不同生物炭處理對(duì)福建柏光合熒光特性的影響

凡莉莉，Muhmmd Wqqs Khn Trin，張洋洋，吳曉瑩，榮俊冬，鄭郁善，

（福建農(nóng)林大學(xué) a.林學(xué)院；b.園林學(xué)院，福建 福州 350002）

福建柏Fokienia hodginsii是中國特有的柏科（Cupressaceae）福建柏屬（Fokienia）單屬種植物，其樹形美觀、樹干通直、材性優(yōu)良、耐腐蝕性好，是建筑、裝飾、雕刻的優(yōu)良用材[1]。福建柏根系較淺、穿透力強(qiáng)、側(cè)根發(fā)達(dá)、耐干旱瘠薄[2]，是我國南方作為抗擊臺(tái)風(fēng)、保持水土的重要用材樹種。生物炭是在含氧量較低條件下，生物質(zhì)經(jīng)熱解炭化后較難溶的芳香化程度高的粉狀或顆粒狀固體[3-4]。生物炭具有較高比表面積、致密的孔隙結(jié)構(gòu)以及多種官能團(tuán)等特殊的理化特性，這對(duì)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等具有一定影響[5-7]；同時(shí)作為良好的離子吸附劑，在一定程度上能調(diào)節(jié)土壤中N、P、K 和其他微量元素的循環(huán)作用，有利于改善土壤保水保肥能力[8]。適量生物炭能夠在土壤中發(fā)揮綜合作用，影響植物體內(nèi)多種生理生化反應(yīng)，促進(jìn)植物生長發(fā)育。生物炭含量較低，對(duì)植物影響差異小，而生物炭含量過高則會(huì)影響土壤養(yǎng)分，對(duì)植物生長發(fā)育造成危害[9]。光合作用與植物生存環(huán)境中生態(tài)因子聯(lián)系密切[10]，環(huán)境因子改變?cè)谝欢ǔ潭壬蠒?huì)影響植物生理生化反應(yīng)和光合作用過程，葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映光合作用的動(dòng)態(tài)變化以及環(huán)境生態(tài)因子改變對(duì)植物光合作用的影響[11]。研究植物光合變化是有效了解環(huán)境因素對(duì)植物生長與代謝的手段[12-13]。因此，探究不同種類和不同用量生物炭對(duì)福建柏葉片光合作用的潛在影響，可為福建柏的引種栽培和在園林應(yīng)用上的合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

楊勁峰等[14]研究表明生物炭在一定程度上能夠提高花生Arachis hypogaea生長發(fā)育時(shí)期葉片光系統(tǒng)性能，包括電子傳遞、氧化還原、光能吸收等性能，增加花生的抗逆性，但隨生物炭用量增加，生物炭作用逐漸降低。張晗芝等[15]研究表明生物炭對(duì)玉米Zea mays幼苗時(shí)期營養(yǎng)元素的吸收沒有促進(jìn)作用，在一定程度上減緩了幼苗生長發(fā)育速度，但隨著幼苗生長，生物炭對(duì)其生長抑制作用逐漸減緩。王艷芳等[16]研究表明生物炭對(duì)平邑甜茶Malus hupehensis葉綠素含量、抗氧化酶活性等具有促進(jìn)作用，在一定程度上減輕光抑制現(xiàn)象，增強(qiáng)植物耐受限度，提高對(duì)植物的保護(hù)作用。國外學(xué)者關(guān)于生物炭對(duì)植物影響的研究豐富，有研究顯示某些生物炭能夠在一定程度上減少植物重金屬中毒現(xiàn)象，提高植物光合速率和氣孔導(dǎo)度[17-18]。目前，生物炭在福建柏栽培中的應(yīng)用鮮見報(bào)道，對(duì)其光合生理特性研究缺乏。以一年生福建柏實(shí)生苗為研究對(duì)象，探究福建柏在不同生物炭處理下光合特征和葉綠素?zé)晒馓卣鞯淖兓?guī)律，揭示福建柏光合作用的基本生理特征和規(guī)律，分析適宜的生物炭處理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院溫室大棚，地理坐標(biāo)119°13′51.18″E、26°05′4.35″N，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均溫為19.9℃，極端最高溫42℃，最低溫度為0℃。年平均日照1 755.4 h，無霜期達(dá)360 d 以上。

1.2 試驗(yàn)材料

供試苗木為1年生福建柏實(shí)生苗，平均苗高17.98±0.24 cm，平均地徑2.01±0.36 mm，盆栽基質(zhì)土為黃泥土，于2017年3月移栽于塑料花盆，規(guī)格22 cm×16 cm×18 cm（上直徑×下直徑×高），每個(gè)花盆底部配有塑料托盤。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

生物炭由勤豐眾成生物質(zhì)新材料（南京）有限公司提供，施用3 種生物炭，分別為竹子生物炭（BB）、硬木生物炭（BH）、水稻生物炭（BR）。對(duì)照組無任何處理，不添加任何生物炭，標(biāo)記為B0。每種生物炭施用量設(shè)置3 個(gè)水平，分別為5、20、80 g·kg-1，共9 種處理，分別記為BB5、BB20、BB80、BH5、BH20、BH80、BR5、BR20、BR80。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)4 盆，每盆栽植1 株，共計(jì)40 株。于2017年3月，將3 種生物炭和黃泥土混勻施用，土壤理化性質(zhì)測(cè)定見表1。處理15 d 后，每盆施用10 g 復(fù)合肥（N∶P∶K=1∶1∶1），試驗(yàn)期間及時(shí)進(jìn)行除草和澆水管理。于2018年9月，測(cè)定不同生物炭處理下福建柏葉片光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 光合特性測(cè)定

選取植株中上部受光一致的功能葉片，使用Li-6400 XT 便攜式光合儀對(duì)不同生物炭處理的福建柏實(shí)生苗進(jìn)行測(cè)定，設(shè)定光合有效輻射值為1 000，每株葉片測(cè)定3 次取平均值。測(cè)定時(shí)間9:00—11:30，連續(xù)測(cè)定3日取平均值，測(cè)定參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），計(jì)算水分利用效率（WUE），WUE=Pn/Tr[19]。

1.4.2 葉綠素?zé)晒馓匦詼y(cè)定

選取植株中上部受光一致的功能葉片，使用OS5p 便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（OPTIsciences，美國）對(duì)不同生物炭處理的福建柏實(shí)生苗進(jìn)行測(cè)定，每株葉片測(cè)定3 次取平均值。測(cè)定時(shí)間9:00—11:30，連續(xù)測(cè)定3日取平均值，測(cè)定參數(shù)包括PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率（Yield）、光合電子傳遞速率（ETR）、光化學(xué)猝滅（qP）、非光化學(xué)猝滅（NPQ）；在暗適應(yīng)處理測(cè)定初始熒光值（Fo）、最大熒光值（Fm）以及PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用 SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05），利用Excel 2016 軟件作圖。生物炭對(duì)福建柏光合熒光參數(shù)影響評(píng)定采用主成分分析法，以累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上為參考值，確定主成分個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭處理對(duì)福建柏光合參數(shù)影響

由表2可知，隨生物炭用量增加，在BB 處理，Pn、Gs、Ci和Tr呈逐漸升高趨勢(shì)，WUE呈先降低后升高趨勢(shì)；在BH 處理下，Pn、Gs和Tr呈先升高后降低趨勢(shì)，Cr呈逐漸升高趨勢(shì)，WUE呈逐漸降低趨勢(shì)；在BR 處理，5 個(gè)光合指標(biāo)均呈先降低后升高趨勢(shì)。在相同用量生物炭處理，5 個(gè)光合指標(biāo)均表現(xiàn)為BB 處理最高，其次是BH 處理，BR 處理最低。

Pn、Gs、Ci和Tr均在BB80 處理下達(dá)到最高值（6.637 μmol·m-2·s-1、0.085 mmol·m-2·s-1、268.903 μmol·mol-1和1.857 mmol·m-2·s-1），分別比B0 顯著增加了109.949%、122.572%、12.366%和91.295%（P＜0.05）；WUE 在BB5 處理下達(dá)到最高值（4.201 mmol·mol-1），比B0 顯著增加了37.900%（P＜0.05）。在BR 處理下，5 個(gè)光合指標(biāo)均低于B0，其中Pn、Gs、Ci、Tr和WUE均在BR20 達(dá)到最低值（1.091 μmol·m-2·s-1、0.013 mmol·m-2·s-1、193.609 μmol·mol-1、0.489 mmol·m-2·s-1和2.23 mmol·mol-1），分別比B0降低了65.487%（P＜0.05）、66.929%、19.097%（P＜0.05）、49.634%（P＜0.05） 和26.011%。生物炭處理在一定程度上能夠提高福建柏光合能力，不同生物炭處理表現(xiàn)出一定差異，其中竹子和硬木生物炭效果較佳。

2.2 生物炭處理對(duì)福建柏?zé)晒鈪?shù)影響

隨生物炭用量增加，在BB 處理下，F(xiàn)o、Fv/Fm、Yield、ETR 呈逐漸升高趨勢(shì)，qP和NPQ 呈先降低后升高趨勢(shì)；在BH 處理下，F(xiàn)o、Yield、ETR 呈逐漸升高趨勢(shì)，F(xiàn)v/Fm、qP和NPQ 呈先升高后降低趨勢(shì)；在BR 處理下，F(xiàn)o、Fv/Fm、Yield、ETR 呈先降低后升高趨勢(shì)（表3），qP和NPQ 呈相反變化趨勢(shì)。在相同用量生物炭處理下，6 個(gè)熒光指標(biāo)表現(xiàn)不同。在5 g·kg-1用量生物炭處理下，F(xiàn)o、qP和NPQ 在BB 處理下最高，F(xiàn)v/Fm、Yield 和ETR 在BR 處理下最高；在20 g·kg-1用量生物炭處理，F(xiàn)o在BB 處理下最高，Yield、ETR、qP和NPQ 在BR 處理下最高，F(xiàn)v/Fm在BH處理下最高；在80 g·kg-1用量生物炭處理下，F(xiàn)o和NPQ 在BB 處理下最高，F(xiàn)v/Fm、Yield 和ETR在BR 處理下最高，qP在BH 處理下最高。

Fo、Yield、ETR 均在BR80 處理達(dá)到最高值（248.000、0.652和32.800），分別比B0增加了3.047%、18.141%、51.522%（P＜0.05） 和51.618%（P＜0.05）；Fv/Fm在BH20 處理下達(dá)到最高值（0.813），比B0 增加了34.692%（P＜0.05）；qP和NPQ在BR20 處理下達(dá)到最高值（0.913 和0.339），分別比B0 顯著增加了47.133%和1 100.709%（P＜0.05）。Fv/Fm、Yield、ETR 均在BB5 處理下達(dá)到最低值（0.656、0.493 和34.833），均比B0 增加了11.117%、14.641%（P＜0.05）和14.792%（P＜0.05）；Fo和NPQ 在BH5 處理下達(dá)到最低值（210.333 和0.044），僅Fo低于B0，比B0顯著降低了12.604%（P＜0.05）；qP在BR5 處理下表現(xiàn)最低值（0.698），比B0 增加了12.452%。生物炭處理對(duì)福建柏葉綠素?zé)晒馓匦杂绊懖町愝^大。

2.3 福建柏光合熒光參數(shù)相關(guān)性分析

光合作用強(qiáng)弱受多種因素影響，由于環(huán)境因素變化導(dǎo)致植物光合熒光參數(shù)呈現(xiàn)差異，同時(shí)各參數(shù)之間也存在相互影響。由表4可知，Pn與Gs、Ci、Tr呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），Gs與Ci、Tr也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），表明氣孔開閉影響植物的光合作用和蒸騰作用，進(jìn)而影響植物生長。Ci與Tr呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），Ci與Tr相互影響。Yield 與ETR 呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），正相關(guān)系數(shù)為1.000，說明Yield 與ETR 密切影響。其它指標(biāo)間呈不顯著正負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.4 福建柏光合熒光參數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將12 個(gè)光合熒光指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表5），前3 個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)82.902%，基本可以解釋數(shù)據(jù)全部變異情況，因此采用前3 個(gè)主成分作綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中第1 主成分中Pn、Gs、Ci、Tr和NPQ 系數(shù)絕對(duì)值較大，說明光合參數(shù)是反映不同生物炭處理最重要的光合生理指標(biāo)。根據(jù)福建柏各項(xiàng)光合熒光參數(shù)綜合評(píng)分（表6），福建柏處理綜合評(píng)價(jià)結(jié)果排序?yàn)锽B80＞BB20＞BH80＞BH20＞BB5＞BH5＞BR80＞B0＞BR20＞BR5。

3 討 論

生物炭在一定程度上能改善土壤理化生物特性、土壤肥力，增強(qiáng)植物的光合能力[20-21]。研究表明施加生物炭的土壤對(duì)苗木的生長速率具有積極顯著作用，能夠加快樹木的生長[22-23]。本研究表明生物炭處理對(duì)福建柏Pn和Gs具有一定促進(jìn)作用，隨著BB 處理施用量的增加，福建柏表現(xiàn)出較高的光合同化和氣體交換能力；BH 處理的促進(jìn)效果弱于BB，并且在20 g·kg-1左右趨于飽和；BR 處理對(duì)Pn具有一定抑制作用，隨施用量增加抑制作用減緩，可能會(huì)有促進(jìn)效果，有待更深入的研究。Pn與Gs呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），隨著Gs增加福建柏能夠吸收較多CO2從而提高凈光合速率，促進(jìn)植物生長。三種生物炭處理對(duì)福建柏Ci和Tr影響，在BB 和BR 處理下與Pn和Gs變化一致，表明兩者能有效提高福建柏葉片CO2同化速率，并維持葉片較高的水分運(yùn)輸能力。Pn、Gs、Ci和Tr呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），生物炭處理對(duì)主要光合參數(shù)具有顯著影響，通過生物炭的施用可以改善土壤環(huán)境影響光合作用，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)福建柏生長目標(biāo)。BB 和BH 處理對(duì)福建柏WUE均具有促進(jìn)作用，但在施用量上存在抑制作用的最大值；BR 處理下WUE與其它指標(biāo)表現(xiàn)一致，均具有一定抑制作用。BB 對(duì)福建柏光合產(chǎn)物積累具有明顯提升效果，BH 處理促進(jìn)效果需要在施用量達(dá)到一定程度，BR 對(duì)福建柏光合特性起抑制作用。有學(xué)者研究表明生物炭對(duì)番茄Lycopersicon esculentum[24]、茶樹Camellia sinensis[25]、三葉青Tetrastigma hemsleyanum[26]、茄子Solanum melongena[27]等植物的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度有顯著促進(jìn)作用，這與本研究有相同之處。BR 對(duì)福建柏光合特性沒有明顯促進(jìn)作用，這可能與水稻生物炭制作流程有關(guān)，或是水稻本身存在某些物質(zhì)對(duì)福建柏生長具有抑制作用，需要進(jìn)一步研究其作用原理。

Fo是反映PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞情況的良好指標(biāo)[29]。本研究表明，在BB 處理下福建柏Fo均高于B0 處理，表現(xiàn)出良好的光合系統(tǒng)電子傳遞效率；在BH 和BR 處理，福建柏光電子傳遞效率較低。Fv/Fm是反應(yīng)植物光化學(xué)轉(zhuǎn)換化率和潛在最大光合能力的良好指標(biāo)，體現(xiàn)了植物對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)情況[10]。Fv/Fm越大，PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量越大，植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性越好，植物生長狀態(tài)越好，反之則越小。在3 種生物炭處理下，福建柏Fv/Fm均高于B0 處理，表明生物炭處理改善了福建柏生長環(huán)境，增強(qiáng)了福建柏的光合性能，其中不同生物炭處理間差異較小。Yield 是反應(yīng)植物實(shí)際光合效率大小和電子傳遞相對(duì)速率的指標(biāo)[8]。ETR 是反映植物葉片在實(shí)際光照強(qiáng)度下外部光合電子傳遞效率快慢的指標(biāo)[30]。在3種生物炭處理下，福建柏Yield 和ETR 變化趨勢(shì)一致，均高于B0 處理，且兩者呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），實(shí)際光化學(xué)效率與光合電子傳遞速率聯(lián)系密切，表明生物炭處理提高了福建柏光合效率并加快了電子傳輸效率，增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。Fv/Fm、Yield和ETR 增大但并不隨生物炭用量增加而增加，表明在一定用量生物炭處理下福建柏的光合熒光特性得到改善，植物光抑制現(xiàn)象減弱。郭雄飛等[6]研究結(jié)果表明生物碳有一定的適用范圍，刨花潤楠Machilus pauhoi光合熒光特性隨生物炭用量增加而增加，但超過用量后表現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與本文研究結(jié)論一致。qP是反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和光合活性變化的指標(biāo)，NPQ 是植物為避免自身的損傷利用熱耗散消耗過多的能量實(shí)現(xiàn)植物自我保護(hù)的途徑[31]。本研究表明，在3 種生物炭處理下，福建柏qP和NPQ 均高于B0，福建柏葉片qP增大，表明生物炭處理下福建柏PSⅡ反應(yīng)中心開放程度增大，光合電子傳遞速率加快，捕獲光能中用于光化學(xué)反應(yīng)的比例增大，增強(qiáng)了光化學(xué)活性。但是由于光能捕獲能力增強(qiáng)，剩余光能增加，NPQ 增大，表明生物炭處理提高了福建柏?zé)岷纳⒛芰?，減弱了光抑制現(xiàn)象，增強(qiáng)光適應(yīng)能力。3 種生物炭對(duì)福建柏葉綠素?zé)晒馓匦跃哂忻黠@影響作用，能夠增加葉片對(duì)光能的捕獲能力，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

生物炭對(duì)植物的影響與施用量、生物炭類型、植物種類、土壤類型等要素有關(guān)[32]，本研究僅從生物炭類型和施用量兩方面進(jìn)行研究，將生物炭施入單一的土壤類型對(duì)福建柏進(jìn)行培養(yǎng)，對(duì)土壤因子研究單一，可以進(jìn)一步開展生物炭施入不同土壤類型或者不同肥力土壤研究。立地環(huán)境因子在林木生長過程中至關(guān)重要[33]，不同的環(huán)境因子主要影響與林木生長直接相關(guān)的水熱和土壤條件影響土壤肥力，進(jìn)而影響植物生長。研究表明在缺水和養(yǎng)分匱乏條件下，生物炭在增加植物養(yǎng)分吸收、改變氣體交換特性和促進(jìn)光合作用方面具有重要意義[23]，因此研究水分、光照、溫度等因子下生物炭對(duì)土壤的修復(fù)作用，評(píng)估福建柏幼苗光合生長響應(yīng)，可為生物炭在福建柏栽培中提供更全面的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

利用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)生物炭對(duì)福建柏光合熒光特性的影響，結(jié)果表明竹子生物炭對(duì)福建柏光合特性具有積極作用，BB20 和 BB80 處理效果最佳，其次為硬木生物炭，水稻生物炭處理效果不佳，這一研究結(jié)果可為提升福建柏生長速率和減短福建柏生長周期提供理論依據(jù)，對(duì)福建柏天然林恢復(fù)、園林綠化培育以及木材生產(chǎn)具有重要作用。