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杉木( Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook.)是我国南方最重要的速生用材树种。培育优质苗木是提高杉木林分质量的关键一环,施肥是培育优质苗木最重要的技术措施之一。目前针对杉木苗木施肥的研究主要集中在肥料种类选择[1-3]、施肥量[4-5]、施肥时间[6]以及施肥对土壤环境[7-10]、营养利用[5,10-11]和施肥利用率[12]等方面。此外,研究还发现不合理施肥会导致土壤pH值下降,造成土壤环境恶化和重金属积累等不良后果[13-14]。因此,制定科学合理的施肥措施促进苗木生长发育、提高肥料利用率,是目前林业经营过程中急需解决的技术难题之一。
石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的二维碳纳米材料,因其优异的光学、电气、力学特性,已在电子、生物医学、材料学、农业等领域得到较为广泛的应用[15]。石墨烯促进植物生长发育的机理已有较多研究。He等[16]研究发现,氧化石墨烯可以将水分收集运输至种子从而促进种子萌发。石墨烯可以进入植物组织细胞,从而可以改变植物的代谢活动,促进植物各器官的生长发育[17-18]。杨士等[19]研究表明,生物炭负载氧化石墨烯材料可以通过提高土壤pH值以及通过表面络合和沉淀等作用来有效阻控重金属的迁移。Yin等[20]研究也发现石墨烯可以缓解土壤重金属Cd2+对水稻芽和种子、根以及玉米幼苗生长的毒害效应。石墨烯在林业领域中的研究还处于起步阶段,姚建忠等[21]研究表明, 3 mg·L−1石墨烯处理可以促进欧洲山杨(Populus tremula L.)根系生长,而7.5 mg·L−1石墨烯处理对欧洲山杨的正常发育具有抑制作用。张晓等[18]研究表明,石墨烯处理可以促进白榆(Ulmus pumila L.)扦插苗叶、茎、根的生长。而有关石墨烯对杉木的影响研究尚未见相关报道。
15N示踪研究是根据15N丰度的变化研究氮素在生物体或环境中的运输转化规律[22],可有效区别植株吸收 N 素的来源——新施 N 肥和土壤 N 库,是研究植物 N 素营养及分配状况、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示踪法研究了毛竹[23] (Phyllostachys edulis (Carriere) J. Houzeau)、橡胶[24] (Hevea brasiliensis (Willd. ex A. Juss.) Muell. Arg.)、毛白杨[25] (Populus tomentosa Carrière)、楸树[26] (Catalpa bungei C. A. Mey.)等树种氮素吸收利用及分配情况和动态变化。有关采用15N示踪法探讨石墨烯施肥对杉木氮素的利用分配及利用率的影响研究尚未有报道。
为探讨石墨烯在林业施肥应用中的可行性,本研究以1年生杉木优良无性系“洋061”作为试验材料,分析添加不同浓度石墨烯(0、20、25、30 mg·L−1)对杉木幼苗生长、根系形态的影响;进一步利用15N示踪法分析杉木幼苗对氮素的吸收、利用和分配的变化,为革新杉木林传统施肥方式,提高施肥效率提供科学理论依据及技术支撑。
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供试苗木为福建省洋口国有林场生产的1年生杉木“洋061”扦插苗,平均地径为5.44±0.73 cm,平均苗高为29.32±3.17 cm。盆栽桶深度为24 cm,容量为10 L。盆栽土壤为黄心土,其化学性质如下: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学赵建国教授课题组提供。试验复合肥为美国瑞恩集团公司生产,肥效为N:P2O5:K2O比为16∶16∶16。15N铵态氮肥采购自上海信裕生物科技有限公司,丰度为99.12%。
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试验于2020年5月开始,2020年11月结束。试验采用完全随机区组设计,3个完全随机区组,每个区组5个处理(见表1),每个处理每个重复种植30株苗,共450株苗。为保证苗木成活,苗木移栽7 d内于每天傍晚对土壤补充水分,使土壤含水量处于田间持水量水平。培养7 d后,根据天气和苗木生长实际情况进行定量水分补充。苗木缓苗7 d后,在苗木四周开2 cm沟,均匀施入30 g复合肥、10 mg铵态氮同位素及不同浓度石墨烯溶液500 mL。其中CK2处理只用于同位素计算。试验期间,每隔2个月测定1次苗高、地径等生长指标并记录苗木生长状况。
试验处理
Treatment处理方式
Method of treatmentA1 石墨烯20 mg·L−1 + 复合肥30 g + 15N铵态氮10 mg A2 石墨烯25 mg·L−1 + 复合肥30 g + 15N铵态氮10 mg A3 石墨烯30 mg·L−1 + 复合肥30 g + 15N铵态氮10 mg CK1 复合肥30 g + 15N铵态氮10 mg CK2 复合肥30 g Table 1. Different concentrations of graphene treatment
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杉木苗高采用卷尺测定,地径采用游标卡尺测定。每个测试阶段各处理分别选取3株平均木,用自来水将苗木根部冲洗干净,再分别将苗木根、茎、叶分离,自然晾干后再置于烘干箱75 ℃烘干至恒质量,称质量记录数据。根据苗木地上部分与地下部分的绝干生物量计算苗木根茎比。
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用剪刀将洗净后的苗木全部根系剪下并用吸水纸吸干水分;再将根均匀放入根系扫描仪(EPSON EU-88)进行根系扫描;最后在WinRHIZO分析系统内计算根长、根直径、根体积和根表面积等数据指标。
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将植物样品过筛后称取4 mg放入锡纸杯中进行包膜,将其包成正四方体放入酶标盒中备用,使用时放入MAT-251(Finnigan,德国)稳定同位素质谱仪中进行测定,植株不同部位氮素积累量、氮素分配率、氮素利用效率等的计算参照文献[27]的方法,公式如下:
Ndff为植株器官从肥料中吸收分配到的氮量对该器官全氮量的贡献率(%),它反映了植株器官对肥料氮的吸收征调能力
15N的分配率为各器官中15N占全株15N总量的百分率,反映了肥料15N在树体内的分布及其在各器官间迁移的规律。
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原始数据采用Excel进行整理统计,采用SPSS.23软件对数据进行统计分析,对杉木幼苗生长指标、生物量指标、根系形态指标及15N吸收利用等数据进行单因素方差分析。根系形态、根15N分配率及全株15N利用率的相关性采用Person相关分析法。各指标数据的结果为平均值±标准差。
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由表2可知,不同浓度石墨烯处理可在一定程度上促进杉木幼苗苗高和地径的生长,且随着培养时间延长,促进效应逐渐增大。与对照CK1相比,25 mg·L−1石墨烯处理的幼苗苗高和地径最大;培育60、120、180 d时,苗高分别提高了9.30%、7.69%、3.26%,地径分别提高了4.83%、3.91%、7.65%。方差分析结果表明,除 25 、30 mg·L−1石墨烯处理在培育120 d后苗高存在显著性差异(P<0.05)外,其他处理间差异均未达到显著水平。
指标
Index试验处理
Treatment培育时间 Incubation time/d 60 120 180 苗高
Hight/cmA1 38.49±0.90 a 50.57±0.47 b 58.14±1.33 a A2 41.97±1.51 a 54.45±1.88 a 59.90±1.42 a A3 41.39±1.41 a 54.42±0.77 a 59.83±1.35 a CK1 38.40±2.53 a 50.56±1.63 b 58.01±0.70 a 地径
Ground
diameter/mmA1 6.02±0.29 a 8.20±0.38 a 8.39±0.23 a A2 6.29±0.23 a 8.51±1.03 a 9.01±0.37 a A3 6.02±0.04 a 8.25±0.29 a 8.52±1.07 a CK1 6.00±0.39 a 8.19±0.96 a 8.37±0.63 a 根干质量
Dry weight of
root/gA1 0.96±0.18 a 0.97±0.26 a 2.32±0.18 a A2 0.71±0.08 a 0.89±0.21 a 2.37±0.94 a A3 0.70±0.04 a 1.07±0.56 a 2.34±0.15 a CK1 0.66±0.12 b 0.88±0.04 a 1.71±0.83 a 茎干质量
Dry weight of
stem/gA1 5.80±0.39 a 5.62±1.48 a 8.92±1.07 a A2 4.76±1.04 a 5.72±0.27 a 8.43±1.49 a A3 4.56±0.83 a 6.24±0.26 a 8.25±0.18 a CK1 4.53±1.08 a 5.07±0.47 a 8.12±0.47 a 叶干质量
Dry weight of
leaves/gA1 6.56±0.57 a 9.60±2.26 a 10.45±0.73 a A2 6.06±1.10 a 8.02±0.60 a 12.04±0.82 a A3 5.23±0.91 a 9.42±1.80 a 10.85±1.65 a CK1 4.63±0.43 a 8.65±0.44 a 11.18±0.46 a 根茎比
Root-shoot
ratioA1 0.08±0.01 a 0.07±0.03 a 0.12±0.00 a A2 0.07±0.02 a 0.06±0.01 a 0.13±0.03 a A3 0.07±0.01 a 0.07±0.03 a 0.11±0.04 a CK1 0.07±0.01 a 0.06±0.01 a 0.09±0.04 a 注:不同小写字母表示相同天数下不同石墨烯处理的差异性(P<0.05)。A1、A2、A3、CK1分别代表浓度为20 mg·L−1、25 mg·L−1、30 mg·L−1、0 mg·L−1的石墨烯处理,下同。
Note: Different lowercase letters indicate differences in different graphene treatments on the same number of days (P<0.05). A1, A2, A3, CK1 represent a concentration of 20 mg·L−1、25 mg·L−1、30 mg·L−1、0 mg·L−1 Graphene treatment, the same below.Table 2. Growth and biomass of Chinese fir at different concentrations of Graphene
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由表2可以看出,不同浓度石墨烯处理对杉木幼苗生物量的影响较为一致,除20 mg·L−1石墨烯处理在茎干质量中表现为先降后增的趋势外,其余处理在根干质量、茎干质量、叶干质量中均表现为逐渐增长的趋势。培育60 d时,与对照CK1相比,25、30 mg·L−1石墨烯处理的根干质量分别增加了7.56%、6.06%,20 mg·L−1石墨烯处理则显著增加了45.45%;培养120 d时,25 mg·L−1石墨烯处理的叶干质量比对照CK1相比降低了7.28%;培养180 d时,20 、30 mg·L−1石墨烯处理的叶干质量与对照CK1相比分别降低了6.53%、2.95%。
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由表2可知,不同浓度石墨烯处理对杉木幼苗根茎比的影响较为一致。根茎比介于0.06~0.13之间。除30 mg·L−1石墨烯处理的根茎外,其余处理的根茎比均呈先降后增的趋势。培育180 d时,石墨烯处理的根茎比相比于对照分别增加了33.33%、44.44%、22.22%,不同处理之间差异不显著。
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由图1分析可知,同一石墨烯浓度处理下,随着培养时间的延长,除杉木幼苗根平均直径表现为下降趋势外,其他指标均表现为增长的趋势。不同石墨烯浓度处理下,同一培养时间杉木幼苗根长、根直径、根体积、根表面积等指标对石墨烯浓度的敏感性不同;就培养60 d而言,根长、根体积表现为随着浓度的增加呈逐渐降低的趋势,而根直径则表现为先增后降的趋势;培育180 d时,25 mg·L−1石墨烯处理的根长、根直径、根体积、根表面积与其他处理相比均为最大值。方差结果分析,各处理在杉木幼苗根系形态等指标中均不存在显著性差异。
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由图2可以看出,不同处理对杉木幼苗各器官15N的分配率影响并不一致。综合来看,杉木幼苗各器官15N分配率表现为叶>茎>根。不同处理杉木幼苗叶15N分配率除在30 mg·L−1石墨烯处理中随时间的增加呈增加趋势外,在其他不同处理中均呈先增后降趋势。叶15N分配率介于63.67%~74.47%之间,在不同培育阶段中的最大值分别出现在A2、CK1、A3处理中。与对照相比,不同处理杉木幼苗叶15N的分配率差异均未达到显著水平。
随培育时间的增加,不同处理杉木幼苗茎15N分配率均表现为下降趋势。茎15N分配率介于16.97%~30.44%之间。培育60 d后,20、25、30 mg·L−1石墨烯处理与对照相比茎15N分配率分别显著降低了6.87%、20.07%、20.07%(P<0.05)。
杉木幼苗根15N分配率随培育时间的增加均表现为先降后增的趋势。根15N分配率介于4.70%~9.61%之间。除25 mg·L−1石墨烯处理根15N分配率在施肥后60 d较对照降低18.51%外,其余时间中均表现为石墨烯处理高于对照处理,但不同处理间根15N分配率差异不显著。
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由表3可知,不同处理随培育时间的延长,杉木幼苗全株总氮量、15N 吸收量、15N利用率均呈增加趋势。在培育60 d与180 d后,石墨烯处理下的杉木全株15N吸收量显著高于对照处理。180 d后,20、25 mg·L−1石墨烯处理杉木全株15N利用率比对照显著增加了77.78%、78.70%(P<0.05),说明一定浓度的石墨烯能促进杉木幼苗对氮素的吸收,杉木幼苗15N利用率介于0.32%~1.93%之间,杉木幼苗对氮素的利用率不高。
培育时间
Incubation time/d试验处理
Treatment全株总氮量
Total nitrogen/mg15N吸收量
15N absorption/mg全株15N利用率
15N utilization/%60 A1 236.43±24.85 a 0.05±0.01 a 0.49±0.05 a A2 210.56±43.21 a 0.05±0.01 a 0.50±0.11 a A3 201.21±41.64 a 0.05±0.01 a 0.48±0.10 a CK1 176.05±25.35 a 0.03±0.01 b 0.32±0.05 a 120 A1 288.03±23.28 a 0.12±0.01 a 1.20±0.08 a A2 312.19±88.99 a 0.13±0.04 a 1.29±0.37 a A3 291.71±53.43 a 0.12±0.02 a 1.19±0.22 a CK1 282.46±15.90 a 0.10±0.01 a 1.02±0.05 a 180 A1 387.67±60.80 a 0.19±0.03 a 1.92±0.29 a A2 382.94±29.17 a 0.19±0.02 a 1.93±0.16 a A3 394.98±49.32 a 0.15±0.02 a 1.48±0.20 b CK1 346.05±24.95 a 0.11±0.01 b 1.08±0.09 b Table 3. 15N absorption and utilization of Chinese fir at different concentrations of Graphene
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从表4可以看出,除根长、根体积、根15N分配率与根直径呈负相关外,其他各指标间均呈显著或极显著正相关。这说明根系形态与全株15N利用率有密切联系,全株15N利用率对杉木幼苗的根系形态影响较大。
根长
Root length根直径
Root diameter根体积
Root volume根表面积
Root surface area根15N分配率
Root 15N distribution rate全株15N利用率
15N utilization根长 Root length 1 根直径 Root diameter -0.398* 1 根体积 Root volume 0.806** -0.536** 1 根表面积 Root surface area 0.795** 0.518** 0.871** 1 根15N分配率 Root 15N distribution rate 0.773** -0.185** 0.714** 0.629** 1 全株15N利用率 15N utilization 0.724** 0.543** 0.706** 0.794** 0.405* 1 Table 4. Correlation between root morphology, root 15N distribution rate and 15N utilization rate of Chinese fir
Effect of Different Concentrations of Graphene on the Growth, Root Morphology and 15N Uptake and Utilization of Cunninghamia lanceolata Seedlings
- Received Date: 2022-03-25
- Accepted Date: 2022-06-24
- Available Online: 2022-12-20
Abstract: