不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長、根系形態及15N吸收利用的影響

彭婷婷，魏永平，章進峰，張 筱，陳洪華，陳愛玲，趙建國，胡亞林，曹光球＊

(1.福建農林大學林學院 福建 福州 350002；2.國家林業和草原杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002；3.林木逆境生理生態及分子生物學福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；4.福建省永安國有林場 福建 永安 366000；5.山西大同大學炭材料研究所 山西 大同 037009)

杉 木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.）是我國南方最重要的速生用材樹種。培育優質苗木是提高杉木林分質量的關鍵一環，施肥是培育優質苗木最重要的技術措施之一。目前針對杉木苗木施肥的研究主要集中在肥料種類選擇[1-3]、施肥量[4-5]、施肥時間[6]以及施肥對土壤環境[7-10]、營養利用[5,10-11]和施肥利用率[12]等方面。此外，研究還發現不合理施肥會導致土壤pH值下降，造成土壤環境惡化和重金屬積累等不良后果[13-14]。因此，制定科學合理的施肥措施促進苗木生長發育、提高肥料利用率，是目前林業經營過程中急需解決的技術難題之一。

石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的二維碳納米材料，因其優異的光學、電氣、力學特性，已在電子、生物醫學、材料學、農業等領域得到較為廣泛的應用[15]。石墨烯促進植物生長發育的機理已有較多研究。He等[16]研究發現，氧化石墨烯可以將水分收集運輸至種子從而促進種子萌發。石墨烯可以進入植物組織細胞，從而可以改變植物的代謝活動，促進植物各器官的生長發育[17-18]。楊士等[19]研究表明，生物炭負載氧化石墨烯材料可以通過提高土壤pH值以及通過表面絡合和沉淀等作用來有效阻控重金屬的遷移。Yin等[20]研究也發現石墨烯可以緩解土壤重金屬Cd2+對水稻芽和種子、根以及玉米幼苗生長的毒害效應。石墨烯在林業領域中的研究還處于起步階段，姚建忠等[21]研究表明，3 mg·L-1石墨烯處理可以促進歐洲山楊（Populus tremulaL.）根系生長，而7.5 mg·L-1石墨烯處理對歐洲山楊的正常發育具有抑制作用。張曉等[18]研究表明，石墨烯處理可以促進白榆（Ulmus pumilaL.）扦插苗葉、莖、根的生長。而有關石墨烯對杉木的影響研究尚未見相關報道。

15N示蹤研究是根據15N豐度的變化研究氮素在生物體或環境中的運輸轉化規律[22]，可有效區別植株吸收N素的來源——新施N肥和土壤N庫，是研究植物N素營養及分配狀況、N肥利用率以及N肥去向等方面的重要方法[23]。目前已有利用15N示蹤法研究了毛竹[23](Phyllostachys edulis(Carriere) J.Houzeau）、橡膠[24]（Hevea brasiliensis(Willd.ex A.Juss.) Muell.Arg.）、毛白楊[25](Populus tomentosaCarrière）、楸樹[26](Catalpa bungeiC.A.Mey.）等樹種氮素吸收利用及分配情況和動態變化。有關采用15N示蹤法探討石墨烯施肥對杉木氮素的利用分配及利用率的影響研究尚未有報道。

為探討石墨烯在林業施肥應用中的可行性，本研究以1年生杉木優良無性系“洋061”作為試驗材料，分析添加不同濃度石墨烯（0、20、25、30 mg·L-1）對杉木幼苗生長、根系形態的影響；進一步利用15N示蹤法分析杉木幼苗對氮素的吸收、利用和分配的變化，為革新杉木林傳統施肥方式，提高施肥效率提供科學理論依據及技術支撐。

1 研究區概況

試驗地位于福建省福建農林大學國家林業和草原杉木工程技術研究中心田間實驗室室外大棚（26°05′ N，119°13′ E）。試驗地屬亞熱帶季風氣候，氣候適宜，溫暖濕潤，年平均氣溫20～25 ℃。年平均日照時數1 700～1 980 h，年平均降水量900～2 100 mm，年相對濕度約77%，無霜期達326 d。

2 材料來源與方法

2.1 材料來源

供試苗木為福建省洋口國有林場生產的1年生杉木“洋061”扦插苗，平均地徑為5.44±0.73 cm，平均苗高為29.32±3.17 cm。盆栽桶深度為24 cm，容量為10 L。盆栽土壤為黃心土，其化學性質 如 下：全C 3.38±0.01 g·kg-1，全N 0.42±0.01 g·kg-1，全P 0.07±0.01 g·kg-1，全K 5.01±0.13 g·kg-1。石墨烯母液由山西大同大學趙建國教授課題組提供。試驗復合肥為美國瑞恩集團公司生產，肥效為N:P2O5:K2O比為16∶16∶16。15N銨態氮肥采購自上海信裕生物科技有限公司，豐度為99.12%。

2.2 試驗設計

試驗于2020年5月開始，2020年11月結束。試驗采用完全隨機區組設計，3個完全隨機區組，每個區組5個處理（見表1），每個處理每個重復種植30株苗，共450株苗。為保證苗木成活，苗木移栽7 d內于每天傍晚對土壤補充水分，使土壤含水量處于田間持水量水平。培養7 d后，根據天氣和苗木生長實際情況進行定量水分補充。苗木緩苗7 d后，在苗木四周開2 cm溝，均勻施入30 g復合肥、10 mg銨態氮同位素及不同濃度石墨烯溶液500 mL。其中CK2處理只用于同位素計算。試驗期間，每隔2個月測定1次苗高、地徑等生長指標并記錄苗木生長狀況。

表1 不同濃度石墨烯處理試驗設計Table 1 Different concentrations of graphene treatment

2.3 測定方法

2.3.1 生長量及生物量測定 杉木苗高采用卷尺測定，地徑采用游標卡尺測定。每個測試階段各處理分別選取3株平均木，用自來水將苗木根部沖洗干凈，再分別將苗木根、莖、葉分離，自然晾干后再置于烘干箱75 ℃烘干至恒質量，稱質量記錄數據。根據苗木地上部分與地下部分的絕干生物量計算苗木根莖比。

2.3.2 根系形態測定 用剪刀將洗凈后的苗木全部根系剪下并用吸水紙吸干水分；再將根均勻放入根系掃描儀（EPSON EU-88）進行根系掃描；最后在WinRHIZO分析系統內計算根長、根直徑、根體積和根表面積等數據指標。

2.3.315N同位素測定 將植物樣品過篩后稱取4 mg放入錫紙杯中進行包膜，將其包成正四方體放入酶標盒中備用，使用時放入MAT-251（Finnigan，德國）穩定同位素質譜儀中進行測定，植株不同部位氮素積累量、氮素分配率、氮素利用效率等的計算參照文獻[27]的方法，公式如下：

Ndff為植株器官從肥料中吸收分配到的氮量對該器官全氮量的貢獻率（%），它反映了植株器官對肥料氮的吸收征調能力

15N的分配率為各器官中15N占全株15N總量的百分率，反映了肥料15N在樹體內的分布及其在各器官間遷移的規律。

2.4 數據處理與分析

原始數據采用Excel進行整理統計，采用SPSS.23軟件對數據進行統計分析，對杉木幼苗生長指標、生物量指標、根系形態指標及15N吸收利用等數據進行單因素方差分析。根系形態、根15N分配率及全株15N利用率的相關性采用Person相關分析法。各指標數據的結果為平均值±標準差。

3 結果與分析

3.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長及生物量的影響

3.1.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長的影響

由表2可知，不同濃度石墨烯處理可在一定程度上促進杉木幼苗苗高和地徑的生長，且隨著培養時間延長，促進效應逐漸增大。與對照CK1相比，25 mg·L-1石墨烯處理的幼苗苗高和地徑最大；培育60、120、180 d時，苗高分別提高了9.30%、7.69%、3.26%，地徑分別提高了4.83%、3.91%、7.65%。方差分析結果表明，除25、30 mg·L-1石墨烯處理在培育120 d后苗高存在顯著性差異（P＜0.05）外，其他處理間差異均未達到顯著水平。

3.1.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生物量的影響

由表2可以看出，不同濃度石墨烯處理對杉木幼苗生物量的影響較為一致，除20 mg·L-1石墨烯處理在莖干質量中表現為先降后增的趨勢外，其余處理在根干質量、莖干質量、葉干質量中均表現為逐漸增長的趨勢。培育60 d時，與對照CK1相比，25、30 mg·L-1石墨烯處理的根干質量分別增加了7.56%、6.06%，20 mg·L-1石墨烯處理則顯著增加了45.45%；培養120 d時，25 mg·L-1石墨烯處理的葉干質量比對照CK1相比降低了7.28%；培養180 d時，20、30 mg·L-1石墨烯處理的葉干質量與對照CK1相比分別降低了6.53%、2.95%。

表2 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗生長和平均單株生物量Table 2 Growth and biomass of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.1.3 不同濃度石墨烯對杉木幼苗根莖比的影響

由表2可知，不同濃度石墨烯處理對杉木幼苗根莖比的影響較為一致。根莖比介于0.06～0.13之間。除30 mg·L-1石墨烯處理的根莖外，其余處理的根莖比均呈先降后增的趨勢。培育180 d時，石墨烯處理的根莖比相比于對照分別增加了33.33%、44.44%、22.22%，不同處理之間差異不顯著。

3.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗根系形態的影響

由圖1分析可知，同一石墨烯濃度處理下，隨著培養時間的延長，除杉木幼苗根平均直徑表現為下降趨勢外，其他指標均表現為增長的趨勢。不同石墨烯濃度處理下，同一培養時間杉木幼苗根長、根直徑、根體積、根表面積等指標對石墨烯濃度的敏感性不同；就培養60 d而言，根長、根體積表現為隨著濃度的增加呈逐漸降低的趨勢，而根直徑則表現為先增后降的趨勢；培育180 d時，25 mg·L-1石墨烯處理的根長、根直徑、根體積、根表面積與其他處理相比均為最大值。方差結果分析，各處理在杉木幼苗根系形態等指標中均不存在顯著性差異。

圖1 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗根系形態Fig.1 Root morphology of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.3 不同濃度石墨烯對杉木幼苗各器官15N分配率及全株15N利用率的影響

3.3.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗各器官15N分配率的影響 由圖2可以看出，不同處理對杉木幼苗各器官15N的分配率影響并不一致。綜合來看，杉木幼苗各器官15N分配率表現為葉＞莖＞根。不同處理杉木幼苗葉15N分配率除在30 mg·L-1石墨烯處理中隨時間的增加呈增加趨勢外，在其他不同處理中均呈先增后降趨勢。葉15N分配率介于63.67%～74.47%之間，在不同培育階段中的最大值分別出現在A2、CK1、A3處理中。與對照相比，不同處理杉木幼苗葉15N的分配率差異均未達到顯著水平。

圖2 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗各器官15N分配率Fig.2 15N distribution rate of Chinese fir organ at different concentrations of Graphene

隨培育時間的增加，不同處理杉木幼苗莖15N分配率均表現為下降趨勢。莖15N分配率介于16.97%～30.44%之間。培育60 d后，20、25、30 mg·L-1石墨烯處理與對照相比莖15N分配率分別顯著降低了6.87%、20.07%、20.07%（P＜0.05）。

杉木幼苗根15N分配率隨培育時間的增加均表現為先降后增的趨勢。根15N分配率介于4.70%～9.61%之間。除25 mg·L-1石墨烯處理根15N分配率在施肥后60 d較對照降低18.51%外，其余時間中均表現為石墨烯處理高于對照處理，但不同處理間根15N分配率差異不顯著。

3.3.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗全株15N吸收利用的影響 由表3可知，不同處理隨培育時間的延長，杉木幼苗全株總氮量、15N 吸收量、15N利用率均呈增加趨勢。在培育60 d與180 d后，石墨烯處理下的杉木全株15N吸收量顯著高于對照處理。180 d后，20、25 mg·L-1石墨烯處理杉木全株15N利用率比對照顯著增加了77.78%、78.70%（P＜0.05），說明一定濃度的石墨烯能促進杉木幼苗對氮素的吸收，杉木幼苗15N利用率介于0.32%～1.93%之間，杉木幼苗對氮素的利用率不高。

表3 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗全株15N吸收利用Table 3 15N absorption and utilization of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.4 杉木幼苗根系形態與根15N分配率與全株15N利用率的相關性

從表4可以看出，除根長、根體積、根15N分配率與根直徑呈負相關外，其他各指標間均呈顯著或極顯著正相關。這說明根系形態與全株15N利用率有密切聯系，全株15N利用率對杉木幼苗的根系形態影響較大。

表4 杉木幼苗根系形態、根15N分配率與全株15N利用率的相關性Table 4 Correlation between root morphology,root 15N distribution rate and 15N utilization rate of Chinese fir

4 討論

4.1 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗的生長

本研究發現，石墨烯處理下杉木幼苗苗高、地徑、根干質量、莖干質量和葉干質量均高于對照處理，且培育結束后，除莖干質量隨石墨烯濃度的增加而降低外，其余生長指標均表現為25 mg·L-1＞30 mg·L-1＞20 mg·L-1＞CK1，說明石墨烯對杉木幼苗生長具有促進作用。Yin等[20]發現氧化石墨烯能促進水稻幼苗的生長；劉澤慧等[27]研究發現，一定濃度的石墨烯能促進蠶豆幼苗的株高生長。以上研究說明，石墨烯對植物生長有促進作用，這與本研究結果一致。不同濃度石墨烯處理杉木幼苗根莖比大致表現為先降后增的趨勢，說明石墨烯在杉木培育前期主要促進杉木地上部分的生長，培育180 d后，在促進地上部生長的同時，也相應促進地下部生長，使地上部與地下部趨于平衡。

4.2 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗的根系形態

根系直接從土壤中吸收營養，是決定杉木幼苗吸收能力的重要因素。有研究發現，石墨烯溶液可以改變植物的新陳代謝機制，從而促進植物器官的發育[28-30]。張曉等[30]通過對促進玉米（Zea maysL.）生長的最佳石墨烯濃度（50 mg·L-1）處理48 h后的根系mRNA進行轉錄組測序分析后發現，石墨烯可以影響玉米根系的有機物合成、轉運和代謝過程，通過抑制玉米根系的乙烯信號促進玉米根系的生長，進而促進玉米地上部分的生長。本研究通過分析杉木幼苗根系形態指標發現，石墨烯處理可以促進杉木幼苗總根長、根體積和根表面積生長，石墨烯處理下的根系形態指標普遍高于對照處理，且總根長、根直徑和根表面積均在25 mg·L-1石墨烯處理下最高。但不同植物根系對石墨烯濃度的響應具有特異性，例如最適樹莓[31](Rubus idaeus）、水稻[32](Oryza sativa）、蠶豆[27](Vicia faba）、西梅[33](Prunus domestica)苗木根系發育的石墨烯濃度分別為2、5、25和33.3 mg·L-1。

4.3 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗對氮素的吸收利用及分配

氮素是所有生物維持生活不可或缺的元素之一[34]。當土壤中氮素含量充足時有利于植物有機物質的形成，從而增加產量。相關研究表明，施氮肥顯著提高了杉木無性系幼苗的生長以及生物量的積累[35]。本研究采用15N示蹤法（銨態氮）分析添加石墨烯后杉木15N分配和吸收利用的變化，結果發現，培育結束后，根15N分配率表現為25 mg·L-1＞30 mg·L-1＞20 mg·L-1＞CK1，莖15N分配率表現為CK1＞20 mg·L-1＞25 mg·L-1＞30 mg·L-1，葉15N分配率表現為30 mg·L-1＞CK1＞25 mg·L-1＞20 mg·L-1，這說明石墨烯對杉木幼苗根部氮素的分配具有促進作用，對杉木幼苗莖部的分配具有抑制作用，而氮素在杉木幼苗葉部的分配會受石墨烯濃度的影響。另一方面，氮素在杉木幼苗的各個器官中的分配表現為葉＞莖＞根。賈慶宇等[36]研究得出蘆葦不同器官的含氮量總體表現為葉片＞莖稈＞根須，地上器官的含氮量大于地下器官；董雯怡等[25]研究發現，莖作為植物物質運輸的主要通道，儲存的氮素較少；張平等[37]研究得出，植株根吸收氮素之后會合成轉化為銨基酸的形式供植物體吸收利用，所以氮素在植株根部的積累也較少。但石墨烯處理下氮素在杉木幼苗各器官中的分配不存在顯著差異。在杉木幼苗全株15N利用率方面，不同處理全株15N利用率均為25 mg·L-1＞20 mg·L-1＞30 mg·L-1＞CK1。胡梓超[38]研究發現納米碳可以緩解氮素在土壤中的淋溶，從而提高植物對氮素的利用率，與本研究結果一致。

林木生長及生理生化變化對施肥的響應需要一個過程。本研究僅分析了石墨烯處理杉木幼苗60、120及180 d時的生長、生物量分配、根系形態、N素吸收及利用率的影響，至于后期石墨烯對苗木生長的影響，有待于進一步觀測。除此之外，還應進一步開展不同濃度石墨烯對杉木幼齡林及中齡林生長影響的施肥試驗，總結出一套可供生產應用的杉木林石墨烯施肥技術，從而提高杉木林的施肥效果，達到增產、增效的目標。

5 結論

本研究表明，石墨烯能促進杉木優良無性系“洋061”幼苗的生長，其生長、生物量和根系形態指標表現為添加石墨烯處理普遍好于對照處理，各處理除莖干質量和根體積外，其余指標都表現在石墨烯濃度為25 mg·L-1的處理最大，但各處理之間不存在顯著差異。此外，氮素在杉木幼苗的各個器官中的分配表現為葉＞莖＞根，說明氮素主要集中在生命活動和新陳代謝旺盛的器官中；不同處理全株15N利用率均表現為25 mg·L-1＞20 mg·L-1＞30 mg·L-1＞CK1，并與根系形態指標呈極顯著正相關（P＜0.01），說明一定濃度的石墨烯有利杉木幼苗氮素的積累，且杉木幼苗根系形態對全株15N利用率影響較大，但不同濃度石墨烯處理差異不顯著。