不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長、根系形態(tài)及15N吸收利用的影響

彭婷婷，魏永平，章進(jìn)峰，張 筱，陳洪華，陳愛玲，趙建國，胡亞林，曹光球＊

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院 福建 福州 350002；2.國家林業(yè)和草原杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.林木逆境生理生態(tài)及分子生物學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；4.福建省永安國有林場 福建 永安 366000；5.山西大同大學(xué)炭材料研究所 山西 大同 037009)

杉 木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.）是我國南方最重要的速生用材樹種。培育優(yōu)質(zhì)苗木是提高杉木林分質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，施肥是培育優(yōu)質(zhì)苗木最重要的技術(shù)措施之一。目前針對杉木苗木施肥的研究主要集中在肥料種類選擇[1-3]、施肥量[4-5]、施肥時(shí)間[6]以及施肥對土壤環(huán)境[7-10]、營養(yǎng)利用[5,10-11]和施肥利用率[12]等方面。此外，研究還發(fā)現(xiàn)不合理施肥會(huì)導(dǎo)致土壤pH值下降，造成土壤環(huán)境惡化和重金屬積累等不良后果[13-14]。因此，制定科學(xué)合理的施肥措施促進(jìn)苗木生長發(fā)育、提高肥料利用率，是目前林業(yè)經(jīng)營過程中急需解決的技術(shù)難題之一。

石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，因其優(yōu)異的光學(xué)、電氣、力學(xué)特性，已在電子、生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[15]。石墨烯促進(jìn)植物生長發(fā)育的機(jī)理已有較多研究。He等[16]研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯可以將水分收集運(yùn)輸至種子從而促進(jìn)種子萌發(fā)。石墨烯可以進(jìn)入植物組織細(xì)胞，從而可以改變植物的代謝活動(dòng)，促進(jìn)植物各器官的生長發(fā)育[17-18]。楊士等[19]研究表明，生物炭負(fù)載氧化石墨烯材料可以通過提高土壤pH值以及通過表面絡(luò)合和沉淀等作用來有效阻控重金屬的遷移。Yin等[20]研究也發(fā)現(xiàn)石墨烯可以緩解土壤重金屬Cd2+對水稻芽和種子、根以及玉米幼苗生長的毒害效應(yīng)。石墨烯在林業(yè)領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，姚建忠等[21]研究表明，3 mg·L-1石墨烯處理可以促進(jìn)歐洲山楊（Populus tremulaL.）根系生長，而7.5 mg·L-1石墨烯處理對歐洲山楊的正常發(fā)育具有抑制作用。張曉等[18]研究表明，石墨烯處理可以促進(jìn)白榆（Ulmus pumilaL.）扦插苗葉、莖、根的生長。而有關(guān)石墨烯對杉木的影響研究尚未見相關(guān)報(bào)道。

15N示蹤研究是根據(jù)15N豐度的變化研究氮素在生物體或環(huán)境中的運(yùn)輸轉(zhuǎn)化規(guī)律[22]，可有效區(qū)別植株吸收N素的來源——新施N肥和土壤N庫，是研究植物N素營養(yǎng)及分配狀況、N肥利用率以及N肥去向等方面的重要方法[23]。目前已有利用15N示蹤法研究了毛竹[23](Phyllostachys edulis(Carriere) J.Houzeau）、橡膠[24]（Hevea brasiliensis(Willd.ex A.Juss.) Muell.Arg.）、毛白楊[25](Populus tomentosaCarrière）、楸樹[26](Catalpa bungeiC.A.Mey.）等樹種氮素吸收利用及分配情況和動(dòng)態(tài)變化。有關(guān)采用15N示蹤法探討石墨烯施肥對杉木氮素的利用分配及利用率的影響研究尚未有報(bào)道。

為探討石墨烯在林業(yè)施肥應(yīng)用中的可行性，本研究以1年生杉木優(yōu)良無性系“洋061”作為試驗(yàn)材料，分析添加不同濃度石墨烯（0、20、25、30 mg·L-1）對杉木幼苗生長、根系形態(tài)的影響；進(jìn)一步利用15N示蹤法分析杉木幼苗對氮素的吸收、利用和分配的變化，為革新杉木林傳統(tǒng)施肥方式，提高施肥效率提供科學(xué)理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省福建農(nóng)林大學(xué)國家林業(yè)和草原杉木工程技術(shù)研究中心田間實(shí)驗(yàn)室室外大棚（26°05′ N，119°13′ E）。試驗(yàn)地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候適宜，溫暖濕潤，年平均氣溫20～25 ℃。年平均日照時(shí)數(shù)1 700～1 980 h，年平均降水量900～2 100 mm，年相對濕度約77%，無霜期達(dá)326 d。

2 材料來源與方法

2.1 材料來源

供試苗木為福建省洋口國有林場生產(chǎn)的1年生杉木“洋061”扦插苗，平均地徑為5.44±0.73 cm，平均苗高為29.32±3.17 cm。盆栽桶深度為24 cm，容量為10 L。盆栽土壤為黃心土，其化學(xué)性質(zhì) 如 下：全C 3.38±0.01 g·kg-1，全N 0.42±0.01 g·kg-1，全P 0.07±0.01 g·kg-1，全K 5.01±0.13 g·kg-1。石墨烯母液由山西大同大學(xué)趙建國教授課題組提供。試驗(yàn)復(fù)合肥為美國瑞恩集團(tuán)公司生產(chǎn)，肥效為N:P2O5:K2O比為16∶16∶16。15N銨態(tài)氮肥采購自上海信裕生物科技有限公司，豐度為99.12%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年5月開始，2020年11月結(jié)束。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3個(gè)完全隨機(jī)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組5個(gè)處理（見表1），每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)種植30株苗，共450株苗。為保證苗木成活，苗木移栽7 d內(nèi)于每天傍晚對土壤補(bǔ)充水分，使土壤含水量處于田間持水量水平。培養(yǎng)7 d后，根據(jù)天氣和苗木生長實(shí)際情況進(jìn)行定量水分補(bǔ)充。苗木緩苗7 d后，在苗木四周開2 cm溝，均勻施入30 g復(fù)合肥、10 mg銨態(tài)氮同位素及不同濃度石墨烯溶液500 mL。其中CK2處理只用于同位素計(jì)算。試驗(yàn)期間，每隔2個(gè)月測定1次苗高、地徑等生長指標(biāo)并記錄苗木生長狀況。

表1 不同濃度石墨烯處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Different concentrations of graphene treatment

2.3 測定方法

2.3.1 生長量及生物量測定 杉木苗高采用卷尺測定，地徑采用游標(biāo)卡尺測定。每個(gè)測試階段各處理分別選取3株平均木，用自來水將苗木根部沖洗干凈，再分別將苗木根、莖、葉分離，自然晾干后再置于烘干箱75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)苗木地上部分與地下部分的絕干生物量計(jì)算苗木根莖比。

2.3.2 根系形態(tài)測定 用剪刀將洗凈后的苗木全部根系剪下并用吸水紙吸干水分；再將根均勻放入根系掃描儀（EPSON EU-88）進(jìn)行根系掃描；最后在WinRHIZO分析系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算根長、根直徑、根體積和根表面積等數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2.3.315N同位素測定 將植物樣品過篩后稱取4 mg放入錫紙杯中進(jìn)行包膜，將其包成正四方體放入酶標(biāo)盒中備用，使用時(shí)放入MAT-251（Finnigan，德國）穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀中進(jìn)行測定，植株不同部位氮素積累量、氮素分配率、氮素利用效率等的計(jì)算參照文獻(xiàn)[27]的方法，公式如下：

Ndff為植株器官從肥料中吸收分配到的氮量對該器官全氮量的貢獻(xiàn)率（%），它反映了植株器官對肥料氮的吸收征調(diào)能力

15N的分配率為各器官中15N占全株15N總量的百分率，反映了肥料15N在樹體內(nèi)的分布及其在各器官間遷移的規(guī)律。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，采用SPSS.23軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對杉木幼苗生長指標(biāo)、生物量指標(biāo)、根系形態(tài)指標(biāo)及15N吸收利用等數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。根系形態(tài)、根15N分配率及全株15N利用率的相關(guān)性采用Person相關(guān)分析法。各指標(biāo)數(shù)據(jù)的結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長及生物量的影響

3.1.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生長的影響

由表2可知，不同濃度石墨烯處理可在一定程度上促進(jìn)杉木幼苗苗高和地徑的生長，且隨著培養(yǎng)時(shí)間延長，促進(jìn)效應(yīng)逐漸增大。與對照CK1相比，25 mg·L-1石墨烯處理的幼苗苗高和地徑最大；培育60、120、180 d時(shí)，苗高分別提高了9.30%、7.69%、3.26%，地徑分別提高了4.83%、3.91%、7.65%。方差分析結(jié)果表明，除25、30 mg·L-1石墨烯處理在培育120 d后苗高存在顯著性差異（P＜0.05）外，其他處理間差異均未達(dá)到顯著水平。

3.1.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗生物量的影響

由表2可以看出，不同濃度石墨烯處理對杉木幼苗生物量的影響較為一致，除20 mg·L-1石墨烯處理在莖干質(zhì)量中表現(xiàn)為先降后增的趨勢外，其余處理在根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量中均表現(xiàn)為逐漸增長的趨勢。培育60 d時(shí)，與對照CK1相比，25、30 mg·L-1石墨烯處理的根干質(zhì)量分別增加了7.56%、6.06%，20 mg·L-1石墨烯處理則顯著增加了45.45%；培養(yǎng)120 d時(shí)，25 mg·L-1石墨烯處理的葉干質(zhì)量比對照CK1相比降低了7.28%；培養(yǎng)180 d時(shí)，20、30 mg·L-1石墨烯處理的葉干質(zhì)量與對照CK1相比分別降低了6.53%、2.95%。

表2 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗生長和平均單株生物量Table 2 Growth and biomass of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.1.3 不同濃度石墨烯對杉木幼苗根莖比的影響

由表2可知，不同濃度石墨烯處理對杉木幼苗根莖比的影響較為一致。根莖比介于0.06～0.13之間。除30 mg·L-1石墨烯處理的根莖外，其余處理的根莖比均呈先降后增的趨勢。培育180 d時(shí)，石墨烯處理的根莖比相比于對照分別增加了33.33%、44.44%、22.22%，不同處理之間差異不顯著。

3.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗根系形態(tài)的影響

由圖1分析可知，同一石墨烯濃度處理下，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，除杉木幼苗根平均直徑表現(xiàn)為下降趨勢外，其他指標(biāo)均表現(xiàn)為增長的趨勢。不同石墨烯濃度處理下，同一培養(yǎng)時(shí)間杉木幼苗根長、根直徑、根體積、根表面積等指標(biāo)對石墨烯濃度的敏感性不同；就培養(yǎng)60 d而言，根長、根體積表現(xiàn)為隨著濃度的增加呈逐漸降低的趨勢，而根直徑則表現(xiàn)為先增后降的趨勢；培育180 d時(shí)，25 mg·L-1石墨烯處理的根長、根直徑、根體積、根表面積與其他處理相比均為最大值。方差結(jié)果分析，各處理在杉木幼苗根系形態(tài)等指標(biāo)中均不存在顯著性差異。

圖1 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗根系形態(tài)Fig.1 Root morphology of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.3 不同濃度石墨烯對杉木幼苗各器官15N分配率及全株15N利用率的影響

3.3.1 不同濃度石墨烯對杉木幼苗各器官15N分配率的影響 由圖2可以看出，不同處理對杉木幼苗各器官15N的分配率影響并不一致。綜合來看，杉木幼苗各器官15N分配率表現(xiàn)為葉＞莖＞根。不同處理杉木幼苗葉15N分配率除在30 mg·L-1石墨烯處理中隨時(shí)間的增加呈增加趨勢外，在其他不同處理中均呈先增后降趨勢。葉15N分配率介于63.67%～74.47%之間，在不同培育階段中的最大值分別出現(xiàn)在A2、CK1、A3處理中。與對照相比，不同處理杉木幼苗葉15N的分配率差異均未達(dá)到顯著水平。

圖2 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗各器官15N分配率Fig.2 15N distribution rate of Chinese fir organ at different concentrations of Graphene

隨培育時(shí)間的增加，不同處理杉木幼苗莖15N分配率均表現(xiàn)為下降趨勢。莖15N分配率介于16.97%～30.44%之間。培育60 d后，20、25、30 mg·L-1石墨烯處理與對照相比莖15N分配率分別顯著降低了6.87%、20.07%、20.07%（P＜0.05）。

杉木幼苗根15N分配率隨培育時(shí)間的增加均表現(xiàn)為先降后增的趨勢。根15N分配率介于4.70%～9.61%之間。除25 mg·L-1石墨烯處理根15N分配率在施肥后60 d較對照降低18.51%外，其余時(shí)間中均表現(xiàn)為石墨烯處理高于對照處理，但不同處理間根15N分配率差異不顯著。

3.3.2 不同濃度石墨烯對杉木幼苗全株15N吸收利用的影響 由表3可知，不同處理隨培育時(shí)間的延長，杉木幼苗全株總氮量、15N 吸收量、15N利用率均呈增加趨勢。在培育60 d與180 d后，石墨烯處理下的杉木全株15N吸收量顯著高于對照處理。180 d后，20、25 mg·L-1石墨烯處理杉木全株15N利用率比對照顯著增加了77.78%、78.70%（P＜0.05），說明一定濃度的石墨烯能促進(jìn)杉木幼苗對氮素的吸收，杉木幼苗15N利用率介于0.32%～1.93%之間，杉木幼苗對氮素的利用率不高。

表3 不同濃度石墨烯處理杉木幼苗全株15N吸收利用Table 3 15N absorption and utilization of Chinese fir at different concentrations of Graphene

3.4 杉木幼苗根系形態(tài)與根15N分配率與全株15N利用率的相關(guān)性

從表4可以看出，除根長、根體積、根15N分配率與根直徑呈負(fù)相關(guān)外，其他各指標(biāo)間均呈顯著或極顯著正相關(guān)。這說明根系形態(tài)與全株15N利用率有密切聯(lián)系，全株15N利用率對杉木幼苗的根系形態(tài)影響較大。

表4 杉木幼苗根系形態(tài)、根15N分配率與全株15N利用率的相關(guān)性Table 4 Correlation between root morphology,root 15N distribution rate and 15N utilization rate of Chinese fir

4 討論

4.1 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗的生長

本研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯處理下杉木幼苗苗高、地徑、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量和葉干質(zhì)量均高于對照處理，且培育結(jié)束后，除莖干質(zhì)量隨石墨烯濃度的增加而降低外，其余生長指標(biāo)均表現(xiàn)為25 mg·L-1＞30 mg·L-1＞20 mg·L-1＞CK1，說明石墨烯對杉木幼苗生長具有促進(jìn)作用。Yin等[20]發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯能促進(jìn)水稻幼苗的生長；劉澤慧等[27]研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的石墨烯能促進(jìn)蠶豆幼苗的株高生長。以上研究說明，石墨烯對植物生長有促進(jìn)作用，這與本研究結(jié)果一致。不同濃度石墨烯處理杉木幼苗根莖比大致表現(xiàn)為先降后增的趨勢，說明石墨烯在杉木培育前期主要促進(jìn)杉木地上部分的生長，培育180 d后，在促進(jìn)地上部生長的同時(shí)，也相應(yīng)促進(jìn)地下部生長，使地上部與地下部趨于平衡。

4.2 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗的根系形態(tài)

根系直接從土壤中吸收營養(yǎng)，是決定杉木幼苗吸收能力的重要因素。有研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯溶液可以改變植物的新陳代謝機(jī)制，從而促進(jìn)植物器官的發(fā)育[28-30]。張曉等[30]通過對促進(jìn)玉米（Zea maysL.）生長的最佳石墨烯濃度（50 mg·L-1）處理48 h后的根系mRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析后發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以影響玉米根系的有機(jī)物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝過程，通過抑制玉米根系的乙烯信號(hào)促進(jìn)玉米根系的生長，進(jìn)而促進(jìn)玉米地上部分的生長。本研究通過分析杉木幼苗根系形態(tài)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，石墨烯處理可以促進(jìn)杉木幼苗總根長、根體積和根表面積生長，石墨烯處理下的根系形態(tài)指標(biāo)普遍高于對照處理，且總根長、根直徑和根表面積均在25 mg·L-1石墨烯處理下最高。但不同植物根系對石墨烯濃度的響應(yīng)具有特異性，例如最適樹莓[31](Rubus idaeus）、水稻[32](Oryza sativa）、蠶豆[27](Vicia faba）、西梅[33](Prunus domestica)苗木根系發(fā)育的石墨烯濃度分別為2、5、25和33.3 mg·L-1。

4.3 不同濃度石墨烯處理下杉木幼苗對氮素的吸收利用及分配

氮素是所有生物維持生活不可或缺的元素之一[34]。當(dāng)土壤中氮素含量充足時(shí)有利于植物有機(jī)物質(zhì)的形成，從而增加產(chǎn)量。相關(guān)研究表明，施氮肥顯著提高了杉木無性系幼苗的生長以及生物量的積累[35]。本研究采用15N示蹤法（銨態(tài)氮）分析添加石墨烯后杉木15N分配和吸收利用的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，培育結(jié)束后，根15N分配率表現(xiàn)為25 mg·L-1＞30 mg·L-1＞20 mg·L-1＞CK1，莖15N分配率表現(xiàn)為CK1＞20 mg·L-1＞25 mg·L-1＞30 mg·L-1，葉15N分配率表現(xiàn)為30 mg·L-1＞CK1＞25 mg·L-1＞20 mg·L-1，這說明石墨烯對杉木幼苗根部氮素的分配具有促進(jìn)作用，對杉木幼苗莖部的分配具有抑制作用，而氮素在杉木幼苗葉部的分配會(huì)受石墨烯濃度的影響。另一方面，氮素在杉木幼苗的各個(gè)器官中的分配表現(xiàn)為葉＞莖＞根。賈慶宇等[36]研究得出蘆葦不同器官的含氮量總體表現(xiàn)為葉片＞莖稈＞根須，地上器官的含氮量大于地下器官；董雯怡等[25]研究發(fā)現(xiàn)，莖作為植物物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃瑑?chǔ)存的氮素較少；張平等[37]研究得出，植株根吸收氮素之后會(huì)合成轉(zhuǎn)化為銨基酸的形式供植物體吸收利用，所以氮素在植株根部的積累也較少。但石墨烯處理下氮素在杉木幼苗各器官中的分配不存在顯著差異。在杉木幼苗全株15N利用率方面，不同處理全株15N利用率均為25 mg·L-1＞20 mg·L-1＞30 mg·L-1＞CK1。胡梓超[38]研究發(fā)現(xiàn)納米碳可以緩解氮素在土壤中的淋溶，從而提高植物對氮素的利用率，與本研究結(jié)果一致。

林木生長及生理生化變化對施肥的響應(yīng)需要一個(gè)過程。本研究僅分析了石墨烯處理杉木幼苗60、120及180 d時(shí)的生長、生物量分配、根系形態(tài)、N素吸收及利用率的影響，至于后期石墨烯對苗木生長的影響，有待于進(jìn)一步觀測。除此之外，還應(yīng)進(jìn)一步開展不同濃度石墨烯對杉木幼齡林及中齡林生長影響的施肥試驗(yàn)，總結(jié)出一套可供生產(chǎn)應(yīng)用的杉木林石墨烯施肥技術(shù)，從而提高杉木林的施肥效果，達(dá)到增產(chǎn)、增效的目標(biāo)。

5 結(jié)論

本研究表明，石墨烯能促進(jìn)杉木優(yōu)良無性系“洋061”幼苗的生長，其生長、生物量和根系形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)為添加石墨烯處理普遍好于對照處理，各處理除莖干質(zhì)量和根體積外，其余指標(biāo)都表現(xiàn)在石墨烯濃度為25 mg·L-1的處理最大，但各處理之間不存在顯著差異。此外，氮素在杉木幼苗的各個(gè)器官中的分配表現(xiàn)為葉＞莖＞根，說明氮素主要集中在生命活動(dòng)和新陳代謝旺盛的器官中；不同處理全株15N利用率均表現(xiàn)為25 mg·L-1＞20 mg·L-1＞30 mg·L-1＞CK1，并與根系形態(tài)指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說明一定濃度的石墨烯有利杉木幼苗氮素的積累，且杉木幼苗根系形態(tài)對全株15N利用率影響較大，但不同濃度石墨烯處理差異不顯著。