生物炭和納米二氧化硅聯合施用對油菜光合熒光特性的影響

關鍵詞：生物炭：納米二氧化硅：甘藍型油菜：光合熒光特性

油菜（Brassica napusL）為十字花科蕓薹屬草本植物，世界各地廣為種植，是世界最重要的油料作物之一，年均產量僅次于油棕和大豆，位居世界第三。我國油菜主要在長江中下游地區種植，該區域氣候適宜、土壤肥沃，其年均產量高達1200萬t，約占我國食用油市場的45%～50%。

生物炭是高度芳香化的富含碳素的固態物質，具有多孔、比表面積大、吸附能力強等特點，可以降低土壤容重，增加土壤含水量，改善土壤結構。其含有的高碳組分，會為土壤輸入大量有機碳及一定量的鉀、鈣、鈉、鎂等營養元素，對營養缺乏的貧瘠土壤改良效果十分顯著。硅是有益于植物的重要非金屬元素，被認為是氮磷鉀之后的第四大元素。納米二氧化硅作為一種非金屬納米材料，具有成本低、無污染等特點，更容易被生物吸收利用，從而影響生物生長發育。有研究表明，納米二氧化硅可以改善植物生長環境，提高植物凈光合速率、氣孔導度等。光合作用是植物最基本的生命活動，是作物產量的保證。光合作用效率與環境中生態因子的變化密切相關，環境因子的改變會在一定程度上反映到光合作用上，而葉綠素熒光能夠反映光合作用的動態變化，是光合作用的內在體現。因此，研究生物炭和納米二氧化硅對油菜光合熒光特性的影響，對于提高油菜產量及品質具有重要意義。目前針對生物炭和納米二氧化硅對油菜影響的機理研究主要采用單一處理的方式。為此，本試驗以油菜‘陽光2009’為試材，研究生物炭和納米二氧化硅聯用對油菜光合熒光特性的影響，以期為其在農業生產中的應用提供技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗地概況與材料

本試驗于2022-2023年在聊城大學進行。該地（ 116°01'E，36°43'N）屬溫帶季風氣候區，年均溫度為13.1℃，年均降水量為578.4mm。

供試油菜品種為甘藍型油菜‘陽光2009’。生物炭為600℃條件下燒制的梧桐葉片，粉碎后過100目篩備用。納米二氧化硅（20nm）購于北京德科島金公司。

1.2試驗設計

盆栽試驗共設4個處理，分別為空白對照（CK）、單施生物炭（C）、單施納米二氧化硅（SI）、生物炭與納米二氧化硅聯合施用（C+SI），每處理重復3次，每重復1盆（塑料盆規格：口徑17.5cm，底徑10cm，高9cm）。生物炭施用量為10g·kg-1土，納米二氧化硅施用量為2g.kg-1土。供試土壤為砂壤土，硝態氮含量為2.94mg·kg-1、有效磷4.00mg·kg-1、速效鉀7.25mg·kg-1，pH值8.68，電導率302uS.cm-1。各處理中兩種材料與土壤均勻混合后裝入盆中，每盆裝1kg。利用基質（苗晟）育苗20d后，選取長勢一致、真葉5～6片的油菜幼苗移至盆中，每盆栽1株，栽后30d進行光合熒光參數等指標測定。

1.3測定指標及方法

1.3.1光響應曲線采用Li-6800便攜式光合作用儀，于晴天上午8：00-11：00測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）等。光響應曲線測定的光強（光合有效輻射PAR）梯度設置為1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、共12個。

1.3.2葉綠素熒光參數油菜葉片暗適應12h后進行測定。采用Li-6800便攜式光合作用儀測定固定熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ最大光化學量子效率（Fv/Fm）、電子傳遞效率（ETR）、光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅系數（ NPQ）等指標。

1.3.3生理指標油菜幼苗葉片光合色素含量采用丙酮法測定，可溶性糖含量采用蒽酮法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定。

1.4數據分析

利用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），LSD法進行差異顯著性分析（Plt;0.05），采用Origin 2022進行圖表繪制。

2結果與分析

2.1不同處理對Pn光響應曲線的影響

由圖1A可知，不同處理油菜Pn的光響應曲線都呈現先升高后平緩之后下降的趨勢。4個處理中，C+SI處理油菜在不同光強下均具有最高的凈光合速率，其他依次是SI、C處理和CK。其中，CK的凈光合速率與其他處理在各個光強區間內均差異顯著；0～500umol·m-2．S-1區間內C+SI、C、SI間凈光合速率差異不顯著，500～1800umol·m-2．S-1區間內其值差距逐漸增大，但C與SI間差異不顯著。這說明生物炭和納米二氧化硅對油菜凈光合速率均有提升作用，聯用效果最佳。

2.2不同處理對油菜葉片Tr、Gs和Ci光響應曲線的影響

由圖1B、C可知，不同處理油菜葉片Tr和Gs的光響應曲線趨勢基本相同，即各處理葉片蒸騰速率和氣孔導度隨光強升高呈現先升高后平緩再下降的變化趨勢。其中，C+SI處理葉片蒸騰速率和氣孔導度在各個光強區間內均高于其他處理組，其他依次是SI、C和CK。表明生物炭和納米二氧化硅聯合施用可提高油菜的氣孔導度，提高植株在高光強下的蒸騰速率。

由圖1D可知，隨著光強升高，各處理Ci呈現先下降后平緩的變化趨勢。其中，CK在各個光強區間內的Ci均高于其他處理，C、SI、C+SI處理間差異不顯著。在500～1000umol·m-2．S-1區間內各處理ci趨勢逐漸趨于平緩，說明高光強下光合作用降低，胞間CO2濃度趨于穩定。

2.3不同處理對Pn-光響應曲線擬合參數的影響

通過葉子飄模型對Pn曲線進行擬合，得出油菜葉片的暗呼吸速率（Rd）、最大凈光合速率（Pnmax）、飽和光強（LSP）、光補償點（LCP）以及表觀量子效率（AQE）值（表1）。葉片暗呼吸速率以C處理最高，與CK、SI、C+SI相比分別提高8.60%、10.47%和24.33%，其中C與C+SI處理之間差異達到顯著水平。C+SI處理葉片最大凈光合速率最高，其他依次是SI、C、CK；C、SI、C+SI處理與CK相比都達到顯著差異，分別提高245.53%、275.25%和390.45%，但3個處理間差異不顯著。葉片飽和光強以C+SI處理最高，CK最低，C、SI、C+SI處理與CK相比分別提高30.42%、35.08%和54.20%，C、SI與CK間差異未達到顯著水平，僅C+SI與CK差異顯著。光補償點以CK最高，C+SI處理最低：C、SI、C+SI處理與CK相比分別降低48.75%、57.33%、58.83%，均達到顯著水平，但3個處理之間差異不顯著。C、SI、C+SI處理葉片表觀量子效率與CK相比分別提高112.96%、114.81%和90.74%，均達到顯著水平。表明，施用生物炭和納米二氧化硅可提高油菜葉片的最大凈光合速率、飽和光強和表觀量子效率，降低光補償點，提升植株對光能的吸收利用，其中生物炭和納米二氧化硅聯合施用效果最佳。

2.4不同處理對油菜葉片熒光參數的影響

由表2可知，與CK相比，C、SI、C+SI處理葉片的固定熒光（Fo）分別提高0.08%、0.42%和3.87%，但均未達到顯著水平。與CK相比，C、SI、C+SI處理最大熒光（Fm）分別提高2.89%、5.50%和9.54%，其中C+SI增幅達到顯著水平；C+SI較C、SI分別提高6.47%（Plt;0.05）和3.38%。C、SI、C+SI處理葉片的可變熒光（Fv）與CK相比分別提高3.51%、6.63%和10.80%（Plt;0.05）；C+SI比C、SI分別提高7.04%和3.91%，但未達到顯著水平。C、SI、C+SI處理與CK相比電子傳遞效率（ETR）分別提高24.77%、21.58%和44.52%，但只有C+SI與CK之間差異顯著。

由表3可知，與CK相比，C、C+SI處理葉片的非光化學猝滅系數（NPQ）分別提高14.16%和22.33%（Plt;0.05）；C+SI與C相比提高7.16%，未達顯著水平。C、SI、C+SI處理葉片的光化學猝滅系數（qP）與CK相比分別提高53.16%、44.87%和99.01%，均達顯著水平；C+SI處理較C、SI分別顯著提高29.94%和37.37%。C、SI、C+SI處理葉片的PSⅡ實際光化學量子效率（PSⅡ）與CK相比分別提高21.90%、34.61%和41.18%，均達顯著水平，但三者間差異不顯著。

2.5不同處理對油菜葉片光合色素含量的影響

由圖2可知，4個處理油菜葉片的葉綠素a含量，CK最低，C+SI處理最高，其中SI、C、C+SI處理與CK相比分別提高36.73%、62.63%和83.56%，且C、C+SI處理增幅均達到顯著水平。與CK相比，SI、C、C+SI處理葉片的葉綠素b含量分別提高33.56%、63.64%和91.57%，其中C、C+SI處理增幅均達到顯著水平；與SI相比，C+SI處理葉綠素b含量提高43.43%，也達到顯著水平。與CK相比，SI、C、C+SI處理葉片的葉綠素a+b含量分別提高35.97%、62.87%和85.47%，其中C、C+SI處理增幅均達到顯著水平，其余處理間差異不顯著。與CK相比，SI、C、C+SI處理葉片的類胡蘿卜素含量分別提高23.51%、39.04%和47.97%，僅C+SI處理的促進效果顯著。

2.6不同處理對幼苗葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

由圖3A可知，與CK相比，C、SI、C+SI處理幼苗葉片的可溶性糖含量分別提高16.69%、11.66%和27.61%，其中C+SI與CK相比達到顯著水平。由圖3B可知，與CK相比，C、SI、C+SI處理葉片的可溶性蛋白含量分別提高60.20%、44.30%和100.03%，均達到顯著水平；C+SI與C、SI相比分別提高24.86%和38.62%，也均達到顯著水平。

3討論

光合作用是植物最基本的生命活動，植物獲取能量、合成有機物都離不開光合作用，因此，提高植物的光合碳同化能力，是提高植物產量的重要途徑。植物光響應曲線是光合速率隨光照強度變化的規律，是植物光合能力的體現。一般來說，隨著光強的升高，植物光合作用得以加強，對二氧化碳的需求升高，氣孔隨之張大，植物的蒸騰速率也會提高。本研究中，隨著光強的升高，油菜葉片凈光合速率上升，氣孔導度和蒸騰速率隨之上升，胞間二氧化碳濃度下降，然后逐漸穩定。

已有大量研究表明，施用生物炭和硅可以提高植物光合作用。本研究中，施用生物炭和納米二氧化硅，油菜的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度得到提高，胞間二氧化碳濃度降低。這與劉佳哲等的研究結果一致。與生物炭或納米二氧化硅聯合施用相比，單獨施用生物炭和納米二氧化硅對油菜葉片光響應曲線的作用較低，聯合施用具有更優的促進作用。此外通過對植物光響應曲線的擬合還可以得到最大凈光合速率、飽和光強、光補償點、暗呼吸速率、表觀量子效率等多個指標的數值，這對了解植株生理過程對環境變化的響應有著重要價值。目前國內外主要使用的光響應曲線擬合模型主要是直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型，實際應用中，這兩種模型會導致最大光合速率過高，而飽和光強過低，且存在弱光條件下的數據處理困難等問題。從目前在水稻、結球甘藍、黃瓜、紅錐、含笑等植物光響應曲線擬合結果上看，葉子飄擬合模型具有較高的準確性。本研究通過葉子飄模型對光響應曲線的擬合可知，施用生物炭和納米二氧化硅可顯著提高油菜的最大凈光合速率和表觀量子效率，降低暗呼吸速率及光補償點，聯合施用效果更佳。最大凈光合速率和飽和光強代表著植物對強光的利用能力和耐強光能力：暗呼吸速率表示植物在非光合條件下對有機物的消耗速率，數值越小表示對有機物的消耗越少；飽和光強越高，光補償點越低，表示植物能利用的光照強度區間越大，反之則越小。

Fv/Fm是PSⅡ反應中心最大光化學量子效率的估值，代表反應中心光能的初級轉化效率；PSⅡ是PSⅡ吸收的光量子被用于光化學過程的比例，代表反應中心光能傳遞的凈收益值。本研究中，生物炭和納米二氧化硅聯合施用提高了油菜葉片的Fv/Fm和PSⅡ，這可能與硅和生物炭本身可提供與光化學和能量代謝相關重要蛋白的催化物質、提高PSⅡ反應中心的活性從而提高光合電子傳遞效率有關，此結果與陳繞生等的研究結論一致。植物葉綠素熒光競爭分為兩個過程，分別為光化學淬滅（qP）和非光化學淬滅（NPQ），其中qP代表光能在光化學電子傳遞中被光合色素捕獲的比例，而NPQ代表無法用于光化學電子傳遞的光能比例，這一部分會以熱能的形式散掉多余的光能，反映植物熱耗散過剩光能的能力。本研究中，4個處理油菜葉片qP值由大到小排列為C+SIgt;Cgt;SIgt;CK，說明生物炭和納米二氧化硅聯合施用可致PSⅡ反應中心開放程度提高，參與CO2固定的電子增加，有利于油菜的光合作用。同時，4個處理油菜葉片NPQ值的趨勢與qP相同，說明生物炭和納米二氧化硅聯合施用可以提高油菜葉片的熱耗散能力，快速處理過剩光能，減少光能累積引起的光抑制現象，提高PSⅡ反應中心的活力。

葉綠素a、b及類胡蘿卜素作為植物的主要光合色素影響光能吸收、轉化和分配，同時也是反映植物健康程度的重要指標。本研究中，施用納米二氧化硅及生物炭處理油菜的葉綠素a、b含量均有顯著提高。一般而言，葉綠素含量的高低會直接影響光合效率，其含量增加表明光合效率會提高。本試驗中，各處理光合色素含量均為C+SIgt;Cgt;SIgt;CK，且C+SI與CK間有顯著性差異，表明生物炭和納米二氧化硅聯合施用可以有效提高油菜的光合色素含量，也有更高的凈光合速率，這與Alsamadany等的研究結果一致。

可溶性糖可為植物提供大量的能量和代謝中間產物，其累積量會直接影響植物后續的營養生長、生殖生長以及兩者的轉變過程。此外，植物呼吸作用中，可溶性糖會轉化為葡萄糖，進而分解為葡萄糖-6-磷酸，同時磷能起到促進碳水化合物代謝的作用、增加細胞質濃度，對于植物抗逆性的提高也有著重要作用。本研究中，生物炭和納米二氧化硅的施用增強油菜植株的光合作用，對可溶性糖的累積起到積極作用。表明光合效率提高會促進碳水化合物的合成與累積，促進作物生長，提高作物品質。可溶性蛋白含量與光合作用強弱也有著基本相同的趨勢。可溶性蛋白作為植物體內酶的組成成分之一，其重要性不言而喻。尤其是植物生殖生長過程中成花的誘導和花芽發育都需要大量的可溶性蛋白。本研究發現生物炭與納米二氧化硅聯合施用對于油菜可溶性糖和可溶性蛋白的累積具有重要作用，這與劉亞輝等的研究結果一致。更高的光合色素含量有利于促進植物凈光合速率的提高，而凈光合速率高很大程度上又會促進植物可溶性糖和可溶性蛋白等養分的累積，累積的養分越多就會給予植物更好的生長條件，從而促進植物健康生長，進而促使其制造更多的光合色素，形成良性循環。

4結論

本研究中，油菜葉片光響應曲線顯示，施用生物炭和納米二氧化硅可提高油菜葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，各指標數值總體來說C+SIgt;SIgt;Cgt;CK。光響應曲線擬合參數中，與CK相比，C、SI、C+SI處理葉片的最大凈光合速率和飽和光強都顯著提升；光補償點顯著下降，總體呈現CKgt;Cgt;SIgt;C+SI。在葉綠素熒光參數中，3個處理葉片的最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、電子傳遞效率（ETR）、非光化學猝滅系數（NPQ）、PSⅡ實際光化學量子效率（q）PSⅡ）與CK相比均有提高，其中C+SI處理增幅均達到顯著水平；C+SI處理光化學猝滅系數（qP）顯著高于其他處理，表明該處理可有效提高光能利用率。生物炭和納米二氧化硅聯合施用可顯著提升油菜葉片的光合色素、可溶性糖和可溶性蛋白含量，各指標數值總體趨勢為C+SIgt;C gt;SIgt;CK。綜上所述，生物炭和納米二氧化硅聯合施用可顯著提升油菜葉片的光合效率，優化反應中心的能量轉運和利用，從而累積更多養分，促進植株生長發育。