光碳核肥處理‘茂谷柑’冠層內CO2濃度變化特征與葉片生理響應研究

伍 崢，洪明偉，楊榮萍，郭世澤，唐天睿，楊 慧，王夢圓，李艷菊，彭 冬，楊學虎

(1.云南農業大學園林園藝學院，昆明 650100；2.云南農村干部學院，昆明 650201；3.云南農業大學熱帶作物學院，云南 普洱 665000)

【研究意義】從國內目前的產業現狀來看，中國柑橘栽培面積大，但平均單產低，品質有喜有憂，雖然是生產大國，距發達國家還有一定差距，在激烈的國際競爭中很難立足于市場[1]。柑橘為云南第二大果種，2018年柑橘種植面積7.56×104hm2，產量達9.81×105t，居全國第10位，產業發展迅猛，但普遍存在含糖量低、外觀差、風味淡等問題[2]。目前，提升柑橘品質的主要方法還是以培育新品種，加強肥水管理和病蟲害防治為主，且最直接有效的方法還是加強肥水管理[3]。長期施用傳統肥料會導致土壤板結、施肥效果不好、柑橘生長狀況下降等，所以急需一種新型肥料來緩解或解決這些問題[4]。光碳核肥是CO2捕集劑的商品名稱，主要成分有小球藻、酵母糖、氨基酸、交換劑、吸附劑、活化劑等，屬于復合型葉面肥[5]。該肥料噴施在植物葉片上會吸附大氣中的CO2，在葉莖周圍形成一個較高CO2濃度的小環境，間接起到CO2施肥的效果，進而提高葉片光合作用水平，利于植物體內有機物的積累[6]。它打破了直接供給植物養分的傳統施肥方式，且操作簡單、綠色環保，對解決上述施肥問題具有現實意義。【前人研究進展】李瑞民[7]在辣椒上的應用實驗得出結論，噴施光碳核肥產量增加12 134.9 kg/hm2，產值增收 33 100.52 元/hm2，該產品具有顯著的節肥節藥和增產增收效果。王其松等[8]在葡萄花前花后各噴施4次1∶150濃度的光碳核肥后發現，該處理提高葡萄葉面積7.95%，葉片顏色加深且富有光澤；使植物周圍的CO2平均濃度提升1.03×10-4。翟文博等[9]研究發現，對水稻秧苗噴施5種不同濃度的光碳核肥后，秧苗的株高、發根率、鮮重均有提升，1∶200倍液的綜合表現最佳。殷常青等[10]的研究表明，對設施豇豆噴施光碳核肥后，葉片光合強度大幅度增加，葉片氣孔開張度下降，葉邊界阻力增加，蒸騰速率減小，葉片水分利用率較對照提高20%，達到顯著水平；葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、葉綠素(a+b)[Chl(a+b)]及葉綠素(a/b)[Chl(a/b)]較對照分別降低4.3%、2.76%、3.92%和0.6%；礦質元素含量有所減少，N、P、K、Ca、Mg較CK分別降低27.60%、35.70%、54.00%、1.90%、6.18%。【本研究切入點】目前，光碳核肥在果樹[8,11]、蔬菜[7,10,12]、大田作物[9,13]上均有研究，對光碳核肥施肥效果表示認可，在蔬菜、水稻等方面推廣較快，但在柑橘上的應用研究報道相對較少。本研究將光碳核肥應用在柑橘生產上，探索一種新型環保的綠色肥料來解決施肥問題。【擬解決的關鍵問題】該試驗在柑橘上噴施不同稀釋比例的光碳核肥，研究處理后柑橘冠層CO2濃度變化特征及葉片對其處理的生理響應，為光碳核肥在柑橘生產實踐的應用提供理論依據與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年3—9月在云南省永勝縣中國農村專業技術協會永勝科技小院(26°2′42″N,100°34′3″E)內進行。取同一果園區內灌水量、施肥量相同的12株6年生枳殼砧木‘茂谷柑’為試材，材料生長勢相近，無病蟲害，樹體營養狀況良好。

試供肥料為南陽東侖生物光碳科技有限公司生產的光碳核肥(酵母糖10%、微藻20%、吸附劑5%、氨基酸10%、純凈水60%、吸水劑2%、活化劑1%、絡合劑1%、膠體劑1%)[4]。

1.2 試驗設計

試驗設置3個稀釋比例光碳核肥處理和1個對照，共4個處理，每個處理3次重復。稀釋比例分別為處理T1，1∶100(30 mL光碳核肥對水3 L)；處理T2，1∶150(20 mL光碳核肥對水3 L)；處理T3，1∶200(15 mL光碳核肥對水3 L)；處理T4(CK，噴施等量清水)。于2021年5月13日進行第1次處理，噴施次數為4次，每次間隔19～21 d，噴施時間為9：00；操作人員結合實際天氣情況，避開雨天，應在陰天、多云天氣下噴施光碳核肥；葉片正反面均作處理，以葉片產生水膜為標準。其他田間管理措施按果園內常規方式進行。

每次光碳核肥處理后，取每棵樣樹20片生長正常、葉形完整、無病蟲害的成熟葉片用于葉片葉綠素與碳水化合物的測定；第4次光碳核肥處理結束后，每棵樣樹取100葉片用于葉片形態、百葉鮮重、百葉干重的測定。

1.3 指標的測定

1.3.1 冠層內CO2濃度的測定 各處理冠層內CO2濃度日變化特征利用QT21-HWF-1A便捷式CO2測定儀測定；冠層內溫度日變化特征利用RC-4HC溫濕儀測定。2021年6月4日(第2次光碳核肥處理后的第2天)8：00時開始監測，每次監測間隔2 h，共測定6個時間段，測定位置為‘茂谷柑’主干中心離地100 cm處，每次測定3次重復。

1.3.2 葉片形態性狀的測定 使用Li-3000C便捷式葉面積儀測量葉片面積、長、平均寬度與最大寬度，并利用公式(長寬比=葉片長度/葉片最大寬度)求出長寬比；利用電子天平測量百葉鮮重，隨后用電子鼓風干燥箱105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，測百葉干重和含水量[14]。

1.3.3 葉片光合特性指標的測定 選取健康、正常葉片3～5片，擦凈葉表污染物，將待測葉片剪成寬度小于1 mm的細絲，混勻。采用無水乙醇-丙酮混合溶液提取法，A580紫外可見分光光度計測定，分別在波長 646、663 和 470 nm 處測定吸光值，然后根據文獻[15]算出葉片葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、葉綠素(a+b)[Chl(a+b)]、葉綠素(a/b)[Chl(a/b)]。

使用美國 Li-COR公司生產的 Li-6400XT型便攜式光合儀監測葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)日變化特征。與冠層內CO2濃度日變化監測方法一致，每棵樣樹標定4片葉[16]。

葉片暗適應30 min后，使用Hansatech Pocket PEA便捷式葉綠素熒光儀測定葉片PSⅡ反應中心初始熒光產值(Fo)、最大熒光產值(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)、潛在活性[Fv/Fo][17]，其中潛在活性的計算公式為Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo=Fm/Fo-1。

1.3.4 葉片碳水化合物的測定 用電子鼓風干燥箱將葉片105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，用粉碎機將烘干葉片粉碎，過100目篩后得到待測樣品。采用蒽酮硫酸法[18]，使用TECAN infinite M200 PRO多功能酶標儀，得出葉片可溶性糖(Soluble sugar)和淀粉(Starch)含量。

1.4 數據統計與分析

采用軟件Excel 2016和SPSS 23進行數據處理與分析，利用最小顯著差法(LSD)(P<0.05)進行單因素顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 ‘茂谷柑’冠層內溫度和CO2濃度日變化

從8：00開始，‘茂谷柑’冠層內溫度均隨時間的推移呈上升趨勢，在12：00達到峰值，最高溫度為處理T1的34.3 ℃，隨后開始下降(圖1-a)。冠層內溫度各處理在10：00差異較大，最大值為處理T1的30.8 ℃，最小值為處理T4(CK)的29.2 ℃，差值為1.6 ℃，差異顯著(P<0.05)。由圖1-b可知，各處理8：00—18：00冠層內CO2濃度整體呈先下降后上升再下降的趨勢，12：00冠層內CO2濃度均到達最低值。監測期間內，平均冠層內CO2濃度各處理由高到低依次為處理T2> 處理T3> 處理T1> 處理T4(CK)(表1)，不同稀釋比例光碳核肥對冠層內CO2濃度均有提升，處理T1、處理T2、處理T3與處理T4(CK)相比分別提高6.32×10-6、7.53×10-6、6.90×10-6，增幅為1.63%、1.94%、1.78%，差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同處理‘茂谷柑’冠層內溫度和CO2濃度日變化Fig.1 Diurnal changes of temperature and CO2 concentration in the canopy of ‘Murcott’ tangerine under different treatments

表1 不同處理‘茂谷柑’冠層內溫度、CO2濃度和光合特性

表2 不同處理‘茂谷柑’葉片形態性狀

2.2 葉片形態性狀比較

不同稀釋比例光碳核肥處理的‘茂谷柑’葉長、葉寬、長寬比均有提升，其中葉長提升較明顯，增幅為9.4%，處理T3與處理T4(CK)葉長差異顯著(P<0.05)，葉平均寬度、葉最大寬度、長寬比等差異不顯著(P>0.05)；各組間葉面積呈處理T3>處理T1>處理T2>處理T4(CK)的趨勢，增幅分別為15.4%、14.7%、5.4%，處理T3、處理T1與處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)。不同處理長寬比的提升，說明光碳核肥主要通過增加葉長影響葉片面積。光碳核肥處理后的百葉鮮重、百葉干重提升顯著，而含水量有所下降。與處理T4(CK)相比，處理T1、處理T2、處理T3的百葉鮮重增幅為15.7%、4.4%、14.5%，百葉干重增幅由大到小依次為處理T3(19.7%)>處理T1(15.8%)>處理T2(9.5%)，處理T1、處理T3的百葉鮮重和百葉干重較處理T4(CK)均差異顯著(P<0.05)，各處理間含水量在1.64%～3.24%，無差異顯著(P>0.05)。百葉鮮重、百葉干重提高，含水量下降，說明光碳核肥處理有利于葉片生物量的積累，提高源葉片的質量(表2)。

2.3 葉片葉綠素含量變化

如圖2所示，6月2日后，3組光碳核肥處理葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量與處理T4(CK)相比差異開始顯現，但只有6月2日處理T2、處理T3的葉綠素a、總葉綠素含量較處理T4(CK)增幅顯著(P<0.05)，其余未到達顯著水平(P>0.05)。5月13日、6月2日、6月21日、7月11日處理T1、處理T2、處理T3的總葉綠素含量較處理T4(CK)相比變幅分別為1.37%～7.29%、9.59%～23.08%、13.94%～21.48%，組間差異呈先擴大后縮小趨勢。各組處理在6月2日至7月11日，葉綠素(a/b)值均呈上升趨勢，處理T1、處理T2、處理T3在6月2日上升趨勢明顯隨后趨于穩定；7月11日，處理T4(CK)上升趨勢明顯，為組間最高值。

圖2 不同處理對‘茂谷柑’葉片葉綠素的影響Fig.2 Effect of different treatment on chlorophyll of ‘Murcott’ tangerine leaf

2.4 葉片光合特性日變化

在處理期間內，3種稀釋比例光碳核肥與處理T4(CK)Pn均呈下降趨勢。12:00—16:00，處理T4(CK)降幅明顯，降幅為74.86%，而處理T1、處理T2、處理T3處理Pn變幅為12.43%～37.63%。14:00以后，3種光碳核肥的凈光合速率與處理T4(CK)差異逐漸明顯，在處理T4(CK)最低值(16：00)時組間差異最大(圖3-a)。Pn日均值處理T1、處理T2、處理T3比處理T4(CK)分別提升30.16%、22.47%、22.82%，提升顯著(P<0.05，表1)。

圖3 不同處理‘茂谷柑’葉片光合特性日變化Fig.3 Diurnal variation of photosynthetic characteristics in leaves of ‘Murcott’ tangerine under different treatments

如圖3-b所示，處理T2、處理T4(CK)處理的Gs日變化趨勢為單峰曲線；處理T1、處理T3Gs日變化趨勢為雙峰曲線，次峰均在16：00出現。12：00—14：00時，4組處理Gs下降趨勢較劇烈，12：00時對應測定當天冠層內溫度峰值，葉片受高溫影響，自身開啟保護機制，保衛細胞閉合。16：00時處理T1、處理T3Gs開始回升到達次峰，處理T2Gs在18：00時開始回升，而處理T4(CK)始終處于下降趨勢。未受處理的葉片受高溫影響較大，而光碳核肥能夠降低葉片對高溫的敏感程度。Gs日均值處理T1、處理T2、處理T3比處理T4(CK)分別提升19.46%、14.54%、24.48%，但差異未到達顯著水平(P>0.05)。

Ci與Gs的變化趨勢相似，在12：00—14：00時均有劇烈下降的趨勢，不同點在于Gs在16：00時處理T2、處理T4(CK)呈下降趨勢，Ci與之相反。出現這種現象可能是因為16：00時冠層內CO2升高，以及凈光合速率下降，減少葉片細胞內CO2消耗等兩個原因互作所導致。對比冠層內CO2濃度，Ci日均值提升較明顯，處理T1、處理T2、處理T3比處理T4(CK)分別提升3.64%、3.05%、3.83%，但差異不顯著(P>0.05)。

處理T1、處理T3Tr日變化趨勢呈雙峰曲線，首峰出現在12：00時，次峰出現在16：00時，處理T2、處理T4(CK)Tr日變化趨勢呈單峰曲線，首峰出現在12：00時(圖3-d)。在8：00—12：00時，4組處理的Tr隨冠內溫度的升高而增加，各組到達峰值后，高溫迫使葉片氣孔閉合，導致Tr急速下降，隨后與Gs變化曲線趨于一致。與處理T4(CK)對比，Tr日均值處理T1、處理T2、處理T3分別提升25.26%、16.75%、19.85%，但差異不顯著(P>0.05)。

表3 不同‘茂谷柑’葉片葉綠素熒光參數比較

2.5 葉片葉綠素熒光特性變化

5月13日處理T1的Fo比處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)，提升11.63%，其余時期各組間差異均不顯著(P>0.05)。處理T4(CK)4個時期的Fm均為組間最低值，在5月13日、6月2日、6月21日各組間差異顯著(P<0.05)，而7月11日各處理差異顯著(P>0.05)。Fv隨Fm的變化而變化，3組處理Fv/Fm在0.77～0.81，僅6月2日處理T1與處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)。不同稀釋比例光碳核肥處理的Fv/Fo比處理T4(CK)均有提升，但僅有6月2日處理T1與處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)。說明光碳核肥處理主要影響Fm即最大熒光產量值從而擴大葉片光合中心進行光化學反應的域范圍(Fv)[19]，使Fv/Fo提升，對Fv/Fm無顯著影響(表3)。

2.6 葉片非結構性碳水化合物含量變化

處理T4(CK)4個時期的可溶性糖含量均高于其余3組光碳核肥處理(圖4-a)，5月13日處理T3與處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)，比處理T4(CK)下降18.88%。4組處理的淀粉含量在采樣期間呈先下降后上升的趨勢(圖4-b)，3組光碳核肥處理均高于處理T4(CK)，5月13日處理T3較處理T4(CK)提升38.83%，差異顯著(P<0.05)，7月11日處理T3達到峰值，與處理T1、處理T2、處理T4(CK)差異顯著(P<0.05)。從圖4中可看出，葉片可溶性糖含量較高的處理淀粉含量低，葉片淀粉含量較高的處理可溶性糖含量較低。

圖4 不同處理對‘茂谷柑’葉片非結構性碳水化合物的影響Fig.4 Effect of different treatment on NSC of ‘Murcott’ tangerine leaf

3 討 論

本研究結果表明1∶100、1∶150、1∶200稀釋比例光碳核肥處理提升了‘茂谷柑’冠層內CO2濃度，較對照分別提升6.32×10-6、7.53×10-6、6.90×10-6，但與王其松等[8]1∶150光碳核肥提升葡萄葉片周圍二氧化碳濃度1×10-3差異較大，其原因可能與外界環境、噴施方法、作物自身有關。王其松等[8]、劉領等[20]、翟文博等[9]均表示，光碳核肥處理后作物葉片面積、單葉質量得到提升，但就最適稀釋比例說法不一，本研究結果表明1∶200稀釋比例光碳核肥處理葉長、葉寬、葉面積最高，1∶100稀釋比例光碳核肥處理百葉鮮重最高。耿楊陽等[21]發現1∶200稀釋比例光碳核肥處理緩解了鹽脅迫對水培黃瓜葉片葉綠素的抑制作用，其葉綠素 a、葉綠素 b、葉綠素 (a+b)及類胡蘿卜素均顯著增加，與本研究結果相符，1∶200稀釋比例光碳核肥處理對‘茂谷柑’葉片葉綠體色素含量提升效果最佳。也有學者表示，高濃度CO2環境對植物前期葉綠體色素的積累有促進作用，后期有抑制作用[22]，本研究也在上文中提到，前期光碳核肥處理能夠有效提升葉片葉綠素含量，之后不再隨光碳核肥的噴施次數而增加。

柑橘為C4植物，通常情況下柑橘的Pn日變化呈雙峰曲線，但易受品種、砧木和外界環境條件的影響[23]，如琯溪蜜柚凈光合速率 (Pn) 的日變化的首峰出現在8:00—10:00，次峰出現在 14:00[24]，溫州蜜柑首峰出現在10:00，次峰出現在13:00以后，陰天時次峰會消失[25]。本研究結果表明，‘茂谷柑’Pn呈單峰曲線，峰值出現在8：00—10：00，對照處理在14：00—16：00午休現象表現明顯，與柑橘午休現象發生在12：00—14：00結果不符[26]。光碳核肥處理緩解了‘茂谷柑’午休現象，凈光合速率、氣孔導度在午休時無明顯下降，與光碳核肥在豇豆上應用結果相似[10]。張穎等[27]認為，提高濃度CO2至1.00×10-4以上會引起氣孔開度縮小，葉邊界阻抗加大，蒸騰隨之減弱，而本研究氣孔導度、蒸騰速率均表現為增加。施用光碳核肥能提高植物周圍二氧化碳濃度7×10-6左右，遠不及1.00×10-4，且該肥料中還含有外源氨基酸，促使作物生長加快，葉面積拓展[28]，導致氣孔導度、蒸騰速率增加，出現與上述情況相反的現象。葉綠體熒光參數反映了葉片光系統的內在特點[29]，與植物體內葉綠素含量有關[30]，光碳核肥處理后，葉綠體捕獲了更多的光能并以更高的效率與速度將其轉化為化學能，獲得更多的光合產物。本研究發現，葉片淀粉含量隨Fv/Fm提高而增加，可溶性固形物含量卻相對下降，有報道提出可溶性糖是植物生長消耗的直接物質，淀粉是植物主要的存儲物質，植物自身對可溶性糖需求小于其含量時會轉化為淀粉[31]，但具體原因尚不明確。

4 結 論

‘茂谷柑’葉面噴施光碳核肥后能夠提升冠層內CO2濃度，對葉片生理特性產生積極響應，增加葉片生物量、葉綠素的積累，可以提高葉片凈光合速率；能提高葉片PSII反應中心初始熒光值、最大熒光值以及光化學潛在活性，但對光能轉換效率無顯著影響；該肥料會將葉片多余可溶性糖轉化為淀粉，使其光合產物配比發生變化。不同稀釋比例光碳核肥對‘茂谷柑’葉片生理特性響應不同，噴施1∶100光碳核肥對提高光合效率效果好，1∶200光碳核肥處理對葉片形態、葉綠素、淀粉的提升較為明顯。