生物炭和保水劑用量對火鶴花葉綠素和光合特性的影響

史華 吳冰潔 陳爽

摘要：以火鶴花為研究對象，在添加不同用量的生物炭和保水劑條件下，研究火鶴花葉綠素及光合特性的動態變化。以生物炭3個用量0、10%、20%和保水劑4個用量0、0.2%、0.4%、0.6%組合成12個處理。結果表明：隨著保水劑用量的增大，T1～T4處理的葉綠素a、b含量及葉片水勢呈增加趨勢，T9～T12處理呈下降趨勢，T5～T8處理呈先升后降趨勢，類胡蘿卜素含量呈逐漸下降趨勢。T1～T8處理的火鶴花葉片凈光合速度（Pn）、氣孔導度（Gs）呈先升后降的趨勢，T9～T12處理的Pn呈下降趨勢，而Gs呈先升后降的趨勢，且都在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%時達到最大值;T1～T4處理的胞間CO2濃度（Ci）呈下降趨勢，T9～T12處理呈先升后降的趨勢，T5～T8處理呈先降后升的趨勢，在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%時達到最小值;蒸騰速率（Tr）呈逐漸下降趨勢。生物炭用量10%、保水劑用量0.4%為火鶴花生長最適用量。

關鍵詞：火鶴花;生物炭;保水劑;葉綠素含量;葉片水勢;光合特性

中圖分類號：S682.390.1 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0139-04

光合作用是植物生長最重要的生理過程之一，研究植物的光合特性是研究不同植物適應其生存環境機制的有效途徑[1]。生物炭具有炭富含穩定的碳元素、具有豐富的微孔結構、含有植物生長所必需的大量元素和中微量元素等特點[2]，在農業中具有土壤改良、固碳/氮減排、緩釋肥料載體及土壤修復功能[3]。保水劑是一種吸水能力極強的高分子材料，多為高吸水性樹脂，具有保水、保肥、保溫、改善土壤結構的功能。目前，保水劑對植物影響的研究主要集中對種子發芽、植物的生長與產量及苗木移植成活率等方面的影響[4]。

本試驗以火鶴花為供試材料，主要研究在溫室盆栽條件下不同用量的生物炭和保水劑對火鶴花葉片葉綠素及光合特性的影響，以期為提高火鶴花對干旱環境的適應性及揭示生物炭和保水劑相關作用機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

生物炭來自于江蘇南京勤豐秸稈有限公司;保水劑是由勝利油田長安控股集團有限公司制備的新型有機-無機雜化多功能保水劑，是一種獨具三維網狀結構的有機高分子聚合物，吸水倍率500倍，該產品具有高吸水、抗鹽堿、改良土壤、成本低的優點。火鶴花于2017年3月進行定植，地點在聊城江北水城花卉基地溫室和聊城大學農學院綜合實驗室，選用試驗材料為特倫沙火鶴花種苗，供試種苗長勢健壯，大小均勻，平均株高為16 cm。

1.2 試驗設計

試驗用230 mm×180 mm花盆，每盆盛放基質、生物炭和保水劑共200 g，試驗基質為荷蘭進口草炭。生物炭設置0、10%、20% 3個用量，保水劑設置0、0.2%、0.4%、0.6% 4個用量，每組處理重復6盆。試驗先將草炭土與生物炭、保水劑按一定比例混合均勻，然后定植火鶴花種苗，灌溉1次無菌水，此后肥水管理和病蟲害防治管理水平在各處理間保持一致，生物炭和保水劑不同施用量試驗設計見表1。

1.3 測定指標

在定植3個月后停止澆水5 d，然后測定植株各項指標。選擇新生葉片下第3張成熟葉片，采用Psypro水勢儀測定植物葉片水勢。選擇新生葉片下面的第4張成熟葉，測定供試植株的光合作用，采用CIRAS-2型光合儀，光合作用測量時間為09：00—11：30，測定葉室面積為2 cm×3 cm，測定指標有植物葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），測定時采用探頭上的紅藍光源來提供持續且穩定的光照，設定內源光照度為1 000 μmol/（m2·s），測定時大氣CO2濃度約為400 μL/L。將葉片（所有處理都取同一葉位）剪碎混勻，每處理稱取約0.2 g葉片，采用直接浸提法，用UV-1700紫外分光光度計測定吸光度，以Lichtenthaler法計算葉綠素含量和類胡蘿卜素含量。所有測定指標每組處理測3次。

氣孔限制值（Ls）=（Ca-Ci）/Ca×100%。

式中：Ca為大氣CO2濃度;Ci為胞間CO2濃度。

根據Penuelas等計算水分利用效率（WUE）：WUE=Pn/Tr。

1.4 數據處理及分析

用Excel 2003、SPSS 20.0等軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對葉片葉綠素含量及葉片水勢的影響

植物光合作用的強弱受葉片中葉綠素a、葉綠素b的比值及葉綠素相對含量高低的影響[5]。葉片水勢代表植物水分運輸的能力，能夠反映植物吸收水分的能力和水分狀況。從表2可以看出，隨著保水劑用量增加，T1～T4處理葉綠素a、b含量及葉片水勢呈增加趨勢，T9～T12處理呈下降趨勢，T5～T8處理呈先升后降的趨勢，且各處理均顯著高于對照，均在T7處理時達到最高，分別高于對照38.03%、80.17%、67.77%，均在T12處理時達到最低，分別高于對照3.14%、16.40%、27.27%;類胡蘿卜素含量呈逐漸下降趨勢，均顯著低于對照，在T12處理時達到最低，低于對照38.05%。

已有研究表明，生物炭在10%用量時為百合花生長最適濃度[6]。同等條件下隨著保水劑用量的不斷加大，葉綠素a、葉綠素b含量在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%處理時達到最大值，顯著高于對照和其他處理。在生物炭為0的4組處理中，隨著保水劑用量的不斷加大，葉綠素a、葉綠素b含量逐漸上升，類胡蘿卜素含量逐漸下降;在20%生物炭的4組處理中，隨著保水劑用量的不斷加大，葉綠素a、葉綠素b含量相比對照的增長率則逐漸下降，分別增長18.78%、9.20%、3.86%、3.14%和50.98、42.86%、28.99%、16.40%，表明高用量生物炭和保水劑不利于火鶴花光合作用增強，相關機制還有待進一步研究闡明。

2.2 不同處理對葉片凈光合速率（Pn）的影響

葉片凈光合速率的變化是由各種光合生理參數及環境因子共同作用引起的，不同環境因子對Pn的影響程度也各不相同[7]。

添加生物炭和保水劑后，火鶴花葉片凈光合速率Pn的變化見圖1。從圖1可以看出，在不加生物炭處理和10%生物炭處理中，火鶴花葉片的Pn呈先逐漸上升后下降趨勢，且均在保水劑用量為0.4%時達到最大，分別高于對照52.58%和146.13%。其中在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%處理時的Pn顯著高于對照和其他處理，為火鶴花葉片凈光合速率最適用量。

從生物炭20%處理組可以看出，過多的生物炭和保水劑，對火鶴花葉片Pn起到了抑制作用，隨著保水劑用量的增加，火鶴花葉片Pn逐漸降低，在T11、T12處理中Pn分別低于對照15.16%、40.97%，其中T12處理與對照差異顯著。此結論與葉綠素含量變化趨勢一致。

2.3 不同處理對葉片氣孔導度（Gs）的影響

氣孔導度影響植物葉片與大氣CO2和水分交換，氣孔的部分關閉會導致CO2進入葉片受阻，從而使光合下降[8]。添加生物炭和保水劑后，火鶴花葉片Gs的變化見圖2。從圖2可以看出，在相同的生物炭用量、不同保水劑用量下，火鶴花葉片的Gs均呈先上升后下降趨勢，均顯著高于對照，且都在添加保水劑0.4%時T3、T7、T11處理葉片Gs達到最大，分別高于對照143.90%、180.35%、113.06%，表明葉片氣孔導度Gs在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%處理時為最適用量，顯著高于對照和其他處理，過多的生物炭（用量為20%）和保水劑不利于火鶴花葉片Gs增加。

2.4 不同處理對葉片胞間CO2濃度（Ci）的影響

胞間CO2濃度一般隨植物光合作用的加強而下降。添加生物炭和保水劑后，火鶴花葉片胞間CO2濃度的變化見圖3。從圖3可以看出，隨著保水劑用量的增加，T1～T4處理火鶴花葉片的Ci值呈下降趨勢，T9～T12處理呈先升后降趨勢，T5～T8處理呈先降后升的趨勢。生物炭用量10%處理葉片的Ci值無顯著差異，在生物炭用量10%、保水劑用量0.2%時達到最小值。從添加生物炭20%處理可以看出，過多的生物炭和保水劑促進了火鶴花葉片胞間CO2濃度增加，在生物炭用量20%、保水劑用量0.4%時達到最大值，顯著高于對照和其他處理，高于對照11.61%，表明過多的生物炭和保水劑不利于火鶴花光合作用，與葉片凈光合速率Pn變化結論一致。

2.5 不同處理對葉片蒸騰速率（Tr）的影響

在干旱高溫條件下，植物在生理方面會打開氣孔，增強葉面的蒸騰作用，通過水分的蒸騰帶走熱量，蒸騰速率可以反映植物體內的水分代謝情況，這是植物適應干旱的重要機制之一[9-10]。添加生物炭和保水劑后，火鶴花葉片蒸騰速率Tr的變化見圖4。從圖4可以看出，隨著生物炭和保水劑用量的增加，火鶴花葉片的Tr呈逐漸下降趨勢，各處理均顯著低于對照。在相同生物炭用量下，隨著保水劑用量的增加，各處理葉片Tr差異基本不顯著，不同生物炭用量下，生物炭20%處理對火鶴花葉片蒸騰速率Tr抑制作用最大。

2.6 不同處理對水分利用率（WUE）的影響

根據Penuelas等的方法[11]計算水分利用效率（WUE）：WUE=Pn/Tr。從圖5可以看出，在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%時水分利用效率達到最高，顯著高于對照和其他處理，高于對照292.86%。表明在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%處理時效果最佳。

2.7 不同處理對氣孔限制值的影響

通常認為，植物在水分虧缺（或脅迫）條件下光合作用降低，其原因包括2個方面：（1）氣孔限制，用氣孔限制值Ls表示;（2）光合作用的非氣孔限制。從圖6可以看出，胞間CO2濃度作為是否為氣孔限制的判定因素，隨著氣孔導度下降，胞間CO2濃度上升，可以判定為光合作用的非氣孔限制。

3 結論與討論

陳寶玉等研究干旱脅迫下3種不同劑型保水劑對廊坊楊的影響，結果表明，保水劑處理延緩了氣孔阻力，使蒸騰速率下降[12]。李榮喜等用保水劑和污泥、肥料等混合后組成的6種配方研究對油茶生長和光合特性的影響，得出保水劑處理能提高葉綠素含量、加快光合速率，促進生長的結論[13]。馬行等以多年生黑麥草為研究對象，對土壤干旱條件下使用保水劑后葉片光合特性的動態變化進行分析，認為添加適宜用量保水劑后，多年生黑麥草對干旱環境的適應性增強[14]。韋蘭英等深入研究紫花苜蓿和菊苣2種植物葉片比葉面積和光合特性對不同保水劑用量的適應能力和生理響應，認為不同植物葉片參數和光合特性對保水劑的響應并不具有一致性，植物可以根據環境條件的變化調節其形態和生理過程，以維持其正常生長[15]。雖然前人對保水劑已有較多研究，但以往研究大部分是保水劑對農作物、經濟類植物如番茄[16]、辣椒[17]、馬鈴薯[18]、烤煙[19]、棉花[20]、蜜橘[21]等光合特性、生理特性影響的初步研究。對于生物炭和保水劑混合后對植物生長影響的研究較少，僅在少數農作物中如玉米[22]、油菜[23]上有所探索。

本研究結果顯示：（1）隨著保水劑用量增加，T1～T4處理葉綠素a、b含量及葉片水勢呈增加趨勢，T9～T12處理呈下降趨勢，T5～T8處理呈先升后降的趨勢。但各處理均顯著高于對照;類胡蘿卜素含量呈逐漸下降趨勢，各處理均顯著低于對照。（2）火鶴花葉片Pn呈先逐漸上升后下降趨勢，在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%時達到最大，高用量生物炭和保水劑抑制火鶴花葉片Pn。（3）在相同生物炭用量下，隨著保水劑用量增加，火鶴花葉片的Gs均呈先逐漸上升后下降趨勢，且都在添加保水劑0.4%時Gs達到最大。在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%時達到最大值，顯著高于對照和其他處理，在生物炭用量20%時，火鶴花葉片的Gs增長率下降，表明高用量生物炭和保水劑不利于火鶴花葉片Gs增長。（4）T1～T4處理火鶴花葉片的Ci呈下降趨勢，T9～T12處理呈上升趨勢，T5～T8處理呈先降后升的趨勢，表明過多的生物炭和保水劑不利于火鶴花光合作用。（5）火鶴花葉片的Tr呈逐漸下降趨勢，有利于維持其體內水分平衡。（6）火鶴花WUE在生物炭用量10%、保水劑用量0.4%處理時達到最大，各處理均好于對照。（7）火鶴花Ls為光合作用的非氣孔限制。

綜上所述，添加保水劑能夠提高基質含水量、減少基質水分的無效蒸發[24]。水分利用效率能體現植物的抗逆境的能力。添加適量的生物炭和保水劑可以促進植株的生長發育，過量則可能產生抑制作用，無法實現施加生物炭的預期效果。本試驗還存在一定不足，試驗樣品火鶴花品種的單一以及生物炭、保水劑用量選擇的局限，因此為了更好地利用生物炭和保水劑，發揮其最大作用，應更加深入研究，以期為盆栽花卉生物炭和保水劑安全合理使用提供切實的理論依據。

參考文獻：

[1]盤李軍，冼桿標，陳偉光，等. 深山含笑等18個景觀樹種光合生理特性研究[J]. 廣東林業科技，2013，29（4）：33-37.

[2]陳溫福，張偉明，孟 軍. 生物炭與農業環境研究回顧與展望[J]. 農業環境科學學報，2014，33（5）：821-828.

[3]孔絲紡，姚興成，張江勇，等. 生物質炭的特性及其應用的研究進展[J]. 生態環境學報，2015（4）：716-723.

[4]宮麗丹，殷振華. 保水劑在農業生產上的應用研究[J]. 中國農學通報，2009，25（22）：174-177.

[5]林 陽，王世忠. 4種油松混交灌木樹種的耐陰性研究[J]. 河北林果研究，2014（3）：258-262.

[6]朱奕豪，朱彥霖，曹 興，等. 生物炭對百合生理特性的影響[J]. 北方園藝，2017（7）：92-98.

[7]高 超，閆文德，田大倫，等. 杜仲光合速率日變化及其與環境因子的關系[J]. 中南林業科技大學學報，2011，31（5）：100-104.

[8]萬素梅，賈志寬，楊寶平. 苜蓿光合速率日變化及其與環境因子的關系[J]. 草地學報，2009，17（1）：27-31.

[9]呂金印，山 侖，高俊鳳. 非充分灌溉及其生理基礎[J]. 西北植物學報，2002，22（6）：1512-1517.

[10]Liu F，Andersen M N，Jacobsen S E，et al. Stomatal control and water use efficiency of soybean（Glycine max L.Merr.）during progressive soil drying[J]. Environmental & Experimental Botany，2005，54（1）：33-40.

[11]Penuelas J，Filella I，Llusia J，et al. Comparative field study of spring and summer leaf gas exchange and photobiology of the Mediterranean trees Quercus ilex and Phillyrea latifolia[J]. Journal of Experimental Botany，1998，49（319）：229-238.

[12]陳寶玉，王洪君，曹鐵華，等. 干旱脅迫下保水劑對廊坊楊苗木光合性能的影響[J]. 土壤通報，2011，42（1）：163-168.

[13]李榮喜，胡紅蓮，黃永芳，等. 6種保水劑對油茶生長和光合特性的影響[J]. 經濟林研究，2012，30（4）：47-51.

[14]馬 行，劉 刊，權俊嬌，等. 土壤干旱條件下保水劑對多年生黑麥草光合特性的影響[J]. 植物資源與環境學報，2013，22（4）：83-88.

[15]韋蘭英，袁維圓，焦繼飛，等. 紫花苜蓿和菊苣比葉面積和光合特性對不同用量保水劑的響應[J]. 生態學報，2009，29（12）：6772-6778.

[16]王春雨，魏 珉，董傳遷，等. 保水劑不同用量對番茄穴盤苗生長及生理特性的影響[J]. 山東農業科學，2010（7）：36-38.

[17]韓玉玲，徐 剛，高文瑞，等. 保水劑對水分脅迫下辣椒生長及光合作用的影響[J]. 西北植物學報，2012，32（6）：1191-1197.

[18]盧會文，肖關麗，黃淋華. 不同保水劑施用方式對馬鈴薯生理指標及農藝性狀的影響[J]. 云南農業大學學報（自然科學版），2012，27（3）：334-339.

[19]趙銘欽，趙進恒，張 迪，等. 保水劑對烤煙光合特性日變化的影響[J]. 中國農業科學，2010，43（6）：1265-1273.

[20]盛 瑋，池文澤. 保水劑對棉花光合作用特性的影響[J]. 棉花科學，2011，33（6）：20-24.

[21]楊義伶，高 潔，徐回林，等. 保水劑對南豐蜜橘葉綠素含量與光合速率的影響[J]. 江西農業學報，2010，22（2）：46-48.

[22]陳 靜. 生物質炭保水劑的吸水保水性能研究及其對玉米生長的影響[D]. 南京：南京農業大學，2013.

[23]程紅勝，沈玉君，孟海波，等. 生物炭基保水劑對土壤水分及油菜生長的影響[J]. 中國農業科技導報，2017，19（2）：86-92.

[24]楊永輝，吳普特，武繼承，等. 復水前后冬小麥光合生理特征對保水劑用量的響應[J]. 農業機械學報，2011，42（7）：116-123.