李前鋒 郭寶琴 李新宇 劉琮 劉波 閆晉華

摘要：? 對西梅苗木添加了不同濃度石墨烯溶膠處理后，測定西梅苗木的葉片胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、水蒸氣壓虧缺、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率以及苗木的根長、根重、莖長、莖重、莖直徑等指標(biāo)。試驗結(jié)果顯示，隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數(shù)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，蒸騰速率先升高后變化幅度較小;水蒸氣壓虧缺呈先降低后升高的趨勢，變化幅度較小;與對照組相比，水分利用效率呈下降趨勢，即添加石墨烯后，苗木抗旱性減弱。從根系、莖的形態(tài)看，當(dāng)石墨烯溶膠濃度范圍處于20～33.3 mg/L區(qū)間時，西梅苗木根、莖增長水平明顯，而當(dāng)石墨烯濃度增加到50～100 mg/L，增長水平有所降低。造成上述這些現(xiàn)象的主要原因是石墨烯的添加增強(qiáng)了土壤對養(yǎng)分的吸持力，減少了養(yǎng)分的流失，同時提高了根系細(xì)胞外電化學(xué)勢梯度，促進(jìn)了西梅苗木對養(yǎng)分、水分的吸收。

關(guān)鍵詞：? 石墨烯;? 苗木生長;? 作用機(jī)理

中圖分類號：? ?S 662. 4? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2022）01 - 0021 - 03

石墨烯[ 1 ]是一種由碳原子以SP2雜化軌道促成的六角型呈蜂巢晶格狀的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景。很早以前農(nóng)民就開始使用草木灰作為肥料來提高作物的產(chǎn)量，草木灰是植物燃燒后的殘余物，含有大量的碳酸鉀，可作為鉀肥，利用高分辨掃描電子顯微鏡觀察會發(fā)現(xiàn)在草木灰中還含有大量的包括石墨烯在內(nèi)的碳納米材料。實際上對作物生長起促進(jìn)作用的除了鉀鹽之外還有石墨烯，但石墨烯對植物生長所發(fā)揮的作用沒有被系統(tǒng)地研究過。

自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯引起了材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注，在世界范圍內(nèi)掀起了制備和應(yīng)用研究的熱潮，在農(nóng)林領(lǐng)域也引起了一定的關(guān)注，其中研究石墨烯對種子萌發(fā)和根系發(fā)育等影響是一個重要方面。有學(xué)者研究了石墨烯對水稻種子萌發(fā)和生長的影響，對卷心番茄、紅菠菜和萵苣的根、莖生長等的影響 [ 2 - 4 ]。但石墨烯在林業(yè)上的研究應(yīng)用相關(guān)報道較少，胡曉飛等[ 5 ]研究了石墨烯對樹莓組培苗生長發(fā)育的影響。西梅（Prunus domestica L.）是薔薇目薔薇科李屬植物，落葉喬木，抗寒抗旱，適應(yīng)性強(qiáng)，能避開北方晚霜危害，果實芳香甜美、品質(zhì)極佳，耐貯藏，是適合山西大同培育的優(yōu)良品種。本文研究了不同濃度石墨烯對西梅苗木生長的影響，以期為石墨烯在林業(yè)上的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗地概況

西梅種植試驗地點為大同市云州區(qū)國營苗圃， 位于云州區(qū)城西5 km。平均海拔1 157 m， 年平均氣溫6.4 ℃， 年降水量389 mm， 年平均無霜期125天。該試驗點栽植西梅苗木8畝，共25 000株。

2 材料與方法

2. 1 試驗材料

（1）西梅苗木，當(dāng)年嫁接苗。

（2）石墨烯溶膠由山西大同大學(xué)石墨烯林業(yè)應(yīng)用國家林業(yè)和草原局重點實驗室提供，濃度為5 g/L。

2. 2 試驗方法

在西梅種植區(qū)分別選擇部分區(qū)域劃定試驗區(qū)，試驗區(qū)由一個對照組和5個試驗組構(gòu)成，每組有100株西梅嫁接苗。石墨烯溶膠原液濃度為5 g/L，顯酸性，用水對其進(jìn)行稀釋后使用。本項目中試驗組所用的石墨烯溶膠濃度為：20 mg/L（稀釋250倍）、25 mg/L（稀釋200倍）、33.3 mg/L（稀釋150倍）、50 mg/L（稀釋100倍）、100 mg/L（稀釋50倍），稀釋后的石墨烯溶膠分別澆灌于5個試驗組中。在2020年6～8月期間，每月中旬進(jìn)行1次石墨烯溶膠的澆灌，共澆灌3次，每次每株澆灌1 L，對照組澆灌等量清水。

2. 3 試驗數(shù)據(jù)測定

2020年9月中旬，測定西梅苗木葉片胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、水蒸氣壓虧缺、凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率。在對照組和5個試驗組分別隨機(jī)選取10株西梅苗木，每株隨機(jī)測試5枚葉片，得到50個數(shù)據(jù)，選取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

2020年10月，苗木度過夏季生長期后，在對照組和5個試驗組分別隨機(jī)選取15株西梅苗木，分別測定其根長、根重、莖長、莖重、莖直徑。

3 結(jié)果與分析

3. 1 石墨烯溶膠對西梅葉片光合作用的影響

如圖1所示，施用石墨烯溶膠后苗木的葉片光合作用參數(shù)發(fā)生了一定的變化。隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數(shù)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;蒸騰速率先升高后變化幅度較小;水蒸汽壓虧缺呈先降低后升高的趨勢;與對照組相比，水分利用效率呈現(xiàn)下降的趨勢。

3. 2 石墨烯溶膠對西梅苗木生長形態(tài)的影響

本研究在對照組和不同濃度石墨烯溶膠添加處理組中，分別選取了15株種苗，對根系和莖的形態(tài)特征進(jìn)行了測定。由圖2可見，添加不同濃度石墨烯后，西梅種苗的根長、根直徑均出現(xiàn)明顯差異。

在不同石墨烯濃度處理下，各項指標(biāo)均呈現(xiàn)出差異性（表1）。與對照組相比，添加石墨烯溶膠對西梅苗木的生長形態(tài)均產(chǎn)生了積極影響。當(dāng)石墨烯濃度為20 mg/L時，根重達(dá)到最大值;當(dāng)石墨烯濃度為25 mg/L時，莖重達(dá)到最大值;當(dāng)石墨烯溶膠濃度范圍處于20～33.3 mg/L時，西梅苗木的根重、莖重和莖直徑與對照組存在顯著差異，即西梅苗木根、莖增長水平明顯;而當(dāng)石墨烯濃度增加為50～100 mg/L，西梅根、莖增長水平有所降低。

4 討論與結(jié)論

4. 1 研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯對西梅苗木光合作用的發(fā)生起促進(jìn)作用，但隨著石墨烯溶膠濃度的升高，其發(fā)生的作用有所下降。胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。植物光合速率受到光照、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等因素的影響，有研究[ 6 ]表明這些指標(biāo)具有一定的正相關(guān)性，與本文結(jié)果一致。氣孔導(dǎo)度的降低引起胞間CO2濃度的降低，胞間CO2濃度的降低造成凈光合速率的降低。盡管添加石墨烯溶膠后西梅苗木的凈光合速率、蒸騰速率升高，但其水分利用效率下降，一定程度上說明苗木的抗旱性減弱，故添加石墨烯溶膠后植物需要吸收更多的水分。從苗木根、莖形態(tài)來看，石墨烯溶膠濃度范圍在20～33.3 mg/L時，能夠?qū)ξ髅访缒旧L產(chǎn)生較好的促進(jìn)作用，不同濃度發(fā)揮的促進(jìn)作用大小不同，有研究顯示[ 7 ]適當(dāng)濃度的石墨烯可以促進(jìn)美國紅櫨組培苗不定根的生長，但當(dāng)濃度較高時不能促進(jìn)根系根數(shù)的增加。試驗結(jié)果表明，石墨烯濃度較低時（20～33.3 mg/L）促進(jìn)效果良好，而濃度較高時促進(jìn)效果有所減弱，其中的原因需要進(jìn)一步研究，可能養(yǎng)分不是苗木生長的限制因子，而水分成了限制因子。

4. 2 本研究中造成西梅苗木光合參數(shù)、根系、莖形態(tài)變化的主要原因是石墨烯溶膠。首先，石墨烯比表面積較大，促使苗木根部周圍的土壤形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種土壤結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)物質(zhì)有較大的吸持力。已有研究表明[ 8 ]，添加了500 mg/L石墨烯溶膠后的土壤與對照組相比，土壤中的硝態(tài)氮、全氮、全磷、全鉀含量提高了91.9%、175%、59.3%、55.1%，即添加了石墨烯溶膠后土壤中流失掉的養(yǎng)分減少，對養(yǎng)分的吸持力極大增強(qiáng)。其次，石墨烯能夠提高苗木根系細(xì)胞外電化學(xué)勢梯度，促進(jìn)離子進(jìn)入根系細(xì)胞，其表面的親水、疏水基團(tuán)產(chǎn)生橋聯(lián)作用促進(jìn)植物對水分、養(yǎng)分的吸收。另外，石墨烯能促進(jìn)根系細(xì)胞內(nèi)線粒體增多，提高植株ATP含量水平，為植物根系等器官的生長提高更多的能量。根系的良好生長將進(jìn)一步促進(jìn)根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時將大量的營養(yǎng)物質(zhì)輸送到植物的地上部分，支持地上部分的生長，對于光合作用的發(fā)生產(chǎn)生積極影響。

4. 3 綜上所述，添加石墨烯溶膠后，西梅苗木的凈光合速率、蒸騰速率增快，但水分利用效率下降。在實踐中添加石墨烯溶膠后需要澆灌更多的水才能使石墨烯的作用發(fā)揮得更好;從根系、莖的形態(tài)看，添加石墨烯溶膠后，對西梅苗木的根、莖生長有一定的促進(jìn)作用，且在石墨烯濃度在20～33.3 mg/L對西梅苗木生長促進(jìn)作用明更優(yōu)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是石墨烯的添加增強(qiáng)了土壤對養(yǎng)分的吸持力，減少了養(yǎng)分的流失，并形成電化學(xué)勢梯度，促進(jìn)了西梅對養(yǎng)分、水分的吸收。

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第1作者簡介：? 李前鋒（1974-），? 男，? 正高級工程師，? 研究方向為森林培育。

收稿日期： 2021 - 09 -? 20

（責(zé)任編輯：? ?張亞楠）