不同生物炭處理對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，

（福建農林大學 a.林學院；b.園林學院，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、側根發(fā)達、耐干旱瘠薄[2]，是我國南方作為抗擊臺風、保持水土的重要用材樹種。生物炭是在含氧量較低條件下，生物質經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、致密的孔隙結構以及多種官能團等特殊的理化特性，這對土壤質地、結構等具有一定影響[5-7]；同時作為良好的離子吸附劑，在一定程度上能調節(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，影響植物體內多種生理生化反應，促進植物生長發(fā)育。生物炭含量較低，對植物影響差異小，而生物炭含量過高則會影響土壤養(yǎng)分，對植物生長發(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)境因子改變在一定程度上會影響植物生理生化反應和光合作用過程，葉綠素熒光參數能夠反映光合作用的動態(tài)變化以及環(huán)境生態(tài)因子改變對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用上的合理配置提供科學依據。

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]研究表明生物炭對玉米Zea mays幼苗時期營養(yǎng)元素的吸收沒有促進作用，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，生物炭對其生長抑制作用逐漸減緩。王艷芳等[16]研究表明生物炭對平邑甜茶Malus hupehensis葉綠素含量、抗氧化酶活性等具有促進作用，在一定程度上減輕光抑制現(xiàn)象，增強植物耐受限度，提高對植物的保護作用。國外學者關于生物炭對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度[17-18]。目前，生物炭在福建柏栽培中的應用鮮見報道，對其光合生理特性研究缺乏。以一年生福建柏實生苗為研究對象，探究福建柏在不同生物炭處理下光合特征和葉綠素熒光特征的變化規(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 試驗地概況

試驗地設在福建農林大學園林學院溫室大棚，地理坐標119°13′51.18″E、26°05′4.35″N，屬于亞熱帶季風性氣候，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360 d 以上。

1.2 試驗材料

供試苗木為1年生福建柏實生苗，平均苗高17.98±0.24 cm，平均地徑2.01±0.36 mm，盆栽基質土為黃泥土，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），每個花盆底部配有塑料托盤。

1.3 試驗設計

生物炭由勤豐眾成生物質新材料（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）。對照組無任何處理，不添加任何生物炭，標記為B0。每種生物炭施用量設置3 個水平，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。采用完全隨機區(qū)組設計，每個處理重復4 盆，每盆栽植1 株，共計40 株。于2017年3月，將3 種生物炭和黃泥土混勻施用，土壤理化性質測定見表1。處理15 d 后，每盆施用10 g 復合肥（N∶P∶K=1∶1∶1），試驗期間及時進行除草和澆水管理。于2018年9月，測定不同生物炭處理下福建柏葉片光合特性和葉綠素熒光參數。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 光合特性測定

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

1.4.2 葉綠素熒光特性測定

選取植株中上部受光一致的功能葉片，使用OS5p 便攜式脈沖調制葉綠素熒光儀（OPTIsciences，美國）對不同生物炭處理的福建柏實生苗進行測定，每株葉片測定3 次取平均值。測定時間9:00—11:30，連續(xù)測定3日取平均值，測定參數包括PSⅡ實際光化學效率（Yield）、光合電子傳遞速率（ETR）、光化學猝滅（qP）、非光化學猝滅（NPQ）；在暗適應處理測定初始熒光值（Fo）、最大熒光值（Fm）以及PSⅡ最大光化學量子產量（Fv/Fm）。

1.5 統(tǒng)計分析

采用 SPSS 22.0 軟件對數據進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）進行差異顯著性檢驗（α=0.05），利用Excel 2016 軟件作圖。生物炭對福建柏光合熒光參數影響評定采用主成分分析法，以累積方差貢獻率達80%以上為參考值，確定主成分個數。

2 結果與分析

2.1 生物炭處理對福建柏光合參數影響

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，WUE呈先降低后升高趨勢；在BH 處理下，Pn、Gs和Tr呈先升高后降低趨勢，Cr呈逐漸升高趨勢，WUE呈逐漸降低趨勢；在BR 處理，5 個光合指標均呈先降低后升高趨勢。在相同用量生物炭處理，5 個光合指標均表現(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 個光合指標均低于B0，其中Pn、Gs、Ci、Tr和WUE均在BR20 達到最低值（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 生物炭處理對福建柏熒光參數影響

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，qP和NPQ 呈先降低后升高趨勢；在BH 處理下，F(xiàn)o、Yield、ETR 呈逐漸升高趨勢，F(xiàn)v/Fm、qP和NPQ 呈先升高后降低趨勢；在BR 處理下，F(xiàn)o、Fv/Fm、Yield、ETR 呈先降低后升高趨勢（表3），qP和NPQ 呈相反變化趨勢。在相同用量生物炭處理下，6 個熒光指標表現(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%。生物炭處理對福建柏葉綠素熒光特性影響差異較大。

2.3 福建柏光合熒光參數相關性分析

光合作用強弱受多種因素影響，由于環(huán)境因素變化導致植物光合熒光參數呈現(xiàn)差異，同時各參數之間也存在相互影響。由表4可知，Pn與Gs、Ci、Tr呈極顯著正相關關系（P＜0.01），Gs與Ci、Tr也呈極顯著正相關關系（P＜0.01），表明氣孔開閉影響植物的光合作用和蒸騰作用，進而影響植物生長。Ci與Tr呈極顯著正相關關系（P＜0.01），Ci與Tr相互影響。Yield 與ETR 呈極顯著相關（P＜0.01），正相關系數為1.000，說明Yield 與ETR 密切影響。其它指標間呈不顯著正負相關關系。

2.4 福建柏光合熒光參數綜合評價結果

將12 個光合熒光指標進行主成分分析（表5），前3 個主成分累積方差貢獻率達82.902%，基本可以解釋數據全部變異情況，因此采用前3 個主成分作綜合評價指標，其中第1 主成分中Pn、Gs、Ci、Tr和NPQ 系數絕對值較大，說明光合參數是反映不同生物炭處理最重要的光合生理指標。根據福建柏各項光合熒光參數綜合評分（表6），福建柏處理綜合評價結果排序為BB80＞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，增強植物的光合能力[20-21]。研究表明施加生物炭的土壤對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福建柏Pn和Gs具有一定促進作用，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 處理的促進效果弱于BB，并且在20 g·kg-1左右趨于飽和；BR 處理對Pn具有一定抑制作用，隨施用量增加抑制作用減緩，可能會有促進效果，有待更深入的研究。Pn與Gs呈極顯著正相關關系（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，促進植物生長。三種生物炭處理對福建柏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輸能力。Pn、Gs、Ci和Tr呈極顯著正相關關系（P＜0.01），生物炭處理對主要光合參數具有顯著影響，通過生物炭的施用可以改善土壤環(huán)境影響光合作用，實現(xiàn)促進福建柏生長目標。BB 和BH 處理對福建柏WUE均具有促進作用，但在施用量上存在抑制作用的最大值；BR 處理下WUE與其它指標表現(xiàn)一致，均具有一定抑制作用。BB 對福建柏光合產物積累具有明顯提升效果，BH 處理促進效果需要在施用量達到一定程度，BR 對福建柏光合特性起抑制作用。有學者研究表明生物炭對番茄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度有顯著促進作用，這與本研究有相同之處。BR 對福建柏光合特性沒有明顯促進作用，這可能與水稻生物炭制作流程有關，或是水稻本身存在某些物質對福建柏生長具有抑制作用，需要進一步研究其作用原理。

Fo是反映PSⅡ反應中心的電子傳遞情況的良好指標[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是反應植物光化學轉換化率和潛在最大光合能力的良好指標，體現(xiàn)了植物對環(huán)境因子的適應情況[10]。Fv/Fm越大，PSⅡ最大光化學量子產量越大，植物對環(huán)境適應性越好，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 是反應植物實際光合效率大小和電子傳遞相對速率的指標[8]。ETR 是反映植物葉片在實際光照強度下外部光合電子傳遞效率快慢的指標[30]。在3種生物炭處理下，福建柏Yield 和ETR 變化趨勢一致，均高于B0 處理，且兩者呈極顯著正相關（P＜0.01），實際光化學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，增強了對環(huán)境的適應能力。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，這與本文研究結論一致。qP是反映PSⅡ反應中心的開放程度和光合活性變化的指標，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現(xiàn)植物自我保護的途徑[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反應的比例增大，增強了光化學活性。但是由于光能捕獲能力增強，剩余光能增加，NPQ 增大，表明生物炭處理提高了福建柏熱耗散能力，減弱了光抑制現(xiàn)象，增強光適應能力。3 種生物炭對福建柏葉綠素熒光特性具有明顯影響作用，能夠增加葉片對光能的捕獲能力，增強對環(huán)境的適應能力。

生物炭對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[32]，本研究僅從生物炭類型和施用量兩方面進行研究，將生物炭施入單一的土壤類型對福建柏進行培養(yǎng)，對土壤因子研究單一，可以進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重要[33]，不同的環(huán)境因子主要影響與林木生長直接相關的水熱和土壤條件影響土壤肥力，進而影響植物生長。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土壤的修復作用，評估福建柏幼苗光合生長響應，可為生物炭在福建柏栽培中提供更全面的理論依據。

4 結 論

利用主成分分析法綜合評價生物炭對福建柏光合熒光特性的影響，結果表明竹子生物炭對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，對福建柏天然林恢復、園林綠化培育以及木材生產具有重要作用。