低溫弱光脅迫對(duì)設(shè)施黃瓜葉片面積與干物質(zhì)量的影響

唐衛(wèi)東，劉振文，劉冬生，胡雪華

(井岡山大學(xué) a.農(nóng)作物生長重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.電子與信息工程學(xué)完；c.生命科學(xué)學(xué)院，江西 吉安 343009)

低溫弱光是設(shè)施農(nóng)作物越冬和早春季節(jié)生產(chǎn)中最具威脅性的逆境之一。研究表明，低溫弱光脅迫對(duì)黃瓜等喜溫作物生育期葉片的形態(tài)功能影響較大，可導(dǎo)致葉片大小、比葉質(zhì)量與葉綠素含量等變化出現(xiàn)異常。由于葉性狀特征能夠較好地反映作物生長發(fā)育狀況及其與外部環(huán)境之間的作用關(guān)系，從不同角度研究葉性狀特征及其與環(huán)境因子的相互關(guān)系，以便進(jìn)一步探索作物生長對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，是近年來國內(nèi)外學(xué)者廣為關(guān)注的問題。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)與數(shù)字農(nóng)業(yè)等技術(shù)的快速發(fā)展，深入探索低溫弱光脅迫下葉片形態(tài)變化有助于作物生長動(dòng)態(tài)的定量分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測。

為探究葉性狀對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，人們常根據(jù)葉性狀生理特征的變化來探尋滿足作物生長所需的溫光環(huán)境等。陳春宏等研究了光合有效輻射對(duì)黃瓜葉片光合作用、器官發(fā)育、干物質(zhì)累積與分配等的影響。有文獻(xiàn)研究了溫度變化對(duì)黃瓜葉片光合速率、蒸騰速率、葉綠素組成結(jié)構(gòu)與含量的影響，進(jìn)而探尋了光強(qiáng)對(duì)黃瓜葉片光合產(chǎn)物積累與代謝功能的影響。已有成果較好地研究了外部環(huán)境因子對(duì)葉性狀特征及其變化的作用規(guī)律，但是多數(shù)以單因素對(duì)葉性狀特性的影響研究為主。例如，現(xiàn)有研究大部分致力于溫度或光照對(duì)葉片形態(tài)參數(shù)、光合特性等性狀的作用，但實(shí)際上溫度往往與光照等其他環(huán)境因子共同影響葉性狀的變化，而探究多因素對(duì)葉性狀及其特性變化的影響尚不夠深入。目前大多成果主要集中于探究黃瓜葉性狀及其受外部環(huán)境因子影響規(guī)律，缺乏在多重逆境下針對(duì)不同葉齡葉片形態(tài)變化的深入研究。研究表明，與單一逆境脅迫相比，作物在低溫弱光等多重逆境作用下其葉片大小、形狀、葉柄大小與葉片表面附屬結(jié)構(gòu)特征之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大田作物低溫弱光脅迫響應(yīng)研究方面做了大量工作，但是目前有關(guān)低溫弱光對(duì)設(shè)施園藝作物葉片形態(tài)變化的影響研究較少，尤其是低溫弱光對(duì)黃瓜不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響尚未見報(bào)道。探討低溫弱光對(duì)黃瓜不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響，既可以為逆境下作物葉性狀特征的分析和預(yù)測提供支持，也能為溫室環(huán)境管理與優(yōu)化調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以水果型黃瓜品種碧玉3號(hào)為試材，該品種為全雌無限生長型。通過組培育苗，待黃瓜幼苗長至2葉1心時(shí)，選取長勢一致的幼苗定植于溫室中，緩苗2周后開始進(jìn)行低溫弱光脅迫試驗(yàn)。黃瓜栽培采用枕式袋裝，袋內(nèi)基質(zhì)為珍珠巖與蛭石(質(zhì)量比為2∶1)。每袋種植4株，栽培密度為2.4株·m，株行間距均勻。在黃瓜栽培管理時(shí)，除植株第3節(jié)以下，其余節(jié)位均保留1個(gè)花芽，及時(shí)摘除側(cè)枝和卷須。試驗(yàn)采用營養(yǎng)液滴灌并按照設(shè)施無土栽培技術(shù)要求進(jìn)行常規(guī)管理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年11月—2019年3月在井岡山農(nóng)業(yè)園人工可控溫室內(nèi)進(jìn)行。每個(gè)溫室頂高4.5 m，肩高4.0 m，寬6.0 m，長20.0 m。在溫室內(nèi)搭架并在其上覆蓋黑色遮陽網(wǎng)，架高2.5 m。按照溫度變化范圍設(shè)置1個(gè)對(duì)照與3個(gè)低溫脅迫處理，晝溫分3個(gè)時(shí)段(即4-6-4 h)設(shè)定，夜溫不變(10 h)。各處理及其溫度設(shè)定分別為：對(duì)照組(CK)，晝溫20-25-20 ℃，夜溫20 ℃；輕度低溫脅迫(T1)，晝溫15-20-15 ℃，夜溫15 ℃；中度低溫脅迫(T2)，晝溫10-15-10 ℃，夜溫10 ℃；重度低溫脅迫(T3)，晝溫5-10-5 ℃，夜溫5 ℃。

同時(shí)，用遮陽網(wǎng)對(duì)自然光進(jìn)行遮光處理，在每個(gè)低溫脅迫處理下按照光量子通量密度(photosynthetic photon flux density，PPFD)變化范圍設(shè)置1個(gè)對(duì)照與3個(gè)弱光脅迫，同樣，白天分3個(gè)時(shí)段(即4-6-4 h)進(jìn)行遮光處理，夜間恒定(10 h)。各處理及其PPFD分別設(shè)定為：對(duì)照(CL)，白天500-600-500 μmol·m·s，夜間400 μmol·m·s；輕度弱光脅迫(L1)，白天300-400-300 μmol·m·s，夜間200 μmol·m·s；中度弱光脅迫(L2)，白天150-200-150 μmol·m·s，夜間100 μmol·m·s；重度弱光脅迫(L3)，白天50-100-50 μmol·m·s，夜間50 μmol·m·s。

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究溫度和光照組合對(duì)黃瓜葉片面積與干物質(zhì)量變化的影響。采用2因素4水平的正交試驗(yàn)，溫度的1、2、3、4水平分別與CK、T1、T2、T3一致，光照的1、2、3、4水平同CL、L1、L2、L3一致。正交試驗(yàn)組合見表1，共設(shè)16個(gè)復(fù)合處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。CO釋放由CO人工鋼瓶提供，濃度控制在(400±5)μmol·mol，相對(duì)濕度控制在75%。在上述不同處理下分別隨機(jī)選取長勢相當(dāng)?shù)?棵植株作為樣本進(jìn)行觀測。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal design of experiment

1.3 觀測指標(biāo)

考慮到黃瓜葉片在生育期內(nèi)的形態(tài)變化特性，且單葉從出葉到定形大約15～25 d，分別對(duì)葉齡為5、10、15、20、25 d且葉序?yàn)?5的葉片進(jìn)行監(jiān)測，測量葉面積、葉和植株的干物質(zhì)量。

溫室內(nèi)外的溫度、光照、濕度等環(huán)境信息主要通過溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的相應(yīng)傳感器獲得。葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)信息采取破壞性和非破壞性方式并通過常規(guī)觀測方法獲得。采用托普云農(nóng)葉面積測定儀采取非破壞性方式測定樣本的葉面積，采取破壞性方式測定葉片與植株干物質(zhì)量，先將采摘的新鮮葉片、根莖等器官放入干燥箱中，105 ℃殺青30 min后，60 ℃干燥至質(zhì)量恒定，冷卻后再用天平稱量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和繪圖，利用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件下葉面積與干物質(zhì)量的變化

從圖1可以看出，溫度為CK條件下，當(dāng)弱光等級(jí)相同時(shí)，葉片葉面積隨著葉齡增長逐漸增大，不同葉齡葉片面積存在顯著差異(<0.05)，當(dāng)葉齡超過15 d后，葉面積增加緩慢，超過20 d，葉面積基本不再增加。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡葉面積均呈減少趨勢。

溫度為CK條件下，當(dāng)弱光等級(jí)相同時(shí)，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長均呈顯著(<0.05)增加趨勢。相較于其他不同葉齡，當(dāng)葉齡為5～20 d時(shí)干物質(zhì)量增長幅度較大，當(dāng)葉齡為20～25 d時(shí)的干物質(zhì)量增長幅度較小。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈減少趨勢，表明葉片與植株的干物質(zhì)量隨葉齡增長和弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(shí)，葉片與植株的干物質(zhì)量增長幅度下降。

同處理各葉齡后不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)，下同。Different lowercase letters behind the leaf ages in the same treatment indicated significant differences (P<0.05).The same as below.圖1 CK條件下弱光脅迫對(duì)不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.1 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under CK

輕度低溫脅迫下(處理T1)，各弱光脅迫的黃瓜不同葉齡葉片葉面積、葉干物質(zhì)量和植株干物質(zhì)量變化規(guī)律基本與CK處理?xiàng)l件下變化情況一致(圖2)。

圖2 輕度低溫處理下弱光脅迫對(duì)不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.2 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under mild low temperature

在中度低溫脅迫下(T2處理)，不同葉齡葉片的葉面積與CK、T1處理相比均有一定程度下降，如圖3所示。當(dāng)弱光等級(jí)相同且葉齡為5～15 d時(shí)，葉面積隨著葉齡增長均呈顯著(<0.05)增加趨勢；當(dāng)葉齡為15～25 d時(shí)，葉面積增長變緩。此外，隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉面積均呈減少趨勢。以上結(jié)果表明，葉面積隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(shí)(超過15 d)，葉面積基本不再增加。

圖3 中度低溫處理下弱光脅迫對(duì)不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.3 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under moderate low temperature

在中度低溫脅迫下(T2處理)，當(dāng)弱光等級(jí)相同時(shí)，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長呈增加趨勢。葉齡為5～15 d時(shí)干物質(zhì)量增長幅度較大，各處理差異顯著(<0.05)；葉齡為15～25 d時(shí)干物質(zhì)量增長幅度較小。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈降低趨勢。表明葉片與植株干物質(zhì)量隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(shí)(超過15 d)，葉片與植株干物質(zhì)量增長幅度下降。

重度低溫脅迫下(T3處理)，不同葉齡葉片的葉面積與CK、T1、T2處理相比均有一定程度下降(圖4)。當(dāng)弱光等級(jí)相同且葉齡為5～10 d時(shí)，葉片的葉面積隨著葉齡增長呈顯著(<0.05)增加趨勢；當(dāng)葉齡為10～25 d時(shí)，葉片的葉面積增長減緩。此外，隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉面積均呈減少趨勢。這表明葉面積隨葉齡增長與弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(shí)(超過10 d)，葉面積基本不再增加。當(dāng)弱光等級(jí)相同時(shí)，葉片與植株的干物質(zhì)量隨著葉齡增長呈增加趨勢。5～10 d葉齡的干物質(zhì)量增長幅度較大，10～25 d葉齡的干物質(zhì)量增加緩慢。隨著弱光脅迫的加劇(由L1到L3)，不同葉齡的葉片與植株干物質(zhì)量均呈降低趨勢。這表明葉片與植株干物質(zhì)量隨葉齡增長和弱光脅迫的減弱而不斷增加，但當(dāng)葉齡增長到一定程度時(shí)(超過10 d)，葉片與植株干物質(zhì)量增長幅度較小。

圖4 重度低溫處理下弱光脅迫對(duì)不同葉齡葉片面積與干物質(zhì)量的影響Fig.4 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under severe low temperature

2.2 不同溫度條件下葉面積與干物質(zhì)量的變化

與CK相比，輕度低溫脅迫下(T1處理)，不同弱光脅迫下不同葉齡的葉片葉面積均降低；其中，L1、L2條件下，葉齡為5～20 d的葉面積下降幅度相對(duì)較小(最大為15.8%)，葉齡為20～25 d的葉面積下降幅度小于3%。中度低溫脅迫下(T2處理)，不同弱光脅迫下不同葉齡的葉片葉面積與CK相比均降低；其中，L1、L2條件下，葉齡為5～15 d的葉片葉面積下降幅度較大(最大為19.5%)，而葉齡為15～25 d的葉片葉面積下降幅度相對(duì)較小(小于6.8%)；在L3條件下，與CK對(duì)比，相較于其他葉齡，葉齡為5～15 d的葉片葉面積下降幅度均相對(duì)較大(達(dá)到28.8%)。重度低溫脅迫下(T3處理)，與CK對(duì)比，葉齡為5～20 d的葉面積下降幅度均相對(duì)較大(達(dá)到25.2%)。這表明葉片從發(fā)育初期到迅速伸展期(葉齡為5～15 d)，葉片葉面積受低溫弱光脅迫影響較大，而當(dāng)葉片發(fā)育成熟后(葉齡為15～25 d)葉面積受低溫弱光脅迫影響較小，變化幅度較小。

與CK中不同弱光脅迫的葉片干物質(zhì)量相比，不同程度的低溫脅迫下(T1～T3處理)不同葉齡的葉片干物質(zhì)量均降低，且變化規(guī)律與對(duì)應(yīng)的葉面積一致，只是變化幅度相對(duì)較小。其中，L1和L2處理(PPFD大于100 μmol·m·s)中，葉齡為5～20 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度較大(最大為10.6%)，而葉齡為20～25 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度相對(duì)較小(小于2%)。L3處理(重度弱光脅迫)與CK相比，葉齡為5～20 d的葉片干物質(zhì)量下降幅度均相對(duì)較大(達(dá)到20.3%)。表明葉片從發(fā)育初期到迅速伸展期，葉片干物質(zhì)量受低溫弱光脅迫影響較大，而當(dāng)葉片發(fā)育成熟后，葉片干物質(zhì)量受低溫弱光脅迫影響較小。

3 討論

3.1 連續(xù)弱光對(duì)不同葉齡葉片形態(tài)變化的影響

葉片在生育期不同階段對(duì)光照需求與敏感程度不一樣。葉片在發(fā)育初期主要依靠其他源器官合成的同化物來保證其正常生長，此時(shí)外部光照對(duì)葉片生長影響較小。當(dāng)葉片進(jìn)入迅速伸展期，葉片從吸收有機(jī)物(同化物)的庫器官開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┩锏脑雌鞴?，此時(shí)外部光照對(duì)葉片生長影響較為顯著。本研究中，在滿足一定溫度前提下，當(dāng)葉齡小于5 d時(shí)，弱光脅迫對(duì)葉片葉面積增長與干物質(zhì)量積累影響較小；當(dāng)葉齡為5～15 d時(shí)，隨著弱光脅迫的加劇，葉片葉面積與干物質(zhì)量不斷下降且變化明顯。當(dāng)葉齡大于15 d時(shí)，由于葉片生長逐漸成熟，此時(shí)，隨著弱光脅迫的加劇，葉片葉面積增長幅度較小且干物質(zhì)量呈下降趨勢。這表明葉片進(jìn)入成熟期后葉面積受到弱光脅迫的影響較小，而且弱光促使葉片將光合產(chǎn)物向其他庫器官輸送同化物的能力顯著增強(qiáng)，這與前人相關(guān)研究結(jié)果基本一致。

3.2 不同程度的低溫弱光脅迫對(duì)葉片形態(tài)變化的影響

受植物器官種類與生育期特性等因素影響，葉片在生長過程中對(duì)溫度、光照的敏感性和需求水平有所差異。因此，為避免因外部環(huán)境脅迫導(dǎo)致葉片生長出現(xiàn)異常，及時(shí)掌握葉片在不同生育期所需的溫度與光照條件對(duì)于植物生長及其環(huán)境監(jiān)測至關(guān)重要。常溫下適度的光照不僅有利于黃瓜葉片進(jìn)行光合作用而且也是確保作物正常生長發(fā)育的必要條件，低溫下弱光使得光合速率下降，并對(duì)葉片光合功能造成一定傷害，從而導(dǎo)致葉片形態(tài)變化受到抑制。本研究中，PPFD大于200 μmol·m·s時(shí)，溫度為15～25 ℃能夠確保不同葉齡的葉片正常生長，表明輕度低溫脅迫基本不影響葉片的正常生長發(fā)育；當(dāng)PPFD小于200 μmol·m·s，溫度過低(中度低溫脅迫)對(duì)葉片形態(tài)變化有一定影響，此時(shí)處于迅速伸展期(葉齡5～15 d)的葉片由于低溫下受到光抑制影響，葉面積增長量明顯減少，但葉片與植株的干物質(zhì)量有所增加，這與前人的研究結(jié)果基本一致。在重度低溫脅迫下，當(dāng)光照由中度弱光(L2)轉(zhuǎn)為重度弱光(L3)時(shí)，雖然葉片葉面積無明顯變化，但葉片與植株的干物質(zhì)量有所減少。這表明當(dāng)溫度為5～10 ℃，PPFD為0～100 μmol·m·s時(shí)，雖然葉片光合生產(chǎn)能力下降，但并未導(dǎo)致葉片生長代謝過程出現(xiàn)停滯，反而在一定程度上促進(jìn)了葉片形成的光合產(chǎn)物在不同器官之間的輸送與分配。

4 結(jié)論

輕度的低溫弱光(15～20 ℃，PPFD為200～400 μmol·m·s)脅迫對(duì)黃瓜葉片的正常發(fā)育不構(gòu)成顯著威脅；在中度低溫(10～15 ℃)與弱光(PPFD為100～200 μmol·m·s)脅迫下，處于伸展期(葉齡5～15 d)的葉片葉面積增長量明顯減少，葉干物質(zhì)量有所增加；而重度低溫(5～10 ℃)與弱光(0～100 μmol·m·s)條件下葉齡小于15 d的葉片形態(tài)發(fā)育基本停滯。由此可知，黃瓜生產(chǎn)中應(yīng)避免中度以上低溫弱光脅迫(5～15 ℃，PPFD為0～200 μmol·m·s)對(duì)黃瓜生長發(fā)育的影響。