+/Na+分別顯著增加13.8%，20.5%和90.9%，而鹽脅迫條件下，磁化水處理莖中的N、Na含量顯著降低10.4%和14.1%(圖2)。處理20 d時，鹽處理顯著影響莖的N、P、K、Na的含量及K+/Na+，磁化水顯著影響莖的N、P、Na及K+/Na+，二者交互作用顯著影響莖中P、Na的含量。非鹽脅迫下，處理20 d時莖中N、P含量分別顯著增加15.4%，13.8%，鹽脅迫下，磁化水處理莖中N含量顯著增加8.3%，Na含量顯著降低13.6%，K+/Na+顯著增加32.7%。

對根而言，處理10 d時，鹽處理顯著影響根中N、P、K、Na的含量及K+/Na+，磁化水顯著影響根的Na含量以及K+/Na+。由表4可以看出，非鹽脅迫下，磁化水處理10 d時根的K+/Na+顯著增加223.7%，而鹽脅迫下，磁化水處理根中的Na含量顯著降低52.6%，K+/Na+顯著增加308.0%。處理20 d時，鹽處理顯著影響根中的N、P、K、Na的含量及K+/Na+，磁化水處理顯著影響根的N、P、Na及K+/Na+，二者交互作用對根中P、Na含量及K+/Na+影響也達到顯著。非鹽脅迫下，處理20 d時根中N含量增加7.4%，而鹽脅迫下，磁化水處理根中P含量顯著增加45.8%，Na含量顯著降低35.5%，K+/Na+顯著增加302.7%。表明磁化水改變黃瓜植株N，P，K的分布，降低了鹽脅迫下黃瓜各組織的Na含量，增加K+/Na+，從而提高了黃瓜的抗鹽脅迫能力。

表4 不同處理黃瓜各組織中N，P，K，N含量及K+/Na+比的二因素方差分析

圖2 不同處理黃瓜幼苗根、莖和葉中的N，P，K，Na含量及K+/Na+比

3 討 論

3.1 黃瓜幼苗上應(yīng)用磁化水的效應(yīng)

研究表明：無論在非鹽脅迫和鹽脅迫下，磁化水均具有一定改善植物生長或生理活動的作用。非鹽脅迫下，磁化水處理10 d時顯著影響31個生長生理參數(shù)中的11個，磁化水處理20 d時顯著影響31個生理參數(shù)中的15個，但并未顯著影響總?cè)~面積和生物量；在鹽脅迫下，磁化水處理10 d時顯著影響31個生長生理參數(shù)中的20個，但地上部生長無明顯改善，磁化水處理20 d時顯著影響31個生理參數(shù)中的23個，此時磁化水顯著增加株高、葉面積和生物量(表5)，這些結(jié)果表明鹽脅迫下磁化水的應(yīng)用效果大于非鹽脅迫下，且在長時間鹽脅迫和磁化水應(yīng)用下，磁化水的效果更為明顯。原因可能與磁化水應(yīng)用頻次和灌水量多造成的累積效應(yīng)有關(guān)。

表5 不同鹽處理條件下磁化水處理的效應(yīng)

3.2 磁化水提高黃瓜幼苗抗鹽性的生理機制

根是最早接收鹽脅迫信號的組織[15]。鹽脅迫對黃瓜根的生長有明顯的抑制作用，表現(xiàn)為黃瓜根長、根表面積和根干重等顯著降低。磁化水澆灌后鹽脅迫處理根長及/或根表面積顯著增加，與在向日葵[6]、甜菜[7]、楊樹等[10]植物上研究結(jié)果一致。磁化水處理促進黃瓜根系生長可能主要與減少鹽脅迫對根生物膜系統(tǒng)的傷害，及磁化水對細胞代謝和有絲分裂的誘導，從而促進細胞伸長的增強等[16]有關(guān)。磁化水處理20 d時鹽脅迫處理葉滲透勢顯著降低，而葉水勢顯著增加，表明磁化水改善了鹽脅迫下黃瓜幼苗的水分關(guān)系。前人研究亦表明磁化NaCl溶液提高了菜豆的根系吸水能力[5]和小麥植株的含水量[9]。磁化水對植物水分關(guān)系的改善可能與其對根系生長的改善，從而增加根系吸水能力有關(guān)。

鹽脅迫導致黃瓜幼苗葉綠素含量，凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率等顯著降低，表明過量的鈉離子積累會破壞膜系統(tǒng)，限制葉綠體合成或加速其分解，導致氣孔導度和光合速率下降。磁化水處理顯著增加了鹽脅迫下葉片光合色素含量與凈光合速率，這與甜菜[7]、楊樹[10]、菜豆[17]、豇豆等[18]的研究結(jié)果一致。其原因可能在于磁場對K+和GA3等有激活效應(yīng)[19]，導致細胞內(nèi)葉綠體的數(shù)量增加，從而增加植物葉片的凈光合速率。在楊樹上報道磁化水降低了鹽脅迫下的蒸騰速率[10]，提高了水分利用效率，但我們本研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下磁化水引起黃瓜蒸騰速率的增加，說明水分利用效率增加的主要原因是光合速率的增加程度大于蒸騰速率的增加程度而非蒸騰速率的降低。

鹽脅迫損傷程度取決于活性氧(ROS)的形成和抗氧化清除系統(tǒng)(抗氧化酶、非酶活性氧清除劑)清除ROS之間的平衡。NaCl處理導致黃瓜幼苗MDA含量和細胞膜透性增加，SOD、POD、CAT的活性增加，表明細胞膜脂質(zhì)過氧化和抗氧化系統(tǒng)正在發(fā)生作用。鹽脅迫下磁化水處理的MDA含量及細胞膜透性相對較低，這可能與其較高的ROS清除能力有關(guān)。鹽脅迫下磁化水處理抗氧化酶活性的提高幅度高于非磁化水，與在棉花[8]上結(jié)果一致。前人研究也表明磁場處理對鹽脅迫下煙草細胞SOD[20]活性有刺激作用。表明磁化水處理可以通過提高鹽脅迫下抗氧化酶的活性，降低ROS的產(chǎn)生，減輕光合器官膜系統(tǒng)的損傷，提高光合能力。

鹽脅迫下Na+的過量積累會影響K+的選擇性吸收，導致植物離子失衡和高滲透脅迫[21]?？果}植物可以通過調(diào)節(jié)細胞質(zhì)中無機離子的數(shù)量和類型，維持較高的K+/Na+比值和細胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)，從而維持細胞質(zhì)微環(huán)境的穩(wěn)定性[22-23]。本研究中，NaCl處理導致細胞內(nèi)Na+濃度增加，K+濃度和K+/Na+比降低。磁化水處理降低了鹽脅迫下葉、莖和根中的Na+的濃度，增加K+濃度及K+/Na+比，與向日葵[6]、楊樹[11]上的結(jié)果類似。磁化水處理的胡楊[24]、大麥[25]和小麥[26]植株在整個植株水平上保持了較高的Na+流出量和較低的K+流出量，維持較高的K+/Na+。推測NaCl脅迫條件下，磁化水通過增加黃瓜Na+流出和減少K+的流出，來維持植株K+/Na+的穩(wěn)態(tài)。

總之，鹽脅迫下，磁化水表現(xiàn)出明顯的改善黃瓜幼苗生長和生理活動的效果，其主要作用機制表現(xiàn)在：增加了根系生長；增加了葉水勢或降低了滲透勢，從而改善了葉水分狀況；增加了葉綠素含量、光合速率和水分利用效率；通過保護酶活性增強而降低了細胞膜受傷害程度；降低根、莖和葉中的Na含量，增加了K+/Na+比，從而維持黃瓜幼苗細胞內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)。非鹽脅迫下，盡管磁化水也有一定改善黃瓜生長和生理活動的作用，但其作用機制主要限于改善根系生長，增加葉綠素和光合速率，增加CAT活性而降低細胞膜受傷害程度和改善植物體內(nèi)N或P營養(yǎng)狀況。值得注意的是本研究僅磁化蒸餾水，然后用磁化蒸餾水配制含NaCl的溶液，而前人研究中多直接磁化微咸水或含NaCl的營養(yǎng)液，兩種不同的處理方式下均發(fā)現(xiàn)磁化處理可提高植物的耐鹽性，但這兩種方式下磁化水效應(yīng)是否存在差異，值得進一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 無論在非鹽脅迫和鹽脅迫下，磁化水均具有一定改善黃瓜幼苗生長或生理活動的作用。磁化水在鹽脅迫下改善黃瓜生長和生理活動的作用大于非鹽脅迫下，且隨處理時間延長，磁化水的效應(yīng)增加。

(2) 鹽脅迫下，磁化水處理改善黃瓜幼苗生長的主要生理機制在于：磁化水處理增加了黃瓜幼苗根系生長，改善了其水分關(guān)系；增加了葉綠素含量、光合速率和水分利用效率，從而提高了光合能力；通過保護酶活性增強降低了細胞膜受傷害程度；降低根、莖和葉中的鈉含量從而增加K+/Na+比，有助于細胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)的維持。