覆施稻壳对大棚黄瓜生长及抗霜霉病的影响

赵 琳, 赵丽丽, 王成港, 王玉姣, 朱春原, 张修国,*

(1.山东农业大学 生命科学学院, 山东省蔬菜病虫生物学重点实验室, 山东 泰安 271018; 2.山东农业大学 植物保护学院, 山东省蔬菜病虫生物学重点实验室, 山东 泰安 271018; 3.山东师范大学 生命科学学院, 山东 济南 250013)

0 引言

【研究意义】黄瓜(CucumissativusLinn)属于葫芦科蔬菜,由于营养丰富且美容养颜等功效深受人们喜爱,在中国广泛种植[1],但是随着黄瓜种植地在世界范围内的逐渐扩大,黄瓜霜霉病的传播与危害越来越难控制,严重地影响黄瓜等蔬菜的产量与品质。黄瓜霜霉病可以侵染葫芦科大约20个属40个种[2],在黄瓜、甜瓜、南瓜和西瓜上危害尤为严重[3]。目前对霜霉病的防治主要采取化学防治手段,但带来的农药残留、抗病性与环境污染等问题日益突出[4],急需一种新型绿色防控技术,通过减少化学农药使用量提高蔬菜的产量和质量。稻壳为水稻稻粒脱壳后的残留物,我国稻壳产量一直居世界首位且逐年增加[5],高温堆积可使稻壳中纤维、蛋白等有机物分解,增加营养物质的含量,晾晒后覆施于田地中可有效阻止土壤营养成分的散失,增加土壤温度与水分的同时促进作物长势,增强作物抗病性。开展覆施稻壳对作物生长的研究对农业生产上提高作物的经济产量具有现实意义。【前人研究进展】黄瓜霜霉病属高湿低温型病害,在温度≤23 ℃、相对湿度≥80%时发病最严重[6],所以通过改善黄瓜生境可在一定程度上降低甚至控制霜霉病的发生。经前期研究表明,秸秆生物堆反应可以摆脱农业依赖化学农药的局面,同时促进作物增产增质[7]。刘冰[8]明确指出,秸秆反应堆处理后的大棚日平均温度较未处理大棚高2.01 ℃,提高11.34%,在夜间处理后空气湿度明显低于未处理大棚,白天差距不大,但仍低于未处理大棚,秸秆反应堆技术可有效改善温室的环境,调节温室小气候,有利于越冬黄瓜的生长发育,提高果实的品质与产量。地膜覆盖栽培技术可提高地温,保蓄土壤水分,改善土壤物理条件,促进微生物活动,提高土壤速效养分和抑制杂草等良好生态效应,并大幅度提高产量[9];覆盖稻壳可起到防寒保温、提高地温、减少冻层厚度的作用[10-11],可使温室甜瓜增产增收、生长健壮以及改善品质[12]。【研究切入点】目前鲜见经反应堆处理稻壳在冬季黄瓜大棚行间覆施,评价反应堆稻壳处理调控黄瓜大棚生态环境、促进长势及增强黄瓜抗病性的研究报道。【拟解决的关键问题】采用随机区组方法,通过在行间覆盖不同重量的稻壳,探明覆施稻壳对保护地黄瓜长势(株高、茎粗、叶面积)和光合效率,以及黄瓜霜霉病抗病性(发病指数和病原菌危害程度)的影响,以期为黄瓜霜霉病的绿色防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 黄瓜 供试黄瓜品种为津优401,由济南市莱芜明利蔬菜种植专业合作社提供。

1.1.2 稻壳 从济宁市任城区农副产品市场购置。

1.1.3 试剂 台盼蓝母液(0.4 g台盼蓝+200 mL乳酸+200 mL丙三醇+200 mL苯酚+200 mL去离子水),自制;水合氯醛溶液(1 kg水合氯醛+400 mL去离子水),自制;95%酒精,市购。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 将稻壳材料在夏季进行封膜发酵处理20～30 d后备用。黄瓜生长旺盛初期在大棚(连续大棚)行间(行距0.9 m,行长8 m)覆施经反应堆处理的稻壳(图1)。根据覆施稻壳用量试验设3个处理,记为T1、T2和T3,行间分别覆盖15 kg(1 390 kg/667m2)、20 kg(1 853 kg/667m2)和25 kg(2 316 kg/667m2)的稻壳,以未覆施稻壳的黄瓜大棚为对照(CK),试验在同一黄瓜大棚内进行,各处理之间用塑料膜完全隔开,使其相互独立,3次重复。

图1 大棚黄瓜行间稻壳不同覆施量处理示意

1.2.2 指标测定

1) 黄瓜大棚室内温度和湿度。黄瓜幼苗移栽前,在上述3个处理大棚和对照棚内均匀选取5处,将温度计和湿度计悬挂离地面约0.6 m,分别在黄瓜团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期于6:00至翌日6:00每隔3 h测定棚内温度、湿度,黄瓜不同生长期温湿度是对每个温湿度统计的平均值,不同时刻温湿度是不同时期各时刻温度、湿度数据的平均值。

2) 植株地上部生长指标。分别在黄瓜团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期采用5点取样选取植株,然后测定黄瓜地上部分的生长指标,包括黄瓜的株高、茎粗、叶面积和叶片叶绿素含量。采用卷尺测量黄瓜植株基部至最高处的长度,每点测定50株,取平均值;使用游标卡尺测量植株茎粗(以单株最粗处为准),每点测定50株黄瓜,取平均值;测定黄瓜叶片的长×宽(叶面积),每株均测量黄瓜植株中部15片叶的长和宽,每点测定50株,取平均值;参照李新[13]的方法采用丙酮乙醇混合液法测定叶片叶绿素含量。

3) 黄瓜植株光合参数。通过5点取样法选取植株,在黄瓜团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期于12:00采用Li-6400型便携式光合测定系统测定植株叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度。

4) 黄瓜霜霉病的危害程度。从黄瓜霜霉病零星发病时开始调查,每隔7 d调查1次,每次调查对角线5点取样,每点调查50株,连续调查5次,观察检测黄瓜霜霉病发病指数及侵染叶片情况。黄瓜霜霉病发病分级标准:0级,黄瓜叶片上无黄瓜霜霉病病斑;1级,霜霉病病斑面积占整个叶片面积的1/4以下;2级,多数病叶少数霜霉病病斑,或少数病叶多数霜霉病病斑;3级,多数病叶多数霜霉病病斑;4级,大部分叶片干枯或死亡。

病情指数=[∑(各级病叶数×各级代表值)/(调查总叶数×最高级代表值)]×100

5) 黄瓜霜霉菌侵染叶片细胞坏死台盼蓝染色。先将台盼蓝母液与95%酒精按体积比1∶2混合制成台盼蓝子液,然后将被侵染的黄瓜叶片放入盛有台盼蓝子液烧杯中沸水水浴2 min;再将黄瓜叶片和台盼蓝染液一同倒入大培养皿,浸泡放置24 h后用水合氯醛脱色,每间隔24 h更换1次水合氯醛,直至叶片脱色完全为止;最后用95%酒精浸泡24 h后舒展叶片,观察侵染面积并拍照。

1.3 数据统计与分析

采用GraphPad Prism 8.0进行数据处理、制表和绘图,并应用SPSS 18.0进行处理间显著性分析。

2 结果与分析

2.1 稻壳不同量处理大棚黄瓜室内温度与湿度

由图2可知,黄瓜团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期稻壳不同量处理(T1～T3)大棚的温度和湿度均与CK存在明显差异,即温度随着稻壳量的增加呈逐渐升高趋势,而湿度呈逐渐降低趋势。

“京津是个大市场，来自全国各地的家庭服务企业都来这里参与竞争。”河北福嫂家政服务有限公司总经理张文杰说，面向京津高端客户需求，河北省应推进复合型、高附加值的管家服务，提供科学化、专业化、综合性的家政服务。他建议河北省培训机构、家庭服务企业应像山东省有“阳光大姐”、湖北省有“木兰花”、四川省有“苏小妹”等服务品牌那样，培育具有河北特点的家庭服务品牌。

注:不同小写字母表示同一时期不同处理间在P<5%水平差异显著,下同。

2.1.1 温度 黄瓜整个生育期T1、T2和T3的平均温度较CK(26.98 ℃)分别提高1.14 ℃、2.14 ℃和3.54 ℃,其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均温度分别较CK提高1.20～3.10 ℃、0.50～3.00 ℃、1.00～4.00 ℃、1.50～3.60 ℃和1.50～4.00 ℃。团棵期、初果期、盛果期和末果期,T3均显著高于其余处理,各处理间差异显著,且均显著高于CK;盛花期,T3显著高于除T2外的其余处理,T3和T2显著高于T1和CK,T1与CK差异不显著。说明,不同稻壳量的施加可明显提高黄瓜大棚温度,从而减小室外温度变化引起的室温变化幅度,确保黄瓜生长每个时期的温度都高于适于黄瓜霜霉病生长繁殖的温度(23℃)。

2.1.2 相对湿度 黄瓜整个生育期T1、T2和T3大棚的平均相对湿度分别较CK明显降低9.03%、15.43%和29.01%。其中,团棵期T3、T2和T1的大棚相对湿度分别较CK降低21.9%、6.98%和4.23%,T1与CK差异不显著,但二者均显著高于T2和T3,T3显著低于其余处理;盛花期T3、T2和T1分别较CK降低27.88%、10.75%和7.95%,初果期降低32.11%、18.33%和10.22%,盛果期降低36.11%、23.66%和13.89%,末果期降低26.33%、17.44%和8.77%,盛花期、初果期、盛果期和末果期各处理间差异显著且均显著低于CK。

2.2 不同稻壳量处理大棚黄瓜地上部的生长特性

由图3可知,黄瓜各生长期(团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期)稻壳不同量处理(T1～T3)黄瓜地上部的生长特性(株高、茎粗和叶片面积)存在差异。

图3 不同稻壳量处理各时段黄瓜地上部的生长特性

2.2.1 株高 黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的平均株高分别较CK(157.98 cm)高11.48 cm、18.33 cm和21.21 cm,其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均株高分别较CK(157.98 cm)提高10.83～22.80 cm、10.20～22.50 cm、10.20～20.20 cm、13.45～20.73 cm和12.70～19.80 cm。团棵期和初果期,T3均显著高于其余处理,各处理间差异显著,且均显著高于CK;盛花期,T3显著高于其余处理,其余处理与CK差异不显著;盛果期,T3与T2差异不显著,但均与T1和CK差异显著;末果期,T1～T3差异不显著,但均显著高于CK。团棵期、盛花期和初果期黄瓜株高随稻壳处理量增加呈明显递增趋势,而在黄瓜生长盛果期至末果期,经(1 390～2 316 kg/667m2)稻壳量处理的黄瓜株高明显递增,但经(1 853～2 316 kg/667m2)稻壳量处理的黄瓜株高几乎无明显变化,可能与黄瓜后期株高生长趋于稳定状态有关。说明,稻壳处理可明显增加黄瓜株高的生长,且T3对黄瓜株高的生长促进作用最显著。

2.2.2 茎粗 黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的平均茎粗分别较CK(2.07 cm)提高0.08 cm、0.26 cm和0.45 cm,其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均茎粗分别较CK提高0.03～0.41 cm、0.10～0.52 cm、0.10～0.52 cm、0.04～0.39 cm和0.15～0.40 cm。团棵期和初果期,T3均显著高于其余处理,各处理间差异显著,且均显著高于CK;盛花期,T3显著高于其余处理,T2显著高于T1和CK,T1与CK差异不显著;盛果期,T3与T2、T1与CK差异不显著,但T3和T2均显著高于T1和CK;末果期,T1～T3差异不显著,但均显著高于CK。团棵期、盛花期和初果期,随稻壳处理量增加黄瓜茎粗呈明显递增趋势,而在黄瓜生长盛果期至末果期,T1～T3的黄瓜茎粗增加幅度不大,可能是黄瓜盛果期与末果期茎粗生长趋于稳定状态。说明,T1～T3可明显增加黄瓜茎粗的生长,且T3对黄瓜茎粗的生长促进作用最显著。

2.2.3 叶面积 黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的平均叶面积分别较CK(339.60 cm2)提高34.80 cm2、51.60 cm2和68.00 cm2,其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均叶面积分别较CK提高4～45 cm2、42～81 cm2、43～78 cm2、41～67 cm2和44～69 cm2。团棵期、盛花期和末果期,T3均显著高于其余处理,各处理间差异显著,且均显著高于CK;初果期,T3与T2差异不显著但均显著高于其余处理,T1～T3与CK差异显著;盛果期,T1～T3差异不显著,但均与CK差异显著。黄瓜生长团棵期叶面积增加幅度明显低于相应处理其余4个生长期,且与CK相比,团棵期黄瓜叶面积增加幅度也较小,可能与团棵期黄瓜叶片生长速度相对缓慢有关。此外,T1～T3的黄瓜盛花期、初果期、盛果期至末果期叶面积呈明显递增趋势,但盛果期与末果期的黄瓜叶面积变化影响相对较小,可能是因为盛果期与末果期黄瓜叶片长势开始变慢。说明,稻壳处理黄瓜可明显促进黄瓜叶面积增长,且T3对黄瓜叶面积增长的促进作用最明显。

2.3 不同稻壳量处理大棚黄瓜的光合参数

由图4可知,T1～T3大棚黄瓜的光合参数存在差异。

图4 不同稻壳量处理黄瓜叶片的参数

2.3.1 叶绿素含量 黄瓜叶片叶绿素含量在团棵期和末果期较低,与团棵期及末果期黄瓜长势较弱有关,从整体看,叶片叶绿素含量从盛花期至初果期逐渐升髙,在初果期达到最髙值,在盛果期和末果期逐渐降低,与2个时期黄瓜的长势开始减弱有关。综合比较发现,经3种不同稻壳量处理(T1～T3)的大棚黄瓜平均叶绿素含量较CK(1.18 mg/g FW)分别明显增加,黄瓜5个关键生育期叶绿素含量平均增加10.49%～24.53%,其中,T3的黄瓜在5个关键生育期叶绿素含量均较T1和T2明显增加,由此说明稻壳处理保护地大棚黄瓜能有效增加黄瓜叶片叶绿素含量,以T3的效果最为明显。

1) 光合速率(Pn)。黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的光合速率分别较CK〔25.06 μmol/(m2·s)〕明显提高4.23 μmol/(m2·s)、6.93 μmol/(m2·s)和8.70 μmol/(m2·s),其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均光合速率分别较CK提高3.07～8.30 μmol/(m2·s)、2.75～8.77 μmol/(m2·s)、5.87～7.89 μmol/(m2·s)、5.31～9.34 μmol/(m2·s)和4.17～9.20 μmol/(m2·s)。团棵期、初果期和末果期,各处理间差异显著,T1～T3呈现逐渐递增趋势,且均显著高于CK;盛花期和盛果期,T1～T3差异不显著但高于CK。说明,T1～T3可明显增加黄瓜叶片的光合速率,且T3的促进作用最突出。

2) 气孔导度(Gs)。黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的气孔导度分别较CK〔1.49 mol/(m2·s)〕提高0.65 mol/(m2·s)、1.76 mol/(m2·s)和2.09 mol/(m2·s),其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均气孔导度分别较CK提高1.22～4.36 mol/(m2·s)、0.50～3.23 mol/(m2·s)、0.93～1.76 mol/(m2·s)、0.42～0.78 mol/(m2·s)和0.18～0.34 mol/(m2·s)。团棵期和初果期,各处理间均高于CK,T2和T3显著高于CK,T1与CK差异不显著;盛花期、盛果期和末果期,各处理差异不显著,但均高于CK。说明,稻壳处理可明显增大黄瓜叶片的气孔导度,且T3对其促进作用最显著。

3) 胞间CO2浓度(Ci)。黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的叶片胞间CO2浓度分别较CK〔233.23 μmol/(m2·s)〕提高18.02 μmol/(m2·s)、28.70 μmol/(m2·s)和34.86 μmol/(m2·s),其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均胞间CO2浓度分别较CK提高10.81～20.15 μmol/(m2·s)、18.17～36.02 μmol/(m2·s)、17.20～38.12 μmol/(m2·s)、33.12～53.23 μmol/(m2·s)和10.80～26.80 μmol/(m2·s)。各时期T3显著高于其余处理,其余处理与CK差异不显著,但高于CK。说明,稻壳处理可增大黄瓜叶片胞间CO2浓度,且T3对其促进作用最显著。

4) 蒸腾速率(Tr)。黄瓜5个关键生育期T1、T2和T3的蒸腾速率分别较CK〔7.52 mmol/(m2·s)〕提高0.75 mmol/(m2·s)、1.24 mmol/(m2·s)和2.36 mmol/(m2·s)〕。其中,团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期T1～T3的平均蒸腾速率分别较CK提高1.30～2.32 mmol/(m2·s)、0.56～3.28 mmol/(m2·s)、1.27～3.31 mmol/(m2·s)、0.15～1.89 mmol/(m2·s)和0.48～1.01 mmol/(m2·s)。团棵期和盛花期,T3显著高于其余处理,T2和T1与CK差异不大,但均高于CK;初果期,各处理间差异显著,T1～T3呈现逐渐递增趋势,且均显著高于CK;盛果期,T3和T2均显著高于CK,但T1与CK没有差异;末果期,T1～T3均高于CK,但差异不显著。说明,稻壳处理可增大黄瓜叶片的蒸腾速率,且T3对其促进作用最显著。

综合表明,T1～T3明显影响黄瓜叶片光合速率的变化,团棵期至初果期呈逐渐递增趋势、初果期至末果期呈逐渐递减趋势,而且气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度与光合速率呈现一致的变化趋势。由此说明,适量稻壳处理大棚黄瓜明显促进光合作用的进行,显著増加光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度,而且T3促进黄瓜光合作用的效果最为显著。

2.4 黄瓜霜霉病的危害程度

2.4.1 病情指数 由图5看出,从团棵期至末果期T1～T3黄瓜的发病程度(病情指数)较CK(24.00)呈加重趋势,分别降低16.83%、37.83%和60.00%。其中,团棵期T3、T2和T1黄瓜的病情指数分别较CK降低33.33%、13.33%和6.67%,T3显著低于其余处理,其余处理与CK差异不显著;盛花期和初果期,T2和T3差异不显著,均较CK降低65.0%左右,但均与T1和CK差异显著;盛果期和末果期,T1～T3差异显著,且均显著低于CK。团棵期T1～T3的病情指数与CK相近,发病最轻;末果期则最严重,且与CK差异增大。T1～T3黄瓜的病情指数自盛果期较CK逐渐减轻,T3的黄瓜霜霉病发生危害降低幅度均在50%左右。表明,稻壳处理能够显著降低黄瓜霜霉病的危害,且T3的防控效果最显著。

图5 不同稻壳量处理大棚黄瓜霜霉病的病情指数

2.4.2 叶片细胞死亡症状 从图6看出,大棚黄瓜团棵期叶片的死亡程度较弱;自盛花期开始,叶片细胞死亡程度逐渐加重,但是随着稻壳处理量增加,叶片死亡程度逐渐减轻。T1～T3黄瓜叶片细胞的死亡程度与CK不同,且不同稻壳量处理的死亡程度也存在明显差异,依次为CK>T1>T2>T3。表明,稻壳的施加可以明显降低黄瓜霜霉病的危害,且T3的防控效果最显著。

图6 不同生长期黄瓜霜霉病菌侵染叶片的细胞死亡症状

3 讨论

研究结果表明,T1～T3的大棚黄瓜团棵期、盛花期、初果期、盛果期和末果期的大棚温度均高于对照,随稻壳量的增加温度呈递增趋势,且T3黄瓜大棚的温度最高,与覆施稻壳可以保温增温的结果一致[14-15]。原因在于,覆施稻壳减小了室外温度变化而引起的室温变化幅度,确保了黄瓜生长每个时期的温度均高于黄瓜霜霉病生长繁殖的适于温度(23 ℃);相对湿度均低于对照,随稻壳量的增加相对湿度呈逐渐递减趋势,且T3黄瓜大棚的相对湿度最低,与稻壳覆盖处理可使地面层显热通量增大,潜热通量和土壤热通量均明显减小[16],隔绝土壤中水分的蒸发有关。因此,覆施稻壳可降低大棚内的空气相对湿度[17]。针对黄瓜霜霉病为高湿型病害的特点,覆施稻壳可显著降低黄瓜大棚的相对湿度,有效提高温度,进而降低黄瓜霜霉病的危害程度,且T3对降低黄瓜霜霉病的危害最为显著。

研究表明,黄瓜霜霉病会影响黄瓜叶片的光合系统,进而影响其光合作用,且影响程度随病情指数的升高而逐渐加深[18]。试验结果表明,T1～T3大棚黄瓜霜霉病的病情指数降低,光合参数(叶绿素含量、光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci和蒸腾速率Tr)升高。光合作用是植物生长发育的基础,是植物利用叶绿素在可见光的照射下,将CO2和水转化为有机物并释放氧气的过程,是植物为适应不同生长环境表现出的不同光合生理机能[19],光合参数是植物适应环境的直接表现[20]。覆施稻壳后,土壤中细菌、放线菌和真菌成倍增加[21-22],加强了土壤有机质的分解,从而产生更多的CO2。综上看出,在高温条件下,大气中CO2浓度的增加进而增大黄瓜叶片胞间CO2浓度[23];高温能显著提高植物蒸腾速率[24]。在覆施稻壳后大棚温度升高、黄瓜各生长期光合参数升高,且T3条件下的光合参数最优。

作物产能高低直接与其光合作用效率密切相关[25],在作物形成的产物干物质中,总干重的90%～95%有机物来源于光合作用[26]。光合作用的增强,促进了光合产物的积累,植株生长越旺盛[27],进而使植株株高、茎粗和叶面积增加。该试验经不同稻壳量处理大棚黄瓜的株高、茎粗和叶面积均高于对照的结果与前人研究结果[25-27]一致;且随覆施稻壳量的增加,指标增长幅度越明显。T3对促进大棚黄瓜生长指标更为突出,表明稻壳处理可调控大棚黄瓜长势,起到促苗壮苗的作用。

通过观察黄瓜叶片的表型计算黄瓜霜霉病的病情指数,当霜霉病菌侵染黄瓜叶片后会引起免疫防卫系统产生叶片细胞死亡现象,利用台盼蓝染色检测细胞膜的完整性,进而判断细胞的死亡[28],此死亡程度可作为病原菌侵染植物产生危害程度的强弱依据。根据台盼蓝染色结果显示,无论是否用稻壳处理大棚,团棵期黄瓜叶片的死亡程度均较弱,可能与黄瓜生长早期黄瓜霜霉病侵染发病较轻有关。

4 结论

针对黄瓜霜霉病高湿低温的特点,利用覆施稻壳栽培技术改善黄瓜大棚生态环境,可以促进大棚黄瓜的生长,有效防控黄瓜霜霉病,提高黄瓜对霜霉病的抗性,有效防治病虫害,而且减少化学农药的使用,避免环境污染、重金属污染等问题,其中,覆施稻壳2 316 kg/667m2对于防控黄瓜霜霉病的效果最为突出,为稻壳处理有效防控黄瓜霜霉病技术提供了有力的生理学和生物学技术数据支持,为绿色有机蔬菜的生产创造条件。