光碳核肥处理‘茂谷柑’冠层内CO2浓度变化特征与叶片生理响应研究

伍 峥，洪明伟，杨荣萍，郭世泽，唐天睿，杨 慧，王梦圆，李艳菊，彭 冬，杨学虎

(1.云南农业大学园林园艺学院，昆明 650100；2.云南农村干部学院，昆明 650201；3.云南农业大学热带作物学院，云南 普洱 665000)

【研究意义】从国内目前的产业现状来看，中国柑橘栽培面积大，但平均单产低，品质有喜有忧，虽然是生产大国，距发达国家还有一定差距，在激烈的国际竞争中很难立足于市场[1]。柑橘为云南第二大果种，2018年柑橘种植面积7.56×104hm2，产量达9.81×105t，居全国第10位，产业发展迅猛，但普遍存在含糖量低、外观差、风味淡等问题[2]。目前，提升柑橘品质的主要方法还是以培育新品种，加强肥水管理和病虫害防治为主，且最直接有效的方法还是加强肥水管理[3]。长期施用传统肥料会导致土壤板结、施肥效果不好、柑橘生长状况下降等，所以急需一种新型肥料来缓解或解决这些问题[4]。光碳核肥是CO2捕集剂的商品名称，主要成分有小球藻、酵母糖、氨基酸、交换剂、吸附剂、活化剂等，属于复合型叶面肥[5]。该肥料喷施在植物叶片上会吸附大气中的CO2，在叶茎周围形成一个较高CO2浓度的小环境，间接起到CO2施肥的效果，进而提高叶片光合作用水平，利于植物体内有机物的积累[6]。它打破了直接供给植物养分的传统施肥方式，且操作简单、绿色环保，对解决上述施肥问题具有现实意义。【前人研究进展】李瑞民[7]在辣椒上的应用实验得出结论，喷施光碳核肥产量增加12 134.9 kg/hm2，产值增收 33 100.52 元/hm2，该产品具有显著的节肥节药和增产增收效果。王其松等[8]在葡萄花前花后各喷施4次1∶150浓度的光碳核肥后发现，该处理提高葡萄叶面积7.95%，叶片颜色加深且富有光泽；使植物周围的CO2平均浓度提升1.03×10-4。翟文博等[9]研究发现，对水稻秧苗喷施5种不同浓度的光碳核肥后，秧苗的株高、发根率、鲜重均有提升，1∶200倍液的综合表现最佳。殷常青等[10]的研究表明，对设施豇豆喷施光碳核肥后，叶片光合强度大幅度增加，叶片气孔开张度下降，叶边界阻力增加，蒸腾速率减小，叶片水分利用率较对照提高20%，达到显著水平；叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(a+b)[Chl(a+b)]及叶绿素(a/b)[Chl(a/b)]较对照分别降低4.3%、2.76%、3.92%和0.6%；矿质元素含量有所减少，N、P、K、Ca、Mg较CK分别降低27.60%、35.70%、54.00%、1.90%、6.18%。【本研究切入点】目前，光碳核肥在果树[8,11]、蔬菜[7,10,12]、大田作物[9,13]上均有研究，对光碳核肥施肥效果表示认可，在蔬菜、水稻等方面推广较快，但在柑橘上的应用研究报道相对较少。本研究将光碳核肥应用在柑橘生产上，探索一种新型环保的绿色肥料来解决施肥问题。【拟解决的关键问题】该试验在柑橘上喷施不同稀释比例的光碳核肥，研究处理后柑橘冠层CO2浓度变化特征及叶片对其处理的生理响应，为光碳核肥在柑橘生产实践的应用提供理论依据与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年3—9月在云南省永胜县中国农村专业技术协会永胜科技小院(26°2′42″N,100°34′3″E)内进行。取同一果园区内灌水量、施肥量相同的12株6年生枳壳砧木‘茂谷柑’为试材，材料生长势相近，无病虫害，树体营养状况良好。

试供肥料为南阳东仑生物光碳科技有限公司生产的光碳核肥(酵母糖10%、微藻20%、吸附剂5%、氨基酸10%、纯净水60%、吸水剂2%、活化剂1%、络合剂1%、胶体剂1%)[4]。

1.2 试验设计

试验设置3个稀释比例光碳核肥处理和1个对照，共4个处理，每个处理3次重复。稀释比例分别为处理T1，1∶100(30 mL光碳核肥对水3 L)；处理T2，1∶150(20 mL光碳核肥对水3 L)；处理T3，1∶200(15 mL光碳核肥对水3 L)；处理T4(CK，喷施等量清水)。于2021年5月13日进行第1次处理，喷施次数为4次，每次间隔19～21 d，喷施时间为9：00；操作人员结合实际天气情况，避开雨天，应在阴天、多云天气下喷施光碳核肥；叶片正反面均作处理，以叶片产生水膜为标准。其他田间管理措施按果园内常规方式进行。

每次光碳核肥处理后，取每棵样树20片生长正常、叶形完整、无病虫害的成熟叶片用于叶片叶绿素与碳水化合物的测定；第4次光碳核肥处理结束后，每棵样树取100叶片用于叶片形态、百叶鲜重、百叶干重的测定。

1.3 指标的测定

1.3.1 冠层内CO2浓度的测定 各处理冠层内CO2浓度日变化特征利用QT21-HWF-1A便捷式CO2测定仪测定；冠层内温度日变化特征利用RC-4HC温湿仪测定。2021年6月4日(第2次光碳核肥处理后的第2天)8：00时开始监测，每次监测间隔2 h，共测定6个时间段，测定位置为‘茂谷柑’主干中心离地100 cm处，每次测定3次重复。

1.3.2 叶片形态性状的测定 使用Li-3000C便捷式叶面积仪测量叶片面积、长、平均宽度与最大宽度，并利用公式(长宽比=叶片长度/叶片最大宽度)求出长宽比；利用电子天平测量百叶鲜重，随后用电子鼓风干燥箱105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒重，测百叶干重和含水量[14]。

1.3.3 叶片光合特性指标的测定 选取健康、正常叶片3～5片，擦净叶表污染物，将待测叶片剪成宽度小于1 mm的细丝，混匀。采用无水乙醇-丙酮混合溶液提取法，A580紫外可见分光光度计测定，分别在波长 646、663 和 470 nm 处测定吸光值，然后根据文献[15]算出叶片叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素(a+b)[Chl(a+b)]、叶绿素(a/b)[Chl(a/b)]。

使用美国 Li-COR公司生产的 Li-6400XT型便携式光合仪监测叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)日变化特征。与冠层内CO2浓度日变化监测方法一致，每棵样树标定4片叶[16]。

叶片暗适应30 min后，使用Hansatech Pocket PEA便捷式叶绿素荧光仪测定叶片PSⅡ反应中心初始荧光产值(Fo)、最大荧光产值(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)、潜在活性[Fv/Fo][17]，其中潜在活性的计算公式为Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo=Fm/Fo-1。

1.3.4 叶片碳水化合物的测定 用电子鼓风干燥箱将叶片105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒重，用粉碎机将烘干叶片粉碎，过100目筛后得到待测样品。采用蒽酮硫酸法[18]，使用TECAN infinite M200 PRO多功能酶标仪，得出叶片可溶性糖(Soluble sugar)和淀粉(Starch)含量。

1.4 数据统计与分析

采用软件Excel 2016和SPSS 23进行数据处理与分析，利用最小显著差法(LSD)(P<0.05)进行单因素显著性分析。

2 结果与分析

2.1 ‘茂谷柑’冠层内温度和CO2浓度日变化

从8：00开始，‘茂谷柑’冠层内温度均随时间的推移呈上升趋势，在12：00达到峰值，最高温度为处理T1的34.3 ℃，随后开始下降(图1-a)。冠层内温度各处理在10：00差异较大，最大值为处理T1的30.8 ℃，最小值为处理T4(CK)的29.2 ℃，差值为1.6 ℃，差异显著(P<0.05)。由图1-b可知，各处理8：00—18：00冠层内CO2浓度整体呈先下降后上升再下降的趋势，12：00冠层内CO2浓度均到达最低值。监测期间内，平均冠层内CO2浓度各处理由高到低依次为处理T2> 处理T3> 处理T1> 处理T4(CK)(表1)，不同稀释比例光碳核肥对冠层内CO2浓度均有提升，处理T1、处理T2、处理T3与处理T4(CK)相比分别提高6.32×10-6、7.53×10-6、6.90×10-6，增幅为1.63%、1.94%、1.78%，差异显著(P<0.05)。

图1 不同处理‘茂谷柑’冠层内温度和CO2浓度日变化Fig.1 Diurnal changes of temperature and CO2 concentration in the canopy of ‘Murcott’ tangerine under different treatments

表1 不同处理‘茂谷柑’冠层内温度、CO2浓度和光合特性

表2 不同处理‘茂谷柑’叶片形态性状

2.2 叶片形态性状比较

不同稀释比例光碳核肥处理的‘茂谷柑’叶长、叶宽、长宽比均有提升，其中叶长提升较明显，增幅为9.4%，处理T3与处理T4(CK)叶长差异显著(P<0.05)，叶平均宽度、叶最大宽度、长宽比等差异不显著(P>0.05)；各组间叶面积呈处理T3>处理T1>处理T2>处理T4(CK)的趋势，增幅分别为15.4%、14.7%、5.4%，处理T3、处理T1与处理T4(CK)差异显著(P<0.05)。不同处理长宽比的提升，说明光碳核肥主要通过增加叶长影响叶片面积。光碳核肥处理后的百叶鲜重、百叶干重提升显著，而含水量有所下降。与处理T4(CK)相比，处理T1、处理T2、处理T3的百叶鲜重增幅为15.7%、4.4%、14.5%，百叶干重增幅由大到小依次为处理T3(19.7%)>处理T1(15.8%)>处理T2(9.5%)，处理T1、处理T3的百叶鲜重和百叶干重较处理T4(CK)均差异显著(P<0.05)，各处理间含水量在1.64%～3.24%，无差异显著(P>0.05)。百叶鲜重、百叶干重提高，含水量下降，说明光碳核肥处理有利于叶片生物量的积累，提高源叶片的质量(表2)。

2.3 叶片叶绿素含量变化

如图2所示，6月2日后，3组光碳核肥处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量与处理T4(CK)相比差异开始显现，但只有6月2日处理T2、处理T3的叶绿素a、总叶绿素含量较处理T4(CK)增幅显著(P<0.05)，其余未到达显著水平(P>0.05)。5月13日、6月2日、6月21日、7月11日处理T1、处理T2、处理T3的总叶绿素含量较处理T4(CK)相比变幅分别为1.37%～7.29%、9.59%～23.08%、13.94%～21.48%，组间差异呈先扩大后缩小趋势。各组处理在6月2日至7月11日，叶绿素(a/b)值均呈上升趋势，处理T1、处理T2、处理T3在6月2日上升趋势明显随后趋于稳定；7月11日，处理T4(CK)上升趋势明显，为组间最高值。

图2 不同处理对‘茂谷柑’叶片叶绿素的影响Fig.2 Effect of different treatment on chlorophyll of ‘Murcott’ tangerine leaf

2.4 叶片光合特性日变化

在处理期间内，3种稀释比例光碳核肥与处理T4(CK)Pn均呈下降趋势。12:00—16:00，处理T4(CK)降幅明显，降幅为74.86%，而处理T1、处理T2、处理T3处理Pn变幅为12.43%～37.63%。14:00以后，3种光碳核肥的净光合速率与处理T4(CK)差异逐渐明显，在处理T4(CK)最低值(16：00)时组间差异最大(图3-a)。Pn日均值处理T1、处理T2、处理T3比处理T4(CK)分别提升30.16%、22.47%、22.82%，提升显著(P<0.05，表1)。

图3 不同处理‘茂谷柑’叶片光合特性日变化Fig.3 Diurnal variation of photosynthetic characteristics in leaves of ‘Murcott’ tangerine under different treatments

如图3-b所示，处理T2、处理T4(CK)处理的Gs日变化趋势为单峰曲线；处理T1、处理T3Gs日变化趋势为双峰曲线，次峰均在16：00出现。12：00—14：00时，4组处理Gs下降趋势较剧烈，12：00时对应测定当天冠层内温度峰值，叶片受高温影响，自身开启保护机制，保卫细胞闭合。16：00时处理T1、处理T3Gs开始回升到达次峰，处理T2Gs在18：00时开始回升，而处理T4(CK)始终处于下降趋势。未受处理的叶片受高温影响较大，而光碳核肥能够降低叶片对高温的敏感程度。Gs日均值处理T1、处理T2、处理T3比处理T4(CK)分别提升19.46%、14.54%、24.48%，但差异未到达显著水平(P>0.05)。

Ci与Gs的变化趋势相似，在12：00—14：00时均有剧烈下降的趋势，不同点在于Gs在16：00时处理T2、处理T4(CK)呈下降趋势，Ci与之相反。出现这种现象可能是因为16：00时冠层内CO2升高，以及净光合速率下降，减少叶片细胞内CO2消耗等两个原因互作所导致。对比冠层内CO2浓度，Ci日均值提升较明显，处理T1、处理T2、处理T3比处理T4(CK)分别提升3.64%、3.05%、3.83%，但差异不显著(P>0.05)。

处理T1、处理T3Tr日变化趋势呈双峰曲线，首峰出现在12：00时，次峰出现在16：00时，处理T2、处理T4(CK)Tr日变化趋势呈单峰曲线，首峰出现在12：00时(图3-d)。在8：00—12：00时，4组处理的Tr随冠内温度的升高而增加，各组到达峰值后，高温迫使叶片气孔闭合，导致Tr急速下降，随后与Gs变化曲线趋于一致。与处理T4(CK)对比，Tr日均值处理T1、处理T2、处理T3分别提升25.26%、16.75%、19.85%，但差异不显著(P>0.05)。

表3 不同‘茂谷柑’叶片叶绿素荧光参数比较

2.5 叶片叶绿素荧光特性变化

5月13日处理T1的Fo比处理T4(CK)差异显著(P<0.05)，提升11.63%，其余时期各组间差异均不显著(P>0.05)。处理T4(CK)4个时期的Fm均为组间最低值，在5月13日、6月2日、6月21日各组间差异显著(P<0.05)，而7月11日各处理差异显著(P>0.05)。Fv随Fm的变化而变化，3组处理Fv/Fm在0.77～0.81，仅6月2日处理T1与处理T4(CK)差异显著(P<0.05)。不同稀释比例光碳核肥处理的Fv/Fo比处理T4(CK)均有提升，但仅有6月2日处理T1与处理T4(CK)差异显著(P<0.05)。说明光碳核肥处理主要影响Fm即最大荧光产量值从而扩大叶片光合中心进行光化学反应的域范围(Fv)[19]，使Fv/Fo提升，对Fv/Fm无显著影响(表3)。

2.6 叶片非结构性碳水化合物含量变化

处理T4(CK)4个时期的可溶性糖含量均高于其余3组光碳核肥处理(图4-a)，5月13日处理T3与处理T4(CK)差异显著(P<0.05)，比处理T4(CK)下降18.88%。4组处理的淀粉含量在采样期间呈先下降后上升的趋势(图4-b)，3组光碳核肥处理均高于处理T4(CK)，5月13日处理T3较处理T4(CK)提升38.83%，差异显著(P<0.05)，7月11日处理T3达到峰值，与处理T1、处理T2、处理T4(CK)差异显著(P<0.05)。从图4中可看出，叶片可溶性糖含量较高的处理淀粉含量低，叶片淀粉含量较高的处理可溶性糖含量较低。

图4 不同处理对‘茂谷柑’叶片非结构性碳水化合物的影响Fig.4 Effect of different treatment on NSC of ‘Murcott’ tangerine leaf

3 讨 论

本研究结果表明1∶100、1∶150、1∶200稀释比例光碳核肥处理提升了‘茂谷柑’冠层内CO2浓度，较对照分别提升6.32×10-6、7.53×10-6、6.90×10-6，但与王其松等[8]1∶150光碳核肥提升葡萄叶片周围二氧化碳浓度1×10-3差异较大，其原因可能与外界环境、喷施方法、作物自身有关。王其松等[8]、刘领等[20]、翟文博等[9]均表示，光碳核肥处理后作物叶片面积、单叶质量得到提升，但就最适稀释比例说法不一，本研究结果表明1∶200稀释比例光碳核肥处理叶长、叶宽、叶面积最高，1∶100稀释比例光碳核肥处理百叶鲜重最高。耿杨阳等[21]发现1∶200稀释比例光碳核肥处理缓解了盐胁迫对水培黄瓜叶片叶绿素的抑制作用，其叶绿素 a、叶绿素 b、叶绿素 (a+b)及类胡萝卜素均显著增加，与本研究结果相符，1∶200稀释比例光碳核肥处理对‘茂谷柑’叶片叶绿体色素含量提升效果最佳。也有学者表示，高浓度CO2环境对植物前期叶绿体色素的积累有促进作用，后期有抑制作用[22]，本研究也在上文中提到，前期光碳核肥处理能够有效提升叶片叶绿素含量，之后不再随光碳核肥的喷施次数而增加。

柑橘为C4植物，通常情况下柑橘的Pn日变化呈双峰曲线，但易受品种、砧木和外界环境条件的影响[23]，如琯溪蜜柚净光合速率 (Pn) 的日变化的首峰出现在8:00—10:00，次峰出现在 14:00[24]，温州蜜柑首峰出现在10:00，次峰出现在13:00以后，阴天时次峰会消失[25]。本研究结果表明，‘茂谷柑’Pn呈单峰曲线，峰值出现在8：00—10：00，对照处理在14：00—16：00午休现象表现明显，与柑橘午休现象发生在12：00—14：00结果不符[26]。光碳核肥处理缓解了‘茂谷柑’午休现象，净光合速率、气孔导度在午休时无明显下降，与光碳核肥在豇豆上应用结果相似[10]。张颖等[27]认为，提高浓度CO2至1.00×10-4以上会引起气孔开度缩小，叶边界阻抗加大，蒸腾随之减弱，而本研究气孔导度、蒸腾速率均表现为增加。施用光碳核肥能提高植物周围二氧化碳浓度7×10-6左右，远不及1.00×10-4，且该肥料中还含有外源氨基酸，促使作物生长加快，叶面积拓展[28]，导致气孔导度、蒸腾速率增加，出现与上述情况相反的现象。叶绿体荧光参数反映了叶片光系统的内在特点[29]，与植物体内叶绿素含量有关[30]，光碳核肥处理后，叶绿体捕获了更多的光能并以更高的效率与速度将其转化为化学能，获得更多的光合产物。本研究发现，叶片淀粉含量随Fv/Fm提高而增加，可溶性固形物含量却相对下降，有报道提出可溶性糖是植物生长消耗的直接物质，淀粉是植物主要的存储物质，植物自身对可溶性糖需求小于其含量时会转化为淀粉[31]，但具体原因尚不明确。

4 结 论

‘茂谷柑’叶面喷施光碳核肥后能够提升冠层内CO2浓度，对叶片生理特性产生积极响应，增加叶片生物量、叶绿素的积累，可以提高叶片净光合速率；能提高叶片PSII反应中心初始荧光值、最大荧光值以及光化学潜在活性，但对光能转换效率无显著影响；该肥料会将叶片多余可溶性糖转化为淀粉，使其光合产物配比发生变化。不同稀释比例光碳核肥对‘茂谷柑’叶片生理特性响应不同，喷施1∶100光碳核肥对提高光合效率效果好，1∶200光碳核肥处理对叶片形态、叶绿素、淀粉的提升较为明显。