石墨烯对西梅苗木生长影响的作用机理初探

李前锋 郭宝琴 李新宇 刘琮 刘波 闫晋华

摘要：  对西梅苗木添加了不同浓度石墨烯溶胶处理后，测定西梅苗木的叶片胞间CO2浓度、气孔导度、水蒸气压亏缺、净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率以及苗木的根长、根重、茎长、茎重、茎直径等指标。试验结果显示，随着石墨烯浓度的升高，西梅苗木的光合作用参数胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率呈现出先升高后降低的趋势，蒸腾速率先升高后变化幅度较小;水蒸气压亏缺呈先降低后升高的趋势，变化幅度较小;与对照组相比，水分利用效率呈下降趋势，即添加石墨烯后，苗木抗旱性减弱。从根系、茎的形态看，当石墨烯溶胶浓度范围处于20～33.3 mg/L区间时，西梅苗木根、茎增长水平明显，而当石墨烯浓度增加到50～100 mg/L，增长水平有所降低。造成上述这些现象的主要原因是石墨烯的添加增强了土壤对养分的吸持力，减少了养分的流失，同时提高了根系细胞外电化学势梯度，促进了西梅苗木对养分、水分的吸收。

关键词：  石墨烯;  苗木生长;  作用机理

中图分类号：   S 662. 4               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2022）01 - 0021 - 03

石墨烯[ 1 ]是一种由碳原子以SP2杂化轨道促成的六角型呈蜂巢晶格状的二维碳纳米材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。很早以前农民就开始使用草木灰作为肥料来提高作物的产量，草木灰是植物燃烧后的残余物，含有大量的碳酸钾，可作为钾肥，利用高分辨扫描电子显微镜观察会发现在草木灰中还含有大量的包括石墨烯在内的碳纳米材料。实际上对作物生长起促进作用的除了钾盐之外还有石墨烯，但石墨烯对植物生长所发挥的作用没有被系统地研究过。

自2004年被发现以来，石墨烯引起了材料科学家的广泛关注，在世界范围内掀起了制备和应用研究的热潮，在农林领域也引起了一定的关注，其中研究石墨烯对种子萌发和根系发育等影响是一个重要方面。有学者研究了石墨烯对水稻种子萌发和生长的影响，对卷心番茄、红菠菜和莴苣的根、茎生长等的影响 [ 2 - 4 ]。但石墨烯在林业上的研究应用相关报道较少，胡晓飞等[ 5 ]研究了石墨烯对树莓组培苗生长发育的影响。西梅（Prunus domestica L.）是蔷薇目蔷薇科李属植物，落叶乔木，抗寒抗旱，适应性强，能避开北方晚霜危害，果实芳香甜美、品质极佳，耐贮藏，是适合山西大同培育的优良品种。本文研究了不同浓度石墨烯对西梅苗木生长的影响，以期为石墨烯在林业上的应用研究提供基础数据和理论依据。

1 试验地概况

西梅种植试验地点为大同市云州区国营苗圃， 位于云州区城西5 km。平均海拔1 157 m， 年平均气温6.4 ℃， 年降水量389 mm， 年平均无霜期125天。该试验点栽植西梅苗木8亩，共25 000株。

2 材料与方法

2. 1 试验材料

（1）西梅苗木，当年嫁接苗。

（2）石墨烯溶胶由山西大同大学石墨烯林业应用国家林业和草原局重点实验室提供，浓度为5 g/L。

2. 2 试验方法

在西梅种植区分别选择部分区域划定试验区，试验区由一个对照组和5个试验组构成，每组有100株西梅嫁接苗。石墨烯溶胶原液浓度为5 g/L，显酸性，用水对其进行稀释后使用。本项目中试验组所用的石墨烯溶胶浓度为：20 mg/L（稀释250倍）、25 mg/L（稀释200倍）、33.3 mg/L（稀释150倍）、50 mg/L（稀释100倍）、100 mg/L（稀释50倍），稀释后的石墨烯溶胶分别浇灌于5个试验组中。在2020年6～8月期间，每月中旬进行1次石墨烯溶胶的浇灌，共浇灌3次，每次每株浇灌1 L，对照组浇灌等量清水。

2. 3 试验数据测定

2020年9月中旬，测定西梅苗木叶片胞间CO2浓度、气孔导度、水蒸气压亏缺、净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率。在对照组和5个试验组分别随机选取10株西梅苗木，每株随机测试5枚叶片，得到50个数据，选取平均值进行结果分析。

2020年10月，苗木度过夏季生长期后，在对照组和5个试验组分别随机选取15株西梅苗木，分别测定其根长、根重、茎长、茎重、茎直径。

3 结果与分析

3. 1 石墨烯溶胶对西梅叶片光合作用的影响

如图1所示，施用石墨烯溶胶后苗木的叶片光合作用参数发生了一定的变化。随着石墨烯浓度的升高，西梅苗木的光合作用参数胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率呈现出先升高后降低的趋势;蒸腾速率先升高后变化幅度较小;水蒸汽压亏缺呈先降低后升高的趋势;与对照组相比，水分利用效率呈现下降的趋势。

3. 2 石墨烯溶胶对西梅苗木生长形态的影响

本研究在对照组和不同浓度石墨烯溶胶添加处理组中，分别选取了15株种苗，对根系和茎的形态特征进行了测定。由图2可见，添加不同浓度石墨烯后，西梅种苗的根长、根直径均出现明显差异。

在不同石墨烯浓度处理下，各项指标均呈现出差异性（表1）。与对照组相比，添加石墨烯溶胶对西梅苗木的生长形态均产生了积极影响。当石墨烯浓度为20 mg/L时，根重达到最大值;当石墨烯浓度为25 mg/L時，茎重达到最大值;当石墨烯溶胶浓度范围处于20～33.3 mg/L时，西梅苗木的根重、茎重和茎直径与对照组存在显著差异，即西梅苗木根、茎增长水平明显;而当石墨烯浓度增加为50～100 mg/L，西梅根、茎增长水平有所降低。

4 讨论与结论

4. 1 研究发现，石墨烯对西梅苗木光合作用的发生起促进作用，但随着石墨烯溶胶浓度的升高，其发生的作用有所下降。胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率呈现出先升高后降低的趋势。植物光合速率受到光照、胞间CO2浓度、气孔导度等因素的影响，有研究[ 6 ]表明这些指标具有一定的正相关性，与本文结果一致。气孔导度的降低引起胞间CO2浓度的降低，胞间CO2浓度的降低造成净光合速率的降低。尽管添加石墨烯溶胶后西梅苗木的净光合速率、蒸腾速率升高，但其水分利用效率下降，一定程度上说明苗木的抗旱性减弱，故添加石墨烯溶胶后植物需要吸收更多的水分。从苗木根、茎形态来看，石墨烯溶胶浓度范围在20～33.3 mg/L时，能够对西梅苗木生长产生较好的促进作用，不同浓度发挥的促进作用大小不同，有研究显示[ 7 ]适当浓度的石墨烯可以促进美国红栌组培苗不定根的生长，但当浓度较高时不能促进根系根数的增加。试验结果表明，石墨烯浓度较低时（20～33.3 mg/L）促进效果良好，而浓度较高时促进效果有所减弱，其中的原因需要进一步研究，可能养分不是苗木生长的限制因子，而水分成了限制因子。

4. 2 本研究中造成西梅苗木光合参数、根系、茎形态变化的主要原因是石墨烯溶胶。首先，石墨烯比表面积较大，促使苗木根部周围的土壤形成了三维网状结构，这种土壤结构对营养物质有较大的吸持力。已有研究表明[ 8 ]，添加了500 mg/L石墨烯溶胶后的土壤与对照组相比，土壤中的硝态氮、全氮、全磷、全钾含量提高了91.9%、175%、59.3%、55.1%，即添加了石墨烯溶胶后土壤中流失掉的养分减少，对养分的吸持力极大增强。其次，石墨烯能够提高苗木根系细胞外电化学势梯度，促進离子进入根系细胞，其表面的亲水、疏水基团产生桥联作用促进植物对水分、养分的吸收。另外，石墨烯能促进根系细胞内线粒体增多，提高植株ATP含量水平，为植物根系等器官的生长提高更多的能量。根系的良好生长将进一步促进根系对营养物质的吸收，同时将大量的营养物质输送到植物的地上部分，支持地上部分的生长，对于光合作用的发生产生积极影响。

4. 3 综上所述，添加石墨烯溶胶后，西梅苗木的净光合速率、蒸腾速率增快，但水分利用效率下降。在实践中添加石墨烯溶胶后需要浇灌更多的水才能使石墨烯的作用发挥得更好;从根系、茎的形态看，添加石墨烯溶胶后，对西梅苗木的根、茎生长有一定的促进作用，且在石墨烯浓度在20～33.3 mg/L对西梅苗木生长促进作用明更优。造成这一现象的主要原因是石墨烯的添加增强了土壤对养分的吸持力，减少了养分的流失，并形成电化学势梯度，促进了西梅对养分、水分的吸收。

参考文献

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第1作者简介：  李前锋（1974-），  男，  正高级工程师，  研究方向为森林培育。

收稿日期： 2021 - 09 -  20

（责任编辑：   张亚楠）