生物炭施用量對紫花苜蓿葉片PSⅡ光化學(xué)特性的影響

張進紅 吳波 王冉 王國良 賈春林 張清平

摘要：利用葉綠素?zé)晒鈨x測定了不同生物炭用量（0、0.5%、1%、2%、5%、10%）處理下紫花苜蓿葉片的快速熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線，并采用JIP-test方法分析和處理數(shù)據(jù)，旨在探明不同用量生物炭對苜蓿葉片光合性能的影響。結(jié)果表明，施用生物炭處理能顯著影響苜蓿葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線。0.5%生物炭處理降低了苜蓿葉片J點的相對可變熒光強度（Vj）、OJIP曲線的初始斜率（Mo）和單位反應(yīng)中心吸收、捕獲、耗散、用于電子傳遞、傳遞到電子鏈末端的能量（ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC、ETo/RC和REo/RC），提高了捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈Q(jìng)-A下游的其它電子受體的概率（Ψo）、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（φEo）、PSⅡ最大光化學(xué)效率（φPo）和以吸收光能為基礎(chǔ)的性能參數(shù)（PIabs）。1%～10%生物炭處理下苜蓿葉片各項指標較對照變化較小。因此施加0.5%生物炭能降低苜蓿葉片有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，改善苜蓿葉片PSⅡ受體側(cè)電子傳遞鏈性能，提高最大光化學(xué)效率，增強苜蓿葉片的光合性能；但隨著用量的增加，生物炭對苜蓿葉片光合性能的影響減弱。

關(guān)鍵詞：生物炭；施用量；紫花苜蓿；葉綠素?zé)晒?；PSⅡ

中圖分類號：S541+.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）09-0066-06

Abstract In order to investigate the effect of biochar application amount （0， 0.5%， 1%， 2%， 5% and 10%） on photosynthetic systemⅡ photochemical characteristics of alfalfa leaves， the rapid fluorescence induction kinetics curves （OJIP） were measured with chlorophyll fluorometer and analyzed with JIP-test. The results showed that biochar application amount could significantly change the OJIP curves of alfalfa leaves. Compared with the control， application of 0.5% biochar decreased the relative variable fluorescence at the J-step （Vj）， the approximated initial slope of fluorescence transient （Mo）， the energy used for absorption， capture， dissipation， electron transfer and transfer to electron transfer terminal， and increased the probability that a trapped exciton moves an electron into electron transport chain beyond Q-A （Ψo）， quantum yield for electron transport （φEo）， maximum quantum yield for primary photochemistry （φPo） and performance index on absorption basis （PIabs）. The change of indexes of alfalfa leaves under 1%～10% biochar treatment were smaller than those of control. Therefore， the application of 0.5% biochar caused the decrease of close degree of reaction center and the increase of performance of electron transfer chain in acceptor side of PSⅡ， improved the maximum photochemical efficiency and then improved the photosynthetic performance of alfalfa leaves. However， the improvement impact declined with the increase of biochar application amount.

Keywords Biochar； Application amount； Alfalfa； Chlorophyll fluorescence； Photosynthetic SystemⅡ

紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上廣泛種植的一種豆科牧草，不僅產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值豐富，而且適口性好，被譽為“牧草之王”。隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，苜蓿的種植面積越來越大，對苜蓿生產(chǎn)力的追求也越來越高[1]。光合作用是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，是其生產(chǎn)力構(gòu)成的最主要因素[2]。植物體內(nèi)發(fā)出的葉綠素?zé)晒馀c光合作用反應(yīng)過程緊密相關(guān)[3]。一方面，當(dāng)植物被暴露在過強的光照條件下，熒光起著十分重要的保護作用，避免葉綠體吸收光能超過光合作用的消化能力，將強光灼傷的損失降低到最??；另一方面，一般來說，自然條件下葉綠素?zé)晒夂凸夂纤俾适窍嗷ヘ撽P(guān)聯(lián)的，光合速率高，熒光弱；反之，當(dāng)光合強度下降時，則熒光的發(fā)射就增強[4，5]。隨著研究的深入，人們逐漸認識到快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線所包含的豐富和復(fù)雜的信息可以反映光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的原初光化學(xué)反應(yīng)和光合機構(gòu)狀態(tài)的變化。Strasser等[6]在生物膜能量流動的基礎(chǔ)上建立了針對快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的數(shù)據(jù)分析和處理方法——JIP-test。利用該方法可以獲得有關(guān)PSⅡ的光化學(xué)活性、電子傳遞和光合器官結(jié)構(gòu)與狀態(tài)等大量信息，為深入研究光合作用原初反應(yīng)提供了有力的工具[7-9]。

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下經(jīng)過高溫（<700℃）熱解形成的一類穩(wěn)定難溶、高度芳香化結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料[10，11]。近年來，生物炭以其固碳減排、改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量等眾多優(yōu)點引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[12-15]，但關(guān)于生物炭對苜蓿葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)特性方面的研究報道較少。本研究采用盆栽試驗，對不同生物炭用量處理下苜蓿葉片的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線進行測定，分析不同生物炭用量條件下苜蓿葉片光合性能指標的差異，以期探明苜蓿葉片光合性能對生物炭的生理反應(yīng)，為研究生物炭提高苜蓿產(chǎn)量的機理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自東營農(nóng)高區(qū)（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東營試驗示范基地）0～20 cm土層，風(fēng)干，過2 mm篩備用。砂壤土，有機質(zhì)含量為18.72 g/kg，堿解氮25.96 mg/kg，速效磷23.64 mg/kg，速效鉀720.0 mg/kg。生物炭為市場購買，有機質(zhì)含量為517.21 g/kg，堿解氮34.07 mg/kg，速效磷145.76 mg/kg，速效鉀6.90 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽法，于2017年8—9月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室中進行。稱取土壤1.2 kg，分別按質(zhì)量比0、0.5%、1%、2%、5%和10%加入生物炭（記為CK、B0.5、B1、B2、B5、B10），混合均勻后裝入直徑14.5 cm、深度13 cm的塑料盆缽中，加水飽和過夜后，播種魯苜1號紫花苜蓿。播深2 cm，出苗后毎盆定苗5株。每處理3次重復(fù)。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線測定 定苗6周后，每盆選取長勢良好、充分展開的葉片，于晴天上午11∶ 00至14∶ 00采用Yaxin-1161G葉綠素?zé)晒鈨x測定其快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線（OJIP曲線）。測定前葉片暗適應(yīng)30 min。OJIP曲線由3 000 μmol/（m2·s）的脈沖光誘導(dǎo)，熒光信號記錄從10 μs開始，至1 s 結(jié)束，記錄速率為每秒118個數(shù)據(jù)。

1.3.2 JIP-test分析 根據(jù)Strasser等[6]的方法，對獲得的OJIP曲線進行分析。所需參數(shù)為Fo（20 μs時熒光，O相）、Fk（300 μs時熒光，K相）、Fj（2 ms時熒光，J相）、Fi（30 ms時熒光，I相）、Fm（最大熒光，P相）；J點的相對可變熒光Vj；可變熒光Fk占Fj-Fo振幅的比例Wk；OJIP曲線的初始斜率Mo；捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的概率Ψo；用于電子傳遞的量子產(chǎn)額φEo；吸收的能量能傳遞到電子鏈末端的量子產(chǎn)率φRo；捕獲的能量能傳遞到電子鏈末端的量子產(chǎn)率ρRo；PSⅡ最大光化學(xué)效率φPo；單位反應(yīng)中心吸收的光能ABS/RC；單位反應(yīng)中心捕獲的能量TRo/RC；單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量ETo/RC；單位反應(yīng)中心耗散掉的能量DIo/RC；單位反應(yīng)中心傳遞到電子鏈末端的能量REo/RC；以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)PIabs。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析均在Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0 軟件下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭用量處理對苜蓿葉片OJIP曲線的影響

生物炭處理顯著降低了苜蓿葉片OJIP曲線各點熒光產(chǎn)額（圖1），其中，O、J、I和P四點的熒光強度較CK分別降低19.38%～23.75%、13.25%～30.12%、6.53%～29.86%、6.75%～ 30.41%，且降低幅度隨著生物炭用量的增加而增加。

2.2 不同生物炭用量處理對苜蓿葉片PSⅡ供/受體側(cè)的影響 與CK相比，B0.5和B10處理的Wk、Vj和Mo分別降低10.52%、15.60%、24.48%和20.17%、8.25%、26.94%；與之相反，B0.5處理的Ψo和φEo分別升高6.57%和10.47%；其它處理變化不明顯（圖2）。不同用量生物炭處理間Vj、Ψo無顯著差異，Mo和Wk隨著生物炭用量的增加呈先增加后降低的趨勢，φEo呈降低趨勢，B10處理的φEo僅為B0.5處理的90.43%。

2.3 不同生物炭用量處理對苜蓿葉片單位反應(yīng)中心光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的影響

由表1可知，B0.5和B10處理苜蓿葉片ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC較CK分別降低13.66%、10.00%、4.42%、25.00%和17.56%、20.00%、17.70%、6.82%，其它生物炭處理無明顯變化。除B1處理外，不同生物炭處理苜蓿葉片單位REo/RC顯著低于對照。隨著生物炭用量的增加，苜蓿葉片ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC、ETo/RC和REo/RC呈先增加后降低的趨勢。不同處理間φRo、ρRo變化不顯著。

2.4 不同生物炭用量處理對苜蓿葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率（φPo）和以吸收光能為基礎(chǔ)的光合性能指數(shù)（PIabs）的影響

B0.5和B1處理苜蓿葉片的φPo較CK分別提高3.85%和5.13%，B10處理降低2.56%，B2和B5處理無明顯變化。隨著生物炭施入量的增加，苜蓿葉片φPo呈先增加后逐漸降低趨勢，B10處理的φPo僅為B0.5處理的93.83%（圖3）。

CK苜蓿葉片以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)（PIabs）最低，僅為4.25，B0.5處理最高，為 CK的1.74倍。其它各處理間無顯著差異。

3 討論

葉綠素?zé)晒獾淖兓梢栽谝欢ǔ潭壬戏从抄h(huán)境因子對植物的影響，通過對不同環(huán)境條件下快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的分析，可深入了解環(huán)境因子對植物光合機構(gòu)主要是PSⅡ反應(yīng)中心的影響以及光合機構(gòu)對環(huán)境的適應(yīng)機制[16，17]。本研究利用JIP-test方法，對獲得的OJIP曲線進行分析，主要分析PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)以及反應(yīng)中心的變化，進而探討生物炭用量對苜蓿葉片光合機構(gòu)的影響。

3.1 生物炭對苜蓿葉片PSⅡ供/受體側(cè)的影響

當(dāng)PSⅡ供體側(cè)受到傷害時，放氧復(fù)合體（OEC）被抑制，經(jīng)過極短時間，葉綠素?zé)晒庋杆偕仙霈F(xiàn)K點，故K點可作為OEC受傷害的一個特殊標記，并將此相的相對熒光值（Wk）的升高程度作為OEC被破壞的程度[18，19]。在本試驗中，除10%用量處理外，不同生物炭處理下的苜蓿葉片Wk較CK無顯著差異，說明不同生物炭用量處理對苜蓿葉片PSⅡ反應(yīng)中心供體側(cè)OEC無明顯影響，OEC處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。

PSⅡ受體側(cè)主要包括QA、QB、PQ庫等，而 Mo、Vj、Ψo、φEo等參數(shù)能夠反映PSⅡ受體側(cè)的變化[17，20]。其中，Vj代表有活性反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，J點熒光的上升表明QA的大量積累；Ψo作為評價PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞鏈性能強弱的重要指標，受PSⅡ供/受體側(cè)電子供應(yīng)和接收能力的限制[21，22]。本試驗中，0.5%生物炭處理降低了苜蓿葉片有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，反應(yīng)中心吸收用于還原QA的光能減少，更多的能量用于電子傳遞，使得QA被還原的速率減慢（Mo），Q-A的積累相對降低，從而PSⅡ受體側(cè)有更多的電子從Q-A進入下游電子傳遞鏈，即PSⅡ受體側(cè)電子傳遞能力相對增強，因此0.5%生物炭處理下苜蓿葉片PSⅡ受體側(cè)有效能量傳遞效率增大，PSⅡ受體側(cè)活性有所提高，有利于捕獲的光能在光合結(jié)構(gòu)中的傳遞和轉(zhuǎn)化，促進光化學(xué)反應(yīng)的進行。

3.2 生物炭對苜蓿葉片光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的影響

利用JIP-test方法可得到光合機構(gòu)的比活性，即單位反應(yīng)中心的各種量子效率，能夠更確切地反映植物光合器官對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和耗散情況[23]。在本試驗中，總體來說，對照處理苜蓿單位反應(yīng)中心吸收、捕獲、電子傳遞、傳遞到電子鏈末端的量子效率（ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和REo/RC）高于不同用量生物炭處理，但單位反應(yīng)中心的耗散量子效率（DIo/RC）同樣是對照處理偏高，最終導(dǎo)致對照與不同用量生物炭處理苜蓿葉片單位反應(yīng)中心吸收的能量能傳遞到電子鏈末端的概率（φRo）以及捕獲的能量能傳遞到電子鏈末端的概率（ρRo）差異不顯著，說明生物炭對苜蓿葉片單位反應(yīng)中心光合效率影響不顯著[17]。推測0.5%生物炭施入后苜蓿葉片是通過激活未激活的反應(yīng)中心、降低有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度來提高PSⅡ整體光合性能。

3.3 生物炭對苜蓿葉片φPo和 PIabs的影響

φPo代表PSⅡ最大光化學(xué)效率，是衡量植物光合性能的重要指標，PIabs包含了RC/ABS、Ψo 和φPo三個獨立參數(shù)，可以衡量PSⅡ整體性能，能夠準確全面地反映植物光合機構(gòu)的狀態(tài)[24，25]。本試驗中，施用0.5%生物炭使苜蓿葉片最大光化學(xué)效率提高，PSⅡ潛在活性和光合作用原初反應(yīng)增強，從而促使其整體的光合性能增強，可能原因是少量生物炭施入鹽漬化土壤后可降低土壤容重，改善土壤的板結(jié)現(xiàn)象，增強土壤的保水性[2，6，7]，但隨著生物炭用量的增加，φPo和PIabs并未表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，這與一定量生物炭可提高花生葉片光合性能的研究結(jié)果一致[4]。

4 結(jié)論

施用生物炭能顯著影響苜蓿葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線變化。0.5%生物炭處理對苜蓿葉片PSⅡ供體側(cè)OEC影響不顯著，但可以降低苜蓿葉片有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，改善苜蓿葉片PSⅡ受體側(cè)電子傳遞鏈性能，提高最大光化學(xué)效率，增強PSⅡ潛在活性和光合作用原初反應(yīng)，增強整體的光合性能，但隨著用量的增加，生物炭對苜蓿葉片光合性能的影響減弱。

參 考 文 獻：

[1] 劉東霞， 劉貴河， 楊志敏. 種植及收獲因子對紫花苜蓿干草產(chǎn)量和莖葉比的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報， 2015， 24（3）：48-57.

[2] 萬素梅， 賈志寬， 楊寶平. 苜蓿光合速率日變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 草地學(xué)報， 2009， 17（1）： 27-31.

[3] 徐德聰， 呂芳德， 栗彬， 等. 不同品種美國山核桃葉綠素?zé)晒馓匦缘谋容^[J]. 果樹學(xué)報， 2008， 25（5）： 671-676.

[4] 楊勁峰， 魯豫， 劉小華， 等. 施用炭基緩釋肥對花生光合功能的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2017， 23（2）：408-415.

[5] 李曉， 馮偉， 曾曉春. 葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)及應(yīng)用進展[J]. 西北植物學(xué)報， 2006， 26（10）： 2186-2196.

[6] Strasser R J， Srivastava A， Tsimilli-Michael M. The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples[M]//Yunus M， Pathre U， Mohanty P （eds）. Probing Photosynthesis： Mechanism， Regulation and Adaptation. London： Taylor and Francis Press， 2000： 445-483.

[7] Brestic M， Zivcak M， Kalaji H M， et al. Photosystem Ⅱ thermostability in situ： environmentally induced acclimation and genotype-specific reactions in Triticum aestivum L.[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2012， 57（8）： 93-105.

[8] 李旭新， 劉炳響， 郭智濤， 等. NaCl脅迫下黃連木葉片光合特性及快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2013， 24（9）： 2479-2484.

[9] Van Heerden P D R， Tsimilli-Michael M， Krüger G H J， et al. Dark chilling effects on soybean genotypes during vegetative development： parallel studies of CO2 assimilation， chlorophyll a fluorescence kinetics O-J-I-P and nitrogen fixation[J]. Physiologia Plantarum， 2003， 117（4）： 476-491.

[10] 趙建坤， 李江舟， 杜章留， 等. 施用生物炭對土壤物理性質(zhì)影響的研究進展[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報， 2016， 32（3）： 95-101.

[11] 趙蘭鳳， 張新明， 程根， 等. 生物炭對菜園土壤微生物功能多樣性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報， 2017， 37（14）： 4754-4762.

[12] 陳威， 胡學(xué)玉， 張陽陽， 等. 水稻秸稈熱解生物炭固碳潛力估算[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2015， 38（11）： 265-270.

[13] 袁晶晶， 同延安， 盧紹輝， 等. 生物炭與氮肥配施對土壤肥力及紅棗產(chǎn)量、品質(zhì)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2017， 23（2）： 468-475.

[14] 王光飛， 馬艷， 郭德杰， 等. 不同用量秸稈生物炭對辣椒疫病防控效果及土壤性狀的影響[J]. 土壤學(xué)報， 2017， 54（1）： 204-215.

[15] 王艷芳， 相立， 徐少卓， 等. 生物炭與甲殼素配施對連作平邑甜茶幼苗及土壤環(huán)境的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2017， 50（4）： 711-719.

[16] 王帥， 韓曉日， 戰(zhàn)秀梅， 等. 氮肥水平對玉米灌漿期穗位葉光合功能的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2014， 20（2）： 280-289.

[17] 楊鑫， 張啟超， 孫淑雲(yún)， 等. 水深對苦草生長及葉片PSⅡ光化學(xué)特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2014， 25（6）：1623-1631.

[18] Strasser R J， Gocindjee S A. Polyphasic chlorophyll a fluorescencetransient in plants and cyanobacteria [J]. Photochemistry and Photobiology， 1995， 61（1）： 32-42.

[19] 楊宋琪， 王麗娟， 謝婷， 等. 氮源對杜氏鹽藻生長及光合系統(tǒng)Ⅱ的影響[J]. 西北植物學(xué)報， 2017， 37（7）： 1397-1403.

[20] 高杰， 張仁和， 王文斌， 等. 干旱脅迫對玉米苗期葉片光系統(tǒng)Ⅱ性能的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2015， 26（5）： 1391-1396.

[21] 焦念元， 李亞輝， 李法鵬， 等. 間作玉米穗位葉的光合和熒光特性[J]. 植物生理學(xué)報， 2015， 51（7）： 1029-1037.

[22] 鄭賓， 趙偉， 徐錚， 等. 不同耕作方式與氮肥類型對夏玉米光合性能的影響[J]. 作物學(xué)報， 2017， 43（6）： 925-934.

[23] 韓燕青， 劉鑫， 胡維平， 等. CO2濃度升高對苦草（Vallisneria natans）葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J]. 植物研究， 2017， 37（1）： 45-51.

[24] Appenroth K J， Stckel J， Srivastava A， et al. Multiple effects of chromate on the photosynthetic apparatus of Spirodela polyrhiza as probed by OJIP chlorophyll a fluorescence measurements[J]. Environmental Pollution， 2001， 115（1）： 49-64.

[25] 李鵬民， 高輝遠， Reto J Strasser. 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用[J]. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報， 2005， 31（6）： 559-566.

[26] 安艷， 姬強， 趙世翔， 等. 生物質(zhì)炭對果園土壤團聚體分布及保水性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2016， 37（1）： 293-300.