磁化水對不同土壤水分下黃瓜幼苗生長、光合和養分吸收的影響

蔡明蕾，李秧秧，樊 軍

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

磁化水是指以一定流速流經一定強度磁場的水。作為一種物理處理技術，磁化水處理具有安全、操作簡單、成本較低以及對環境友好等特點。外部施加磁場導致被處理后水的原子、分子以及電子結構都發生一定的變化[1-4]，相應水分子的表面接觸角減小，表面張力下降，滲透壓及溶解度增大，水的理化性質發生改變[5-9]。但由于磁場處理強度、時間等的不同，導致磁化水性質變化的程度不同[1,10]。

經磁化水灌溉的水稻、芹菜及豌豆等作物，表現出植株生長促進、產量增加、品質改善、抗逆性提高等優勢[11-14]，因而磁化水應用在農業生產方面表現出一定的潛力。但是磁化水對植物生長、產量和水分利用的影響很復雜，不同作物或品種在不同的水質、磁化強度、磁化時間、水流速度、磁場交變切割次數等因素影響下，其效果也可能不同。近些年有研究發現磁化水處理對小麥等作物的種子萌發和幼苗生長無明顯的生物學效應[15]，甚至存在負效應，如磁化水處理會降低小麥的株高[16]，抑制苜蓿固氮以及降低植株干重[17]，增加棉花的耗水量[18]等。

干旱是影響作物生長的主要限制因子，干旱脅迫下磁化水的效應如何是磁化水在缺水地區應用的基礎。相關研究表明，磁化水灌溉提高了干旱脅迫下小麥[19]、甜菜[20]、馬鈴薯[21]、綠豆[22]等作物的生物量、產量以及水分利用效率等；磁化水浸種可增加干旱脅迫下小麥葉片內脯氨酸含量，降低細胞膜透性，增強葉片的保水能力[23]；磁化水灌溉增加了干旱脅迫下小麥葉片中的總可溶性糖含量和脯氨酸濃度，提高了葉片滲透調節能力，從而提高小麥的抗旱性[19]；磁化水灌溉降低了辣木幼苗的脯氨酸含量，提高了其抗氧化能力，增加了植物在干旱脅迫期間的耐受性[24]。但也有研究表明磁化水灌溉降低了干旱脅迫下生菜的干重及根的生長[25]。從這些研究看出，因作物、干旱程度和磁化水性質等的差異，磁化水對干旱脅迫下作物生長和生理特性的影響并不一致。

黃瓜是對水分需求較大的淺根系作物，因而對干旱反應敏感。磁化水灌溉是否可改善黃瓜的生長并提高其抗旱性，是生產中面臨的實際問題。為此，本研究從生長和生理方面探究了磁化水處理對干旱脅迫下黃瓜生長的影響，以期為磁化水在黃瓜生產上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年7—8月在陜西省咸陽市楊凌區西北農林科技大學水土保持研究所盆栽試驗場進行。供試黃瓜品種為“津研4號”，采用砂培試驗。供試盆為高30 cm，外徑110 mm的PVC管，底部裝有可密封的堵頭，側壁底部留有通氣孔。盆內裝入3.36 kg清洗后的細沙，并澆蒸餾水至田間持水量(11%)，共裝64盆。黃瓜種子經0.3% NaClO水溶液消毒后，于室溫下浸種催芽；7月11日挑選生長均勻的黃瓜種子進行播種，每盆播4粒，待苗長到三葉期，每盆定苗至2株，盆表面覆蓋2 cm厚珍珠巖及錫箔紙以防止水分蒸發，同時開始磁化水澆灌處理，一半盆澆蒸餾水(T)，另一半澆磁化水(M)，磁化水是將15 L蒸餾水在3000 Gs磁場強度下循環20 min所得，根據稱重法計算每天應澆水量。為保證黃瓜幼苗的養分需求，將每次應澆水量的2/3配置成50% Hoagland營養液進行補充。

待黃瓜長到4～5片葉時(2019年8月5日)開始水分處理，設正常水分(W)和干旱(D)處理，土壤含水量分別降至田間持水量的80%～85%和45%～50%后保持7 d，靠稱重法控制水分。試驗共4個處理(分別記為TW、TD、MW和MD)，每個處理16次重復。水分處理第8～9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、葉綠素熒光參數和整株植物生長參數測定在水分處理的第8天進行，葉水勢和葉水力導度測定及葉滲透勢采樣在水分處理后第9天進行，然后緊接著進行根沖洗和根系圖像分析。滲透勢和養分含量分析的樣品分別保存在超低溫冰箱和室溫干燥皿中，測定在2019年10—11月間進行，所有指標均重復4次。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 生長參數 地上部生長參數主要包括株高、莖粗、葉面積、生物量。其中株高、莖粗、生物量采用常規方法進行測定，葉面積利用掃描儀掃描，所得圖像用image J 軟件分析，總葉面積為植株上所有綠葉面積之和。

根生長參數主要包括最大根深、根長、根體積、根表面積。根沖洗后，最大根深用直尺測量；根體積、根長、根表面積是將鮮根用根系掃描儀(Epson Perfection V700，Epson Corporation，Nagano，Japan)掃描后經WinRHIZO根系分析軟件(Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada)分析得出，比根長和比根表面積分別為單位重量的根長和根表面積。

1.2.2 葉生理參數 葉水分狀況：選擇黃瓜植株頂部完全展開葉用PMS壓力室水勢儀(Plant Moisture Stress，Corvallis，Oregon，USA)測定上午10∶00的葉水勢，利用蒸汽壓滲透計(Vapro 5520，Wescor Inc.，Logan，UT)測定葉滲透勢。整株水力導度(Kp)采用如下公式計算：Kp=Emd/(Ψs-Ψl,md)，其中Emd為晴天正午時(12∶00—14∶00)的蒸騰速率，稱重法測定；Ψl,md為相應時間的葉水勢，Ψs為土壤水勢，用黎明前葉水勢(Ψl,pd)代替。水分脅迫期間整株總耗水根據每日稱重量減少之和估計，因為土壤蒸發已被抑制。整株水分利用效率為整個生育期間植株生物量與蒸騰量之比。

葉光合參數：葉綠素含量用葉綠素儀(SPAD-502，Minolta Camera Co. Ltd.，Osaka，Japan)測得的SPAD值表示。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(Li-COR，Lincoln，USA)測定，測定時間為9∶00—11∶30，光強設定為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度控制在400 μmol·mol-1，溫濕度為大氣溫濕度值。每個處理重復4次。瞬時水分利用效率為凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(E)的比值。

葉綠素熒光參數：用Li-6800光合儀攜帶的熒光系統測得暗適應后的最小熒光Fo和最大熒光Fm，光適應下的最小熒光F0′、飽和光激發誘導的熒光產量Fm′及穩態熒光FT。用下列公式計算暗適應下PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、光合電子傳遞效率(ETR)、光化學淬滅系數qP和非光化學淬滅系數NPQ：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm

(1)

ETR=(Fm′ -FT)/Fm′×0.84×0.5×PAR

(2)

qP=(Fm′ -FT)/(Fm′ -F0′)

(3)

NPQ=Fm/Fm′-1

(4)

式中，PAR為光合有效輻射。暗適應下PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)反映PSⅡ反應中心潛在光能轉換效率，光合電子傳遞效率(ETR)表征在光適應條件下PSⅡ的原初光能捕獲效率，光化學淬滅系數qP反映了植物光合活性的高低，其中qP越大，PSⅡ的電子傳遞活性越大，非光化學淬滅系數NPQ反映了植物耗散過剩光能為熱的能力，即光保護能力，是植物的自我保護機制[26-28]。

1.2.3 養分參數 將整株樣品烘干并磨碎，稱取0.4 g，用H2SO4-H2O2法消煮，將消煮液用蒸餾水定容至100 ml。取靜置澄清的上清液，全N用凱氏定氮法測定，全P用鉬銻抗比色法測定，全K用火焰光度計法測定[29]。

1.3 數據分析

采用SPSS 25.0和Excel 2010對數據進行整理和分析。采用雙因素方差分析研究磁化處理(MT)和水分處理(WT)及二者交互作用(MT×WT)對黃瓜生長、生理及養分的影響。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。

2 結果與分析

2.1 磁化和水分處理對黃瓜生長的影響

磁化水澆灌后黃瓜植株的莖粗、地上部生物量、根生物量和總生物量顯著降低(P<0.05)，根冠比的降低也接近顯著(0.1

磁化水和干旱處理均顯著降低了黃瓜的根體積和根表面積(P<0.05)，磁化水對根深和根長也有一定程度抑制(0.1

2.2 磁化和水分處理對黃瓜生理狀況的影響

2.2.1 水分關系 通過對不同處理黃瓜的水分參數測定分析可知(表3)，磁化水處理顯著影響黃瓜的整株耗水量和水分利用效率(P<0.05)，水分處理顯著影響葉水勢、葉滲透勢、整株耗水量和整株水分利用效率(P<0.05)，二者的交互作用僅對葉水勢表現為顯著(P<0.05)。正常水分條件下，磁化水處理(MW)整株耗水量較未磁化水處理(TW)減少了11.7%而水分利用效率則降低16.1%，且這種差異均達到顯著水平(P<0.05)；在干旱條件下，與蒸餾水(TD)相比，磁化水處理(MD)整株耗水量增加了2.5%，水分利用效率降低了6.1%，且這種差異并未達到顯著水平，磁化水在正常水分下的作用效果要強于干旱條件下的作用效果。干旱脅迫顯著降低了黃瓜的葉水勢、葉滲透勢和整株耗水量，提高了整株水分利用效率。干旱脅迫下，磁化水處理和未磁化水處理的葉和整株水分狀況參數無顯著差異。

表1 不同處理黃瓜的地上部生長參數

表2 不同處理黃瓜的根生長參數

2.2.2 光合作用 磁化水處理導致黃瓜葉SPAD值和葉瞬時水分利用效率顯著減少(P<0.05)，葉氣孔導度和蒸騰速率顯著增加(P<0.05)；干旱處理導致葉SPAD值和葉瞬時水分利用效率顯著增加(P<0.05)，葉片氣孔導度和蒸騰速率顯著減小(P<0.05)；磁化水和干旱處理僅對氣孔導度有一定的交互作用(0.1

磁化水處理顯著降低黃瓜葉PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和光合電子傳遞效率(ETR)(P<0.05)，干旱脅迫對熒光參數無顯著影響，二者的交互作用僅對Fv/Fm的影響接近顯著(0.1

表3 不同處理黃瓜的葉水分狀況和整株水分利用

表4 不同處理黃瓜葉的光合參數

表5 不同處理黃瓜的葉熒光參數

2.3 磁化和水分處理對黃瓜養分吸收的影響

通過對不同處理黃瓜幼苗各部位的氮、磷、鉀含量(表6)分析，磁化水處理影響黃瓜葉片中的K含量(0.1

3 討 論

3.1 磁化水對黃瓜生長的影響

本研究發現磁化水作用于黃瓜，抑制了黃瓜植株尤其是根的生長，這與Fernando等[25]用磁化水滴灌生菜，發現生菜的鮮重、干重和根長顯著降低的結論相似。但大多數研究者認為磁化水可促進植物生長，如磁化灌溉水對豌豆、鷹嘴豆[13]、亞麻和扁豆[30-31]以及小麥[31]具有正的生物學效應。研究者們推測磁化水對生長的刺激作用可能歸因于細胞代謝和有絲分裂的誘導[31]，對光合色素和蛋白質物質合成的刺激作用[19]以及對氣孔導度和根系生長的刺激[32]作用等。本研究發現的磁化水對黃瓜生長的抑制作用可能與磁化水抑制植物光合色素及根的生長有關(表2，表3)，磁化水處理降低黃瓜葉片中的光合色素含量，干物質合成減少，因而根的生長受到抑制，植物根系的吸收能力下降，使整株植物生長受到抑制。

3.2 磁化水對黃瓜葉水分及光合生理的影響

本研究中，磁化水并未顯著影響葉水勢、滲透勢和整株水力導度，但降低了整株耗水量和水分利用效率。Sadeghipour[32]和Marei[33]等的研究表明磁化水處理提高了豇豆、黃椒和紅椒的水分利用效率，Maheshwari等[13]也發現，在磁化水處理后，芹菜和豌豆的水分生產率提高，而彭遙等[18]用不同磁場強度(0～5 000 Gs)的磁化水對棉花進行膜下滴灌，發現磁化淡水處理的水分利用效率增加且總耗水量增加，這些均與我們的試驗結果不一致。本研究中，磁化水處理導致葉片的氣孔導度和蒸騰速率增加，但由于磁化水灌溉導致的葉面積減少，特別是在正常水分下，因而整株耗水量在降低。由于磁化水處理對凈光合速率影響不大，但導致蒸騰速率降低，因而葉瞬時水分利用效率增加，這與Sadeghipour[32]在豌豆上的結果一致。磁化水抑制黃瓜植株的生長和整株耗水，且對生長的抑制作用大于對整株耗水量的抑制，所以磁化水處理下黃瓜的整株水分利用效率降低。

在已有的大多數研究中發現磁化水處理增加了作物葉片光合色素的含量，王俊花等[35]在黃瓜上也發現磁化水(4 000 Gs的磁場強度)灌溉可增加葉片葉綠素含量，而我們研究發現磁化水處理顯著降低了黃瓜葉片葉綠素含量，與其結果不同，而與在玉米上的研究結果相近[34]。賈昊等[36]發現1 400 Gs磁強的磁化水處理對大棗葉片葉綠素合成有抑制作用，而1 800 Gs磁強下則有促進作用，不同磁場強度的磁化水作用不同。Turker等[34]發現磁場處理降低了光合作用重要化合物質體中的植物鐵蛋白從而導致玉米葉綠素含量降低，因而我們推測，磁化水處理降低了黃瓜葉片中鐵蛋白的合成可能是導致植物葉綠素含量下降的原因。盡管磁化水處理降低了PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)及光合電子傳遞效率(ETR，表5)，但對光合結構的不利影響并未轉化為對凈光合速率的影響。

表6 不同處理黃瓜幼苗各部位的氮、磷、鉀含量/%

3.3 磁化水對黃瓜養分吸收的影響

本研究中，與對照相比，磁化水增加了葉片中K的含量，但對N、P含量影響不大。前人研究表明磁化水處理增加了小麥[19]、馬鈴薯[21]和大豆[37]等植株的N、P、K、Mg和Ca等礦質元素的含量；增加芹菜中P的含量，但不影響Ca含量[13]。Hilal等[38]認為某些類型的水進行磁處理的有益影響可能是由于植物系統中生化水平的某些變化及其在細胞水平上的可能影響；Dalia等[19]則認為磁化水對養分吸收的積極影響可能歸因于膜磷脂的重新定向，增加了膜的通透性，從而影響膜中的鈉和鈣通道，導致離子進入細胞。有研究表明葉片中離子積累的速度與植物蒸騰耗水速度直接相關[39]。本研究中磁化水處理增加了黃瓜葉片的蒸騰速率，可能促進了鉀離子的吸收，從而增加了黃瓜葉片中K+含量，但這種效應主要發生在干旱下。干旱下起滲透調節作用的K+大量積累，磁化水澆灌促進了這種積累，因而導致干旱下葉片中K含量增加。

3.4 土壤干旱下磁化水的效果

黃瓜作為淺根系作物，對水分條件要求較高。本研究中，干旱顯著降低了植物的株高、生物量以及根系生長，降低了植物葉水勢和滲透勢、耗水量、葉SPAD值、氣孔導度和蒸騰速率，但凈光合速率和熒光參數、植株中養分含量未受到顯著影響，說明試驗所使用的干旱程度對植物生長和生理代謝的影響相對較輕。在這樣的干旱脅迫下，磁化水和非磁化水的植物生長和生理特性(除葉中K+含量有顯著差異外)并無顯著差異，說明在當前的水分脅迫程度下，磁化水影響黃瓜抗旱性的效果有限。

磁化水的效應受灌溉水的質量、離子含量、磁場類型、強度、處理時間等影響，同時所作用的物種及其基因型[40]、植物生長環境也對其產生復雜影響。因為本研究是砂培試驗，較土培試驗基質中的水分變化更劇烈，此外，設計的干旱脅迫相對較輕，磁化所用水為蒸餾水，在此條件下得出的結論在不同土培條件、水分脅迫程度及磁化水質下需進一步驗證。

4 結 論

磁化水抑制了黃瓜地上部和根的生長，降低了葉片光合色素含量，增加了葉氣孔導度和蒸騰速率，降低了整株耗水量和水分利用效率，磁化水的這些效果在正常土壤水分下作用更強，而磁化水增加葉片K含量的效應，則在干旱條件下更為明顯，因而，磁化水對黃瓜幼苗生長、生理活動的影響依賴于土壤水分條件。