石墨烯對西梅苗木生長影響的作用機理初探

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。試驗結果顯示，隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數胞間CO2濃度、氣孔導度、凈光合速率呈現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、莖的形態看，當石墨烯溶膠濃度范圍處于20～33.3 mg/L區間時，西梅苗木根、莖增長水平明顯，而當石墨烯濃度增加到50～100 mg/L，增長水平有所降低。造成上述這些現象的主要原因是石墨烯的添加增強了土壤對養分的吸持力，減少了養分的流失，同時提高了根系細胞外電化學勢梯度，促進了西梅苗木對養分、水分的吸收。

關鍵詞：? 石墨烯;? 苗木生長;? 作用機理

中圖分類號：? ?S 662. 4? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?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，具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景。很早以前農民就開始使用草木灰作為肥料來提高作物的產量，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現在草木灰中還含有大量的包括石墨烯在內的碳納米材料。實際上對作物生長起促進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揮的作用沒有被系統地研究過。

自2004年被發現以來，石墨烯引起了材料科學家的廣泛關注，在世界范圍內掀起了制備和應用研究的熱潮，在農林領域也引起了一定的關注，其中研究石墨烯對種子萌發和根系發育等影響是一個重要方面。有學者研究了石墨烯對水稻種子萌發和生長的影響，對卷心番茄、紅菠菜和萵苣的根、莖生長等的影響 [ 2 - 4 ]。但石墨烯在林業上的研究應用相關報道較少，胡曉飛等[ 5 ]研究了石墨烯對樹莓組培苗生長發育的影響。西梅（Prunus domestica L.）是薔薇目薔薇科李屬植物，落葉喬木，抗寒抗旱，適應性強，能避開北方晚霜危害，果實芳香甜美、品質極佳，耐貯藏，是適合山西大同培育的優良品種。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上的應用研究提供基礎數據和理論依據。

1 試驗地概況

西梅種植試驗地點為大同市云州區國營苗圃， 位于云州區城西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，當年嫁接苗。

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

2. 2 試驗方法

在西梅種植區分別選擇部分區域劃定試驗區，試驗區由一個對照組和5個試驗組構成，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 試驗數據測定

2020年9月中旬，測定西梅苗木葉片胞間CO2濃度、氣孔導度、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個試驗組分別隨機選取10株西梅苗木，每株隨機測試5枚葉片，得到50個數據，選取平均值進行結果分析。

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發生了一定的變化。隨著石墨烯濃度的升高，西梅苗木的光合作用參數胞間CO2濃度、氣孔導度、凈光合速率呈現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，水分利用效率呈現下降的趨勢。

3. 2 石墨烯溶膠對西梅苗木生長形態的影響

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，對根系和莖的形態特征進行了測定。由圖2可見，添加不同濃度石墨烯后，西梅種苗的根長、根直徑均出現明顯差異。

在不同石墨烯濃度處理下，各項指標均呈現出差異性（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均產生了積極影響。當石墨烯濃度為20 mg/L時，根重達到最大值;當石墨烯濃度為25 mg/L時，莖重達到最大值;當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 討論與結論

4. 1 研究發現，石墨烯對西梅苗木光合作用的發生起促進作用，但隨著石墨烯溶膠濃度的升高，其發生的作用有所下降。胞間CO2濃度、氣孔導度、凈光合速率呈現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、氣孔導度等因素的影響，有研究[ 6 ]表明這些指標具有一定的正相關性，與本文結果一致。氣孔導度的降低引起胞間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、莖形態來看，石墨烯溶膠濃度范圍在20～33.3 mg/L時，能夠對西梅苗木生長產生較好的促進作用，不同濃度發揮的促進作用大小不同，有研究顯示[ 7 ]適當濃度的石墨烯可以促進美國紅櫨組培苗不定根的生長，但當濃度較高時不能促進根系根數的增加。試驗結果表明，石墨烯濃度較低時（20～33.3 mg/L）促進效果良好，而濃度較高時促進效果有所減弱，其中的原因需要進一步研究，可能養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、根系、莖形態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狀結構，這種土壤結構對營養物質有較大的吸持力。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分減少，對養分的吸持力極大增強。其次，石墨烯能夠提高苗木根系細胞外電化學勢梯度，促進離子進入根系細胞，其表面的親水、疏水基團產生橋聯作用促進植物對水分、養分的吸收。另外，石墨烯能促進根系細胞內線粒體增多，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一步促進根系對營養物質的吸收，同時將大量的營養物質輸送到植物的地上部分，支持地上部分的生長，對于光合作用的發生產生積極影響。

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揮得更好;從根系、莖的形態看，添加石墨烯溶膠后，對西梅苗木的根、莖生長有一定的促進作用，且在石墨烯濃度在20～33.3 mg/L對西梅苗木生長促進作用明更優。造成這一現象的主要原因是石墨烯的添加增強了土壤對養分的吸持力，減少了養分的流失，并形成電化學勢梯度，促進了西梅對養分、水分的吸收。

參考文獻

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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

（責任編輯：? ?張亞楠）