SiO2纳米颗粒对杉木幼苗生长发育的影响

刘 晨，许业洲，杜超群，刘乐平，吴 楚

（1.长江大学 园艺园林学院，湖北 荆州 434025；2.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430079；3.彭场林场，湖北 荆门 434500）

纳米材料因其独特的物理和化学特性，广泛地应用于很多工业领域。研究表明这些金属氧化物的纳米颗粒对高等植物生理生态活动和生态系统的许多方面产生很大的影响[4]，一些实验结果显示，纳米颗粒对多种植物（菠菜、番茄、水稻、萝卜、生菜、玉米、小麦）的萌发和生长发育同时有着积极和消极的影响[5]。且可用碳纳米管代替种子萌发、促进植物生长和作物改良，作为种子萌发和植物生长的调控剂[6]。高浓度的纳米颗粒会植物产生负面效应，例如对植物组织造成损伤、抑制植物的生长发育及产生活性氧等，一些纳米粒子被证明有一定的毒性，这对环境和人类健康产生了隐患。将纳米技术应用于农林土壤与植物营养领域将会有新的突破，有可能解决肥料利用率、提高植物产量和减少环境污染等问题[7]。此外，应用纳米技术设计研究新的叶面肥料可能有助于农业作物的同步营养管理[8]。

硅（Si）是地壳中第二丰富的元素，主要由硅酸盐组成。长期以来，硅并不被认为是植物生长发育中的必需元素，然而，随着人们对硅肥领域的不断深入研究，越来越多的研究数据表示，硅是一个有益的非金属元素，可用来减轻各种非生物胁迫[9]。盐胁迫下施硅可以增加黄瓜对钾的吸收[10]。低浓度有机硅可延长草地早熟禾种子的萌发时间，但当浓度过高时，就会起到抑制作用，降低草地早熟禾的发芽势和发芽指数。施入合适浓度的硅可以促进植株生长和根系的生长以及对无机离子的吸收和运转，从而对无机离子进行渗透调节来抗旱[11]。施硅也可以使肥皂草更好地利用光能和调节自身新陈代谢，同时加强光合呼吸的作用，有效的缓解干旱胁迫而造成的损害[12]。随着土壤内有效硅的浓度提高，大豆幼苗的光合速率、蒸腾速率和其水分利用率也相应提高[13]。且施硅可以显著增加水稻对稻瘟病的抗性[14]。

鉴于硅对植物生长和多重应力的抗性的积极影响，硅纳米材料可以为提高植物耐受性和农艺程序提供新的解决方案。在大多数情况下，纳米硅可以促进植物的生长[15]。有关研究表明，纳米硅可以有效的促进番茄种子的萌发，且纳米硅对盐胁迫的损伤有明显的改善作用[16]。纳米二氧化硅在降低黄瓜水分亏缺和盐胁迫方面的重要作用可能是由于叶片中含硅量的提高，通过蒸腾作用来调节水分的损失[17]。一般认为，用二氧化硅纳米材料处理过得小麦植株可提高全株的养分利用效率[18]。且在种子中施加纳米硅可以提高植物的生物量和产量，降低氧化程度，还可以降低小麦籽粒对镉的吸收和胁迫[19]。在纳米二氧化硅对豇豆安全性实验中，在豇豆幼苗叶片根部添加适量的纳米二氧化硅，实验结果显示纳米二氧化硅颗粒对豇豆幼苗的生长无明显影响，这表明了适宜浓度的二氧化硅空心球材料对植物较为安全，可用作为良好的农药载体来减轻对环境的威胁[20]。且与传统农药相比，二氧化硅，氧化锌等纳米农药具有更好的广谱杀虫效果[21]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我国的特有树种，在我国南方11个省市自然分布，其生长快，材性好，用途多，是我国最重要的用材和商品材树种之一，因而在我国南部杉木人工林面积最大[1]。为了更好地培育杉木的幼苗，提高其出圃质量和移植成活率以及将纳米二氧化硅应用于林业实际生产，研究了纳米二氧化硅对杉木幼苗生长发育的影响，以期将纳米二氧化硅用于杉木幼苗的培育。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与培养

黄枝杉Cunninghamia lanceolata和垂枝杉C.lanceolatavar.luotian种子由湖北省林业科学研究院许业洲课题组提供。在播种前，要对种子进行水选、浸种和消毒处理[2],然后与细砂混合，按照一定比例进行拌制，后均匀的播种于塑料箱中，放置于培养室培养出苗。

待杉木幼苗长出2 枚真叶时上盆。采用塑料盆（高12 cm、口径21 cm）盛装园艺育苗基质（0.75 kg/盆）。育苗基质事先与纳米SiO2颗粒（购于河北省冶金粉末研究院）充分混合。纳米SiO2颗粒掺入量设计为0、1、2、4 g/盆。每个处理15盆，每种植物材料共计60盆，两种杉木材料共计120盆。将实验材料放置在露天盆栽场培养，根据天气和盆土水分状况进行浇水，在夏季时适当进行遮阴。

1.2 实验方法

1.2.1 叶片光合作用参数及叶绿素荧光参数测定

选取健康的杉木幼苗叶片，用Li-Cor 公司（USA）生产的Li-6400 便携式光合光合仪标准叶室，在天气晴好的9:00—12:00 采用Li-6400-02B 红蓝光光源测定净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素荧光参数等。叶绿素荧光采用便携式叶绿素荧光仪测定（型号：Junior-PAM，德国Walz 公司生产）；在测定时，PAR 设置为190 μmol·m-2s-1。

1.2.2 杉木叶徒手切片

在测定植物光合和叶绿素荧光之后，将培养4个月后的幼苗整株取样，取10 片部位相同粗细一致的杉木幼苗叶片，使用FAA 固定液固定。在解剖镜下操作，使用番红染色后在显微镜（Nikon ECLIPSE Ci，日本尼康公司）下观察并拍照。

1.2.3 植物材料养分含量的与生物量的测定

每个处理随机取20棵幼苗用Epson V700 彩色图像扫描仪获得根系图片，用WinRHIZO根系分析仪获得根系构型参数（根系长度、表面积、体积），统计根尖数量。烘干后称取地上干重和地下干重，每个处理随机选5棵幼苗，测定其根茎叶中氮磷钾的含量。

1.3 统计分析

所采集的数据使用SPSS 软件（v.17.0）进行分析处理，多重比较以ANOVA的LSD 进行检验，以P=0.05为显著性检验水平。

2 实验结果

2.1 SiO2纳米颗粒对杉木幼苗光合作用的影响

施加不同浓度的纳米SiO2颗粒对杉木幼苗的各项气体交换参数皆有不同的影响（图1）。黄枝杉的净光合速率在0～2 g SiO2/盆浓度范围内，随浓度的增加而增加，在4 g SiO2/盆浓度时有所下降（图1A）。垂枝杉的净光合速率则在1 g SiO2/盆浓度时达到最大，而后随浓度增大而下降，但与对照（0 g SiO2/盆）没有显著差异（图1A，P＞0.05）。黄枝杉的气孔导度随纳米材料的浓度增加而增加，而垂枝杉则无明显的变化（图1B）。垂枝杉和黄枝杉的蒸腾速率（Tr）均在1 g SiO2/盆浓度时达到最大，而后随着纳米SiO2颗粒浓度的增大而下降（图1C）。黄枝杉的VpdL值随着施入浓度增加而下降，而垂枝杉的VpdL 没有规律性变化（图1D）。

图1 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗光合作用的影响Fig.1 Effects of different concentrations of nano-SiO2 on photosynthetic parameters of C.lanceolata and C.lanceolata var.Luoian

2.2 SiO2纳米颗粒对杉木叶绿素荧光参数的影响

随着纳米SiO2浓度的增加，垂枝杉荧光参数qN和ETR 没有规律性的变化（图2A）。荧光参数qP、qL和Fv/Fm均呈现在1 g SiO2/盆浓度时上升，在而后的浓度增高时呈明显的下降趋势（图2B、C）。Y(II)值在2和4 g SiO2/盆处理与其他两个处理间存在显著差异（P＜0.05），0和1 g SiO2/盆处理之间无显著差异（图2C，P＞0.05）。在施入1 g SiO2/盆浓度时Y(NO)的值出现下降，而后则随浓的升高而呈上升趋势（图2D）。对于NPQ而言，在1 g SiO2/盆时与其它处理间有显著差异（图2D，P＜0.05），而各个浓度处理下Y(NPQ)的参数值均无显著变化（图2D，P＞0.05）。对于黄枝杉而言，在施入0～2 g SiO2/盆浓度时，荧光参数qN 值随浓度的增高而下降（图3A）。荧光参数ETR 则是在施入0～2 g SiO2/盆浓度时随浓度的增高而上升，至4 g SiO2/盆浓度时其值稍微下降（图3A）。荧光参数qL 随着纳米SiO2浓度的增加而降低（图3B）。荧光参数qP、NPQ和Y(NPQ)的数值在各处理之间均无显著差异（图3B，D，P＞0.05）。在纳米材料浓度为0～2 g/盆时，荧光参数Y(II)随浓度增加而增加，至4 g SiO2/盆浓度时，其值稍微下降（图3C）。Fv/Fm的变化趋势与Y(II)大致一致（图3C）。对于Y(NO)而言，2 g SiO2/盆与其它处理间有显著差异（图3，P＜0.05），而其它浓度之间无显著差别（图3D，P＞0.05）。

2.3 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗氮磷钾含量的影响

黄枝杉全株植物总氮和钾数量在0～2 g/盆范围内随浓度增加而上升，而在4 g SiO2/盆浓度时则有所下降（图4A、C）。黄枝杉全株总磷含量则随施入纳米SiO2纳米颗粒浓度的增加而上升（图4B）。总体上，垂枝杉全株总氮磷钾含量随纳米材料浓度增加而下降（图4A、B、C）。

图2 不同浓度纳米SiO2对垂枝杉幼苗叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of different concentrations of nano-SiO2 on chlorophyll fluorescence parameters of C.lanceolata var.Luotian

图3 不同浓度纳米SiO2对黄枝杉幼苗叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effects of different concentrations of nano-SiO2 on chlorophyll fluorescence parameters of C.lanceolata

图4 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗总氮磷钾含量的影响Fig.4 Effects of different concentration of nano-SiO2 on the content of total nitrogen,phosphorus and potassium in C.lanceolata and C.lanceolata var.Luotian

2.4 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗氮、磷、钾含量的分配比例的影响

如图5所示，垂枝杉的根氮含量分配比例在0到1 g SiO2/盆浓度时呈下降趋势，而后随施入纳米SiO2纳米颗粒的浓度增加而上升（图5A）。在叶中的氮含量分配比例则在1 g SiO2/盆浓度时达到最高，而后呈下降趋势（图5C）。在茎中的氮含量分配比例并无明显变化（图5B）。黄枝杉的氮含量分配比例在根和茎中皆无明显变化（图5A、B）。在叶片中施入1 g SiO2/盆浓度时氮的分配比例与其他三个处理有较为明显差异（图5C）。垂枝杉的磷含量分配比例在施入纳米SiO2纳米颗粒后，在根中整体有所下降，在叶中整体有所上升（图5D、F），在茎中则无明显变化（图5E）。黄枝杉根茎叶的磷含量分配比例，则在施入纳米SiO2纳米颗粒后没有明显的变化趋势（图5D、E、F）。垂枝杉和黄枝杉的钾含量分配比例，在随着外源纳米SiO2浓度的增加并没有出现规律的变化趋势（图5G、H、I）。

2.5 不同数量纳米SiO2对杉木幼苗叶片厚度生长发育的影响

从图6来看，SiO2纳米颗粒对杉木叶片厚度有一定的影响。施入的SiO2纳米颗粒提高了罗田垂枝杉和黄枝杉的叶片总厚度，施入浓度越高，叶片厚度越厚，且对垂枝杉的叶片总厚度影响更大（图6A）。随着SiO2纳米颗粒浓度的增加，黄枝杉和垂枝杉的叶片上表皮厚度呈现逐渐增加的趋势且垂枝杉在4 g SiO2/盆时其叶片上表皮厚度显著大于其它处理（图6B，P＜0.05），而其下表皮厚度均没有显著差异（图6C，P＞0.05）。

图5 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗氮、磷、钾含量的分配比例的影响Fig.5 Effects of different concentration of nano-SiO2 on the distribution ratio of nitrogen,phosphorus and potassium in C.lanceolata and C.lanceolata var.Luotian

2.6 不同数量纳米SiO2对杉木幼苗根系生长发育的影响

从图7的数据表明，SiO2纳米颗粒的施入对杉木幼苗根系的生长发育有明显影响。在0～2 g SiO2/盆浓度范围内，纳米材料的施入加大了黄枝杉和垂枝杉幼苗根系总长度，而高浓度的纳米材料反而减少了垂枝杉总根系长度（与对照相比，图7A）。纳米材料的施入对杉木幼苗根系表面积、体积以及根尖数量的影响与其对总根长度的影响大致一致（图7B、C、D）。

图6 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗叶片厚度的影响Fig.6 Effects of nano-SiO2 with different concentrations on the thickness of leaves of C.lanceolata and C.lanceolata var.Luotian

图7 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗根系生长发育的影响Fig.7 Effects of different concentrations of nano-sio2 on root growth and development of C.lanceolata and C.lanceolata var.Luotian

2.7 不同数量纳米SiO2对杉木幼苗生物量的影响

如图8所示，在0～2 g SiO2/盆范围内，随着施入外源SiO2纳米颗粒浓度的增加，黄枝杉的地上部分生物量，地下部分生物量和总生物量都增加，但高浓度的纳米材料（4 g SiO2/盆）则降低这3个参数（图8A、B、C）。而对于垂枝杉而言，总体上，纳米材料的施入则降低这3个参数（图8A、B、C）。在根茎比方面，垂枝杉的根茎比随SiO2纳米颗粒浓度的增加而降低，黄枝杉的根茎比则没有明显的变化（图8D）。

图8 不同浓度纳米SiO2对杉木幼苗生物量的影响Fig.8 Effects of different concentrations of nano-SiO2 on the biomass of C.lanceolata and C.lanceolata var.Luotian

3 结论与讨论

随着纳米技术的进步，纳米颗粒材料在各行各业的应用取得了很大进展，但其在农林领域中的应用相对落后，尤其是在纳米材料对植物生长发育和抗逆性方面。在本实验研究中，每盆施入了不同浓度的纳米SiO2颗粒后，明显对杉木幼苗的光合参数，叶绿素荧光参数，氮磷钾含量及生物量有着显著的影响。

硅对植物的生长和蒸腾变化有积极影响，小麦叶片在施硅后变厚，所以硅可能可以抑制叶片蒸腾水分的流失[22]。浓度合适的有机硅可增加草地早熟禾幼苗地上和地下部分的生物量[23]。硅可以促进水分胁迫下高粱根系水孔蛋白的表达，提高根系吸收水分的能力[24]。随着施硅量的增加，根系体积减小，而在含盐培养基中添加硅，则能提高根系体积[25]。本研究实验中，罗田垂枝杉和黄枝杉的叶片总厚度随着施入纳米SiO2颗粒的浓度增加而增厚（图6），并且低浓度纳米SiO2下对杉木幼苗根的总长度，总表面积和总体积都有所增加（图7）。对垂枝杉的地下生物量和地上生物量的影响无明显规律变化，但低浓度下的纳米SiO2对黄枝杉的地上地下生物量均有明显的增加（图8）。提升植物的根系生长和生物量，可以使植物更好的吸收水分及养分，这对于施加硅来缓解干旱等逆境胁迫有而言，十分的有力。且将会对植物的生长发育和产量有着明显的提高。

氮、磷、钾是植物生长发育及产量和品质形成必需的大量元素，也影响着人类饮食健康[26-27]。合理的氮磷钾水平也能够起到节水节肥，降低生产成本的作用。植物生命活动中占氮重要地位，而植物需要的磷不多，钾不是细胞的构成成分，其主要作用是激活酶活性，提高生菜品质[28]。实验结果显示，低浓度的纳米SiO2颗粒能有效的提高黄枝杉的氮、磷、钾总含量（图4），对于根茎叶的氮、磷、钾分配比例上来看并无明显变化（图5）。所以适宜浓度的SiO2颗粒可以通过提升植物氮磷钾的含量，促进植物的生长和发育，提高植物光合作用强度，增强植物抗病及抗逆能力。

植物进行光合作用是其生理生长的基础，可以反应出植物本身的抗胁迫能力和生长情况。是盐胁迫和干旱均可通过降低气孔导度来降低净光合速率[29]。随着胁迫程度的加重和加长，植物气孔导度下降，影响了植物气体交换，进而抑制了植物的光合作用[3]。硅处理可显著提高盐胁迫番茄叶片的气孔导度和蒸腾速率，且硅诱导的胁迫植株蒸腾速率的升高可能与植株生长的改善有关[30]。本实验结果显示，加入适量浓度外源纳米SiO2颗粒后，促进了黄枝杉和垂枝杉的净光合速率（图1A），这与纳米SiO2提高叶片氮含量有关（图4）。氮在植物叶片中分配可以提高光合作用过程最关键的酶Rubisco的含量，因为Rubisco 酶在植物叶片可溶性蛋白中占有很高的比例，这可能是硅提高了Rubisco 酶的活性所致[31]，接下来在这一方向可以做进一步的研究。且硅提高了黄枝杉的气孔导度（图1B），这可以增加其CO2的交换能力，增强抗旱性[32]。

施加外源硅可以影响叶绿素荧光[33-34]。硅有效的提升了豇豆、芦荟、番茄及黄瓜等植株叶片最大光化学效率（Fv/Fm）和光合电子传递速率（ETR），降低非光化学淬灭系数（NPQ）[35]。本研究结果显示，垂枝杉叶绿素荧光参数qP、Fv/Fm和qL 均呈现在1 g SiO2/盆浓度时上升，在而后的浓度增高时呈明显的下降趋势（图2B、C）。黄枝杉的叶绿素荧光参数Fv/Fm，0到2 g SiO2/盆浓度处理之间呈上升趋势，浓度过高时则出现抑制现象（图3C）。所以可得出低浓度的纳米SiO2颗粒可以提升杉木幼苗的光合作用机制，从而对提高其自身的生长发育和产量。

结论：适宜浓度的纳米SiO2材料对黄枝杉木幼苗进行处理，可对植株地下部分的生物量累积有明显促进作用，从而能更好的吸收土壤中的养分，提升氮磷钾的总含量和提高氮在叶片中的含量。同时SiO2纳米材料施用还增加叶片的总体厚度。这两方面共同促进了植株的净光合速率，改善植株整体的光合作用机制，最终对植物的生长发育和产量起到积极促进的作用。