石墨烯對(duì)西梅苗木生長(zhǎng)影響的作用機(jī)理初探

李前鋒 郭寶琴 李新宇 劉琮 劉波 閆晉華

摘要：? 對(duì)西梅苗木添加了不同濃度石墨烯溶膠處理后，測(cè)定西梅苗木的葉片胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、水蒸氣壓虧缺、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率以及苗木的根長(zhǎng)、根重、莖長(zhǎng)、莖重、莖直徑等指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數(shù)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，蒸騰速率先升高后變化幅度較小;水蒸氣壓虧缺呈先降低后升高的趨勢(shì)，變化幅度較小;與對(duì)照組相比，水分利用效率呈下降趨勢(shì)，即添加石墨烯后，苗木抗旱性減弱。從根系、莖的形態(tài)看，當(dāng)石墨烯溶膠濃度范圍處于20～33.3 mg/L區(qū)間時(shí)，西梅苗木根、莖增長(zhǎng)水平明顯，而當(dāng)石墨烯濃度增加到50～100 mg/L，增長(zhǎng)水平有所降低。造成上述這些現(xiàn)象的主要原因是石墨烯的添加增強(qiáng)了土壤對(duì)養(yǎng)分的吸持力，減少了養(yǎng)分的流失，同時(shí)提高了根系細(xì)胞外電化學(xué)勢(shì)梯度，促進(jìn)了西梅苗木對(duì)養(yǎng)分、水分的吸收。

關(guān)鍵詞：? 石墨烯;? 苗木生長(zhǎng);? 作用機(jī)理

中圖分類號(hào)：? ?S 662. 4? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2022）01 - 0021 - 03

石墨烯[ 1 ]是一種由碳原子以SP2雜化軌道促成的六角型呈蜂巢晶格狀的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景。很早以前農(nóng)民就開始使用草木灰作為肥料來提高作物的產(chǎn)量，草木灰是植物燃燒后的殘余物，含有大量的碳酸鉀，可作為鉀肥，利用高分辨掃描電子顯微鏡觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)在草木灰中還含有大量的包括石墨烯在內(nèi)的碳納米材料。實(shí)際上對(duì)作物生長(zhǎng)起促進(jìn)作用的除了鉀鹽之外還有石墨烯，但石墨烯對(duì)植物生長(zhǎng)所發(fā)揮的作用沒有被系統(tǒng)地研究過。

自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯引起了材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注，在世界范圍內(nèi)掀起了制備和應(yīng)用研究的熱潮，在農(nóng)林領(lǐng)域也引起了一定的關(guān)注，其中研究石墨烯對(duì)種子萌發(fā)和根系發(fā)育等影響是一個(gè)重要方面。有學(xué)者研究了石墨烯對(duì)水稻種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響，對(duì)卷心番茄、紅菠菜和萵苣的根、莖生長(zhǎng)等的影響 [ 2 - 4 ]。但石墨烯在林業(yè)上的研究應(yīng)用相關(guān)報(bào)道較少，胡曉飛等[ 5 ]研究了石墨烯對(duì)樹莓組培苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響。西梅（Prunus domestica L.）是薔薇目薔薇科李屬植物，落葉喬木，抗寒抗旱，適應(yīng)性強(qiáng)，能避開北方晚霜危害，果實(shí)芳香甜美、品質(zhì)極佳，耐貯藏，是適合山西大同培育的優(yōu)良品種。本文研究了不同濃度石墨烯對(duì)西梅苗木生長(zhǎng)的影響，以期為石墨烯在林業(yè)上的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

西梅種植試驗(yàn)地點(diǎn)為大同市云州區(qū)國營苗圃， 位于云州區(qū)城西5 km。平均海拔1 157 m， 年平均氣溫6.4 ℃， 年降水量389 mm， 年平均無霜期125天。該試驗(yàn)點(diǎn)栽植西梅苗木8畝，共25 000株。

2 材料與方法

2. 1 試驗(yàn)材料

（1）西梅苗木，當(dāng)年嫁接苗。

（2）石墨烯溶膠由山西大同大學(xué)石墨烯林業(yè)應(yīng)用國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，濃度為5 g/L。

2. 2 試驗(yàn)方法

在西梅種植區(qū)分別選擇部分區(qū)域劃定試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)由一個(gè)對(duì)照組和5個(gè)試驗(yàn)組構(gòu)成，每組有100株西梅嫁接苗。石墨烯溶膠原液濃度為5 g/L，顯酸性，用水對(duì)其進(jìn)行稀釋后使用。本項(xiàng)目中試驗(yàn)組所用的石墨烯溶膠濃度為：20 mg/L（稀釋250倍）、25 mg/L（稀釋200倍）、33.3 mg/L（稀釋150倍）、50 mg/L（稀釋100倍）、100 mg/L（稀釋50倍），稀釋后的石墨烯溶膠分別澆灌于5個(gè)試驗(yàn)組中。在2020年6～8月期間，每月中旬進(jìn)行1次石墨烯溶膠的澆灌，共澆灌3次，每次每株澆灌1 L，對(duì)照組澆灌等量清水。

2. 3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

2020年9月中旬，測(cè)定西梅苗木葉片胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、水蒸氣壓虧缺、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率。在對(duì)照組和5個(gè)試驗(yàn)組分別隨機(jī)選取10株西梅苗木，每株隨機(jī)測(cè)試5枚葉片，得到50個(gè)數(shù)據(jù)，選取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

2020年10月，苗木度過夏季生長(zhǎng)期后，在對(duì)照組和5個(gè)試驗(yàn)組分別隨機(jī)選取15株西梅苗木，分別測(cè)定其根長(zhǎng)、根重、莖長(zhǎng)、莖重、莖直徑。

3 結(jié)果與分析

3. 1 石墨烯溶膠對(duì)西梅葉片光合作用的影響

如圖1所示，施用石墨烯溶膠后苗木的葉片光合作用參數(shù)發(fā)生了一定的變化。隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數(shù)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì);蒸騰速率先升高后變化幅度較小;水蒸汽壓虧缺呈先降低后升高的趨勢(shì);與對(duì)照組相比，水分利用效率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

3. 2 石墨烯溶膠對(duì)西梅苗木生長(zhǎng)形態(tài)的影響

本研究在對(duì)照組和不同濃度石墨烯溶膠添加處理組中，分別選取了15株種苗，對(duì)根系和莖的形態(tài)特征進(jìn)行了測(cè)定。由圖2可見，添加不同濃度石墨烯后，西梅種苗的根長(zhǎng)、根直徑均出現(xiàn)明顯差異。

在不同石墨烯濃度處理下，各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)出差異性（表1）。與對(duì)照組相比，添加石墨烯溶膠對(duì)西梅苗木的生長(zhǎng)形態(tài)均產(chǎn)生了積極影響。當(dāng)石墨烯濃度為20 mg/L時(shí)，根重達(dá)到最大值;當(dāng)石墨烯濃度為25 mg/L時(shí)，莖重達(dá)到最大值;當(dāng)石墨烯溶膠濃度范圍處于20～33.3 mg/L時(shí)，西梅苗木的根重、莖重和莖直徑與對(duì)照組存在顯著差異，即西梅苗木根、莖增長(zhǎng)水平明顯;而當(dāng)石墨烯濃度增加為50～100 mg/L，西梅根、莖增長(zhǎng)水平有所降低。

4 討論與結(jié)論

4. 1 研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯對(duì)西梅苗木光合作用的發(fā)生起促進(jìn)作用，但隨著石墨烯溶膠濃度的升高，其發(fā)生的作用有所下降。胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。植物光合速率受到光照、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等因素的影響，有研究[ 6 ]表明這些指標(biāo)具有一定的正相關(guān)性，與本文結(jié)果一致。氣孔導(dǎo)度的降低引起胞間CO2濃度的降低，胞間CO2濃度的降低造成凈光合速率的降低。盡管添加石墨烯溶膠后西梅苗木的凈光合速率、蒸騰速率升高，但其水分利用效率下降，一定程度上說明苗木的抗旱性減弱，故添加石墨烯溶膠后植物需要吸收更多的水分。從苗木根、莖形態(tài)來看，石墨烯溶膠濃度范圍在20～33.3 mg/L時(shí)，能夠?qū)ξ髅访缒旧L(zhǎng)產(chǎn)生較好的促進(jìn)作用，不同濃度發(fā)揮的促進(jìn)作用大小不同，有研究顯示[ 7 ]適當(dāng)濃度的石墨烯可以促進(jìn)美國紅櫨組培苗不定根的生長(zhǎng)，但當(dāng)濃度較高時(shí)不能促進(jìn)根系根數(shù)的增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯濃度較低時(shí)（20～33.3 mg/L）促進(jìn)效果良好，而濃度較高時(shí)促進(jìn)效果有所減弱，其中的原因需要進(jìn)一步研究，可能養(yǎng)分不是苗木生長(zhǎng)的限制因子，而水分成了限制因子。

4. 2 本研究中造成西梅苗木光合參數(shù)、根系、莖形態(tài)變化的主要原因是石墨烯溶膠。首先，石墨烯比表面積較大，促使苗木根部周圍的土壤形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種土壤結(jié)構(gòu)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)有較大的吸持力。已有研究表明[ 8 ]，添加了500 mg/L石墨烯溶膠后的土壤與對(duì)照組相比，土壤中的硝態(tài)氮、全氮、全磷、全鉀含量提高了91.9%、175%、59.3%、55.1%，即添加了石墨烯溶膠后土壤中流失掉的養(yǎng)分減少，對(duì)養(yǎng)分的吸持力極大增強(qiáng)。其次，石墨烯能夠提高苗木根系細(xì)胞外電化學(xué)勢(shì)梯度，促進(jìn)離子進(jìn)入根系細(xì)胞，其表面的親水、疏水基團(tuán)產(chǎn)生橋聯(lián)作用促進(jìn)植物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收。另外，石墨烯能促進(jìn)根系細(xì)胞內(nèi)線粒體增多，提高植株ATP含量水平，為植物根系等器官的生長(zhǎng)提高更多的能量。根系的良好生長(zhǎng)將進(jìn)一步促進(jìn)根系對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)將大量的營養(yǎng)物質(zhì)輸送到植物的地上部分，支持地上部分的生長(zhǎng)，對(duì)于光合作用的發(fā)生產(chǎn)生積極影響。

4. 3 綜上所述，添加石墨烯溶膠后，西梅苗木的凈光合速率、蒸騰速率增快，但水分利用效率下降。在實(shí)踐中添加石墨烯溶膠后需要澆灌更多的水才能使石墨烯的作用發(fā)揮得更好;從根系、莖的形態(tài)看，添加石墨烯溶膠后，對(duì)西梅苗木的根、莖生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，且在石墨烯濃度在20～33.3 mg/L對(duì)西梅苗木生長(zhǎng)促進(jìn)作用明更優(yōu)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是石墨烯的添加增強(qiáng)了土壤對(duì)養(yǎng)分的吸持力，減少了養(yǎng)分的流失，并形成電化學(xué)勢(shì)梯度，促進(jìn)了西梅對(duì)養(yǎng)分、水分的吸收。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹海華，? 康堅(jiān).? 石墨烯的性能及應(yīng)用研究[J].? 內(nèi)蒙古石油化工， 2015（2）： 17 - 18.

[2] Nair R， Mohamed M S， Gao W， et al. Effect of carbon? nanomaterials on the germination and growth of rice plants[J]. Journal of Nanoscience & Nantechnology， 20012， 12（3）： 2 212 - 2 220.

[3] Begum P， Ikhtiari R， Fugetsu B. Graphene phytotoxicity in the

seedling stage of cabbage，tomato，red spinach，and lettuce[J].Carbon， 2011， 49（12）： 2 695 - 2 701.

[4] Liu S， Wei H， Li Z， et al. Effects of graphene on germination and seedling morphology in rice[J]. Journal of Nanoscience & Nantechnology， 2015， 15（4）： 2 695 - 2 701.

[5] 胡曉飛，? 趙建國，? 高利巖，? 等.? 石墨烯對(duì)樹莓組培苗生長(zhǎng)發(fā)育影響[J].? 新型碳材料， 2019， 34（5）： 447 - 453.

[6] 陳根云，? 陳娟，? 許大全.? 關(guān)于凈光合速率與胞間CO2濃度關(guān)系的思考[J]. 植物生理學(xué)通訊， 2010， 46（1）： 64 - 66.

[7] 陳天霞，? 姚建忠，? 薛斌龍，? 等.? 氧化石墨烯對(duì)美國紅櫨組培苗不定根發(fā)生的影響[J].? 內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)， 2019， 42（6）： 97 - 100.

[8] 隋祺祺，? 焦晨旭，? 喬俊，? 等.? 石墨烯溶膠配施化肥對(duì)土壤中養(yǎng)分流失的影響[J].? 水土保持學(xué)報(bào)， 2019， 33（1）： 39 - 44.

第1作者簡(jiǎn)介：? 李前鋒（1974-），? 男，? 正高級(jí)工程師，? 研究方向?yàn)樯峙嘤?/p>

收稿日期： 2021 - 09 -? 20

（責(zé)任編輯：? ?張亞楠）