植物植根于土壤中,土壤固、液、气三相的比例直接影响植物生长发育以及根系对营养、水分的吸收。设施蔬菜栽培中,常由于土壤板结、通气孔隙度减小等原因极大地限制土壤与大气的气体交换。在土壤栽培条件下,土壤O₂浓度的降低,伴随着CO₂浓度的升高,且两种气体共同作用,加重对植物的伤害。目前,关于改善固体栽培（基质培、土壤栽培等）根际气体环境的理论与实用技术的研究尚少。本研究以黄瓜为试材,采用基质通气栽培模式,首次将空气层引入根系下方,并且通过设计不同营养基质通气方式,研究了基质通气状况对根际气体环境、基质理化性质以及植株生长发育、光合作用、根系生理代谢和根系超微结构的影响,并对根际O₂和CO₂浓度与根系营养吸收、根系氮代谢之间的关系进行了分析,以期明确最佳营养基质通气方式,阐明基质通气栽培改善根际环境、促进根系吸收和提高设施蔬菜产量、品质的生理机制。主要研究结果如下:1.不同处理植株生长发育和黄瓜产量比较表明,D1处理（底部通气方式）基质气体交换速率最快,其基质内O₂浓度最高,CO₂浓度最低。但G1处理（上部通气方式）基质通气效果最好,其植株生长旺盛,产量最高。基质气体浓度必须在适宜的范围内才更有利于植株生长,本试验中以基质O₂浓度在18.25～17.55%和CO₂浓度在0.82～1.11范围内最适宜。同时,根际气体胁迫具有一定程度的可逆性,非通气处理,在恢复通气15d后,植株生长明显好转,随恢复时间延长,生长势增加更明显。2.对不同处理基质理化性质进行了分析,结果表明:G1处理基质酶活性、碱解氮和速效磷含量均较高,其中碱解氮和速效磷含量分别比对照提高了17.53%和24.97%;非通气F1处理（非通气处理）的酶活性、碱解氮和速效磷含量显著降低,其中碱解氮和速效磷含量比对照降低10.56%和21.32%。相关分析结果表明,基质通气与基质酶活之间相关性不显著,基质通气与速效养分和基质pH之间存在显著相关关系,由此判定基质通气可显著提高基质内速效养分的含量,利于根系的吸收和利用。3.通过对不同通气方式下根系养分吸收的比较,证明G1通气处理黄瓜植株体内的营养元素积累、伤流液中离子浓度、伤流液流出速率、根系活力、Ca²⁺-ATPase酶和Mg²⁺-ATPase酶活性均较高,而非通气F1处理的上述指标与对照相比均显著降低。基质通气对伤流液中离子浓度的影响依次是K⁺＞NO₃^-＞Po₄^3-＞ca²⁺和Mg²⁺。相关分析结果表明:伤流液K⁺、NO₃^-、Ca²⁺和Mg²⁺与基质CO₂浓度显著负相关,与基质O₂浓度显著正相关,PO₄^3-与基质O₂和CO₂浓度相关性不显著。由此可知基质通气处理显著促进了养分的吸收与运输。4.对不同处理黄瓜根系防御功能进行了比较,结果表明:基质通气处理能够显著降低根系内有害物质的含量。与对照相比,G1处理根系O₂、MDA以及自毒物质含量均显著降低,根系内过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性较低;非通气F1处理根系O₂、MDA和自毒物质含量均比对照显著增加,尤其是苯甲酸和对羟基苯甲酸含量是对照的2～7倍,根系内过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性均呈先升高后降低的趋势。5.不同处理黄瓜根系碳水化合物含量和激素含量比较发现,G1通气处理根系的干重、总可溶性糖、葡萄糖、蔗糖和果糖含量均较高,淀粉含量较低,根系和伤流液中ZT、GA₃和IAA含量均较高,ABA含量较低;而非通气处理（F1处理）与对照相比根系干重显著降低,根系内淀粉、总可溶性糖、葡萄糖以及果糖含量均呈先升高后降低的趋势,而蔗糖含量较低;根系和伤流液中ZT、GA₃和IAA含量均较低,ABA含量较高。说明通气处理促进根系碳水化合物的积累和根系激素的合成与运输。6.根系吸收是植物体内氮素的主要来源,本研究深入探讨了基质通气状况对黄瓜根系氮素吸收、运输和氮代谢的影响,结果表明G1通气处理根系的铵盐、硝酸盐、游离氨基酸和可溶性蛋白含量均较高;非通气处理（F1处理）根系内铵盐、硝酸盐和游离氨基酸含量呈先升高后降低的趋势,而可溶性蛋白含量始终较低,比对照降低11.03%。G1处理根系硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷草转氨酶、谷丙转氨酶、谷氨酰胺合成酶活性均较高;而F1处理的酶活性在处理末期显著降低,其中谷氨酰胺合成酶活性比对照降低33.33%。基质通气状况使根系和伤流液内某些氨基酸组分的相对含量改变,但对氨基酸种类影响不大。因此,基质通气促进根系的氮代谢和蛋白质合成,可能是促进植株生长发育的主要原因之一。7.通过对不同处理黄瓜叶片碳水化合物含量和光合作用的比较,证明G1处理叶片的淀粉和可溶性糖含量与对照差异不显著,而可溶性蛋白和游离氨基酸含量显著增加。非通气处理（F1处理）叶片的淀粉、可溶性糖含量和游离氨基酸含量,呈先升高后降低的趋势,而可溶性蛋白比对照降低10.72%。叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以G1处理较高,但胞间CO₂浓度以F1处理最高。叶片最大荧光产量、PSⅡ最大光化学效率和性能指数以G1处理较高,而初始荧光产量则以F1处理最高。表明不同通气方式间接影响黄瓜叶片质量和光合能力。8.通气处理显著改善了黄瓜根尖分生组织结构。通过比较G1通气处理和F1非通气处理的根尖分生组织的表皮、皮层、内皮层和中柱细胞发现,G1处理根尖具有活跃细胞的代谢特点,细胞排列规整,细胞核完整,细胞质浓厚,线粒体多且结构完整,内脊明显,淀粉粒只在表皮和皮层细胞中发现,且数量较少。F1处理对黄瓜根尖分生组织的表皮、皮层和内皮层细胞内的细胞器影响均较大,对中柱细胞的影响相对较小,且均发现有高密度沉降物。F1处理细胞内质体数量明显增多,且质体膨大,质体内淀粉粒明显增多,以表皮和皮层中数量最多,内皮层和中柱细胞中数量相对较少。线粒体数量较少,且膜结构被严重破坏,线粒体间质透明度增加。细胞排列散乱,细胞核不规则,核质稀疏,核仁松散,部分核膜不清晰,液泡大且内含物丰富。