生物炭和纳米二氧化硅联合施用对油菜光合荧光特性的影响

关键词：生物炭：纳米二氧化硅：甘蓝型油菜：光合荧光特性

油菜（Brassica napusL）为十字花科芸薹属草本植物，世界各地广为种植，是世界最重要的油料作物之一，年均产量仅次于油棕和大豆，位居世界第三。我国油菜主要在长江中下游地区种植，该区域气候适宜、土壤肥沃，其年均产量高达1200万t，约占我国食用油市场的45%～50%。

生物炭是高度芳香化的富含碳素的固态物质，具有多孔、比表面积大、吸附能力强等特点，可以降低土壤容重，增加土壤含水量，改善土壤结构。其含有的高碳组分，会为土壤输入大量有机碳及一定量的钾、钙、钠、镁等营养元素，对营养缺乏的贫瘠土壤改良效果十分显著。硅是有益于植物的重要非金属元素，被认为是氮磷钾之后的第四大元素。纳米二氧化硅作为一种非金属纳米材料，具有成本低、无污染等特点，更容易被生物吸收利用，从而影响生物生长发育。有研究表明，纳米二氧化硅可以改善植物生长环境，提高植物净光合速率、气孔导度等。光合作用是植物最基本的生命活动，是作物产量的保证。光合作用效率与环境中生态因子的变化密切相关，环境因子的改变会在一定程度上反映到光合作用上，而叶绿素荧光能够反映光合作用的动态变化，是光合作用的内在体现。因此，研究生物炭和纳米二氧化硅对油菜光合荧光特性的影响，对于提高油菜产量及品质具有重要意义。目前针对生物炭和纳米二氧化硅对油菜影响的机理研究主要采用单一处理的方式。为此，本试验以油菜‘阳光2009’为试材，研究生物炭和纳米二氧化硅联用对油菜光合荧光特性的影响，以期为其在农业生产中的应用提供技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地概况与材料

本试验于2022-2023年在聊城大学进行。该地（ 116°01'E，36°43'N）属温带季风气候区，年均温度为13.1℃，年均降水量为578.4mm。

供试油菜品种为甘蓝型油菜‘阳光2009’。生物炭为600℃条件下烧制的梧桐叶片，粉碎后过100目筛备用。纳米二氧化硅（20nm）购于北京德科岛金公司。

1.2试验设计

盆栽试验共设4个处理，分别为空白对照（CK）、单施生物炭（C）、单施纳米二氧化硅（SI）、生物炭与纳米二氧化硅联合施用（C+SI），每处理重复3次，每重复1盆（塑料盆规格：口径17.5cm，底径10cm，高9cm）。生物炭施用量为10g·kg-1土，纳米二氧化硅施用量为2g.kg-1土。供试土壤为砂壤土，硝态氮含量为2.94mg·kg-1、有效磷4.00mg·kg-1、速效钾7.25mg·kg-1，pH值8.68，电导率302uS.cm-1。各处理中两种材料与土壤均匀混合后装入盆中，每盆装1kg。利用基质（苗晟）育苗20d后，选取长势一致、真叶5～6片的油菜幼苗移至盆中，每盆栽1株，栽后30d进行光合荧光参数等指标测定。

1.3测定指标及方法

1.3.1光响应曲线采用Li-6800便携式光合作用仪，于晴天上午8：00-11：00测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）等。光响应曲线测定的光强（光合有效辐射PAR）梯度设置为1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、共12个。

1.3.2叶绿素荧光参数油菜叶片暗适应12h后进行测定。采用Li-6800便携式光合作用仪测定固定荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、PSⅡ最大光化学量子效率（Fv/Fm）、电子传递效率（ETR）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（ NPQ）等指标。

1.3.3生理指标油菜幼苗叶片光合色素含量采用丙酮法测定，可溶性糖含量采用蒽酮法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定。

1.4数据分析

利用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），LSD法进行差异显著性分析（Plt;0.05），采用Origin 2022进行图表绘制。

2结果与分析

2.1不同处理对Pn光响应曲线的影响

由图1A可知，不同处理油菜Pn的光响应曲线都呈现先升高后平缓之后下降的趋势。4个处理中，C+SI处理油菜在不同光强下均具有最高的净光合速率，其他依次是SI、C处理和CK。其中，CK的净光合速率与其他处理在各个光强区间内均差异显著；0～500umol·m-2．S-1区间内C+SI、C、SI间净光合速率差异不显著，500～1800umol·m-2．S-1区间内其值差距逐渐增大，但C与SI间差异不显著。这说明生物炭和纳米二氧化硅对油菜净光合速率均有提升作用，联用效果最佳。

2.2不同处理对油菜叶片Tr、Gs和Ci光响应曲线的影响

由图1B、C可知，不同处理油菜叶片Tr和Gs的光响应曲线趋势基本相同，即各处理叶片蒸腾速率和气孔导度随光强升高呈现先升高后平缓再下降的变化趋势。其中，C+SI处理叶片蒸腾速率和气孔导度在各个光强区间内均高于其他处理组，其他依次是SI、C和CK。表明生物炭和纳米二氧化硅联合施用可提高油菜的气孔导度，提高植株在高光强下的蒸腾速率。

由图1D可知，随着光强升高，各处理Ci呈现先下降后平缓的变化趋势。其中，CK在各个光强区间内的Ci均高于其他处理，C、SI、C+SI处理间差异不显著。在500～1000umol·m-2．S-1区间内各处理ci趋势逐渐趋于平缓，说明高光强下光合作用降低，胞间CO2浓度趋于稳定。

2.3不同处理对Pn-光响应曲线拟合参数的影响

通过叶子飘模型对Pn曲线进行拟合，得出油菜叶片的暗呼吸速率（Rd）、最大净光合速率（Pnmax）、饱和光强（LSP）、光补偿点（LCP）以及表观量子效率（AQE）值（表1）。叶片暗呼吸速率以C处理最高，与CK、SI、C+SI相比分别提高8.60%、10.47%和24.33%，其中C与C+SI处理之间差异达到显著水平。C+SI处理叶片最大净光合速率最高，其他依次是SI、C、CK；C、SI、C+SI处理与CK相比都达到显著差异，分别提高245.53%、275.25%和390.45%，但3个处理间差异不显著。叶片饱和光强以C+SI处理最高，CK最低，C、SI、C+SI处理与CK相比分别提高30.42%、35.08%和54.20%，C、SI与CK间差异未达到显著水平，仅C+SI与CK差异显著。光补偿点以CK最高，C+SI处理最低：C、SI、C+SI处理与CK相比分别降低48.75%、57.33%、58.83%，均达到显著水平，但3个处理之间差异不显著。C、SI、C+SI处理叶片表观量子效率与CK相比分别提高112.96%、114.81%和90.74%，均达到显著水平。表明，施用生物炭和纳米二氧化硅可提高油菜叶片的最大净光合速率、饱和光强和表观量子效率，降低光补偿点，提升植株对光能的吸收利用，其中生物炭和纳米二氧化硅联合施用效果最佳。

2.4不同处理对油菜叶片荧光参数的影响

由表2可知，与CK相比，C、SI、C+SI处理叶片的固定荧光（Fo）分别提高0.08%、0.42%和3.87%，但均未达到显著水平。与CK相比，C、SI、C+SI处理最大荧光（Fm）分别提高2.89%、5.50%和9.54%，其中C+SI增幅达到显著水平；C+SI较C、SI分别提高6.47%（Plt;0.05）和3.38%。C、SI、C+SI处理叶片的可变荧光（Fv）与CK相比分别提高3.51%、6.63%和10.80%（Plt;0.05）；C+SI比C、SI分别提高7.04%和3.91%，但未达到显著水平。C、SI、C+SI处理与CK相比电子传递效率（ETR）分别提高24.77%、21.58%和44.52%，但只有C+SI与CK之间差异显著。

由表3可知，与CK相比，C、C+SI处理叶片的非光化学猝灭系数（NPQ）分别提高14.16%和22.33%（Plt;0.05）；C+SI与C相比提高7.16%，未达显著水平。C、SI、C+SI处理叶片的光化学猝灭系数（qP）与CK相比分别提高53.16%、44.87%和99.01%，均达显著水平；C+SI处理较C、SI分别显著提高29.94%和37.37%。C、SI、C+SI处理叶片的PSⅡ实际光化学量子效率（PSⅡ）与CK相比分别提高21.90%、34.61%和41.18%，均达显著水平，但三者间差异不显著。

2.5不同处理对油菜叶片光合色素含量的影响

由图2可知，4个处理油菜叶片的叶绿素a含量，CK最低，C+SI处理最高，其中SI、C、C+SI处理与CK相比分别提高36.73%、62.63%和83.56%，且C、C+SI处理增幅均达到显著水平。与CK相比，SI、C、C+SI处理叶片的叶绿素b含量分别提高33.56%、63.64%和91.57%，其中C、C+SI处理增幅均达到显著水平；与SI相比，C+SI处理叶绿素b含量提高43.43%，也达到显著水平。与CK相比，SI、C、C+SI处理叶片的叶绿素a+b含量分别提高35.97%、62.87%和85.47%，其中C、C+SI处理增幅均达到显著水平，其余处理间差异不显著。与CK相比，SI、C、C+SI处理叶片的类胡萝卜素含量分别提高23.51%、39.04%和47.97%，仅C+SI处理的促进效果显著。

2.6不同处理对幼苗叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

由图3A可知，与CK相比，C、SI、C+SI处理幼苗叶片的可溶性糖含量分别提高16.69%、11.66%和27.61%，其中C+SI与CK相比达到显著水平。由图3B可知，与CK相比，C、SI、C+SI处理叶片的可溶性蛋白含量分别提高60.20%、44.30%和100.03%，均达到显著水平；C+SI与C、SI相比分别提高24.86%和38.62%，也均达到显著水平。

3讨论

光合作用是植物最基本的生命活动，植物获取能量、合成有机物都离不开光合作用，因此，提高植物的光合碳同化能力，是提高植物产量的重要途径。植物光响应曲线是光合速率随光照强度变化的规律，是植物光合能力的体现。一般来说，随着光强的升高，植物光合作用得以加强，对二氧化碳的需求升高，气孔随之张大，植物的蒸腾速率也会提高。本研究中，随着光强的升高，油菜叶片净光合速率上升，气孔导度和蒸腾速率随之上升，胞间二氧化碳浓度下降，然后逐渐稳定。

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，施用生物炭和纳米二氧化硅，油菜的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度得到提高，胞间二氧化碳浓度降低。这与刘佳哲等的研究结果一致。与生物炭或纳米二氧化硅联合施用相比，单独施用生物炭和纳米二氧化硅对油菜叶片光响应曲线的作用较低，联合施用具有更优的促进作用。此外通过对植物光响应曲线的拟合还可以得到最大净光合速率、饱和光强、光补偿点、暗呼吸速率、表观量子效率等多个指标的数值，这对了解植株生理过程对环境变化的响应有着重要价值。目前国内外主要使用的光响应曲线拟合模型主要是直角双曲线模型和非直角双曲线模型，实际应用中，这两种模型会导致最大光合速率过高，而饱和光强过低，且存在弱光条件下的数据处理困难等问题。从目前在水稻、结球甘蓝、黄瓜、红锥、含笑等植物光响应曲线拟合结果上看，叶子飘拟合模型具有较高的准确性。本研究通过叶子飘模型对光响应曲线的拟合可知，施用生物炭和纳米二氧化硅可显著提高油菜的最大净光合速率和表观量子效率，降低暗呼吸速率及光补偿点，联合施用效果更佳。最大净光合速率和饱和光强代表着植物对强光的利用能力和耐强光能力：暗呼吸速率表示植物在非光合条件下对有机物的消耗速率，数值越小表示对有机物的消耗越少；饱和光强越高，光补偿点越低，表示植物能利用的光照强度区间越大，反之则越小。

Fv/Fm是PSⅡ反应中心最大光化学量子效率的估值，代表反应中心光能的初级转化效率；PSⅡ是PSⅡ吸收的光量子被用于光化学过程的比例，代表反应中心光能传递的净收益值。本研究中，生物炭和纳米二氧化硅联合施用提高了油菜叶片的Fv/Fm和PSⅡ，这可能与硅和生物炭本身可提供与光化学和能量代谢相关重要蛋白的催化物质、提高PSⅡ反应中心的活性从而提高光合电子传递效率有关，此结果与陈绕生等的研究结论一致。植物叶绿素荧光竞争分为两个过程，分别为光化学淬灭（qP）和非光化学淬灭（NPQ），其中qP代表光能在光化学电子传递中被光合色素捕获的比例，而NPQ代表无法用于光化学电子传递的光能比例，这一部分会以热能的形式散掉多余的光能，反映植物热耗散过剩光能的能力。本研究中，4个处理油菜叶片qP值由大到小排列为C+SIgt;Cgt;SIgt;CK，说明生物炭和纳米二氧化硅联合施用可致PSⅡ反应中心开放程度提高，参与CO2固定的电子增加，有利于油菜的光合作用。同时，4个处理油菜叶片NPQ值的趋势与qP相同，说明生物炭和纳米二氧化硅联合施用可以提高油菜叶片的热耗散能力，快速处理过剩光能，减少光能累积引起的光抑制现象，提高PSⅡ反应中心的活力。

叶绿素a、b及类胡萝卜素作为植物的主要光合色素影响光能吸收、转化和分配，同时也是反映植物健康程度的重要指标。本研究中，施用纳米二氧化硅及生物炭处理油菜的叶绿素a、b含量均有显著提高。一般而言，叶绿素含量的高低会直接影响光合效率，其含量增加表明光合效率会提高。本试验中，各处理光合色素含量均为C+SIgt;Cgt;SIgt;CK，且C+SI与CK间有显著性差异，表明生物炭和纳米二氧化硅联合施用可以有效提高油菜的光合色素含量，也有更高的净光合速率，这与Alsamadany等的研究结果一致。

可溶性糖可为植物提供大量的能量和代谢中间产物，其累积量会直接影响植物后续的营养生长、生殖生长以及两者的转变过程。此外，植物呼吸作用中，可溶性糖会转化为葡萄糖，进而分解为葡萄糖-6-磷酸，同时磷能起到促进碳水化合物代谢的作用、增加细胞质浓度，对于植物抗逆性的提高也有着重要作用。本研究中，生物炭和纳米二氧化硅的施用增强油菜植株的光合作用，对可溶性糖的累积起到积极作用。表明光合效率提高会促进碳水化合物的合成与累积，促进作物生长，提高作物品质。可溶性蛋白含量与光合作用强弱也有着基本相同的趋势。可溶性蛋白作为植物体内酶的组成成分之一，其重要性不言而喻。尤其是植物生殖生长过程中成花的诱导和花芽发育都需要大量的可溶性蛋白。本研究发现生物炭与纳米二氧化硅联合施用对于油菜可溶性糖和可溶性蛋白的累积具有重要作用，这与刘亚辉等的研究结果一致。更高的光合色素含量有利于促进植物净光合速率的提高，而净光合速率高很大程度上又会促进植物可溶性糖和可溶性蛋白等养分的累积，累积的养分越多就会给予植物更好的生长条件，从而促进植物健康生长，进而促使其制造更多的光合色素，形成良性循环。

4结论

本研究中，油菜叶片光响应曲线显示，施用生物炭和纳米二氧化硅可提高油菜叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，各指标数值总体来说C+SIgt;SIgt;Cgt;CK。光响应曲线拟合参数中，与CK相比，C、SI、C+SI处理叶片的最大净光合速率和饱和光强都显著提升；光补偿点显著下降，总体呈现CKgt;Cgt;SIgt;C+SI。在叶绿素荧光参数中，3个处理叶片的最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、电子传递效率（ETR）、非光化学猝灭系数（NPQ）、PSⅡ实际光化学量子效率（q）PSⅡ）与CK相比均有提高，其中C+SI处理增幅均达到显著水平；C+SI处理光化学猝灭系数（qP）显著高于其他处理，表明该处理可有效提高光能利用率。生物炭和纳米二氧化硅联合施用可显著提升油菜叶片的光合色素、可溶性糖和可溶性蛋白含量，各指标数值总体趋势为C+SIgt;C gt;SIgt;CK。综上所述，生物炭和纳米二氧化硅联合施用可显著提升油菜叶片的光合效率，优化反应中心的能量转运和利用，从而累积更多养分，促进植株生长发育。