補光光質和基質含水量對黃瓜幼苗形態調節和光合特性的影響

關鍵詞：黃瓜；LED補光；灌溉；形態調節

目前，黃瓜苗多采用溫室集約化方式培育，在我國北方地區冬春季育苗時普遍存在夜長晝短光照不足現象，尤其是冬春季霧霾天加之溫室采光面積灰、室內設備遮擋等客觀因素造成弱光環境，以及管理人員在育苗過程中存在灌溉不合理等問題，極易導致蔬菜幼苗生長不良等亞健康問題[1]，不利于黃瓜后期的生長和發育。當前蔬菜幼苗形態調節技術手段主要有植物生長調節劑法[2]、晝夜溫差法[3]、水分調節法[4]、機械調節法[5]以及光形態調節法[6]，其中光形態調節法節能環保、經濟有效、便于操作[7]。

光照與水分耦合對作物種子萌發及幼苗期形態建成起著關鍵作用[8]。發光二極管（lightemitting diode，LED）作為一種新型人工光源，具有光效高、能耗低、壽命長、體積小和光譜可調的技術優勢，已成為植物補光的主要光源[9]。在植物補光光質的研究中，基于作物葉綠素對紅藍光的高吸收率而多集中在單色紅、藍光及紅、藍不同比例混合光范圍，近年來研究認為紅、藍光并非作物補光的最佳光質組合[10‐11]，白色LED 光在作物所需的光譜研究中逐漸被重視，并應用于植物工廠中[12‐13]。利用白色LED全光譜分布特性，結合紅、藍LED混合光對作物生長發育和光合作用的研究更貼近實際生產[14]。水分管理是培養優質壯苗的重要條件[15]，研究表明，基質相對含水率維持在60%～80% 時，黃瓜幼苗光合能力較強[16]；基質相對含水率維持在90%時幼苗生長指標和生理指標顯著優于其他處理[17]。

已有對黃瓜幼苗形態生長的研究多集中在光照或灌溉單因素方面，針對光水耦合的研究較少。為進一步明確在人工光源環境下光質和灌溉量對蔬菜育苗的影響，本研究探索不同光質配比、不同基質含水量對黃瓜幼苗形態建成、生長發育和光合特性的影響，以期為設施黃瓜育苗精準化光環境參數和水分管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2022年2—3月在新疆農業科學院農業機械化研究所院內玻璃連棟溫室內進行（43.82°N、87.62°E），環境溫度白天23～28 ℃，夜間12～16 ℃。

試驗用黃瓜品種為中農28號，由中國農業科學院蔬菜花卉研究所選育。LED光源由北京盛陽谷科技有限公司提供，T5直管，長1 200 mm，額定功率16 W。采用50穴穴盤育苗，育苗基質配比為草炭、蛭石和珍珠巖體積比為3∶1∶1。復配基質容重0.29 g·cm-3、總孔隙度69%、通氣孔隙度9%、持水孔隙度60%、pH 5.42、電導率504 μS·cm-1。

1.2 試驗方法

設補光光質和基質含水量2個參試因子，其中補光光質設置白、紅配比2∶1（L1）、全白光（L2）、白、紅、藍配比2∶1∶1（L3）3個處理，設置基質含水量分別為55%（W1）、75%（W2）和95%（W3），以自然光照射下基質含水量75%為對照（CK），共10個處理（表1），每個處理3個重復，每個重復12株。

試驗采用穴盤育苗，播種14 d后將長勢一致的1葉1心幼苗移植于常規黑色營養缽中（上口徑9 cm、高9 cm），每個營養缽裝基質140.5 g，待幼苗長至2葉1心時開始處理。本試驗白天接受自然光，夜間不同補光處理時間統一設置為4 h（20：00—24：00）。灌溉量測定參考郭永青等[18]和李建明等[19]方法，選定1組幼苗為標定灌溉參考組，對該組苗缽中的植株進行飽和灌溉，控水24 h后稱重標記質量Wa，灌溉前稱重標記質量Wb，騰發量（evapotranspiration，ET）參照公式（1）計算。從第2次處理開始，將上次選定為標定灌溉參考組的植株在第1次飽和灌溉后控水24 h稱重記為Wa1，本次灌溉前稱重記為Wb1，騰發量為Wa1與Wb1差值。試驗組單次灌溉量按標定灌溉組單株騰發量的95%、75% 和55% 共3個梯度進行。當75%處理組基質含水量小于40%時進行灌溉，灌溉量采用ET稱重法，依據標定灌溉參考組的騰發量確定新的灌溉量。

調整光源高度，使各處理幼苗冠層光照強度約為250 μmol·m?2·s?1，使用PLA-20 植物光照分析儀（杭州遠方）測定光照強度和光源分布。用定時器控制補光時間。每隔7 d天追施300倍黃腐酸磷酸二氫鉀復合水溶肥（黃腐酸≥100 g·L?1，氮磷鉀總養分≥400 g·L?1）。

1.3 指標測定與方法

1.3.1 形態指標測定 每7 d 各處理隨機選取3 株黃瓜幼苗，用直尺測量黃瓜幼苗的株高（seedling height，SH）、最大葉長（leaf length，LL）和葉寬（leaf width， LD），采用相關系數法[20]根據公式（2）計算最大葉面積（maximum leaf area，MLA）。

采用游標卡尺測定黃瓜子葉下方垂直子葉方向1 cm 處直徑即為莖粗（ stem diameter， SD）。在黃瓜3葉期，各處理隨機選取3株幼苗，剪取莖、葉、根部，分別測定地上部、地下部鮮質量和干質量，根據公式（3）計算壯苗指數（seedling index，SI）[21]，根據公式（4）計算根冠比[21]。

根系的測量：每個處理隨機抽取3株幼苗，用自來水將根系基質沖洗干凈，用濾紙擦干，采用Microtek根系掃描儀獲取植株根系圖像，使用根系分析軟件對掃描的圖片進行數據分析，得到根長（root length，RL）、根尖數（tips number，TN）、根表面積（root surface area，RSA）和根系體積（rootvolume，RV）參數。

葉片葉綠素含量（SPAD）測定：選擇晴朗無云天氣在11：00—12：00采用葉綠素儀SPAD-502Plus（柯尼卡美能達，日本）測量黃瓜幼苗第3片葉（避開葉脈），每株重復3次，取平均值。

1.3.2 葉片相對含水率測定 參照高俊鳳[21]的方法，各處理組隨機選取3株，每株采1片長勢基本一致的完整葉片，稱其鮮質量（Wf ），然后將其浸入裝有蒸餾水的培養皿中浸泡24 h，用吸水紙吸干葉片表面水分稱重即得飽和狀態質量（Wt ），最后將葉片置于烘箱內80 ℃烘至質量恒定，稱其干質量（Wd），跟據公式（5）計算葉片相對含水率（relativewater content，RWC）。

1.3.3 光合指標的測定 選取相同葉位的功能葉片（從上往下數第3 片葉），各處理組隨機選取3株，每株測1片葉的3個部位，于晴天上午11：00左右，采用LI-6400XT 便攜式光合儀，測定葉片凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr ）、氣孔導度（stomatalconductance，Gs ）和胞間CO2 濃度（intercellular CO2concentration，Ci ）。

1.3.4 酶活性測定 各處理組隨機選取3株節位相同的葉片，過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用紫外線吸收法[22] 測定；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑法[22]測定；過氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈創木酚比色法[23]測定；丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[24]測定。

1.3.5 綜合評價分析 ①隸屬函數分析。應用隸屬函數法對試驗黃瓜幼苗各項測試指標進行標準化處理，正向指標（株高、莖粗、葉面積、壯苗指數、根冠比、相對含水率、Pn、Gs、Ci、Tr、CAT、POD、SOD、根長、根表面積、根系體積、根尖數）依據式（6）計算隸屬函數值，負向指標（MDA）則用反隸屬函數進行轉換，依據式（7）計算隸屬函數值[15]。

式中，i 為測試的某個處理，j 為測試的某個指標，R （Xij ）表示第i 個處理的第j 個指標的隸屬度函數值，Xij 表示第i 個處理的第j 個指標的測試數據值，Xj min 為第j 個指標的最小值，Xj max 為第j 個指標的最大值。

②權重的確定。根據各測試指標的變異系數與該項指標變異系數總和的比值確定，根據公式（9）計算各處理的綜合評價值（Di）。

式中，Wj 值表示第j 個指標在所有指標中的重要程度，CVj 為第j 個指標的變異系數。

1.4 數據分析

采用Excel 2016軟件對數據進行處理，利用SPSS-Statistics 20. 0軟件對數據進行方差分析，差異顯著性分析采用Duncan法進行檢驗（Plt;0.05），圖表中的數值以平均值±標準差方式表示，圖用Origin 9.9軟件制作。

2 結果與分析

2.1 光質和基質含水量對黃瓜幼苗形態指標和葉綠素含量的影響

由表2可知，在同一光質條件下，植株的株高隨著基質含水量的增加而增加，在每種光照中均表現出W1處理的株高顯著低于W2和W3處理，W2和W3處理間差異不顯著。同一光質條件下，不同水分處理間莖粗差異不顯著。在L1光質條件下，W3處理的最大葉面積顯著大于W2處理；L2光質條件下，不同水分處理間最大葉面差異不顯著；在L3光質條件下，W3處理的最大葉面積顯著大于W1和W2處理。在壯苗指數方面，在L1和L2光質條件下，各水分處理間差異不顯著；在L3光質條件下，W3處理的壯苗指數顯著大于W1和W2處理。在L1光質條件下，W3處理根冠比顯著低于W1和W2處理；在L2光質條件下，W1處理根冠比顯著大于W2和W3處理；在L3光質條件下，各水分條件下根冠比差異均不顯著。3組補光處理中，各灌溉處理SPAD和葉片相對含水率變化差異不顯著。

在同一基質含水量條件下，光質對黃瓜幼苗形態指標的影響不盡相同。W1條件下，L2光質處理植株的株高和莖粗均高于L1光質處理。W2條件下，所有光質處理的株高和莖粗差異均不顯著，但L1和L2處理的株高顯著高于對照。W3條件下，L2光質處理植株的株高顯著高于L3處理，莖粗無顯著差異。在最大葉面積方面，在W2條件下，3種補光下的最大葉面積均顯著小于對照。在根冠比方面，在W1條件下，所有光質處理間差異均不顯著；在W2條件下，所有光質處理以及對照間差異均不顯著；W3條件下，L1處理的根冠比顯著小于L3處理。就壯苗指數而言，W1條件下，所有光質處理差異均不顯著；在W2條件下，L3光質處理的壯苗指數顯著小于L2 處理，其余差異不顯著；在W3條件下，L3光質處理的壯苗指數顯著大于其他光質處理，其余差異不顯著。相較于對照，補充紅藍光有利于植株葉綠素含量的增加，白光（L2）處理的 SPAD 與對照均無顯著差異，L1W2和 L3W3處理的SPAD 與對照顯著差異，其余差異不顯著。不同光質處理間葉片相對含水率均無顯著差異，但L2W1處理的葉片相對含水率顯著大于對照。

2.2 光質和基質含水量對黃瓜幼苗光合作用的影響

由表3可知，在L1光質條件下，不同水分處理的植株Pn、Gs、Tr差異均不顯著，但W2處理黃瓜幼苗葉片Ci顯著高于其他2個水分處理。在L2光質條件下，W2處理的Pn、Gs、Tr顯著高于W1處理，W2處理的Ci顯著高于其他2個水分處理。L3光照條件下，W1處理Pn、Gs和Tr顯著小于其他2個水分處理，3個水分處理的Ci均無顯著差異。

在W1條件下，Pn和Gs在不同光質條件下無顯著差異，L2處理的Ci顯著低于其他2個光質處理；L3處理的Tr顯著高于L1處理。在W2條件下，不同光質處理的Pn和Gs無顯著差異，L1處理的Ci顯著高于L2處理，L1處理的Tr顯著低于其他光質處理和CK。在W3條件下，不同光質處理的Pn無顯著差異，L3處理的Gs和Tr顯著大于其他2個處理，不同光質處理的Ci均有顯著差異，且L3W3gt;L1W3gt;L2W3。

2.3 光質和基質含水量對黃瓜幼苗葉片酶活性和MDA 含量的影響

由表4可知，在L1光質條件下，不同水分處理的CAT和SOD活性均差異顯著，CAT活性表現為L1W1gt;L1W3gt;L1W2，SOD 活性表現為L1W2gt;L1W1gt;L1W3；W2 處理的POD 活性顯著高于其他2 個處理，MDA含量顯著低于其他2個處理。在L2光質條件下，不同水分處理的CAT酶活性均差異顯著，表現為L2W3gt;L2W1gt;L2W2；W1處理POD活性顯著小于W3；W2處理SOD活性顯著大于其他2個處理；MDA含量在不同水分處理間差異不顯著。在L3光質條件下，植株的CAT活性在不同水分處理間差異顯著，表現L3W1gt;L3W3gt;L3W2；POD 活性和MDA含量在各水分處理間差異不顯著；W2處理的SOD活性顯著大于其他2個處理。

在W1條件下，3種光質處理的CAT活性差異顯著，表現為L3W1gt;L1W1gt;L2W1；L2 光質處理的POD活性顯著低于其余2個處理；3種光質處理的SOD 活性值差異顯著，表現為L1W1gt;L3W1gt;L2W1；L1 處理的MDA 含量顯著高于其他2個處理。在W2條件下，3種光質處理的CAT活性有顯著差異，表現為L3W2gt;L2W2gt;L1W2，其中L1和L2光質下CAT活性均顯著小于CK；L1處理和CK的POD活性均顯著高于L2處理，L1處理的POD活性還顯著高于L3光質處理；3種光質處理和CK的SOD活性均有顯著差異，表現為L1W2gt;L3W2gt;L2W2gt;對照；L1光質處理的MDA 含量顯著高于L2 光質處理及CK，L2和L3 光質處理的MDA 含量顯著高于CK。在W3條件下，L1光質處理的CAT活性顯著高于L3，且L1和L3 光質處理的CAT活性都與L2 光質處理差異不顯著；3種光質處理POD活性無顯著差異；L2光質處理的SOD活性顯著小于其他2個處理；L1光質處理的MDA含量顯著大于其他2個處理。

2.4 光質和基質含水量對黃瓜幼苗根系形態的影響

如圖1所示，在L1光照條件下，不同水分處理植株的根長和根尖數均差異不顯著，W3水分處理的根表面積和根系體積顯著高于W1。在L2光照條件下，不同水分處理植株的根長、根表面積、根體積和根尖數差異不顯著。在L3光照條件下，不同水分處理植株的根長和根尖數差異不顯著；W2水分處理的根表面積和根系體積顯著大于其他2個處理。

在W1水分條件下，植株的根長、根表面積、根系體積和根尖數在3 種補光條件下差異均不顯著。在W2水分條件下，植株的根長在3種補光條件下和CK差異不顯著；根表面積和根系體積在L1和L2 光照條件下和CK差異不顯著，且都顯著小于L3光質處理；根尖數在L1光質下顯著高于L2和L3光質處理且與CK差異不顯著。在W3水分條件下，植株的根長、根表面積、根系體積在3種補光條件下差異均不顯著；L1光質處理的根尖數顯著大于L2光質處理。

2.5 綜合評價

應用模糊隸屬函數法對黃瓜幼苗各項測試指標進行標準化處理，根據各測試指標的變異系數與該項指標變異系數總和的比值確定其權重，計算求得綜合評價值并進行排序。由表5可知， 補光光質和基質含水量對黃瓜幼苗形態生長最有利的處理組合前5名依次為L3W3、L3W2、L1W2、L1W3和L2W3 處理。在3 組補光試驗中各組均表現出W1水分處理得分最低，L2和L3光質處理中W3優于W2水分處理，L1光質處理中W2優于W3水分處理。在表5所列的19種評價指標中，酶活指標CAT和Tr以及Gs所占重要程度較大，權重分別為0.121、0.117和0.102，說明在這19種評價指標中酶活指標CAT和Tr、Gs可以較好地反映補光光質和灌溉量對黃瓜幼苗形態調節和光合特性的影響。

3 討論

植株生長的形態差異是其對生長環境最直觀的反映，不適宜的光照和水分使植株的生長受到抑制，從而影響植株的形態建成[25]。本研究發現，基質含水量增大對黃瓜幼苗株高和葉面積的增長有顯著促進作用，其影響顯著高于其他指標。在W2水分處理下，3組補光的植株最大葉面積相較CK顯著減小，這與楊亞娜等[1]在櫻桃番茄上的研究結果類似，即在光照充足的情況下，植株通過減少葉面積以降低蒸騰消耗來保護葉片不受傷害。本研究中，在L1和L2光質條件下的3組水分處理中，在低水分條件下，即W1水分條件下黃瓜植株的根冠比處于最高值，這與齊紅巖等[26]和楊亞娜等[1]的研究結果一致，說明水分虧缺對黃瓜根系會產生刺激作用，植株在水分脅迫的條件下會依賴根系的生長以適應不良環境。根系的這一功能一方面增加了水分利用效率，另一方面也是植物開啟自我保護免受逆境脅迫的一種自救方式。

光合作用是植物體生長過程中的重要生理活動，直接影響作物各器官的功能和生長發育，水分和光照又是影響光合作用的主要因素[27]。祁娟霞等[28] 研究發現，灌水量增加對植株光合作用指標（Pn、Gs、Ci和Tr）的影響效果是正向的，這與本研究關于黃瓜植株光合作用中L3 補光組研究結果一致。補光光質和灌溉量與植株的光合作用關系密切，水分虧缺會抑制植株的光合作用，本研究中表現為在L3 處理下，W2 和W3 水分條件下植株的光合特性指標大于W1處理。Tr在L1和L3光照條件下，相同水分處理間差異顯著，且L3 處理大于L1處理。本研究中，Gs和Tr在W1水分處理下處于最小值，說明在短期干旱脅迫下，植物可以通過減少氣孔開度和蒸騰速率來提高水分利用率，從而最大限度地減少水分虧缺對植株造成的潛在損失。

當植物生長環境受到脅迫時細胞中會積累大量的活性氧，該物質對植物生長發育有毒害作用，當大量的活性氧等有害物質嚴重損傷植物細胞組分時，植物體內會快速啟動抗氧化系統來清除或者中和多余的活性氧以維持正常生長[29]。李璇等[30]認為，植物體內的抗氧化系統主要有3種抗氧化酶SOD、CAT和POD。本研究表明，L1補光組和L3補光組水分虧缺即在W1水分條件下的CAT酶活性最高，與其他2個水分處理差異顯著；L2補光組的W1水分處理的CAT酶活性顯著高于W2處理，但顯著小于W3處理；L1補光組在W1水分條件下的MDA含量顯著高于W2處理。在水分脅迫下植物體內產生過量的活性氧使細胞膜脂過氧化，積累大量MDA來毒害植物細胞，CAT為了消除活性氧中的H2O2保護植物而活性增加，這一現象與其他學者的研究結果相同[31‐32]。本研究還發現，在W1和W2水分條件下，L3補光組中的CAT活性顯著高于其他2個光照處理；L1補光組中的POD活性較好，SOD活性顯著高于其他2個光照處理；在W2和W3水分條件下，L2補光組中的MDA含量顯著小于L1補光組；3組補光處理植株的SOD活性和MDA含量均高于對照，且差異顯著。本研究中黃瓜幼苗的抗氧化酶活性在該試驗中的變化各不相同，說明抗氧化酶之間可能存在耦合作用關系。