石墨烯对杉木幼苗养分含量及光合特征的影响

代林利, 魏永平, 张 莜, 曹光球, 叶义全, 赵建国, 陈爱玲,5

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.国家林业和草原杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；3.福建省永安国有林场，福建 永安 366000；4.山西大同大学炭材料研究所，山西 大同 037009；5.福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002)

石墨烯是一种具有稳定碳结构的新型碳纳米材料[1]，在材料、能源、医学等领域得到广泛应用[2-3].近年来，随着制备技术的发展，对石墨烯材料的研究逐渐延伸至农林业.研究[4-5]表明，石墨烯导电性强，能有效吸附养分离子和水分，可以促进植物根系生长和种子发芽.但石墨烯氧化胁迫也可能对植物产生一定毒性[6]，促使植物产生大量粘液并覆盖于根表面，不利于根的呼吸及物质交换[7].大量研究表明，不同浓度石墨烯对植物生长具有不同影响，适宜浓度的石墨烯处理可以促进藜麦、水稻、小麦等根系的生长，并能增加植物的生物量[8].过量的石墨烯则会抑制种子发芽和根的生长，破坏植物细胞等[9-10]，低浓度石墨烯对植物生长有促进作用[11].

杉木是喜肥沃土壤的优良速生用材树种，在我国南方分布广泛，具有极高的经济价值.为解决杉木连栽导致的杉木林地生产力不佳等问题，采取科学高效的林地施肥措施尤为重要[12-13].研究[14]表明，在肥料中施加一定浓度石墨烯能够促进植物根系对土壤养分的吸收，可起到保肥、节肥的作用.目前石墨烯在农林业方面的研究主要集中于常见农作物以及石墨烯毒性方面，而对用材林树种产生影响方面的研究较少，且鲜有对添加一定浓度石墨烯于所施肥料的探讨.叶片的光合作用和植物养分积累是决定植物生长发育的关键[15-16].鉴于此，本研究以1年生杉木优良无性系“洋061”为试验材料，采用室内盆栽方法，分析不同含量石墨烯对杉木幼苗养分含量和生理特征的影响，旨在为杉木林高效培育以及石墨烯在杉木施肥中的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建农林大学国家林业和草原局杉木工程技术研究中心田间实验室大棚(26°05′N，119°13′E)，属中亚热带季风性气候，年平均日照时长1 700～1 980 h，年平均降水量1 300 mm，年平均温度22.5 ℃，无霜期约326 d.

1.2 供试材料

供试材料为福建省洋口国有林场提供的一年生优良无性系‘洋061’扦插苗.复合肥料N∶P2O5∶K2O=16∶16∶16.石墨烯母液由山西大同大学赵建国院长课题组提供.土壤基本化学成分：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，全钾(5.04±0.13) g·kg-1.

1.3 试验设计

将无杂质红心土装入直径18 cm、高20 cm的聚乙烯塑料花盆，将苗木移栽到盆内，保持土壤湿润，遮光达70%左右.苗木盆栽缓苗7 d后，在苗木四周开2 cm沟，均匀施入30 g复合肥及不同浓度石墨烯添加液500 mL.为了避免光对杉木幼苗生长的影响，塑料盆排列采用完全随机区组设计，3个完全随机区组，每个完全随机区组4个处理，分别为仅施加30 g复合肥(对照)、20 mg·L-1石墨烯+30 g复合肥、25 mg·L-1石墨烯+30 g复合肥、30 mg·L-1石墨烯+30 g复合肥.每盆种植1株苗，每盆设1个重复，区组内每个处理10个重复，共处理120盆.2020年7、9、11月初在区组内每个处理分别取一株平均木测定光合色素、叶绿素荧光特性、各器官养分含量，3个重复.

1.4 指标测定

1.4.1 养分含量 根据调查的平均胸径和平均树高，每个处理选取1株平均木，取平均木根、茎、叶粉碎过0.149 nm筛后，使用元素分析仪(Vario MAX CN)测定全氮含量；全磷、全钾含量，通过硝酸-高氯酸混合高温消煮，得到待测液；并将待测液放入电感耦合离子发射光谱仪(PE optima 8000)中进行测定.

1.4.2 光合色素和叶荧光参数 选取植株中部叶0.2 g，取样后采用丙酮乙醇(丙酮∶乙醇=1∶1)浸泡法将叶片浸泡脱色，用酶标仪分别测定663、645、470 nm下的光密度，并分别计算出叶绿素 a(Chlorophyll a,Chla)、叶绿素 b(Chlorophyll b,Chlb)、类胡萝卜素(Carotene，Car)含量.选取植株中部成熟健康叶3片，擦去表面杂质，暗适应20 min后采用德国产的PAM-2500便携式叶绿素荧光测定仪测定植株的叶绿素荧光参数.测定时间为9:00—11:00，用叶绿素荧光仪测定初始荧光值(minimal fluorescence, Fo)、最大荧光值(maximal fluorescence, Fm)、可变荧光值(variable fluorescence, Fv)，并计算光能转化效率(photochemical efficiency, Fv/Fm)、潜在活性(potential activity, Fv/Fo)、最大光学效率(photochemical efficiency，Fm/Fo)等叶荧光参数.

1.5 数据处理

采用SPSS 26.0和Excel 2010软件进行单因素(one-way ANOVA)和Duncan方差分析及多重比较(α=0.05)，采用Pearson法进行相关分析.

2 结果与分析

2.1 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗不同器官养分的影响

2.1.1 石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗叶全氮、全磷、全钾含量的影响 从图1可以看出，杉木幼苗经不同处理后，随着培育时间的增加，杉木幼苗叶全氮、全磷、全钾含量发生变化.杉木幼苗叶全氮含量在不添加石墨烯的情况下，随着培育时间的增加先升高后下降；在添加20 mg·L-1石墨烯的情况下，随着培育时间的增加先下降后升高；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情况下，随着培育时间的增加而增加.不同处理后杉木幼苗叶全磷含量和全钾含量均随培育时间的增加逐渐降低，且差异达到显著水平(P<0.05).不同处理杉木幼苗叶全氮含量为22.41～26.18 mg·g-1，在培育60、180 d后，添加石墨烯的杉木幼苗叶全氮含量均比不添加石墨烯的杉木幼苗叶高，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.不同处理杉木幼苗叶全磷含量为0.22～0.82 mg·g-1，在不同培育时间，不添加石墨烯杉木幼苗叶的全磷含量均为最低；添加20 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全磷含量最高.不同处理杉木幼苗叶全钾含量为2.67～5.03 mg·g-1.在不同培育时间，添加20 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗全磷含量最高.

不同大、小写字母表示差异达到P<0.05显著水平.M1、M2、M3、M4分别代表20、25、30、0 mg·L-1石墨烯.

2.1.2 石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗茎全氮、全磷、全钾含量的影响 从图2可以看出，杉木幼苗经过不同处理后随着培育时间的增加，杉木幼苗茎全氮、全磷、全钾含量发生变化.杉木幼苗茎全氮含量在不添加石墨烯、添加20 mg·L-1石墨烯的情况下，随着培育时间的增加逐渐下降；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情况下，随着培育时间的增加先增加后下降.杉木幼苗茎全磷含量在不添加石墨烯、添加20、25 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加逐渐下降；在添加30 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加先升高后下降.杉木幼苗茎全钾含量在不同处理下均随培育时间的增加逐渐下降.以上差异均达到显著水平(P<0.05).不同处理杉木幼苗茎全氮含量为7.99～12.98 mg·g-1，培育60 d后不添加石墨烯的杉木幼苗茎全氮含量最高，培育120、180 d后添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗茎的全氮含量最高.不同处理下杉木幼苗茎全磷含量为0.07～0.36 mg·g-1，在培育60 d后添加20、25 mg·L-1石墨烯的杉木幼苗茎全磷含量显著高于其他处理，添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗茎的全磷含量显著低于其他处理.培育120、180 d后各个处理下杉木幼苗茎全磷含量差异不显著.不同处理杉木幼苗茎全钾含量为0.31～2.77 mg·g-1；不同培育时间，添加20、25 mg·L-1石墨烯杉木幼苗茎全钾含量均显著高于不添加和添加30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗茎.

图2 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗茎全氮、全磷、全钾含量的影响

2.1.3 石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗根全氮、全磷、全钾含量的影响 从图3可以看出，杉木幼苗经过不同处理后随培育时间的增加，杉木幼苗根全氮、全磷、全钾含量发生变化.杉木幼苗根全氮含量在不添加石墨烯的情况下，随培育时间的增加先下降后升高；在添加20 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加逐渐下降；在添加25、30 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加先升高后下降.杉木幼苗根全磷和全钾含量在不同处理下，均随培育时间的增加逐渐下降.不同处理杉木幼苗根全氮含量为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显著高于添加25、30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗根的全氮含量；培育120 d后不同处理石墨烯杉木幼苗根全氮含量的变化趋势与培育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.不同处理杉木幼苗根全磷含量均为1.10～3.81 mg·g-1；培育60 d后不同处理杉木幼苗根全磷含量高低表现为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后不同处理杉木幼苗根全磷含量差异不显著.培育60、120、180 d后，不同处理杉木幼苗根全钾含量高低表现为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.

图3 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗根全氮、全磷、全钾含量的影响

2.2 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗光合色素及叶绿素荧光特性的影响

2.2.1 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗光合色素的影响 从图4可以看出，杉木幼苗经过不同处理后随培育时间的增加，Chla、Chlb、 叶绿素 (Chlorophyll ,Chl)含量发生变化.杉木幼苗Chla含量在不添加石墨烯和添加20、25 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加没有显著差异；在添加30 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加先降低后升高.杉木幼苗Chlb含量在添加20 mg·L-1石墨烯的情况下，随培育时间的增加先升高后降低；在不添加石墨烯和添加25、30 mg·L-1石墨烯的情况下，培育120、180 d后Chlb含量显著下降.杉木幼苗Chl含量在不同处理后均随时间的增加先下降后升高.杉木幼苗Car/Chl在不同处理后均随时间的增加先下降后升高.杉木幼苗Chla/Chlb在培育180 d后显著高于培育60、120 d.不同处理杉木幼苗Cha含量为0.93～1.17 mg·L-1，在培育60 d后不同处理杉木幼苗Chla含量差异不显著；培育120 d后不同处理杉木幼苗Chla含量高低表现为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后不同处理杉木幼苗Chla含量表现为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.不同处理杉木幼苗Chb含量为0.42～0.84 mg·g-1；在不同培育时间，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含量显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.不同处理杉木幼苗Chl含量为3.28～4.28 mg·g-1；培育60、120 d，不同处理杉木幼苗Chl含量差异不显著；处理180 d后杉木幼苗Chlb含量高低表现为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.不同处理杉木幼苗Car/Chl为1.79～2.62，不同处理杉木幼苗Car/Chl差异不显著.不同处理杉木幼苗Car/Chlb为1.28～2.21，不同处理杉木幼苗Chla/Chlb差异不显著.

图4 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗光合色素的影响

2.2.2 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗叶绿素荧光特性的影响 从图5可以看出，杉木幼苗经过不同处理后随培育时间的增加，杉木幼苗Fo、Fm、Fv、Fv/Fo、Fv/Fm发生变化.不同处理杉木幼苗叶绿素荧光Fo、Fm、Fv随时间的增加而增加，差异达到显著.不同处理杉木幼苗Fv/Fo、Fv/Fm在培育60～120 d差异不显著，培育120～180 d Fv/Fo显著下降，培育120～180 d Fv/Fm显著上升.培育60、120、180 d后，不同处理杉木幼苗Fo、Fm、Fv/Fm差异均不显著.不同浓度石墨烯处理杉木幼苗在培育120 d后的Fv和培育60 d后的Fv/Fo显著高于不添加石墨烯杉木幼苗.

图5 不同浓度石墨烯与复合肥混施对杉木幼苗叶绿素荧光的影响

2.3 不同浓度石墨烯与复合肥混施下杉木幼苗光合色素及叶绿素荧光特性的相关性

从表1可以看出，Car与Chla、Chlb含量呈极显著正相关(P<0.01)，Chlb含量与Chla含量呈显著正相关(P<0.05)；Fo、Fm、Fv相互呈极显著正相关(P<0.01)，Fv/Fo与Fm呈显著正相关(P<0.05)；全氮与全磷、全钾含量呈极显著正相关(P<0.01)，全磷与全钾含量呈显著正相关(P<0.05)；Fv/Fm与全钾含量呈显著正相关(P<0.05).

表1 不同浓度石墨烯与复合肥混施杉木幼苗光合色素及叶绿素荧光特性的相关性1)

3 讨论

氮、磷、钾作为植物必需的营养元素，在植物体生长发育及生理生化过程中起着重要作用，通常植物的生长速率与氮、磷、钾含量密切相关[17].本研究发现不同石墨烯处理下全氮、全磷、全钾含量表现为叶>根>茎，说明杉木幼苗会将重要的养分元素分配到生长代谢最旺盛的叶部位，确保植物光合作用等生理过程的顺利完成，进而增强植物生长速度.研究[18]表明石墨烯很可能会改变植物的养分状况，其可能与土壤基质发生反应，从而改变其毒性作用.石墨烯可以作为肥料载体来降低养分的释放速率和提高养分的利用效率[19].本研究结果表明，添加一定浓度的石墨烯可使杉木幼苗根、茎、叶的全磷、全钾、全氮含量都有不同程度的提高.随着施肥后培育天数的增加，不同处理杉木幼苗根、茎、叶的全磷、全钾含量均下降，全氮含量变化较复杂.不同培育时间，杉木幼苗叶全磷含量在添加20 mg·L-1石墨烯时达到最高，杉木幼苗茎全钾含量在添加20、25 mg·L-1石墨烯时达到最高，杉木幼苗根全钾含量在添加30 mg·L-1石墨烯时达到最高，均提高了肥料相应元素的利用效率.在培育前期，添加20、25 mg·L-1石墨烯提高了杉木幼苗茎、根对肥料全磷元素的利用效率，表明一定浓度石墨烯的强吸附能力，使得土壤保肥能力增强，有利于杉木幼苗对养分的吸收.

叶绿素是PSⅡ光反应中心的色素分子，在光能吸收和传递中扮演重要角色，其含量能够反映植物光合作用能力，而Car不仅参与光能吸收，还在防止细胞受氧化损伤保护叶绿体结构完整性中起着十分关键的作用[20].一般而言，Car/Chl值越低，Chla/Chlb值越高，植物的光合作用越强.本研究结果表明，添加一定浓度的石墨烯均可提高杉木幼苗叶Chla、Chlb、Car含量，表现为添加25～30 mg·L-1石墨烯杉木幼苗在培育后期(培育180 d后)这些含量大幅提高.但不同处理杉木叶Car/Chl与Chla/Chlb没有显著差异.这表明石墨烯可能促使光合色素合成或减缓其降解，从而促进杉木叶对光能的吸收和利用，这与赵琳等[21-22]试验结果一致.初始荧光Fo主要用于表示PSⅡ反应中心的基本状态， PSⅡ反应中心的不可逆破坏会使Fo增大[23].本试验发现，不同浓度石墨烯处理下杉木的Fo值均高于不添加石墨烯杉木的Fo值，表明石墨烯不利于维持苗木光合机构的稳定性，表明添加石墨烯杉木PSⅡ反应中心可能存在破坏或可逆失活.Fm和Fv分别用于表征PSⅡ反应中心的电子传递情况和PSⅡ反应中心活性大小，Fv/Fm与植株叶光合速率密切相关[24].本研究中杉木叶在不同处理Fv/Fm值无明显变化.此外，主要用于表征PSⅡ潜在光化学活性的Fv/Fo在添加一定浓度石墨烯后有所提高，但差异不大.表明添加石墨烯杉木的光反应系统没有明显变化，与文献[25-26]的研究结果一致.添加石墨烯处理下的Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo虽然与不添加石墨烯相比无明显变化，但各参数值存在一定的升高，表明添加石墨烯处理稳定了PSⅡ反应中心，增强电子传递速率，促进了NADPH和ATP的合成，并为暗反应提供更多的能量，从而使得光合碳同化能力得到提升.刘泽慧等[27]研究发现石墨烯中的含氧官能团能以电荷吸引的方式来吸附土壤中的阳离子，间接为植物提供营养促进植株生长发育，提高叶光合能力.此外，Zhang et al[18]研究发现在500 mg·L-1石墨烯处理下小麦叶的光化学效率降低了.本研究结果表明，添加20、25 mg·L-1石墨烯对杉木幼苗养分积累和光合作用最为有利.