生物炭施用量对紫花苜蓿叶片PSⅡ光化学特性的影响

张进红 吴波 王冉 王国良 贾春林 张清平

摘要：利用叶绿素荧光仪测定了不同生物炭用量（0、0.5%、1%、2%、5%、10%）处理下紫花苜蓿叶片的快速荧光诱导动力学曲线，并采用JIP-test方法分析和处理数据，旨在探明不同用量生物炭对苜蓿叶片光合性能的影响。结果表明，施用生物炭处理能显著影响苜蓿叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线。0.5%生物炭处理降低了苜蓿叶片J点的相对可变荧光强度（Vj）、OJIP曲线的初始斜率（Mo）和单位反应中心吸收、捕获、耗散、用于电子传递、传递到电子链末端的能量（ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC、ETo/RC和REo/RC），提高了捕获的激子将电子传递到电子传递链Q-A下游的其它电子受体的概率（Ψo）、用于电子传递的量子产额（φEo）、PSⅡ最大光化学效率（φPo）和以吸收光能为基础的性能参数（PIabs）。1%～10%生物炭处理下苜蓿叶片各项指标较对照变化较小。因此施加0.5%生物炭能降低苜蓿叶片有活性的反应中心的关闭程度，改善苜蓿叶片PSⅡ受体侧电子传递链性能，提高最大光化学效率，增强苜蓿叶片的光合性能；但随着用量的增加，生物炭对苜蓿叶片光合性能的影响减弱。

关键词：生物炭；施用量；紫花苜蓿；叶绿素荧光；PSⅡ

中图分类号：S541+.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）09-0066-06

Abstract In order to investigate the effect of biochar application amount （0， 0.5%， 1%， 2%， 5% and 10%） on photosynthetic systemⅡ photochemical characteristics of alfalfa leaves， the rapid fluorescence induction kinetics curves （OJIP） were measured with chlorophyll fluorometer and analyzed with JIP-test. The results showed that biochar application amount could significantly change the OJIP curves of alfalfa leaves. Compared with the control， application of 0.5% biochar decreased the relative variable fluorescence at the J-step （Vj）， the approximated initial slope of fluorescence transient （Mo）， the energy used for absorption， capture， dissipation， electron transfer and transfer to electron transfer terminal， and increased the probability that a trapped exciton moves an electron into electron transport chain beyond Q-A （Ψo）， quantum yield for electron transport （φEo）， maximum quantum yield for primary photochemistry （φPo） and performance index on absorption basis （PIabs）. The change of indexes of alfalfa leaves under 1%～10% biochar treatment were smaller than those of control. Therefore， the application of 0.5% biochar caused the decrease of close degree of reaction center and the increase of performance of electron transfer chain in acceptor side of PSⅡ， improved the maximum photochemical efficiency and then improved the photosynthetic performance of alfalfa leaves. However， the improvement impact declined with the increase of biochar application amount.

Keywords Biochar； Application amount； Alfalfa； Chlorophyll fluorescence； Photosynthetic SystemⅡ

紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上廣泛种植的一种豆科牧草，不仅产量高、营养价值丰富，而且适口性好，被誉为“牧草之王”。随着我国农业结构的调整，苜蓿的种植面积越来越大，对苜蓿生产力的追求也越来越高[1]。光合作用是植物生长发育和产量形成的基础，是其生产力构成的最主要因素[2]。植物体内发出的叶绿素荧光与光合作用反应过程紧密相关[3]。一方面，当植物被暴露在过强的光照条件下，荧光起着十分重要的保护作用，避免叶绿体吸收光能超过光合作用的消化能力，将强光灼伤的损失降低到最小；另一方面，一般来说，自然条件下叶绿素荧光和光合速率是相互负关联的，光合速率高，荧光弱；反之，当光合强度下降时，则荧光的发射就增强[4，5]。随着研究的深入，人们逐渐认识到快速叶绿素荧光诱导动力学曲线所包含的丰富和复杂的信息可以反映光系统Ⅱ（PSⅡ）的原初光化学反应和光合机构状态的变化。Strasser等[6]在生物膜能量流动的基础上建立了针对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的数据分析和处理方法——JIP-test。利用该方法可以获得有关PSⅡ的光化学活性、电子传递和光合器官结构与状态等大量信息，为深入研究光合作用原初反应提供了有力的工具[7-9]。

生物炭是生物质在完全或部分缺氧条件下经过高温（<700℃）热解形成的一类稳定难溶、高度芳香化结构的碳质材料[10，11]。近年来，生物炭以其固碳减排、改善土壤质量、提高作物产量等众多优点引起国内外学者的广泛关注[12-15]，但关于生物炭对苜蓿叶片快速叶绿素荧光诱导动力学特性方面的研究报道较少。本研究采用盆栽试验，对不同生物炭用量处理下苜蓿叶片的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线进行测定，分析不同生物炭用量条件下苜蓿叶片光合性能指标的差异，以期探明苜蓿叶片光合性能对生物炭的生理反应，为研究生物炭提高苜蓿产量的机理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自东营农高区（山东省农业科学院东营试验示范基地）0～20 cm土层，风干，过2 mm筛备用。砂壤土，有机质含量为18.72 g/kg，碱解氮25.96 mg/kg，速效磷23.64 mg/kg，速效钾720.0 mg/kg。生物炭为市场购买，有机质含量为517.21 g/kg，碱解氮34.07 mg/kg，速效磷145.76 mg/kg，速效钾6.90 g/kg。

1.2 试验设计

试验采用盆栽法，于2017年8—9月在山东省农业科学院温室中进行。称取土壤1.2 kg，分别按质量比0、0.5%、1%、2%、5%和10%加入生物炭（记为CK、B0.5、B1、B2、B5、B10），混合均匀后装入直径14.5 cm、深度13 cm的塑料盆钵中，加水饱和过夜后，播种鲁苜1号紫花苜蓿。播深2 cm，出苗后毎盆定苗5株。每处理3次重复。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线测定 定苗6周后，每盆选取长势良好、充分展开的叶片，于晴天上午11∶ 00至14∶ 00采用Yaxin-1161G叶绿素荧光仪测定其快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP曲线）。测定前叶片暗适应30 min。OJIP曲线由3 000 μmol/（m2·s）的脉冲光诱导，荧光信号记录从10 μs开始，至1 s 结束，记录速率为每秒118个数据。

1.3.2 JIP-test分析 根据Strasser等[6]的方法，对获得的OJIP曲线进行分析。所需参数为Fo（20 μs时荧光，O相）、Fk（300 μs时荧光，K相）、Fj（2 ms时荧光，J相）、Fi（30 ms时荧光，I相）、Fm（最大荧光，P相）；J点的相对可变荧光Vj；可变荧光Fk占Fj-Fo振幅的比例Wk；OJIP曲线的初始斜率Mo；捕获的激子将电子传递到电子传递链中超过QA的其它电子受体的概率Ψo；用于电子传递的量子产额φEo；吸收的能量能传递到电子链末端的量子产率φRo；捕获的能量能传递到电子链末端的量子产率ρRo；PSⅡ最大光化学效率φPo；单位反应中心吸收的光能ABS/RC；单位反应中心捕获的能量TRo/RC；单位反应中心捕获的用于电子传递的能量ETo/RC；单位反应中心耗散掉的能量DIo/RC；单位反应中心传递到电子链末端的能量REo/RC；以吸收光能为基础的性能指数PIabs。

1.4 数据统计与分析

所有数据统计与分析均在Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0 软件下完成。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭用量处理对苜蓿叶片OJIP曲线的影响

生物炭处理显著降低了苜蓿叶片OJIP曲线各点荧光产额（图1），其中，O、J、I和P四点的荧光强度较CK分别降低19.38%～23.75%、13.25%～30.12%、6.53%～29.86%、6.75%～ 30.41%，且降低幅度随着生物炭用量的增加而增加。

2.2 不同生物炭用量处理对苜蓿叶片PSⅡ供/受体侧的影响 与CK相比，B0.5和B10处理的Wk、Vj和Mo分别降低10.52%、15.60%、24.48%和20.17%、8.25%、26.94%；与之相反，B0.5处理的Ψo和φEo分别升高6.57%和10.47%；其它处理变化不明显（图2）。不同用量生物炭处理间Vj、Ψo无显著差异，Mo和Wk随着生物炭用量的增加呈先增加后降低的趋势，φEo呈降低趋势，B10处理的φEo仅为B0.5处理的90.43%。

2.3 不同生物炭用量处理对苜蓿叶片单位反应中心光能吸收、传递和转化的影响

由表1可知，B0.5和B10处理苜蓿叶片ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC較CK分别降低13.66%、10.00%、4.42%、25.00%和17.56%、20.00%、17.70%、6.82%，其它生物炭处理无明显变化。除B1处理外，不同生物炭处理苜蓿叶片单位REo/RC显著低于对照。随着生物炭用量的增加，苜蓿叶片ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC、ETo/RC和REo/RC呈先增加后降低的趋势。不同处理间φRo、ρRo变化不显著。

2.4 不同生物炭用量处理对苜蓿叶片PSⅡ最大光化学效率（φPo）和以吸收光能为基础的光合性能指数（PIabs）的影响

B0.5和B1处理苜蓿叶片的φPo较CK分别提高3.85%和5.13%，B10处理降低2.56%，B2和B5处理无明显变化。随着生物炭施入量的增加，苜蓿叶片φPo呈先增加后逐渐降低趋势，B10处理的φPo仅为B0.5处理的93.83%（图3）。

CK苜蓿叶片以吸收光能为基础的性能指数（PIabs）最低，仅为4.25，B0.5处理最高，为 CK的1.74倍。其它各处理间无显著差异。

3 讨论

叶绿素荧光的变化可以在一定程度上反映环境因子对植物的影响，通过对不同环境条件下快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的分析，可深入了解环境因子对植物光合机构主要是PSⅡ反应中心的影响以及光合机构对环境的适应机制[16，17]。本研究利用JIP-test方法，对获得的OJIP曲线进行分析，主要分析PSⅡ供体侧、受体侧以及反应中心的变化，进而探讨生物炭用量对苜蓿叶片光合机构的影响。

3.1 生物炭对苜蓿叶片PSⅡ供/受体侧的影响

当PSⅡ供体侧受到伤害时，放氧复合体（OEC）被抑制，经过极短时间，叶绿素荧光迅速上升出现K点，故K点可作为OEC受伤害的一个特殊标记，并将此相的相对荧光值（Wk）的升高程度作为OEC被破坏的程度[18，19]。在本试验中，除10%用量处理外，不同生物炭处理下的苜蓿叶片Wk较CK无显著差异，说明不同生物炭用量处理对苜蓿叶片PSⅡ反应中心供体侧OEC无明显影响，OEC处于较为稳定状态。

PSⅡ受體侧主要包括QA、QB、PQ库等，而 Mo、Vj、Ψo、φEo等参数能够反映PSⅡ受体侧的变化[17，20]。其中，Vj代表有活性反应中心的关闭程度，J点荧光的上升表明QA的大量积累；Ψo作为评价PSⅡ反应中心电子传递链性能强弱的重要指标，受PSⅡ供/受体侧电子供应和接收能力的限制[21，22]。本试验中，0.5%生物炭处理降低了苜蓿叶片有活性的反应中心的关闭程度，反应中心吸收用于还原QA的光能减少，更多的能量用于电子传递，使得QA被还原的速率减慢（Mo），Q-A的积累相对降低，从而PSⅡ受体侧有更多的电子从Q-A进入下游电子传递链，即PSⅡ受体侧电子传递能力相对增强，因此0.5%生物炭处理下苜蓿叶片PSⅡ受体侧有效能量传递效率增大，PSⅡ受体侧活性有所提高，有利于捕获的光能在光合结构中的传递和转化，促进光化学反应的进行。

3.2 生物炭对苜蓿叶片光能吸收、传递和转化的影响

利用JIP-test方法可得到光合机构的比活性，即单位反应中心的各种量子效率，能够更确切地反映植物光合器官对光能的吸收、转化和耗散情况[23]。在本试验中，总体来说，对照处理苜蓿单位反应中心吸收、捕获、电子传递、传递到电子链末端的量子效率（ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和REo/RC）高于不同用量生物炭处理，但单位反应中心的耗散量子效率（DIo/RC）同样是对照处理偏高，最终导致对照与不同用量生物炭处理苜蓿叶片单位反应中心吸收的能量能传递到电子链末端的概率（φRo）以及捕获的能量能传递到电子链末端的概率（ρRo）差异不显著，说明生物炭对苜蓿叶片单位反应中心光合效率影响不显著[17]。推测0.5%生物炭施入后苜蓿叶片是通过激活未激活的反应中心、降低有活性的反应中心的关闭程度来提高PSⅡ整体光合性能。

3.3 生物炭对苜蓿叶片φPo和 PIabs的影响

φPo代表PSⅡ最大光化学效率，是衡量植物光合性能的重要指标，PIabs包含了RC/ABS、Ψo 和φPo三个独立参数，可以衡量PSⅡ整体性能，能够准确全面地反映植物光合机构的状态[24，25]。本试验中，施用0.5%生物炭使苜蓿叶片最大光化学效率提高，PSⅡ潜在活性和光合作用原初反应增强，从而促使其整体的光合性能增强，可能原因是少量生物炭施入盐渍化土壤后可降低土壤容重，改善土壤的板结现象，增强土壤的保水性[2，6，7]，但随着生物炭用量的增加，φPo和PIabs并未表现出正相关关系，这与一定量生物炭可提高花生叶片光合性能的研究结果一致[4]。

4 结论

施用生物炭能显著影响苜蓿叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线变化。0.5%生物炭处理对苜蓿叶片PSⅡ供体侧OEC影响不显著，但可以降低苜蓿叶片有活性的反应中心的关闭程度，改善苜蓿叶片PSⅡ受体侧电子传递链性能，提高最大光化学效率，增强PSⅡ潜在活性和光合作用原初反应，增强整体的光合性能，但随着用量的增加，生物炭对苜蓿叶片光合性能的影响减弱。

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