不同生物炭处理对福建柏光合荧光特性的影响

凡莉莉，Muhmmd Wqqs Khn Trin，张洋洋，吴晓莹，荣俊冬，郑郁善，

（福建农林大学 a.林学院；b.园林学院，福建 福州 350002）

福建柏Fokienia hodginsii是中国特有的柏科（Cupressaceae）福建柏属（Fokienia）单属种植物，其树形美观、树干通直、材性优良、耐腐蚀性好，是建筑、装饰、雕刻的优良用材[1]。福建柏根系较浅、穿透力强、侧根发达、耐干旱瘠薄[2]，是我国南方作为抗击台风、保持水土的重要用材树种。生物炭是在含氧量较低条件下，生物质经热解炭化后较难溶的芳香化程度高的粉状或颗粒状固体[3-4]。生物炭具有较高比表面积、致密的孔隙结构以及多种官能团等特殊的理化特性，这对土壤质地、结构等具有一定影响[5-7]；同时作为良好的离子吸附剂，在一定程度上能调节土壤中N、P、K 和其他微量元素的循环作用，有利于改善土壤保水保肥能力[8]。适量生物炭能够在土壤中发挥综合作用，影响植物体内多种生理生化反应，促进植物生长发育。生物炭含量较低，对植物影响差异小，而生物炭含量过高则会影响土壤养分，对植物生长发育造成危害[9]。光合作用与植物生存环境中生态因子联系密切[10]，环境因子改变在一定程度上会影响植物生理生化反应和光合作用过程，叶绿素荧光参数能够反映光合作用的动态变化以及环境生态因子改变对植物光合作用的影响[11]。研究植物光合变化是有效了解环境因素对植物生长与代谢的手段[12-13]。因此，探究不同种类和不同用量生物炭对福建柏叶片光合作用的潜在影响，可为福建柏的引种栽培和在园林应用上的合理配置提供科学依据。

杨劲峰等[14]研究表明生物炭在一定程度上能够提高花生Arachis hypogaea生长发育时期叶片光系统性能，包括电子传递、氧化还原、光能吸收等性能，增加花生的抗逆性，但随生物炭用量增加，生物炭作用逐渐降低。张晗芝等[15]研究表明生物炭对玉米Zea mays幼苗时期营养元素的吸收没有促进作用，在一定程度上减缓了幼苗生长发育速度，但随着幼苗生长，生物炭对其生长抑制作用逐渐减缓。王艳芳等[16]研究表明生物炭对平邑甜茶Malus hupehensis叶绿素含量、抗氧化酶活性等具有促进作用，在一定程度上减轻光抑制现象，增强植物耐受限度，提高对植物的保护作用。国外学者关于生物炭对植物影响的研究丰富，有研究显示某些生物炭能够在一定程度上减少植物重金属中毒现象，提高植物光合速率和气孔导度[17-18]。目前，生物炭在福建柏栽培中的应用鲜见报道，对其光合生理特性研究缺乏。以一年生福建柏实生苗为研究对象，探究福建柏在不同生物炭处理下光合特征和叶绿素荧光特征的变化规律，揭示福建柏光合作用的基本生理特征和规律，分析适宜的生物炭处理。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在福建农林大学园林学院温室大棚，地理坐标119°13′51.18″E、26°05′4.35″N，属于亚热带季风性气候，年均温为19.9℃，极端最高温42℃，最低温度为0℃。年平均日照1 755.4 h，无霜期达360 d 以上。

1.2 试验材料

供试苗木为1年生福建柏实生苗，平均苗高17.98±0.24 cm，平均地径2.01±0.36 mm，盆栽基质土为黄泥土，于2017年3月移栽于塑料花盆，规格22 cm×16 cm×18 cm（上直径×下直径×高），每个花盆底部配有塑料托盘。

1.3 试验设计

生物炭由勤丰众成生物质新材料（南京）有限公司提供，施用3 种生物炭，分别为竹子生物炭（BB）、硬木生物炭（BH）、水稻生物炭（BR）。对照组无任何处理，不添加任何生物炭，标记为B0。每种生物炭施用量设置3 个水平，分别为5、20、80 g·kg-1，共9 种处理，分别记为BB5、BB20、BB80、BH5、BH20、BH80、BR5、BR20、BR80。采用完全随机区组设计，每个处理重复4 盆，每盆栽植1 株，共计40 株。于2017年3月，将3 种生物炭和黄泥土混匀施用，土壤理化性质测定见表1。处理15 d 后，每盆施用10 g 复合肥（N∶P∶K=1∶1∶1），试验期间及时进行除草和浇水管理。于2018年9月，测定不同生物炭处理下福建柏叶片光合特性和叶绿素荧光参数。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 光合特性测定

选取植株中上部受光一致的功能叶片，使用Li-6400 XT 便携式光合仪对不同生物炭处理的福建柏实生苗进行测定，设定光合有效辐射值为1 000，每株叶片测定3 次取平均值。测定时间9:00—11:30，连续测定3日取平均值，测定参数包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），计算水分利用效率（WUE），WUE=Pn/Tr[19]。

1.4.2 叶绿素荧光特性测定

选取植株中上部受光一致的功能叶片，使用OS5p 便携式脉冲调制叶绿素荧光仪（OPTIsciences，美国）对不同生物炭处理的福建柏实生苗进行测定，每株叶片测定3 次取平均值。测定时间9:00—11:30，连续测定3日取平均值，测定参数包括PSⅡ实际光化学效率（Yield）、光合电子传递速率（ETR）、光化学猝灭（qP）、非光化学猝灭（NPQ）；在暗适应处理测定初始荧光值（Fo）、最大荧光值（Fm）以及PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）。

1.5 统计分析

采用 SPSS 22.0 软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）进行差异显著性检验（α=0.05），利用Excel 2016 软件作图。生物炭对福建柏光合荧光参数影响评定采用主成分分析法，以累积方差贡献率达80%以上为参考值，确定主成分个数。

2 结果与分析

2.1 生物炭处理对福建柏光合参数影响

由表2可知，随生物炭用量增加，在BB 处理，Pn、Gs、Ci和Tr呈逐渐升高趋势，WUE呈先降低后升高趋势；在BH 处理下，Pn、Gs和Tr呈先升高后降低趋势，Cr呈逐渐升高趋势，WUE呈逐渐降低趋势；在BR 处理，5 个光合指标均呈先降低后升高趋势。在相同用量生物炭处理，5 个光合指标均表现为BB 处理最高，其次是BH 处理，BR 处理最低。

Pn、Gs、Ci和Tr均在BB80 处理下达到最高值（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），分别比B0 显著增加了109.949%、122.572%、12.366%和91.295%（P＜0.05）；WUE 在BB5 处理下达到最高值（4.201 mmol·mol-1），比B0 显著增加了37.900%（P＜0.05）。在BR 处理下，5 个光合指标均低于B0，其中Pn、Gs、Ci、Tr和WUE均在BR20 达到最低值（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），分别比B0降低了65.487%（P＜0.05）、66.929%、19.097%（P＜0.05）、49.634%（P＜0.05） 和26.011%。生物炭处理在一定程度上能够提高福建柏光合能力，不同生物炭处理表现出一定差异，其中竹子和硬木生物炭效果较佳。

2.2 生物炭处理对福建柏荧光参数影响

随生物炭用量增加，在BB 处理下，Fo、Fv/Fm、Yield、ETR 呈逐渐升高趋势，qP和NPQ 呈先降低后升高趋势；在BH 处理下，Fo、Yield、ETR 呈逐渐升高趋势，Fv/Fm、qP和NPQ 呈先升高后降低趋势；在BR 处理下，Fo、Fv/Fm、Yield、ETR 呈先降低后升高趋势（表3），qP和NPQ 呈相反变化趋势。在相同用量生物炭处理下，6 个荧光指标表现不同。在5 g·kg-1用量生物炭处理下，Fo、qP和NPQ 在BB 处理下最高，Fv/Fm、Yield 和ETR 在BR 处理下最高；在20 g·kg-1用量生物炭处理，Fo在BB 处理下最高，Yield、ETR、qP和NPQ 在BR 处理下最高，Fv/Fm在BH处理下最高；在80 g·kg-1用量生物炭处理下，Fo和NPQ 在BB 处理下最高，Fv/Fm、Yield 和ETR在BR 处理下最高，qP在BH 处理下最高。

Fo、Yield、ETR 均在BR80 处理达到最高值（248.000、0.652和32.800），分别比B0增加了3.047%、18.141%、51.522%（P＜0.05） 和51.618%（P＜0.05）；Fv/Fm在BH20 处理下达到最高值（0.813），比B0 增加了34.692%（P＜0.05）；qP和NPQ在BR20 处理下达到最高值（0.913 和0.339），分别比B0 显著增加了47.133%和1 100.709%（P＜0.05）。Fv/Fm、Yield、ETR 均在BB5 处理下达到最低值（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 处理下达到最低值（210.333 和0.044），仅Fo低于B0，比B0显著降低了12.604%（P＜0.05）；qP在BR5 处理下表现最低值（0.698），比B0 增加了12.452%。生物炭处理对福建柏叶绿素荧光特性影响差异较大。

2.3 福建柏光合荧光参数相关性分析

光合作用强弱受多种因素影响，由于环境因素变化导致植物光合荧光参数呈现差异，同时各参数之间也存在相互影响。由表4可知，Pn与Gs、Ci、Tr呈极显著正相关关系（P＜0.01），Gs与Ci、Tr也呈极显著正相关关系（P＜0.01），表明气孔开闭影响植物的光合作用和蒸腾作用，进而影响植物生长。Ci与Tr呈极显著正相关关系（P＜0.01），Ci与Tr相互影响。Yield 与ETR 呈极显著相关（P＜0.01），正相关系数为1.000，说明Yield 与ETR 密切影响。其它指标间呈不显著正负相关关系。

2.4 福建柏光合荧光参数综合评价结果

将12 个光合荧光指标进行主成分分析（表5），前3 个主成分累积方差贡献率达82.902%，基本可以解释数据全部变异情况，因此采用前3 个主成分作综合评价指标，其中第1 主成分中Pn、Gs、Ci、Tr和NPQ 系数绝对值较大，说明光合参数是反映不同生物炭处理最重要的光合生理指标。根据福建柏各项光合荧光参数综合评分（表6），福建柏处理综合评价结果排序为BB80＞BB20＞BH80＞BH20＞BB5＞BH5＞BR80＞B0＞BR20＞BR5。

3 讨 论

生物炭在一定程度上能改善土壤理化生物特性、土壤肥力，增强植物的光合能力[20-21]。研究表明施加生物炭的土壤对苗木的生长速率具有积极显著作用，能够加快树木的生长[22-23]。本研究表明生物炭处理对福建柏Pn和Gs具有一定促进作用，随着BB 处理施用量的增加，福建柏表现出较高的光合同化和气体交换能力；BH 处理的促进效果弱于BB，并且在20 g·kg-1左右趋于饱和；BR 处理对Pn具有一定抑制作用，随施用量增加抑制作用减缓，可能会有促进效果，有待更深入的研究。Pn与Gs呈极显著正相关关系（P＜0.01），随着Gs增加福建柏能够吸收较多CO2从而提高净光合速率，促进植物生长。三种生物炭处理对福建柏Ci和Tr影响，在BB 和BR 处理下与Pn和Gs变化一致，表明两者能有效提高福建柏叶片CO2同化速率，并维持叶片较高的水分运输能力。Pn、Gs、Ci和Tr呈极显著正相关关系（P＜0.01），生物炭处理对主要光合参数具有显著影响，通过生物炭的施用可以改善土壤环境影响光合作用，实现促进福建柏生长目标。BB 和BH 处理对福建柏WUE均具有促进作用，但在施用量上存在抑制作用的最大值；BR 处理下WUE与其它指标表现一致，均具有一定抑制作用。BB 对福建柏光合产物积累具有明显提升效果，BH 处理促进效果需要在施用量达到一定程度，BR 对福建柏光合特性起抑制作用。有学者研究表明生物炭对番茄Lycopersicon esculentum[24]、茶树Camellia sinensis[25]、三叶青Tetrastigma hemsleyanum[26]、茄子Solanum melongena[27]等植物的净光合速率与气孔导度有显著促进作用，这与本研究有相同之处。BR 对福建柏光合特性没有明显促进作用，这可能与水稻生物炭制作流程有关，或是水稻本身存在某些物质对福建柏生长具有抑制作用，需要进一步研究其作用原理。

Fo是反映PSⅡ反应中心的电子传递情况的良好指标[29]。本研究表明，在BB 处理下福建柏Fo均高于B0 处理，表现出良好的光合系统电子传递效率；在BH 和BR 处理，福建柏光电子传递效率较低。Fv/Fm是反应植物光化学转换化率和潜在最大光合能力的良好指标，体现了植物对环境因子的适应情况[10]。Fv/Fm越大，PSⅡ最大光化学量子产量越大，植物对环境适应性越好，植物生长状态越好，反之则越小。在3 种生物炭处理下，福建柏Fv/Fm均高于B0 处理，表明生物炭处理改善了福建柏生长环境，增强了福建柏的光合性能，其中不同生物炭处理间差异较小。Yield 是反应植物实际光合效率大小和电子传递相对速率的指标[8]。ETR 是反映植物叶片在实际光照强度下外部光合电子传递效率快慢的指标[30]。在3种生物炭处理下，福建柏Yield 和ETR 变化趋势一致，均高于B0 处理，且两者呈极显著正相关（P＜0.01），实际光化学效率与光合电子传递速率联系密切，表明生物炭处理提高了福建柏光合效率并加快了电子传输效率，增强了对环境的适应能力。Fv/Fm、Yield和ETR 增大但并不随生物炭用量增加而增加，表明在一定用量生物炭处理下福建柏的光合荧光特性得到改善，植物光抑制现象减弱。郭雄飞等[6]研究结果表明生物碳有一定的适用范围，刨花润楠Machilus pauhoi光合荧光特性随生物炭用量增加而增加，但超过用量后表现下降趋势，这与本文研究结论一致。qP是反映PSⅡ反应中心的开放程度和光合活性变化的指标，NPQ 是植物为避免自身的损伤利用热耗散消耗过多的能量实现植物自我保护的途径[31]。本研究表明，在3 种生物炭处理下，福建柏qP和NPQ 均高于B0，福建柏叶片qP增大，表明生物炭处理下福建柏PSⅡ反应中心开放程度增大，光合电子传递速率加快，捕获光能中用于光化学反应的比例增大，增强了光化学活性。但是由于光能捕获能力增强，剩余光能增加，NPQ 增大，表明生物炭处理提高了福建柏热耗散能力，减弱了光抑制现象，增强光适应能力。3 种生物炭对福建柏叶绿素荧光特性具有明显影响作用，能够增加叶片对光能的捕获能力，增强对环境的适应能力。

生物炭对植物的影响与施用量、生物炭类型、植物种类、土壤类型等要素有关[32]，本研究仅从生物炭类型和施用量两方面进行研究，将生物炭施入单一的土壤类型对福建柏进行培养，对土壤因子研究单一，可以进一步开展生物炭施入不同土壤类型或者不同肥力土壤研究。立地环境因子在林木生长过程中至关重要[33]，不同的环境因子主要影响与林木生长直接相关的水热和土壤条件影响土壤肥力，进而影响植物生长。研究表明在缺水和养分匮乏条件下，生物炭在增加植物养分吸收、改变气体交换特性和促进光合作用方面具有重要意义[23]，因此研究水分、光照、温度等因子下生物炭对土壤的修复作用，评估福建柏幼苗光合生长响应，可为生物炭在福建柏栽培中提供更全面的理论依据。

4 结 论

利用主成分分析法综合评价生物炭对福建柏光合荧光特性的影响，结果表明竹子生物炭对福建柏光合特性具有积极作用，BB20 和 BB80 处理效果最佳，其次为硬木生物炭，水稻生物炭处理效果不佳，这一研究结果可为提升福建柏生长速率和减短福建柏生长周期提供理论依据，对福建柏天然林恢复、园林绿化培育以及木材生产具有重要作用。