石墨烯對杉木幼苗養(yǎng)分含量及光合特征的影響

代林利, 魏永平, 張 莜, 曹光球, 葉義全, 趙建國, 陳愛玲,5

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國家林業(yè)和草原杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.福建省永安國有林場，福建 永安 366000；4.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西 大同 037009；5.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

石墨烯是一種具有穩(wěn)定碳結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料[1]，在材料、能源、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-3].近年來，隨著制備技術(shù)的發(fā)展，對石墨烯材料的研究逐漸延伸至農(nóng)林業(yè).研究[4-5]表明，石墨烯導(dǎo)電性強(qiáng)，能有效吸附養(yǎng)分離子和水分，可以促進(jìn)植物根系生長和種子發(fā)芽.但石墨烯氧化脅迫也可能對植物產(chǎn)生一定毒性[6]，促使植物產(chǎn)生大量粘液并覆蓋于根表面，不利于根的呼吸及物質(zhì)交換[7].大量研究表明，不同濃度石墨烯對植物生長具有不同影響，適宜濃度的石墨烯處理可以促進(jìn)藜麥、水稻、小麥等根系的生長，并能增加植物的生物量[8].過量的石墨烯則會抑制種子發(fā)芽和根的生長，破壞植物細(xì)胞等[9-10]，低濃度石墨烯對植物生長有促進(jìn)作用[11].

杉木是喜肥沃土壤的優(yōu)良速生用材樹種，在我國南方分布廣泛，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.為解決杉木連栽導(dǎo)致的杉木林地生產(chǎn)力不佳等問題，采取科學(xué)高效的林地施肥措施尤為重要[12-13].研究[14]表明，在肥料中施加一定濃度石墨烯能夠促進(jìn)植物根系對土壤養(yǎng)分的吸收，可起到保肥、節(jié)肥的作用.目前石墨烯在農(nóng)林業(yè)方面的研究主要集中于常見農(nóng)作物以及石墨烯毒性方面，而對用材林樹種產(chǎn)生影響方面的研究較少，且鮮有對添加一定濃度石墨烯于所施肥料的探討.葉片的光合作用和植物養(yǎng)分積累是決定植物生長發(fā)育的關(guān)鍵[15-16].鑒于此，本研究以1年生杉木優(yōu)良無性系“洋061”為試驗(yàn)材料，采用室內(nèi)盆栽方法，分析不同含量石墨烯對杉木幼苗養(yǎng)分含量和生理特征的影響，旨在為杉木林高效培育以及石墨烯在杉木施肥中的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建農(nóng)林大學(xué)國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心田間實(shí)驗(yàn)室大棚(26°05′N，119°13′E)，屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均日照時(shí)長1 700～1 980 h，年平均降水量1 300 mm，年平均溫度22.5 ℃，無霜期約326 d.

1.2 供試材料

供試材料為福建省洋口國有林場提供的一年生優(yōu)良無性系‘洋061’扦插苗.復(fù)合肥料N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16.石墨烯母液由山西大同大學(xué)趙建國院長課題組提供.土壤基本化學(xué)成分：全碳(3.44±0.01) g·kg-1，全氮(0.44±0.01) g·kg-1，全磷(0.08±0.01) g·kg-1，全鉀(5.04±0.13) g·kg-1.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將無雜質(zhì)紅心土裝入直徑18 cm、高20 cm的聚乙烯塑料花盆，將苗木移栽到盆內(nèi)，保持土壤濕潤，遮光達(dá)70%左右.苗木盆栽緩苗7 d后，在苗木四周開2 cm溝，均勻施入30 g復(fù)合肥及不同濃度石墨烯添加液500 mL.為了避免光對杉木幼苗生長的影響，塑料盆排列采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3個(gè)完全隨機(jī)區(qū)組，每個(gè)完全隨機(jī)區(qū)組4個(gè)處理，分別為僅施加30 g復(fù)合肥(對照)、20 mg·L-1石墨烯+30 g復(fù)合肥、25 mg·L-1石墨烯+30 g復(fù)合肥、30 mg·L-1石墨烯+30 g復(fù)合肥.每盆種植1株苗，每盆設(shè)1個(gè)重復(fù)，區(qū)組內(nèi)每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)，共處理120盆.2020年7、9、11月初在區(qū)組內(nèi)每個(gè)處理分別取一株平均木測定光合色素、葉綠素?zé)晒馓匦浴⒏髌鞴兖B(yǎng)分含量，3個(gè)重復(fù).

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 養(yǎng)分含量 根據(jù)調(diào)查的平均胸徑和平均樹高，每個(gè)處理選取1株平均木，取平均木根、莖、葉粉碎過0.149 nm篩后，使用元素分析儀(Vario MAX CN)測定全氮含量；全磷、全鉀含量，通過硝酸-高氯酸混合高溫消煮，得到待測液；并將待測液放入電感耦合離子發(fā)射光譜儀(PE optima 8000)中進(jìn)行測定.

1.4.2 光合色素和葉熒光參數(shù) 選取植株中部葉0.2 g，取樣后采用丙酮乙醇(丙酮∶乙醇=1∶1)浸泡法將葉片浸泡脫色，用酶標(biāo)儀分別測定663、645、470 nm下的光密度，并分別計(jì)算出葉綠素 a(Chlorophyll a,Chla)、葉綠素 b(Chlorophyll b,Chlb)、類胡蘿卜素(Carotene，Car)含量.選取植株中部成熟健康葉3片，擦去表面雜質(zhì)，暗適應(yīng)20 min后采用德國產(chǎn)的PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒鉁y定儀測定植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù).測定時(shí)間為9:00—11:00，用葉綠素?zé)晒鈨x測定初始熒光值(minimal fluorescence, Fo)、最大熒光值(maximal fluorescence, Fm)、可變熒光值(variable fluorescence, Fv)，并計(jì)算光能轉(zhuǎn)化效率(photochemical efficiency, Fv/Fm)、潛在活性(potential activity, Fv/Fo)、最大光學(xué)效率(photochemical efficiency，F(xiàn)m/Fo)等葉熒光參數(shù).

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0和Excel 2010軟件進(jìn)行單因素(one-way ANOVA)和Duncan方差分析及多重比較(α=0.05)，采用Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗不同器官養(yǎng)分的影響

2.1.1 石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗葉全氮、全磷、全鉀含量的影響 從圖1可以看出，杉木幼苗經(jīng)不同處理后，隨著培育時(shí)間的增加，杉木幼苗葉全氮、全磷、全鉀含量發(fā)生變化.杉木幼苗葉全氮含量在不添加石墨烯的情況下，隨著培育時(shí)間的增加先升高后下降；在添加20 mg·L-1石墨烯的情況下，隨著培育時(shí)間的增加先下降后升高；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情況下，隨著培育時(shí)間的增加而增加.不同處理后杉木幼苗葉全磷含量和全鉀含量均隨培育時(shí)間的增加逐漸降低，且差異達(dá)到顯著水平(P<0.05).不同處理杉木幼苗葉全氮含量為22.41～26.18 mg·g-1，在培育60、180 d后，添加石墨烯的杉木幼苗葉全氮含量均比不添加石墨烯的杉木幼苗葉高，其中培育60 d后，添加20 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全氮含量最高；培育120 d后，添加25 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全氮含量最高；培育180 d后添加30 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全氮含量最高.不同處理杉木幼苗葉全磷含量為0.22～0.82 mg·g-1，在不同培育時(shí)間，不添加石墨烯杉木幼苗葉的全磷含量均為最低；添加20 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全磷含量最高.不同處理杉木幼苗葉全鉀含量為2.67～5.03 mg·g-1.在不同培育時(shí)間，添加20 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全磷含量最高.

不同大、小寫字母表示差異達(dá)到P<0.05顯著水平.M1、M2、M3、M4分別代表20、25、30、0 mg·L-1石墨烯.

2.1.2 石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗莖全氮、全磷、全鉀含量的影響 從圖2可以看出，杉木幼苗經(jīng)過不同處理后隨著培育時(shí)間的增加，杉木幼苗莖全氮、全磷、全鉀含量發(fā)生變化.杉木幼苗莖全氮含量在不添加石墨烯、添加20 mg·L-1石墨烯的情況下，隨著培育時(shí)間的增加逐漸下降；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情況下，隨著培育時(shí)間的增加先增加后下降.杉木幼苗莖全磷含量在不添加石墨烯、添加20、25 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加逐漸下降；在添加30 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加先升高后下降.杉木幼苗莖全鉀含量在不同處理下均隨培育時(shí)間的增加逐漸下降.以上差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05).不同處理杉木幼苗莖全氮含量為7.99～12.98 mg·g-1，培育60 d后不添加石墨烯的杉木幼苗莖全氮含量最高，培育120、180 d后添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗莖的全氮含量最高.不同處理下杉木幼苗莖全磷含量為0.07～0.36 mg·g-1，在培育60 d后添加20、25 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗莖全磷含量顯著高于其他處理，添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗莖的全磷含量顯著低于其他處理.培育120、180 d后各個(gè)處理下杉木幼苗莖全磷含量差異不顯著.不同處理杉木幼苗莖全鉀含量為0.31～2.77 mg·g-1；不同培育時(shí)間，添加20、25 mg·L-1石墨烯杉木幼苗莖全鉀含量均顯著高于不添加和添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗莖.

圖2 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗莖全氮、全磷、全鉀含量的影響

2.1.3 石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗根全氮、全磷、全鉀含量的影響 從圖3可以看出，杉木幼苗經(jīng)過不同處理后隨培育時(shí)間的增加，杉木幼苗根全氮、全磷、全鉀含量發(fā)生變化.杉木幼苗根全氮含量在不添加石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加先下降后升高；在添加20 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加逐漸下降；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加先升高后下降.杉木幼苗根全磷和全鉀含量在不同處理下，均隨培育時(shí)間的增加逐漸下降.不同處理杉木幼苗根全氮含量為0.09～0.54 mg·g-1，培育60 d后不添加和添加20 mg·L-1石墨烯杉木幼苗根全氮含量均顯著高于添加25、30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗根的全氮含量；培育120 d后不同處理石墨烯杉木幼苗根全氮含量的變化趨勢與培育60 d相反；培育180 d后不添加石墨烯杉木幼苗根的全氮含量最高.不同處理杉木幼苗根全磷含量均為1.10～3.81 mg·g-1；培育60 d后不同處理杉木幼苗根全磷含量高低表現(xiàn)為30 mg·L-1石墨烯>25 mg·L-1石墨烯>20 mg·L-1石墨烯>0 mg·L-1石墨烯；培育120、180 d后不同處理杉木幼苗根全磷含量差異不顯著.培育60、120、180 d后，不同處理杉木幼苗根全鉀含量高低表現(xiàn)為30 mg·L-1石墨烯>0 mg·L-1石墨烯>25 mg·L-1石墨烯>20 mg·L-1石墨烯.

圖3 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗根全氮、全磷、全鉀含量的影響

2.2 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗光合色素及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

2.2.1 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗光合色素的影響 從圖4可以看出，杉木幼苗經(jīng)過不同處理后隨培育時(shí)間的增加，Chla、Chlb、 葉綠素 (Chlorophyll ,Chl)含量發(fā)生變化.杉木幼苗Chla含量在不添加石墨烯和添加20、25 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加沒有顯著差異；在添加30 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加先降低后升高.杉木幼苗Chlb含量在添加20 mg·L-1石墨烯的情況下，隨培育時(shí)間的增加先升高后降低；在不添加石墨烯和添加25、30 mg·L-1石墨烯的情況下，培育120、180 d后Chlb含量顯著下降.杉木幼苗Chl含量在不同處理后均隨時(shí)間的增加先下降后升高.杉木幼苗Car/Chl在不同處理后均隨時(shí)間的增加先下降后升高.杉木幼苗Chla/Chlb在培育180 d后顯著高于培育60、120 d.不同處理杉木幼苗Cha含量為0.93～1.17 mg·L-1，在培育60 d后不同處理杉木幼苗Chla含量差異不顯著；培育120 d后不同處理杉木幼苗Chla含量高低表現(xiàn)為25 mg·L-1石墨烯>20 mg·L-1石墨烯>30 mg·L-1石墨烯>0 mg·L-1石墨烯；培育180 d后不同處理杉木幼苗Chla含量表現(xiàn)為30 mg·L-1石墨烯>25 mg·L-1石墨烯>20 mg·L-1石墨烯>0 mg·L-1石墨烯.不同處理杉木幼苗Chb含量為0.42～0.84 mg·g-1；在不同培育時(shí)間，添加石墨烯杉木幼苗Chlb含量均高于不添加石墨烯杉木幼苗，添加25、30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗Chlb含量顯著高于不添加石墨烯和添加20 mg·L-1石墨烯杉木幼苗Chlb含量.不同處理杉木幼苗Chl含量為3.28～4.28 mg·g-1；培育60、120 d，不同處理杉木幼苗Chl含量差異不顯著；處理180 d后杉木幼苗Chlb含量高低表現(xiàn)為25 mg·L-1石墨烯>20 mg·L-1石墨烯>30 mg·L-1石墨烯>0 mg·L-1石墨烯.不同處理杉木幼苗Car/Chl為1.79～2.62，不同處理杉木幼苗Car/Chl差異不顯著.不同處理杉木幼苗Car/Chlb為1.28～2.21，不同處理杉木幼苗Chla/Chlb差異不顯著.

圖4 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗光合色素的影響

2.2.2 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?從圖5可以看出，杉木幼苗經(jīng)過不同處理后隨培育時(shí)間的增加，杉木幼苗Fo、Fm、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm發(fā)生變化.不同處理杉木幼苗葉綠素?zé)晒釬o、Fm、Fv隨時(shí)間的增加而增加，差異達(dá)到顯著.不同處理杉木幼苗Fv/Fo、Fv/Fm在培育60～120 d差異不顯著，培育120～180 d Fv/Fo顯著下降，培育120～180 d Fv/Fm顯著上升.培育60、120、180 d后，不同處理杉木幼苗Fo、Fm、Fv/Fm差異均不顯著.不同濃度石墨烯處理杉木幼苗在培育120 d后的Fv和培育60 d后的Fv/Fo顯著高于不添加石墨烯杉木幼苗.

圖5 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施對杉木幼苗葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>

2.3 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施下杉木幼苗光合色素及葉綠素?zé)晒馓匦缘南嚓P(guān)性

從表1可以看出，Car與Chla、Chlb含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，Chlb含量與Chla含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Fo、Fm、Fv相互呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，F(xiàn)v/Fo與Fm呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；全氮與全磷、全鉀含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，全磷與全鉀含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；Fv/Fm與全鉀含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05).

表1 不同濃度石墨烯與復(fù)合肥混施杉木幼苗光合色素及葉綠素?zé)晒馓匦缘南嚓P(guān)性1)

3 討論

氮、磷、鉀作為植物必需的營養(yǎng)元素，在植物體生長發(fā)育及生理生化過程中起著重要作用，通常植物的生長速率與氮、磷、鉀含量密切相關(guān)[17].本研究發(fā)現(xiàn)不同石墨烯處理下全氮、全磷、全鉀含量表現(xiàn)為葉>根>莖，說明杉木幼苗會將重要的養(yǎng)分元素分配到生長代謝最旺盛的葉部位，確保植物光合作用等生理過程的順利完成，進(jìn)而增強(qiáng)植物生長速度.研究[18]表明石墨烯很可能會改變植物的養(yǎng)分狀況，其可能與土壤基質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而改變其毒性作用.石墨烯可以作為肥料載體來降低養(yǎng)分的釋放速率和提高養(yǎng)分的利用效率[19].本研究結(jié)果表明，添加一定濃度的石墨烯可使杉木幼苗根、莖、葉的全磷、全鉀、全氮含量都有不同程度的提高.隨著施肥后培育天數(shù)的增加，不同處理杉木幼苗根、莖、葉的全磷、全鉀含量均下降，全氮含量變化較復(fù)雜.不同培育時(shí)間，杉木幼苗葉全磷含量在添加20 mg·L-1石墨烯時(shí)達(dá)到最高，杉木幼苗莖全鉀含量在添加20、25 mg·L-1石墨烯時(shí)達(dá)到最高，杉木幼苗根全鉀含量在添加30 mg·L-1石墨烯時(shí)達(dá)到最高，均提高了肥料相應(yīng)元素的利用效率.在培育前期，添加20、25 mg·L-1石墨烯提高了杉木幼苗莖、根對肥料全磷元素的利用效率，表明一定濃度石墨烯的強(qiáng)吸附能力，使得土壤保肥能力增強(qiáng)，有利于杉木幼苗對養(yǎng)分的吸收.

葉綠素是PSⅡ光反應(yīng)中心的色素分子，在光能吸收和傳遞中扮演重要角色，其含量能夠反映植物光合作用能力，而Car不僅參與光能吸收，還在防止細(xì)胞受氧化損傷保護(hù)葉綠體結(jié)構(gòu)完整性中起著十分關(guān)鍵的作用[20].一般而言，Car/Chl值越低，Chla/Chlb值越高，植物的光合作用越強(qiáng).本研究結(jié)果表明，添加一定濃度的石墨烯均可提高杉木幼苗葉Chla、Chlb、Car含量，表現(xiàn)為添加25～30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗在培育后期(培育180 d后)這些含量大幅提高.但不同處理杉木葉Car/Chl與Chla/Chlb沒有顯著差異.這表明石墨烯可能促使光合色素合成或減緩其降解，從而促進(jìn)杉木葉對光能的吸收和利用，這與趙琳等[21-22]試驗(yàn)結(jié)果一致.初始熒光Fo主要用于表示PSⅡ反應(yīng)中心的基本狀態(tài)， PSⅡ反應(yīng)中心的不可逆破壞會使Fo增大[23].本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同濃度石墨烯處理下杉木的Fo值均高于不添加石墨烯杉木的Fo值，表明石墨烯不利于維持苗木光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，表明添加石墨烯杉木PSⅡ反應(yīng)中心可能存在破壞或可逆失活.Fm和Fv分別用于表征PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞情況和PSⅡ反應(yīng)中心活性大小，F(xiàn)v/Fm與植株葉光合速率密切相關(guān)[24].本研究中杉木葉在不同處理Fv/Fm值無明顯變化.此外，主要用于表征PSⅡ潛在光化學(xué)活性的Fv/Fo在添加一定濃度石墨烯后有所提高，但差異不大.表明添加石墨烯杉木的光反應(yīng)系統(tǒng)沒有明顯變化，與文獻(xiàn)[25-26]的研究結(jié)果一致.添加石墨烯處理下的Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo雖然與不添加石墨烯相比無明顯變化，但各參數(shù)值存在一定的升高，表明添加石墨烯處理穩(wěn)定了PSⅡ反應(yīng)中心，增強(qiáng)電子傳遞速率，促進(jìn)了NADPH和ATP的合成，并為暗反應(yīng)提供更多的能量，從而使得光合碳同化能力得到提升.劉澤慧等[27]研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中的含氧官能團(tuán)能以電荷吸引的方式來吸附土壤中的陽離子，間接為植物提供營養(yǎng)促進(jìn)植株生長發(fā)育，提高葉光合能力.此外，Zhang et al[18]研究發(fā)現(xiàn)在500 mg·L-1石墨烯處理下小麥葉的光化學(xué)效率降低了.本研究結(jié)果表明，添加20、25 mg·L-1石墨烯對杉木幼苗養(yǎng)分積累和光合作用最為有利.