陈浩婷，徐梦珠，李 颖，桑亚东，张 毅，石 玉
（山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801）
氮是植物生长发育必不可少的大量元素之一，其不仅参与植株体内核酸、蛋白质等大分子物质的组成，而且负责调控酶及其辅基合成的一系列生理生化反应[1]。植物能够吸收利用的2种氮素形态主要是NO3--N和NH4+-N，不同作物对不同氮源具有偏向选择性[2]，且作物对不同形态氮素的吸收、转运、同化方式不同，导致不同氮素配比对作物生长发育的影响也存在差异[3]。研究表明，不同氮素形态配比可不同程度地提高植物对干旱、低温、病害等不良环境的抵抗能力[4-5]。陈磊等[6]研究发现，硝铵比为75∶25时，较全硝态氮处理显著降低了菜用大豆H2O2和MDA的含量以及O2-·的生成速率，缓解了氧化胁迫对植株造成的伤害。张淑英等[7]研究表明，低温胁迫下铵硝比为50∶50时，棉花幼苗具有较低的电解质渗透率和膜脂过氧化物质含量，缓解了低温胁迫对幼苗的损伤，增强了幼苗对非生物胁迫的抗性。隋利等[8]研究发现，SOD和POD活性随铵硝比的增加呈先升后降的趋势，并在硝铵比为75∶25时达到最大。大量研究表明，适宜的硝铵配比可以一定程度上促进生物量的积累，提高植株对逆境胁迫的抵抗能力，这一抗性与植物体内的抗氧化酶保护系统密切相关[9-10]。
硅作为地壳中仅次于氧的第二丰富的元素，其参与植物体内多种重要的生理代谢反应[11]。目前，硅未被证实是植物生长发育所必需的元素，但其属于有益元素参与植株的多种生长调节[11-12]。大量研究表明[13-14]，外源喷施适量硅可以缓解不良环境对植株生长发育造成的胁迫，提高植株自身的抗盐性和抗寒性。硅元素通过参与调节植株自身抗氧化物质的活性，清除植物体内积累的活性氧，减轻其对细胞膜的破坏作用，进而提高植株的抗逆性。加硅处理可通过降低活性氧积累缓解胁迫对幼苗光合器官结构和功能的伤害，维持光合器官结构和光合色素的完整性，从而提高光合气体交换的能力。李笑佳等[15]对棉花的研究表明，外源硅缓解了盐胁迫对棉花幼苗光合色素合成和光合气体交换的损伤，增强了抗氧化系统的清除能力，从而提高了幼苗的抗盐性。郑世英等[16]研究表明，硅处理小麦幼苗能促进生物量积累，增强根系活力，提高植株抗氧化系统中的酶活性，减小细胞膜透性，促进其正常生长。
黄瓜（Cucumis sativasL.）为葫芦科双子叶1年蔓生草本植物，是我国重要的设施栽培蔬菜之一，与其他大部分双子叶植物一样吸收硅含量较少[17]。目前关于外源施加硅对不同氮素形态下黄瓜幼苗的生长发育及抗氧化系统的影响还鲜有报道。为此，本试验采用水培法，研究不同氮素形态下外源硅（Si）对黄瓜幼苗生物量、叶绿素含量、抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性的影响，旨在为培育优质黄瓜幼苗提供理论依据。
1.1 试验材料
供试材料为改良津春2号黄瓜种子。供试硅源为硅酸钾（K2SiO3）；
四水硝酸钙（Ca（NO3）·4H2O）、磷酸铵（（NH4）3PO4）、硝酸钾（KNO3）为氮源。
1.2 试验方法
试验于2018年在山西农业大学园艺站连栋温室和生理实验室内进行。挑选饱满均匀一致、无破损的黄瓜种子浸种催芽后播于穴盘，待长到两叶一心时挑选生长一致的幼苗，定植于装有29 L营养液（1/2 Hoagland通用配方营养液）的塑料箱中。缓苗7 d后在Hoagland通用配方的基础上略作改动进行不同水平氮素配比的营养液处理，每个处理设置一个营养液箱，均定植8株黄瓜幼苗。每4 d更换一次营养液并将硅处理施入营养液中，每2 d调节营养液pH值（6.2±0.1），处理35 d后取样，用于生理指标的测定。本试验采用两因素随机试验设计，即硅处理（加硅和不加硅，加硅组中每个处理硅的施入量均为0.8 mmol/L）和5个不同铵硝配比处理（铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）所占比例分别为100%、0，75%、25%，50%、50%，25%、75%，0、100%），共10个处理，将其依次命名为T1～T10。试验设计如表1所示。
表1 不同处理所对应的施硅量和氮素配比Tab.1 The application of silicon content and nitrogen ratio corresponding to different treatments
1.3 测定指标及方法
1.3.1 生物量测定 试验处理结束后，每个处理随机选取3株黄瓜进行株高和干鲜质量的测定。株高采用直尺测量。地上部与地下部干鲜质量测定：洗净植株，吸干表面水分称鲜质量，在105℃烘箱中杀青15 min，70℃烘至恒质量后称其干质量，并记录。
1.3.2 电导率与相对质膜透性测定 每个处理随机取4株长势均匀一致的植株，取第2片功能叶用蒸馏水洗净擦干，并用直径为1 cm的打孔器打出均匀的10个小圆片，同时称取0.1 g的根，放置于25 mL去离子水中，用D3100型电导率仪快速测量电导值并记为SCK，之后将其放到振荡器中振荡2 h，再次测定电导值并记为S1，最后置于100℃水浴锅中煮沸15 min，再次测定电导值并记为S2。
相对电导率=（S1-SCK）/（S2-SCK）×100%（1）1.3.3叶绿素含量测定 叶绿素含量的测定参考明东风[18]的方法并加以改进。每个处理随机选取5株，将完全展开的第2片真叶用蒸馏水清洗2遍，称取0.1 g放入25 mL玻璃管中，同时加入20 mL乙醇（96%），在黑暗条件下放置12 h（期间摇动几次），至叶片完全变白后摇匀。用紫外分光光度计（UV-2450，SHIMADZU，Japan）在470、649、665 nm波长下测定叶绿素提取液的吸光值，以不加叶片的空白提取液调零。
1.3.4 抗氧化酶活性测定SOD活性测定参照GONG等[19]的氮蓝四唑（NBT）法，POD和CAT活性测定参照YANG等[20]的方法。
1.4 数据分析
试验数据采用SPSS 21.0统计软件进行方差分析和主成分分析，用Duncan"s新复极差法进行多重比较（P＜0.05），用Microsoft Excel 2019对数据作图，图中数据为平均值±标准差。
2.1 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗生长量的影响
从表2可以看出，在不施硅与施硅处理中，分别以T1、T2处理为对照，黄瓜地上部与地下部生物量均随着营养液中NH4+-N所占比例的降低不断升高，且都在T9和T10处理达到最大值。T9处理下黄瓜地下部鲜质量、干质量、总干鲜质量分别较T1处 理 显 著 增 加 了1.77倍、2.78倍、1.86倍 和1.80倍。T10处理下黄瓜地下部鲜质量、干质量、总干鲜质量分别较T2处理显著增加了1.13倍、1.75倍、0.98倍和0.65倍。各根施硅处理后黄瓜幼苗地上部与地下部各生物量较对应未加硅处理均显著增加，且都在NH4+-N所占比例大于50%时效果显著。
表2 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗地上部、地下部生物量的影响Tab.2 Effects of silicon on biomass of cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen g/株
2.2 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响
由图1可知，在施硅与不施硅处理中，分别以T1、T2处理为对照，黄瓜叶片叶绿素含量均随着营养液中NH4+-N所占比例的降低不断升高，且都在T9和T10处理达到最大值。T9处理下黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及总叶绿素含量较T1处理分别显著增加了1.25倍、1.16倍、0.80倍和1.20倍。T10处理下黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及总叶绿素含量较T2处 理 分 别 显 著 增 加 了0.87倍、0.90倍、0.73倍 和0.88倍。各根施硅后黄瓜幼苗叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及总叶绿素含量较对应未加硅处理均显著升高且叶绿素a、类胡萝卜素以及总叶绿素含量均在NH4+-N所占比例大于50%时效果显著。
图1 不同氮素形态下硅对黄瓜叶片不同光合色素含量的影响Fig.1 Effects of silicon on different photosynthetic pigment contents in cucumber leaves under different forms of nitrogen
2.3 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗地上部、地下部相对电导率的影响
由图2可知，在施硅与不施硅处理中，分别以T1、T2处理为对照，黄瓜地上部与地下部相对电导率均随着营养液中NH4+-N所占比例的降低不断下降，且都在T9和T10处理达到最小值。T9处理下黄瓜地上部、地下部电导率较T1处理显著降低了65.00%和67.71%。T10处理下黄瓜地上部、地下部电导率较T2处理显著降低了49.15%和54.98%。各根施硅后黄瓜幼苗地上部与地下部相对电导率较对应未加硅处理均显著降低且都在NH4+-N、NO3--N所占比例为25%、75%时达到最好效果。
图2 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗地上部、地下部相对电导率的影响Fig.2 Effects of silicon on relative conductivity in cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen
2.4 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗地上部、地下部抗氧化酶活性的影响
由表3可知，在施硅与不施硅处理中，不同氮素配比处理对黄瓜幼苗地上部与地下部SOD活性均有不同程度的影响。在施硅处理中，与T2处理相比，幼苗地上部SOD活性随着营养液中NH4+-N所占比例的降低呈先减少后增加的趋势，而地下部SOD活性与其相反呈先增加后减少的趋势。当NH4+-N、NO3--N所占比例为75%、25%时，根施硅处理使黄瓜幼苗地上部与地下部SOD活性较对应不施硅处理分别显著降低、增加了27.21%和68.51%。在不施硅处理中，与T1处理相比，黄瓜幼苗地上部POD活性随着营养液中NH4+-N所占比例的降低呈上升趋势并在T9处理时达到最大值；
而地下部POD活性与其呈相反趋势，且在T9处理时达到最小值。当NH4+-N、NO3--N所占比例为0、100%时，黄瓜地上部、地下部POD活性较T1处理分别显著升高、降低了100.00%和67.55%。当NH4+-N、NO3--N所占比例比为75%、25%时，根施硅处理使黄瓜幼苗地上部与地下部POD活性较对应不施硅处理分别显著增加32.18%和41.63%。CAT的活性对不同硝铵比处理十分敏感，不同氮素配比和外源施硅会使CAT活性发生不同程度的变化。
表3 不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗地上部、地下部抗氧化酶活性的影响Tab.3 Effects of silicon on antioxidant enzyme activity in cucumber aboveground and underground parts under different forms of nitrogen
2.5 主成分和综合得分分析
对本试验中黄瓜幼苗总干质量（X1）、地上部干质量（X2）、地下部鲜质量（X3）、类胡萝卜素（X4）、叶片电导率（倒数，X5）、根系电导率（倒数，X6）、总鲜质量（X7）、叶绿素b（X8）、总叶绿素（X9）、地下部干质量（X10）、地上部鲜质量（X11）、叶绿素a（X12）、根系POD活性（X13）、叶片POD活性（X14）、叶片SOD活性（X15）和根系SOD活性（X16）共16项指标数据进行主成分分析，结果发现，前2个主成分解释了总方差的91.303%，说明提取的2个主成分能够代表原来16个生理指标的91.303%，所提取的主成分用于评价不同氮素形态下硅对黄瓜幼苗生长发育及抗氧化系统的影响已有一定把握。因此，提取2个 主成 分，分别 为Y1和Y2，其 中Y1占主 导地位，方差贡献率为79.758%（表4）。
表4 主成分分析结果Tab.4 Principal component analysis results
表5为黄瓜幼苗生长发育及抗氧化系统主成分分析的2个主成分与其16个指标之间的相关系数（载荷矩阵），以特征向量为权重，根据2个主成分系数，可得到Y1和Y2的线性组合如公式（2）、（3）。
表5 主成分分析的各因子载荷矩阵Tab.5 Load matrix of each factor of principal component analysis
由表6可知，各处理综合得分随硝态氮比例的增加而提高，根施外源硅后综合得分均升高，说明当硝态氮配比较大时能显著提高植株抗氧化酶活性，提高植株抗性，从而促进植株生长发育，且根施外源硅能够显著缓解幼苗所受到的氧化胁迫。
表6 主成分得分和综合得分Tab.6 Principal component scores and comprehensive scores
生物量是反映植株生长发育的重要指标之一，而不同氮素形态及其配比是影响植物生长发育的首要因素。硝态氮易被根系吸收但只能在叶片中同化利用，铵态氮可在根系中同化吸收，因此，不同氮素形态配比必然会导致植物产生不同的生理代谢反应[21]。黄瓜作为一种喜硝作物，对营养液中浓度较高的铵态氮较为敏感[22]。过量的铵态氮造成植株体内激素失衡，氮同化率降低，导致植株的生物量降低[23]。本研究结果表明，黄瓜幼苗地上部、地下部生物量随着营养液中铵态氮比例的下降而逐渐增加，且在硝态氮比例大于75%时效果更为显著，说明氮素配比硝态氮所占比例较大时，有利于黄瓜幼苗的生长发育。这与邢素芝等[24]菠菜在全硝营养下可获得高产的研究结果一致。外源根施硅后黄瓜幼苗地上部、地下部生物量显著提高，这与刘淑侠等[25]研究结果一致。这说明根系环境中过高的铵态氮会对植株造成铵盐毒害，导致黄瓜幼苗生长缓慢，代谢失衡，而外源根施硅可改善黄瓜幼苗的生长环境，提高养分吸收利用，从而促进生物量积累，有效缓解铵态氮的毒害作用。
光合作用是植物生长发育的基础，叶绿素含量是光合作用过程中重要的光合色素，一定程度上反映了植株光合作用的强弱和同化能力的高低[26]。氮素是光合色素重要的组成成分，植物吸收的氮约50%被分配到光合器官中合成叶绿素，因此，氮素供应直接影响植株的光合能力[27-28]。本试验中随铵态氮比例的降低，光合色素含量不断增加，表明硝态氮供应较多时，黄瓜幼苗能积累较多的叶绿素；
高铵态氮易导致光合色素合成受阻。宋科[29]研究发现，不同氮素营养配比对叶片中光合色素的合成有显著的调控作用，当铵态氮比例较大时，铵态氮的毒害作用会导致细胞膜结构受损伤，光合磷酸化解偶联，进而使植株光合作用等一系列生理代谢紊乱失调[30]。外源根施硅后光合色素含量显著提高，且T10处理时叶绿素和类胡萝卜素含量均达到最高，说明当NH4+-N、NO3--N所占 比例为0、100%时，外源施硅更有利于促进黄瓜幼苗叶绿素的合成，提高光合能力，从而促进植株生长，这是因为适宜浓度的硅可保护叶绿体和类囊体膜，促进叶绿体内类囊体的形成，从而维持植物光合作用的正常进行[31]。
相对电导率的高低可反映逆境下植物细胞膜脂过氧化程度，不同氮素形态也会对植物细胞膜系统有影响[32]。研究表明，营养液中铵态氮比例过大会对植株造成氧化胁迫，引起细胞膜脂过氧化，导致细胞内部电介质外渗，相对电导率增大[33]。本试验结果表明，随着铵态氮比例增加，黄瓜幼苗电导率也逐渐升高，表明铵态氮比例增加导致细胞膜受损伤程度增加，质膜透性增大，最终导致黄瓜幼苗生长发育受阻。当环境中存在较高浓度的铵态氮时，NH4
+易穿过生物膜在植株体内过量积累，阻碍质子驱动势的形成，导致细胞膜系统受到伤害[34]。根施外源硅后黄瓜叶片和根系电导率均下降，有效缓解了铵态氮的毒害，这是由于硅胶颗粒沉积在根系表面可增加根系细胞壁的强度和韧性，减轻细胞膜脂过氧化，维持细胞膜稳定性[35]。不同NH4+-N、NO3--N配比能不同程度地诱导活性氧等物质的积累，铵态氮比例较大时甚至可以破坏植物体内活性氧代谢平衡，导致植物体内活性氧物质大量积累，进而造成一系列不同的生理生化反应[36]。植物保护酶系统中主要有抗氧化酶SOD、POD和CAT，三者通过协同作用维持植物体在逆境胁迫下体内自由基含量处于一定水平，维持活性氧的代谢平衡和保护膜结构，从而保证植物的正常生长发育[37]。已有研究表明，不同硝铵配比下，抗氧化酶活性随营养液中铵态氮比例增加呈现先升高后降低的趋势[38]。本研究发现，随着营养液中铵态氮比例增加，番茄幼苗地下部SOD、POD活性都呈上升趋势，均在T1处理时2种酶活性达到最大值；
而地上部分在NH4+-N所占比例大于50%时，SOD、POD活性无显著变化，这一结果与王晋等[39]的研究结果相似。由此可看出，营养液中不同氮素配比对植株地上部与地下部抗氧化酶活性影响不同。SOD和POD作为清除自由基的主要物质在抗氧化系统中起主导作用[40]。当营养液中NH4+-N所占比例由50%上升到100%时，幼苗根系最先遭受高铵毒害并产生应激反应，地下部SOD和POD活 性 升 高，SOD活 性 较POD活 性 提高幅度较大，说明SOD作为抗氧化第一道防线能促进O2-·发生歧化反应生成H2O2，然后植物体内的POD再将H2O2分解为H2O，这一结果与刘敏等[41]结论一致。在NH4+-N、NO3--N所占比例为75%、25%处理下，外源硅显著提高了番茄幼苗地下部抗氧化酶活性，增强清除活性氧的能力，减缓铵态氮对膜脂的损伤，主要表现为外源根施硅后地下部电解质渗透率显著下降，这与高青海等[42]的研究结果相同，表明硅可激活植株体抗氧化防御机制，进而降低活性氧积累[43]。然而植株体内自由基的产生和清除关系十分复杂，营养液中不同氮素配比与外源硅对黄瓜幼苗抗氧化系统的影响机制有待进一步研究。
综上所述，随着铵态氮比例增加黄瓜幼苗生长受到抑制，尤其是根系的生长；
植株体内叶绿素含量显著降低，电解质渗透率增大。而外源根施硅促进了黄瓜幼苗的生长发育，降低了电解质渗透率升高，提高了植株体内叶绿素含量和抗氧化酶活性。由主成分综合得分可知，外源硅可在一定程度上有效缓解铵态氮对黄瓜幼苗生长发育的胁迫作用。