不同水分條件下保水劑對(duì)黃瓜根系和葉片生理特征的影響

紀(jì)冰祎, 趙馳鵬, 吳 玥, 宋吉青, 白文波

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081;2.遼寧省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地建設(shè)工程中心, 遼寧 沈陽 110032)

土壤水分是“土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)”過程中的核心要素，提高根際土壤水分被植物有效吸收利用既是探究農(nóng)業(yè)節(jié)水機(jī)理的關(guān)鍵，也將是農(nóng)業(yè)高效用水技術(shù)發(fā)展的主流方向[1]。保水劑是一種含有大量羧基、羥基等親水基團(tuán)的高分子聚合物，不僅對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附和保蓄能力，還具有反復(fù)吸水和釋水的特點(diǎn)[2]，適量施用可明顯提高土壤水分含量[3]，減少土壤水分蒸發(fā)和過度下滲[4-5]，改善土體結(jié)構(gòu)[6]，調(diào)節(jié)作物生理節(jié)水效應(yīng)，從而提高作物產(chǎn)量[7]，因此在節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

保水劑主要通過兩種方式影響植物的生長發(fā)育，一是通過改善植物根系和土壤界面的水分狀況，在植物根系根壓的作用下，直接將水分提供給植物；另一種是通過保水劑的分子鏈與水分子和土壤顆粒的結(jié)合，改善植物根際土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤水分保蓄能力，間接向植物供應(yīng)水分[2,8]。已有的研究表明，保水劑對(duì)植物水分利用率和生長發(fā)育具有積極的調(diào)控作用[9-11]，但保水劑功能作用的有效發(fā)揮受多種因素制約，保水劑自身吸收的水分并不一定能完全被植物吸收利用[12-13]，甚至在干旱脅迫下會(huì)抑制植物生長[14]。目前關(guān)于保水劑對(duì)植物生長和生理參數(shù)的影響研究主要集中于保水劑種類[15]、施用量[12]和施用方式[16]影響等方面。對(duì)于保水劑改善作物生長和抗旱性的作用是否與土壤水分狀況有關(guān)，以及二者之間的關(guān)系問題尚鮮有報(bào)道。因此，本研究基于盆栽試驗(yàn)，通過控制灌水量來模擬不同的土壤干旱生境，比較研究在不同水分條件下，保水劑對(duì)黃瓜根際土壤水分、根系形態(tài)、根系生物量，以及葉片熒光特性和氣孔特性等的影響，明確保水劑對(duì)黃瓜生長和生理指標(biāo)的調(diào)控作用與土壤水分狀況的內(nèi)在聯(lián)系，旨在規(guī)避保水劑實(shí)際應(yīng)用中可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為保水劑的合理施用和農(nóng)田科學(xué)灌溉等提供一定的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用保水劑為日本觸媒公司生產(chǎn)的綠立普農(nóng)用保水劑。外觀為乳白色，主要成分為聚丙烯酸鈉，顆粒大小為0.30～0.85 mm。保水劑在蒸餾水、自來水和0.9% NaCl溶液中的吸水倍率分別為196，144和38 g/g。供試土壤選用細(xì)河沙，所有河沙過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，清洗、滅菌后待用。河沙的基本理化性狀為：田間持水量為12.58%，pH值7.52，EC(可溶性鹽濃度)值1 833 μS/cm。河沙的顆粒大小和組成詳見表1。試驗(yàn)中所用黃瓜種子為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉所培育的中農(nóng)26號(hào)，種子純度、凈度、發(fā)芽率和水分分別為95.0%，99.0%，90.0%和8.0%。

表1 供試河沙的顆粒大小和組成

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2019年11月至2020年2月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)發(fā)所人工氣候室進(jìn)行。人工氣候室的環(huán)境條件設(shè)置為：晝(7：30—19：30，溫度28 ℃，濕度60%)；夜(19：30至次日7：30，溫度20 ℃，濕度60%)，光照為700～800 μmol/(m2·s)。在底部帶孔的直筒盆(直徑16 cm，高17.5 cm)先平鋪2 cm厚的河沙并適當(dāng)壓實(shí)，然后將一定量的保水劑，即保水劑與河沙以質(zhì)量比0%(CK處理)和0.3%(SAP處理)分別與河沙充分混合均勻，鋪在之前壓實(shí)的河沙上層約10 cm，適當(dāng)壓實(shí)，最后再覆蓋2 cm的河沙并壓實(shí)。

挑選飽滿的黃瓜種子，恒溫55 ℃浸種20 min后將種子撈出，放入培養(yǎng)皿中用保鮮膜封口，培養(yǎng)皿保持一定濕度；然后將培養(yǎng)皿置于恒溫28 ℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽。催芽后將長勢一致的黃瓜種子播于試驗(yàn)盆中，播種深度為1 cm，正常澆水種植。每隔7 d澆1次營養(yǎng)液。待黃瓜苗長到三葉一心期時(shí)開始進(jìn)行控水處理。設(shè)置3個(gè)灌水水平，以每天9：00的土壤水分為標(biāo)準(zhǔn)，采用稱重法調(diào)節(jié)灌水量，每天9：00向試驗(yàn)盆內(nèi)補(bǔ)充水分，使得土壤含水量分別達(dá)到田間持水量(FC)的90%±2%(FC1)，70%±2%(FC2)和55%±2%(FC3)。試驗(yàn)每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共18盆?？厮?0 d后，取樣當(dāng)天未進(jìn)行補(bǔ)充灌溉的情況下，取樣測定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測試項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系形態(tài)及根干重 將黃瓜根系完整取出，小心沖洗附著在根系表面的泥沙和其他雜質(zhì)，然后用吸水紙輕輕吸干根系表面多余的水分，將洗凈的根系平鋪在根系掃描盤上，利用根系掃描分析系統(tǒng)(Win RHIZO)按1∶1比例進(jìn)行掃描成像與數(shù)據(jù)分析。掃描結(jié)束后將根系放入烘箱中70 ℃烘干24 h后測定黃瓜根干重[17]。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 將黃瓜植株暗處理30 min后，于19：30—21：30取各處理植株相同位置新鮮且完全展開的功能葉片，將葉片平鋪于熒光成像系統(tǒng)(Imaging PAM2 000)的x-y臺(tái)上，每個(gè)葉片以葉脈為軸對(duì)稱選取4個(gè)點(diǎn)。打開弱測量光測定初始熒光Fo，設(shè)置7 000 μmol/(m2·s)的飽和脈沖光測定最大熒光Fm，關(guān)閉脈沖光后待熒光恢復(fù)至Fo附近并打開光化光，當(dāng)熒光曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)關(guān)閉光化光，記錄相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉綠素?zé)晒鈪?shù)計(jì)算公式為：

(1)

PSⅡ的實(shí)際量子產(chǎn)量〔Y(Ⅱ)〕：

(2)

式中：F為任意時(shí)間的實(shí)際熒光產(chǎn)量。

非光化學(xué)淬滅(NPQ)：

(3)

式中：Fm為暗適應(yīng)下的最大熒光。

光化學(xué)淬滅(qP)：

(4)

式中：Fs為暗適應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)熒光。

1.3.3 葉片氣孔特征 采用指甲油印跡法[18]制片。于10：00—12：00取各處理植株相同部位的功能葉片，隨即在葉片上表皮涂抹面積約1 cm2的透明指甲油，待其風(fēng)干后，用透明膠帶粘住指甲油的印跡，并適當(dāng)壓緊。然后用鑷子小心撕下粘有葉片氣孔的膠帶，將膠帶粘在載玻片上。利用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUSCX23)在40倍目鏡下觀察葉片上表皮的氣孔特征。每個(gè)葉片隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行制片，每個(gè)載玻片觀察6個(gè)視野，即每個(gè)處理觀察90個(gè)視野。利用Image J圖像分析軟件測量氣孔相關(guān)指標(biāo)。其中，測量視野面積，計(jì)算每個(gè)視野的氣孔個(gè)數(shù)，取平均值后除以視野面積，得到氣孔密度，即每mm2含有的氣孔個(gè)數(shù)[19]。氣孔長寬為每個(gè)視野中選取3個(gè)完全閉合的氣孔，長度為啞鈴型保衛(wèi)細(xì)胞的長度，寬度為垂直于啞鈴型保衛(wèi)細(xì)胞的最大寬度。氣孔開張比為開張的氣孔數(shù)與總氣孔數(shù)之比。氣孔開張度為每個(gè)視野選取3個(gè)開放氣孔，測定氣孔開放的孔徑寬度。

1.3.4 土壤相對(duì)含水率 控水20 d后，取試驗(yàn)盆中2—10 cm土層適量土壤樣品，用烘干法[20]測定土壤重量含水率，通過公式換算土壤相對(duì)含水率。

土壤相對(duì)含水率=土壤重量含水率/土壤田間持水量

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SAS 9.4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。文中所有圖表數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)測定的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分條件下土壤相對(duì)含水率的變化

圖1為不同灌水量條件下土壤的相對(duì)含水率。當(dāng)通過控制灌水量，將土壤含水量調(diào)節(jié)為田間持水量的90%，70%和55%時(shí)，實(shí)際取樣測得的對(duì)照CK組的土壤相對(duì)含水率分別為51.4%(FC1)，33.4%(FC2)和19.6%(FC3)，各水分處理之間達(dá)到了顯著差異；但SAP處理隨灌水量減少引起的土壤相對(duì)含水率降低的幅度明顯小于對(duì)照，F(xiàn)C2和FC3水分條件下并未達(dá)到顯著差異。相同水分條件下所對(duì)應(yīng)的SAP處理中，土壤相對(duì)含水率較CK均有不同程度的增加；但FC1和FC2水分條件下，各處理之間并未達(dá)到顯著差異。當(dāng)水分控制在FC3范圍時(shí)，SAP處理組的土壤相對(duì)含水率較CK顯著增加了56.5%，說明在水分處理為FC3時(shí)，保水劑對(duì)土壤保蓄水分的效果最好。

注：CK，SAP分別表示對(duì)照和保水劑處理。FC1，F(xiàn)C2和FC3表示控制灌水量使土壤含水量分別達(dá)到田間持水量的90%，70%和55%。不同用量保水劑處理中不同的小寫字母表示處理之間差異顯著(p<0.05)；不同水分條件下，相同用量保水劑處理中不同的大寫字母表示處理之間差異顯著(p<0.05)。下同

2.2 不同水分條件下黃瓜根系形態(tài)和根系相關(guān)參數(shù)的變化

不同處理?xiàng)l件下的黃瓜根系形態(tài)見如圖2所示。整體來看，相同水分處理，CK組的黃瓜根系較SAP處理更發(fā)達(dá)，須根數(shù)量也相對(duì)較多。當(dāng)土壤含水量由FC1減少到FC2和FC3時(shí)，CK處理間黃瓜根系差異不明顯(圖2)，但SAP處理黃瓜根系須根隨土壤水分減少而明顯遞減。

通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)一步分析黃瓜根系參數(shù)，由表2可知，除FC1處理外，其余水分條件下保水劑引起黃瓜根系總根長較CK顯著減小3.4%(FC2)和10.8%(FC3)，且土壤含水量越小，SAP處理的黃瓜根系總根長也越小。不管是否使用保水劑，黃瓜的平均根系直徑均未因土壤水分的不同而產(chǎn)生顯著差異。相同水分條件下，SAP處理黃瓜平均根系直徑、總根體積和根表面積分別較CK顯著減小24.2%～34.8%，56.5%～62.8%和35.7%～46.2%。同時(shí)，SAP所引起的總根體積和根表面積減小程度與土壤含水量成正比，即土壤含水量越少，總根體積和根表面積也相對(duì)較小。在FC2和FC3階段，SAP處理的黃瓜總根體積和根表面積較CK顯著降低了41.0%～62.8%，且FC3階段降幅更大。黃瓜根系干重在不同水分條件下表現(xiàn)為FC1>FC2>FC3。在FC2和FC3階段，SAP處理引起的根系干重減少較FC1處理更顯著，相同水分條件下，這兩個(gè)階段，SAP處理根干重較CK顯著減小51.6%～53.3%。說明當(dāng)土壤含水量降至田間持水量的70%和55%時(shí)，保水劑會(huì)對(duì)黃瓜根系產(chǎn)生明顯抑制。

圖2 不同水分處理的黃瓜根系形態(tài)變化

表2 不同水分處理下的黃瓜根系參數(shù)變化

2.3 不同水分條件下黃瓜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化

NPQ表示PSⅡ系統(tǒng)以熱能形式耗散吸收的光能，能夠有效的避免光抑制。隨著土壤含水量逐漸減小，CK和SAP處理的黃瓜葉片NPQ變化趨勢有所不同，CK處理下，當(dāng)土壤含水量從FC1減少至FC2時(shí)，后者NPQ較前者顯著增加20.4%；但隨著土壤含水量繼續(xù)減少，二者之前差異并不顯著。但是在SAP處理下，與FC1相比，當(dāng)土壤含水量降至FC2和FC3時(shí)，相應(yīng)地NPQ較FC1時(shí)分別顯著提高了74.6%和92.7%。進(jìn)一步比較同一水分條件下的各處理，F(xiàn)C1階段，SAP處理的NPQ較CK顯著降低了30.7%；但在FC3階段，SAP處理的NPQ反而比CK顯著增加了16.9%。說明在FC1階段，保水劑能在一定程度上緩解黃瓜的生理干旱；但土壤含水量降低至FC3階段，反而會(huì)加劇了生理干旱，表現(xiàn)為NPQ顯著增加，光抑制能力明顯提高，通過增加光耗散來降低光抑制的程度，以維持正常的光合能力。

光化學(xué)淬滅qP表示PSⅡ天線色素吸收光能后用于光合作用電子傳遞的比例，關(guān)系著PSⅡ系統(tǒng)的開放程度。隨著土壤含水量的減少，CK和SAP處理的qP均呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢，當(dāng)水分條件為FC2和FC3時(shí)，SAP使黃瓜葉片的qP值較CK分別顯著降低了9.1%和5.5%，說明在這兩個(gè)階段，SAP處理的黃瓜植株可能受到了更為嚴(yán)重的生理干旱影響，需要通過關(guān)閉部分PSⅡ系統(tǒng)，以熱耗散的形式散失過剩的光能。

表3 不同水分處理下的黃瓜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2.4 不同水分條件下黃瓜葉片氣孔特征的變化

葉片主要通過氣孔與外界進(jìn)行氣體交換，氣孔的開閉程度影響著植物的水分含量和二氧化碳同化。當(dāng)植株受到干旱脅迫時(shí)，氣孔隨之關(guān)閉以達(dá)到降低蒸騰速率，抑制植株內(nèi)水分散失的目的[23]。對(duì)比不同水分處理的黃瓜葉片氣孔特征(表4)，相同水分條件下，CK和SAP處理的氣孔開張比和氣孔開張度均無顯著差異。當(dāng)土壤含水量降至FC3時(shí)，CK和SAP處理的氣孔開張比較FC1階段分別顯著降低了27.7%和32.1%，CK和SAP處理的氣孔開張度較FC1階段分別顯著降低了14.9%和15.2%，說明土壤水分條件對(duì)氣孔開張比和氣孔開張度的影響大于保水劑的影響。不同處理?xiàng)l件下的氣孔長度、氣孔寬度和氣孔密度之間的差異均較小，這可能與此生長階段黃瓜自身的氣孔發(fā)育特征有一定關(guān)系。

表4 不同水分處理的黃瓜葉片氣孔特征

3 討 論

本研究通過盆栽模擬試驗(yàn)，利用沙培控水法為作物營造不同的土壤干旱生境。試驗(yàn)中對(duì)照處理作物根際—土壤層的相對(duì)含水率分別為51.4%(FC1)，33.4%(FC2)和19.6%(FC3)(圖1)，說明FC1近似于模擬了降水較常年偏少，土壤水分輕度不足的狀況；FC2時(shí)土壤水分供應(yīng)持續(xù)不足；FC3土壤水分則出現(xiàn)長時(shí)間嚴(yán)重不足[24]。

3.1 不同水分條件下保水劑對(duì)黃瓜根系的影響

根系是作物吸收土壤水分的重要器官，當(dāng)作物受到干旱脅迫時(shí)，根系首先受到感應(yīng)通過改變自身形態(tài)特征和分布狀態(tài)來維持其功能行為，以適應(yīng)脅迫后的水分條件[25]。一般認(rèn)為，作物對(duì)于干旱脅迫的反應(yīng)都是通過減少根系質(zhì)量和根系直徑，橫向生長減弱而增加向土壤深層擴(kuò)展吸收水分來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于干旱敏感的品種來說，這種下降的趨勢更為明顯[26-27]。有研究[28-29]表明，施加保水劑可增加作物根系生物量，從而提高作物水分利用效率，本研究中，SAP處理的黃瓜根系干重相對(duì)較少，尤其當(dāng)根際土壤含水量處于FC2和FC3階段時(shí)，根系干重減少的程度更為明顯(表2)。結(jié)合根系掃描結(jié)果，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)SAP處理的黃瓜根系須根明顯減少，在FC2和FC3水分條件下尤為明顯(圖2)，推測這可能是導(dǎo)致黃瓜根系干重減少的重要原因之一。此外，除FC1階段的SAP處理黃瓜總根長大于CK外，其余水分條件下SAP促使黃瓜的總根長、平均根系直徑、總根體積和根表面積均有不同程度的降低趨勢，說明此試驗(yàn)條件下，保水劑對(duì)黃瓜根系向深層土壤下扎、橫向分布和須根增生等均有抑制作用。前人也有研究指出，土壤重度干旱時(shí)，保水劑會(huì)與作物根系競爭土壤水分而影響根系發(fā)育[30]。

結(jié)合本研究中葉片葉綠素?zé)晒夂蜌饪滋匦越Y(jié)果(表3—4)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤處于FC1階段時(shí)，保水劑并未加劇黃瓜葉片的受旱程度。分析黃瓜根系發(fā)育緩慢的原因，可能與試驗(yàn)所用土壤自身結(jié)構(gòu)較為松散，持水性能差有一定關(guān)系。土壤中混合的保水劑顆粒遇水后迅速吸收水分，體積急速膨脹，而且受保水劑自身保蓄水分作用的影響，相同水分條件下，保水劑—土壤混合體水分狀況也相對(duì)較好，黃瓜根際土壤水分也相對(duì)較高，黃瓜根系無需過多延長，就可在保水劑—土壤混合層吸收到所需的水分，因此黃瓜根系較對(duì)照長勢較弱，這可能也是植物自身適應(yīng)外界環(huán)境的一種生理保護(hù)機(jī)制。此外，受頻繁干濕交替的影響，保水劑與土壤顆粒相互作用，保水劑會(huì)加劇干燥土壤的緊實(shí)度[31]，這也可能是抑制根系生長的原因之一。

3.2 不同水分條件下保水劑對(duì)黃瓜葉片光合生理和氣孔特征的影響

氣孔的自我調(diào)節(jié)能力是作物抵御干旱脅迫的重要機(jī)制之一，作物葉片的氣孔特征對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)與作物的種類和干旱脅迫程度都有一定關(guān)聯(lián)[35]。本試驗(yàn)中，土壤含水量對(duì)氣孔開張比的影響明顯大于保水劑，表現(xiàn)為相同水分處理下，CK和SAP處理的氣孔開張比并無顯著差異。但是當(dāng)土壤含水量降至FC3時(shí)，二者的氣孔開張比和氣孔開張度分別較FC1時(shí)顯著降低了27.7%和14.9%以上(表4)。通常情況，隨著土壤干旱脅迫加劇，作物葉片氣孔開張程度會(huì)有所降低。本研究中，隨著灌水量的進(jìn)一步減少，土壤水分處于FC3階段時(shí)，保水劑加劇了黃瓜的生理干旱，迫使黃瓜通過大幅度降低葉片氣孔開張比和氣孔開張度來減少植株體內(nèi)的水分散失，以維持正常的生長代謝。

本研究重點(diǎn)關(guān)注了在單一土壤介質(zhì)中，保水劑在不同土壤水分條件下對(duì)黃瓜根系形態(tài)、葉片光合結(jié)構(gòu)、氣孔性狀等生理指標(biāo)的影響效應(yīng)，在頻繁的干濕交替中，保水劑通過與土壤顆粒間的互作影響，對(duì)土壤蓄水能力、土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及土壤礦物膠體動(dòng)態(tài)變化等的綜合影響，都會(huì)制約土壤—根系—作物系統(tǒng)之間的水分吸收和傳輸功能的發(fā)揮。值得注意的是，保水劑不是造水劑，必須具備一定條件才能充分發(fā)揮其保水、改土和促進(jìn)生長的作用，本試驗(yàn)中，土壤處于輕度干旱時(shí)，對(duì)黃瓜根系和葉片生理的促進(jìn)效果最優(yōu)。另一方面，由于土壤類型不同，土壤中鹽分種類和數(shù)量也不同，通過反復(fù)的失水—復(fù)水過程，不同鹽分和保水劑接觸，對(duì)保水劑吸持水性能產(chǎn)生的影響也不盡相同，后續(xù)還需要通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步論證。因此，在實(shí)際應(yīng)用中為了促使保水劑的節(jié)水保水效果得到充分發(fā)揮，必須綜合考慮不同氣候、土壤、作物類型及保水劑的施用量和施用方法等。

4 結(jié) 論