關(guān)鍵詞：生物炭：納米二氧化硅：甘藍(lán)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(chǎn)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(qū)種植，該區(qū)域氣候適宜、土壤肥沃，其年均產(chǎn)量高達(dá)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(tài)物質(zhì)，具有多孔、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以降低土壤容重，增加土壤含水量，改善土壤結(jié)構(gòu)。其含有的高碳組分，會為土壤輸入大量有機(jī)碳及一定量的鉀、鈣、鈉、鎂等營養(yǎng)元素，對營養(yǎng)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(rèn)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(diǎn)，更容易被生物吸收利用，從而影響生物生長發(fā)育。有研究表明，納米二氧化硅可以改善植物生長環(huán)境，提高植物凈光合速率、氣孔導(dǎo)度等。光合作用是植物最基本的生命活動，是作物產(chǎn)量的保證。光合作用效率與環(huán)境中生態(tài)因子的變化密切相關(guān)，環(huán)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?zé)晒饽軌蚍从彻夂献饔玫膭討B(tài)變化，是光合作用的內(nèi)在體現(xiàn)。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(chǎn)量及品質(zhì)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(jī)理研究主要采用單一處理的方式。為此，本試驗(yàn)以油菜‘陽光2009’為試材，研究生物炭和納米二氧化硅聯(lián)用對油菜光合熒光特性的影響，以期為其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況與材料

本試驗(yàn)于2022-2023年在聊城大學(xué)進(jìn)行。該地（ 116°01'E，36°43'N）屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫度為13.1℃，年均降水量為578.4mm。

供試油菜品種為甘藍(lán)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(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)共設(shè)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(lián)合施用（C+SI），每處理重復(fù)3次，每重復(fù)1盆（塑料盆規(guī)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(tài)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(dǎo)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(zhì)（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(jìn)行光合熒光參數(shù)等指標(biāo)測定。

1.3測定指標(biāo)及方法

1.3.1光響應(yīng)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(dǎo)度（Gs）等。光響應(yīng)曲線測定的光強(qiáng)（光合有效輻射PAR）梯度設(shè)置為1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、共12個。

1.3.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)油菜葉片暗適應(yīng)12h后進(jìn)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(xué)量子效率（Fv/Fm）、電子傳遞效率（ETR）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)猝滅系數(shù)（ NPQ）等指標(biāo)。

1.3.3生理指標(biāo)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(lán)法測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

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

2結(jié)果與分析

2.1不同處理對Pn光響應(yīng)曲線的影響

由圖1A可知，不同處理油菜Pn的光響應(yīng)曲線都呈現(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)區(qū)間內(nèi)均差異顯著；0～500umol·m-2．S-1區(qū)間內(nèi)C+SI、C、SI間凈光合速率差異不顯著，500～1800umol·m-2．S-1區(qū)間內(nèi)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(lián)用效果最佳。

2.2不同處理對油菜葉片Tr、Gs和Ci光響應(yīng)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(yīng)曲線趨勢基本相同，即各處理葉片蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度隨光強(qiáng)升高呈現(xiàn)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(dǎo)度在各個光強(qiáng)區(qū)間內(nèi)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(lián)合施用可提高油菜的氣孔導(dǎo)度，提高植株在高光強(qiáng)下的蒸騰速率。

由圖1D可知，隨著光強(qiáng)升高，各處理Ci呈現(xiàn)先下降后平緩的變化趨勢。其中，CK在各個光強(qiáng)區(qū)間內(nèi)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(qū)間內(nèi)各處理ci趨勢逐漸趨于平緩，說明高光強(qiáng)下光合作用降低，胞間CO2濃度趨于穩(wěn)定。

2.3不同處理對Pn-光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)的影響

通過葉子飄模型對Pn曲線進(jìn)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(qiáng)（LSP）、光補(bǔ)償點(diǎn)（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(dá)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(dá)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(qiáng)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(dá)到顯著水平，僅C+SI與CK差異顯著。光補(bǔ)償點(diǎn)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(dá)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(dá)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(qiáng)和表觀量子效率，降低光補(bǔ)償點(diǎn)，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(lián)合施用效果最佳。

2.4不同處理對油菜葉片熒光參數(shù)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(dá)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(dá)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(dá)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(xué)猝滅系數(shù)（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(dá)顯著水平。C、SI、C+SI處理葉片的光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）與CK相比分別提高53.16%、44.87%和99.01%，均達(dá)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?qū)嶋H光化學(xué)量子效率（PSⅡ）與CK相比分別提高21.90%、34.61%和41.18%，均達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)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(dá)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(dá)到顯著水平；C+SI與C、SI相比分別提高24.86%和38.62%，也均達(dá)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(jī)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(chǎn)量的重要途徑。植物光響應(yīng)曲線是光合速率隨光照強(qiáng)度變化的規(guī)律，是植物光合能力的體現(xiàn)。一般來說，隨著光強(qiáng)的升高，植物光合作用得以加強(qiáng)，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(qiáng)的升高，油菜葉片凈光合速率上升，氣孔導(dǎo)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(wěn)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(dǎo)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(jié)果一致。與生物炭或納米二氧化硅聯(lián)合施用相比，單獨(dú)施用生物炭和納米二氧化硅對油菜葉片光響應(yīng)曲線的作用較低，聯(lián)合施用具有更優(yōu)的促進(jìn)作用。此外通過對植物光響應(yīng)曲線的擬合還可以得到最大凈光合速率、飽和光強(qiáng)、光補(bǔ)償點(diǎn)、暗呼吸速率、表觀量子效率等多個指標(biāo)的數(shù)值，這對了解植株生理過程對環(huán)境變化的響應(yīng)有著重要價(jià)值。目前國內(nèi)外主要使用的光響應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，這兩種模型會導(dǎo)致最大光合速率過高，而飽和光強(qiáng)過低，且存在弱光條件下的數(shù)據(jù)處理困難等問題。從目前在水稻、結(jié)球甘藍(lán)、黃瓜、紅錐、含笑等植物光響應(yīng)曲線擬合結(jié)果上看，葉子飄擬合模型具有較高的準(zhǔn)確性。本研究通過葉子飄模型對光響應(yīng)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(bǔ)償點(diǎn)，聯(lián)合施用效果更佳。最大凈光合速率和飽和光強(qiáng)代表著植物對強(qiáng)光的利用能力和耐強(qiáng)光能力：暗呼吸速率表示植物在非光合條件下對有機(jī)物的消耗速率，數(shù)值越小表示對有機(jī)物的消耗越少；飽和光強(qiáng)越高，光補(bǔ)償點(diǎn)越低，表示植物能利用的光照強(qiáng)度區(qū)間越大，反之則越小。

Fv/Fm是PSⅡ反應(yīng)中心最大光化學(xué)量子效率的估值，代表反應(yīng)中心光能的初級轉(zhuǎn)化效率；PSⅡ是PSⅡ吸收的光量子被用于光化學(xué)過程的比例，代表反應(yīng)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(lián)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(xué)和能量代謝相關(guān)重要蛋白的催化物質(zhì)、提高PSⅡ反應(yīng)中心的活性從而提高光合電子傳遞效率有關(guān)，此結(jié)果與陳繞生等的研究結(jié)論一致。植物葉綠素?zé)晒飧偁幏譃閮蓚€過程，分別為光化學(xué)淬滅（qP）和非光化學(xué)淬滅（NPQ），其中qP代表光能在光化學(xué)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(xué)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(lián)合施用可致PSⅡ反應(yīng)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(lián)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(xiàn)象，提高PSⅡ反應(yīng)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(zhuǎn)化和分配，同時也是反映植物健康程度的重要指標(biāo)。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(yàn)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(lián)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(jié)果一致。

可溶性糖可為植物提供大量的能量和代謝中間產(chǎn)物，其累積量會直接影響植物后續(xù)的營養(yǎng)生長、生殖生長以及兩者的轉(zhuǎn)變過程。此外，植物呼吸作用中，可溶性糖會轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進(jìn)而分解為葡萄糖-6-磷酸，同時磷能起到促進(jìn)碳水化合物代謝的作用、增加細(xì)胞質(zhì)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(qiáng)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(jìn)碳水化合物的合成與累積，促進(jìn)作物生長，提高作物品質(zhì)。可溶性蛋白含量與光合作用強(qiáng)弱也有著基本相同的趨勢?？扇苄缘鞍鬃鳛橹参矬w內(nèi)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(dǎo)和花芽發(fā)育都需要大量的可溶性蛋白。本研究發(fā)現(xiàn)生物炭與納米二氧化硅聯(lián)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(jié)果一致。更高的光合色素含量有利于促進(jìn)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(jìn)植物可溶性糖和可溶性蛋白等養(yǎng)分的累積，累積的養(yǎng)分越多就會給予植物更好的生長條件，從而促進(jìn)植物健康生長，進(jìn)而促使其制造更多的光合色素，形成良性循環(huán)。

4結(jié)論

本研究中，油菜葉片光響應(yīng)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(dǎo)度，各指標(biāo)數(shù)值總體來說C+SIgt;SIgt;Cgt;CK。光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)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(qiáng)都顯著提升；光補(bǔ)償點(diǎn)顯著下降，總體呈現(xiàn)CKgt;Cgt;SIgt;C+SI。在葉綠素?zé)晒鈪?shù)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(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率（q）PSⅡ）與CK相比均有提高，其中C+SI處理增幅均達(dá)到顯著水平；C+SI處理光化學(xué)猝滅系數(shù)（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(lián)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(biāo)數(shù)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(lián)合施用可顯著提升油菜葉片的光合效率，優(yōu)化反應(yīng)中心的能量轉(zhuǎn)運(yùn)和利用，從而累積更多養(yǎng)分，促進(jìn)植株生長發(fā)育。