油页岩半焦对自毒作用下黄瓜幼苗生长、光合及养分吸收的影响

Effects of oil shale char on growth， photosynthesis and nutrient uptake of cucumber seedlings under autotoxicity

摘要

目的 揭示油页岩半焦对自毒作用下黄瓜幼苗生长、光合作用及养分吸收的影响规律，为生产上应用油页岩半焦减轻黄瓜连作障碍提供理论依据。 方法 以黄瓜品种L306为试验材料，2.0 mmol/L肉桂酸（CA）模拟自毒作用，采用盆栽试验方法，基质中分别添加5%、10%、15%、20%质量比的油页岩半焦，试验处理21 d后进行相关指标的测定。 结果 自毒作用导致黄瓜幼苗的生长、光合作用和养分吸收不同程度降低，添加不同质量比的油页岩半焦处理黄瓜幼苗，均能不同程度缓解肉桂酸胁迫对黄瓜幼苗的叶片气体交换参数、叶绿素荧光参数、光合色素含量、植株氮磷钾含量和光合产物（淀粉、葡萄糖）积累量的抑制作用。 结论 基质中添加15%质量比油页岩半焦处理（T₃）对自毒作用下黄瓜幼苗生长和光合作用的缓解效果最好。

Abstract

Objective To study the effects of oil shale char on the growth, photosynthesis and nutrient absorption of cucumber seedlings under autotoxicity.Which provide theoretical basis for the application of oil shale char in production to reduce continuous cropping acstacles of cucumber. Method Cucumber seedlings (cv.L306) was used as the material, and 2.0 mmol/L cinnamic acid (CA) was used to simulate the autotoxicity.The pot experiment method was used to add 5%, 10%, 15% and 20% oil shale char in the matrix, respectively.After 20 days of treatment, the relevant indicators were determined. Result Autotoxicity reduced the growth, photosynthesis and nutrient absorption of cucumber seedlings to varying degrees.The treatment of cucumber seedlings with different mass ratios of oil shale char alleviated the inhibitory effects of cinnamic acid stress on leaf gas exchange parameters, chlorophyll fluorescence parameters, photosynthetic pigment content, plant N, P, K contents and photosynthate (starch, glucose) accumulation of cucumber seedlings to varying degrees. Conclusion The treatment with 15% mass ratio of oil shale char (T₃) added to the substrate had the best mitigation effect on the growth and photosynthesis of cucumber seedlings under autotoxicity.

Graphical abstract

关键词

油页岩半焦 / 黄瓜 / 肉桂酸 / 自毒作用

Key words

oil shale char / cucumber / cinnamic acid / autotoxicity

黄瓜是我国主要的栽培蔬菜，也是容易发生连作障碍的蔬菜，连作障碍会导致产量降低，品质下降^［1］。黄瓜连作障碍是一个复杂的问题，其中自毒作用是黄瓜发生连作障碍的主要原因之一^［2］。Yu等^［3］从黄瓜根系分泌物中提取出了苯甲酸、对羟基苯甲酸、2，5-二羟基苯甲酸、3-苯基丙酸、肉桂酸、对羟基肉桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸等有机酸，以及三苯硫氰酸苯酚和2-羟基苯并噻唑，发现肉桂酸对黄瓜毒害较大。同时研究发现，外源肉桂酸在一定程度上对黄瓜幼苗生长表现为低促高抑的浓度效应，并且4.0 mmol/L肉桂酸处理能对黄瓜幼苗的生理状态造成一定的负面影响^［4］。

近年来防止作物自毒物质胁迫的方法有添加有益微生物、增施有机肥和嫁接等，其中增施有机肥被认为是一种常见的缓解自毒胁迫作用的方法^［5-7］。油页岩是一类含有大量无机矿物和腐泥型有机质的页岩，油页岩半焦是油页岩在干馏炼油过程中产生的副产品废弃物，由许多细小固体颗粒组成，颗粒形态均呈不规则状，且颗粒间结合较松散，具有多孔结构。油页岩半焦的有机成分主要是链状的烷烃和烯烃；主要化学组成为SiO₂、Al₂O₃、CaO以及Fe₂O₃，还含有Na、P、Ca、Mn、Zn、Sr、Ba和Th等元素，pH值在3.5~4.5^［8］。有研究发现增施油页岩矿粉可显著促进树体生长，提高红灯樱桃的果实品质，对樱桃生产有较高的大田应用价值^［9］；Katri O等^［10］研究表明在林地上增施油页岩残渣能明显增加白桦树和苏云松的生物量，还能改良土壤酸碱度；施用油页岩残渣能促进大豆生长发育，显著提高大豆产量，其中中量油页岩残渣配施氮磷钾化肥的效果最好^［11］；油页岩半焦中有机碳、腐殖酸等有机营养成分含量较高，并且油页岩残渣对氮磷钾离子有较好的吸附和解吸能力，可以吸附固定土壤中的化感物质^［12-14］。以上研究为油页岩半焦作为基质提供了可行的理论依据。目前，油页岩半焦缓解植物自毒作用的研究鲜见报道。因此，本研究以黄瓜品种L306为试材，2.0 mmol/L肉桂酸（CA）模拟自毒作用，采用盆栽试验方法，研究添加5%、10%、15%、20%质量比的油页岩半焦对自毒作用下黄瓜幼苗生长、光合作用及养分吸收的影响，旨在揭示油页岩半焦对黄瓜自毒作用的缓解效应，为缓解黄瓜自毒作用提供行之有效的解决途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜（Cucumis sativus L.）为天津先优达种子有限公司生产的L306密刺黄瓜。肉桂酸（cinnamic acid）由上海源叶生物科技有限公司生产。油页岩半焦由中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室提供。

1.2 试验方法

选择籽粒饱满、大小一致的黄瓜种子，温汤浸种后将种子放在铺有双层湿润滤纸的育苗盘内，盘顶盖保鲜膜保湿，于人工气候箱内黑暗条件下（28 ± 1）℃进行催芽。待种子萌发露白后，挑选发芽一致的种子播种至穴盘中，使用基质栽培，基质为蛭石∶珍珠岩2∶1。待黄瓜幼苗长至两叶一心时选取长势一致的移栽至花盆中，花盆中为不同质量比的基质（蛭石∶珍珠岩2∶1）与油页岩半焦。定植后浇一次缓苗水，定植5 d后浇灌用1/4山崎黄瓜专用营养液配制的2 mmol/L的肉桂酸，每隔7 d浇一次处理液，中间浇一次水，共处理3次。试验处理设计见表1。21 d后进行相关指标的测定。每个处理进行3次重复，每个重复10株幼苗。试验在甘肃农业大学智能玻璃日光温室中进行。

1.3 测定指标与方法

生长指标：株高用直尺量取从根茎交接处到顶叶叶柄基部，并记录；茎粗用电子游标卡尺量取黄瓜幼苗根茎交接处的直径；鲜质量用千分之一天平测量；在烘箱中105 ℃下杀青15 min后，然后在75 ℃的恒温下烘干至恒质量，用千分之一天平测干质量。

光合参数：每小区选择10株黄瓜幼苗利用CIRAS-2（PP System Inc，Amesbury，MA 01913，USA）便携式光合作用仪测定光合参数，包括净光合作用速率、气孔导度、胞间CO₂和蒸腾速率。

荧光参数：采用IMAPING-PAM调制荧光仪测定PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ实际光化学效率（Y（Ⅱ））、非光化学淬灭系数（NPQ）、光化学淬灭系数（qP）、PSⅡ电子传递速率（ETR）。

叶绿素含量：叶绿素含量使用丙酮法^［15］。称取0.1 g黄瓜功能叶片放入25 mL具塞试管中，向试管中加入10 mL 80%丙酮，轻轻震荡，让叶片完全浸泡在丙酮中，然后用薄膜封口，置于黑暗处静置，期间每隔12 h取出振荡1次，待48 h时，叶片呈白色，用分光光度进行测定，测定波长为440、645、663 nm，记录不同波长下D值，计算叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）、总叶绿素及类胡萝卜素的含量。

植株中氮、磷、钾含量：将黄瓜地上部和地下部置于烘箱中在105 ℃条件下杀青15 min，杀青结束后将烘箱温度调至80 ℃下烘干至恒质量，用打样机将烘干的黄瓜植株打碎成粉末，用孔径0.25 mm的筛子过筛，装入自封袋备用。称取0.5 g样品采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法消解。植株全氮的测定使用凯氏定氮法^［16］，植株全磷的测定使用钼锑抗比色法^［17］，植株全钾的测定使用火焰光度法^［18］。

葡萄糖：称取0.1 g黄瓜叶片组织，加入1 mL蒸馏水，研磨成匀浆，95 ℃水浴10 min，8 000 g，25 ℃离心10 min，取上清液备用；然后使用江苏科铭生物技术有限公司生产的试剂盒按步骤测定。

淀粉：称取0.1 g黄瓜叶片组织，放置研钵中研碎，然后使用江苏科铭生物技术有限公司生产的试剂盒按步骤测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件处理数据和作图，SPSS 19.0软件进行方差分析，并运用Duncan's检验法对显著性差异进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗生长指标的影响

由表2可知，CA对黄瓜幼苗的生长发育具有显著的抑制作用，2 mmol/L外源CA处理后，黄瓜幼苗的株高、茎粗、叶片数、叶面积和地上部干质量分别比对照下降40.18%、17.46%、22.5%、46.87%和39.24%。随着添加油页岩半焦质量比的增加，黄瓜幼苗各项生长指标均呈先上升后下降的趋势。与CK₂相比，T₁处理黄瓜的株高和茎粗无显著差异，T₂、T₃和T₄处理显著高于CK₂，且T₃处理分别显著增加了27.32%、11.48%；T₂处理黄瓜的叶片数无显著差异，T₁、T₃和T₄处理存在显著差异，且T₃处理显著增加25.81%；T₃处理黄瓜幼苗叶面积和地上部干质量均存在显著差异，分别增加41.53%、25%。

2.2 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗叶片气体交换参数的影响

由表3可知，CA处理后黄瓜幼苗叶片的光合能力显著降低，其中CK₂与CK₁相比蒸腾速率、气孔导度和净光合速率分别下降37.5%、28.15%和47.06%，而胞间CO₂浓度升高8.21%。与CK₂处理相比，添加不同质量比的油页岩半焦对幼苗叶片蒸腾速率、气孔导度和净光合速率下降有一定缓解作用，T₁、T₂、T₃、T₄与CK₂都有显著差异，其中，T₃处理的蒸腾速率、气孔导度和净光合速率均显著高于单独CA处理，分别提高44%、33.85%和82.4%；与CK₂处理相比，T₃处理对黄瓜幼苗胞间CO₂浓度影响最显著，降幅为16.92%。

2.3 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光参数的影响

由表4可知，CK₂处理下，黄瓜幼苗叶片F_v/F_m、Y（Ⅱ）、NPQ、qP和ETR与CK₁相比差异显著，且分别降低5.48%、11.09%、35.27%、4.02%和13.43%。随着油页岩半焦质量比的增加，胁迫植株的叶绿素荧光参数均呈现先增加后降低的趋势。与CK₂处理相比，T₃处理使F_v/F_m显著增加了5.65%，T₁、T₂和T₄处理对F_v/F_m无显著影响；Y（Ⅱ）在添加不同质量比的油页岩半焦处理后均可使CA胁迫下黄瓜幼苗Y（Ⅱ）不同程度地增加，且达到显著水平，其中T₃处理的提升作用最大，增幅为14.8%；T₂和T₃处理对NPQ有显著影响，T₃处理显著提高37.31%；T₃和T₄处理可以不同程度地改善qP和ERT，其中T₃处理分别提高4.3%和15.16%。

2.4 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗光合色素的影响

由表5可知，与CK₁相比，CK₂黄瓜幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量均显著降低，降幅分别为25.89%、55.56%、47.83%和31.65%。CA胁迫下添加油页岩半焦缓解了黄瓜幼苗叶片光合色素的降低，T₃、T₄处理的叶绿素a和总叶绿素含量与CK₂形成显著差异，其中T₄处理的叶绿素a和总叶绿素含量增幅分别为27.71%和38.95%；T₂、T₃、T₄处理的叶绿素b与CK₂形成显著差异，且T₄处理提高116.67%；T₁、T₂、T₃、T₄处理的类胡萝卜素含量均与CK₂形成显著差异，其中T₄处理增幅为108.33%。

2.5 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗光合产物的影响

由图1可知，在CA处理后，黄瓜幼苗叶片葡萄糖和淀粉含量均显著降低，且CK₂与CK₁相比分别降低58.64%、47.65%，这是由于CA胁迫下黄瓜幼苗叶片光合能力降低，光合产物积累量随之降低。CA处理下光合产物含量随添加油页岩半焦质量比的增加呈先升高再下降的趋势。其中T₁、T₂、T₃、T₄处理均与CK₂形成显著差异，且T₃处理黄瓜幼苗叶片葡萄糖和淀粉含量分别提高105.42%、85.93%。

2.6 油页岩半焦对肉桂酸胁迫下黄瓜幼苗地上部、地下部N、P、K含量的影响

由表6可知，CA胁迫导致黄瓜幼苗地上部和地下部的全氮、全磷、全钾含量显著降低，CK₂较CK₁地上部全氮、全磷、全钾分别降低31.94%、49.28%、22.85%，地下部全氮、全磷、全钾分别降低22.11%、36.11%、33.05%。添加不同质量比的油页岩半焦对黄瓜幼苗地上部、地下部的全氮、全磷、全钾均有不同程度的促进作用。地上部全氮的T₃、T₄与CK₂形成显著差异，其中T₃处理提高48.46%；各处理均可以不同程度地提高黄瓜幼苗地上部全磷含量，T₃处理使全磷含量显著增加了67.62%；全钾的T₁处理与CK₂无显著差异，T₂、T₃、T₄与CK₂形成显著差异，其中T₃处理提高了40.71%。地下部全氮、全磷的T₁、T₂处理与CK₂无显著差异，T₃、T₄与CK₂形成显著差异且T₃处理增幅分别为41.22%、47.83%，全钾的T₁、T₂、T₃、T₄处理与CK₂均形成显著差异，其中T₃处理较CK₂提高35.89%。

3 讨论

3.1 油页岩半焦对黄瓜幼苗生长指标的影响

自毒胁迫会影响植物的株高、茎粗、鲜质量、干质量及叶面积等生长指标^［19］。本试验采用2 mmol/L CA模拟的自毒胁迫对黄瓜幼苗的正常生长表现出明显抑制作用，其株高、茎粗、叶片数、叶面积、地上部干质量相较对照均明显下降，结果和自毒胁迫下的茄子表现一致^［20］。油页岩含有植物生长所必需的微量元素和较大的吸收容量，对苗木的高度有明显的促进作用^［21-22］。本试验中添加15%质量比的油页岩半焦可以有效缓解自毒胁迫对于黄瓜幼苗的抑制，提高黄瓜幼苗植株形态建成，减弱自毒胁迫对黄瓜幼苗生长产生的副作用。可能原因是油页岩半焦特有的结构特征与理化特性对基质的含水量、孔隙度、养分含量等会产生一定影响，从而促进黄瓜的生长，提高黄瓜幼苗对土壤营养物质的吸收，增加黄瓜幼苗物质的积累^［23］。

3.2 油页岩半焦对黄瓜幼苗光合作用的影响

自毒物质会通过减弱植物对氧吸收能力、降低光合速率和叶绿素含量影响植物的光合与呼吸作用^［24］。Yu等^［25］研究发现，根系浸提液分泌物及肉桂酸和苯甲基类衍生物对黄瓜的光合作用有不同程度的抑制。叶片胞间CO₂浓度主要是由气孔导度和净光合速率决定，导致光合作用降低的因子有气孔因素和非气孔因素两个方面^［26］。本试验中，CA胁迫下蒸腾速率、气孔导度、净光合速率降低，而叶片胞间CO₂浓度升高，说明光合速率下降是非气孔因素，CA胁迫导致黄瓜幼苗光合作用强度降低，对黄瓜幼苗的光系统造成一定的伤害，这与前人研究结果相同^［27］。而幼苗在CA胁迫下，添加不同质量比的油页岩半焦处理后显著缓解了自毒胁迫对黄瓜幼苗叶片光合速率和气孔导度的抑制作用，其中15%油页岩半焦质量比处理的提升效果最佳，表明植物光合参数能够有效地评价植物对生长环境的适应性，由此推断，油页岩废渣可以通过调节非气孔因素缓解自毒胁迫下黄瓜叶肉细胞光合活性的下降，促进植物的光合作用及生长^［28］。

叶绿素荧光是检测植物光合作用的重要探针，逆境胁迫对光合作用的影响可以通过叶绿素荧光参数变化反映出来^［29］。本研究发现，CA胁迫下的黄瓜幼苗叶片的F_v/F_m、Y（Ⅱ）、NPQ、qP、ETR显著降低，表明胁迫会降低PSII的原初光能转换效率，使叶片PSII的潜在热耗散能力下降，限制黄瓜幼苗感受光照的能力，阻碍黄瓜叶片暗反应正常进行，导致PSII在光照强度较高的情况下易遭受光抑制和光氧化，致使光合效率降低，抑制植株生长发育^［30-31］，与前人在豌豆幼苗上的研究一致^［32］。黄瓜幼苗在自毒作用下添加15%质量比的油页岩半焦后显著增加了F_v/F_m、Y（Ⅱ）、NPQ、qP和ETR的比值，黄瓜幼苗叶片的光保护能力及原初光能转换效率有所提高，显著减轻CA自毒胁迫对黄瓜幼苗光合系统的损伤程度，保护PSII免受或减轻光抑制和光氧化，增加自毒作用下黄瓜叶片的光合效率^［33-34］。

叶绿体光合色素是植物进行光合作用的重要基础，其含量高低在一定程度上反映植株进行光合作用的潜力^［35］。黄瓜的化感物质能够抑制ATP酶的活性，打破植物叶绿素的代谢平衡，降低植株叶绿素含量，从而影响光合作用中光能的吸收和传递，抑制植物的生长^［36］。本试验也显示CA胁迫处理后，黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量明显降低，表明胁迫会抑制黄瓜幼苗光合色素的合成，使黄瓜幼苗的叶绿素受到破坏并发生降解，导致光合色素含量下降，进而对其光合作用产生抑制。本研究表明，黄瓜幼苗在自毒胁迫下添加不同质量比的油页岩半焦后光合色素含量显著上升，但因质量比的不同，缓解效果有所不同，其中，添加20%质量比的油页岩半焦处理显著增加了CA胁迫下幼苗叶片光合色素含量，缓解CA胁迫造成的光抑制，该结果与前人研究一致^［37］，玉米叶片的叶绿素含量会随着油页岩废渣施用量的增加而缓慢增加。

3.3 油页岩半焦对黄瓜幼苗光合产物的影响

光合作用中最主要的产物是碳水化合物，多数植物光合作用合成的糖类最初是葡萄糖，植株叶片里的葡萄糖常转变成淀粉暂贮存在叶绿体中。自毒胁迫会导致植株发生生理生化变化，叶片光合作用减弱，使黄瓜糖代谢发生相应改变，同化产物积累减少^［38］。本试验发现，CA胁迫会降低黄瓜幼苗叶片的光合能力，导致黄瓜幼苗光合产物积累量降低^［39］。添加不同质量比的油页岩半焦，黄瓜幼苗的淀粉含量和葡萄糖含量显著上升，表明油页岩半焦可以改善土壤结构、养分状况和水热状况，促进黄瓜幼苗的生长代谢，提高作物的产量和品质。

3.4 油页岩半焦对黄瓜幼苗氮、磷、钾的影响

氮、磷、钾是作物生长发育所必需的3种大量元素。有研究发现，黄瓜根系分泌物中的酚酸物质可以改变膜透性，使根系膜质脂肪酸组分和含量发生改变，抑制黄瓜根系对NO^-3、SO₂^-4、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺的吸收^［3］。本试验结果与前人研究结论一致，黄瓜幼苗受到肉桂酸胁迫后，地上部、地下部N、P、K含量均显著降低^［40］。油页岩中不仅含有氮元素和碱性、酸性氧化物，还含有利于农作物生长的常量和微量营养元素，‎‎在堆肥过程中被用作膨胀剂，可以加速有机物的生物降解，并降低氮的流失^［41-42］。本试验中，黄瓜幼苗的氮、磷、钾含量在添加不同质量比的油页岩半焦处理下表现为“先上升后下降”的趋势，原因是油页岩半焦中含有大量的有机碳、腐殖酸和植物生长所需的N、P、K等营养元素，为黄瓜幼苗提供了充足的养分，保证黄瓜幼苗能在自毒作用下正常地生长发育^［43］。

4 结论

自毒胁迫会限制黄瓜幼苗的生长，影响植物的光合作用，抑制黄瓜幼苗生长、光合作用及养分吸收。不同质量比的油页岩半焦对黄瓜自毒胁迫均有所缓解，其中15%的油页岩半焦对缓解黄瓜幼苗自毒胁迫的效果最为理想，显著提高了黄瓜幼苗的叶片气体交换参数、叶绿素荧光参数、光合色素含量、植株氮磷钾含量和光合产物（淀粉、葡萄糖）积累量。综上所述，适宜质量比的油页岩半焦可以明显改善自毒胁迫下黄瓜幼苗的生长、光合和养分吸收能力，缓解自毒胁迫的损害，这一结论可为以油页岩半焦为基质培育黄瓜及降低自毒作用提供技术参考。

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基金资助

甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2021CYZC-45)

甘肃省干旱生境作物学重点实验室主任基金项目(GHSJ-2020-Z3)

国家现代农业产业技术体系专项资金项目(CARS-23-C-07)