叶面喷施碳量子点对玉米生长、产量及品质的影响

Effects of foliar application of carbon quantum dots on maize growth， yield and quality

摘要

研究叶面喷施不同浓度碳量子点（CDs）对玉米生长、产量和品质的影响，明确叶面喷施CDs的适宜浓度。采用单因素随机区组试验设计，于玉米6叶期、大喇叭口期和吐丝期喷施浓度（w）分别为0（Y_CK）、5.00%（Y_C1）、10.00%（Y_C2）、20.00%（Y_C3）和40.00%（Y_C4）的CDs。结果表明：前期喷施CDs对玉米生长的影响不明显，随着喷施次数增加可明显增加茎直径和干物质的积累量；Y_C3处理的叶绿素SPAD值、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO₂浓度与Y_CK的差异显著，在灌浆始期较Y_CK增加8.38%、801.15%、210.34%、254.13%和198.50%，在乳熟期较Y_CK增加6.36%、261.60%、103.33%、126.73%和185.09%；收获后Y_C3的穗行数、行粒数、百粒质量和产量较Y_CK增加4.81%、4.10%、5.21%和9.98%，籽粒粗蛋白质和粗脂肪含量较Y_CK增加6.54%和14.71%。因此，叶面喷施w（CDs）为20.00%时，能够增强玉米叶片光合能力，促进光合作用，对玉米产量和品质的提升具有明显的促进作用。

Abstract

This study investigated the effects of foliar application of carbon quantum dots （CDs） at different concentrations on maize growth， yield and grain quality， and identified the optimal application rate. A single-factor randomized complete block design was used. Foliar sprays of 0（Y_CK）， 5.00%（Y_C1）， 10.00%（Y_C2）， 20.00%（Y_C3） and 40.00%（Y_C4） CDs were applied at the 6-leaf stage， the large bell-mouth（pre-tasseling） stage， and the silking stage. The results show that early applications of CDs had little effect on maize growth， but stem diameter and dry matter accumulation increased markedly with successive sprays. At the onset of grain filling， the 20% CDs treatment （Y_C3） showed increases over the control （Y_CK） of 8.38% in SPAD （chlorophyll index）， 801.15% in net photosynthetic rate （P_n）， 210.34% in transpiration rate （T_r）， 254.13% in stomatal conductance （G_s）， and 198.50% in intercellular CO₂ concentration （C_i）. At the milk stage， the corresponding increases were 6.36%， 261.60%， 103.33%， 126.73%， and 185.09%. At harvest， Y_C3 increased the number of rows per ear， kernels per row， 100kernel weight， and grain yield by 4.81%， 4.10%， 5.21%， and 9.98%， respectively. Grain crude protein and crude fat contents increased by 6.54% and 14.71%， respectively. Therefore， foliar application of 20% CDs enhances leaf photosynthetic capacity and significantly improves maize yield and grain quality.

Graphical abstract

关键词

叶面喷施 / 碳量子点 / 玉米 / 产量 / 品质

Key words

foliar spraying / carbon quantum dots / maize / yield / quality

随着纳米技术的发展，碳量子点（carbon dots，CDs）作为一种新型的碳基纳米材料，因具有良好的生物相容性、稳定的光学特性以及低毒性等特点，在植物生长发育、光合作用、荧光成像等领域展现出广泛的应用潜力。相关研究表明：CDs在农业中的应用，主要体现在促进作物生长、提高光合效率、增强植物抗逆性^[1-5]；施加不同浓度的CDs后，可以经由植物根部吸收从而提高光合效率^[6-8]；可以通过增加叶绿素含量、加速电子传递、提高Rubisco酶活性等方式促进植物的光合作用^[8-10]；施加适量浓度CDs，可增强萝卜^[11]和丹参^[12]的抗氧化能力；施加质量浓度为0.066~0.132 g·L^-1的CDs可以分别提高生菜、番茄及卷心菜的根长^[13]；在盐胁迫下，施加CDs可消除部分盐胁迫下积累的活性氧（ROS），从而提高生菜抵抗盐胁迫的能力^[14]；在玉米营养生长阶段连续喷施质量浓度为50 mg·L^-1的CDs，可以提高生殖生长阶段玉米的净光合速率、碳水化合物积累量以及产量^[15]；利用废弃的蓝果忍冬叶制备CDs，通过叶面喷施可以提高蓝靛果实产量和果实品质^[16]。因此，碳量子点在农业领域具有巨大的应用潜力，能够作为一种有效的农业生物刺激剂。本试验以此为切入点，研究叶面喷施不同浓度CDs对玉米生长、光合特性、产量以及品质的影响，旨在筛选适宜的CDs叶面喷施浓度，为干旱风沙区玉米生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试玉米品种为先玉1225，购于市场；CDs由苏州大学提供。

1.2 试验设计

试验于2023年在宁夏吴忠市盐池县花马池镇夏记墩村开展。采用随机区组试验设计，分别于玉米6叶期、大喇叭口期和吐丝期进行叶面喷施CDs，共5个处理，3次重复，CDs浓度（w）分别为0（CK）、5.00%、10.00%、20.00%和40.00%，分别记为Y_CK、Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4，用液量为20.00 L·次^-1·667^-1 m^-2。每个处理采用宽窄行种植玉米6行，行长15.00 m，宽行距为0.60 m、窄行距为0.30 m，小区面积为40.50 m²。播种前结合整地施入腐熟羊粪2.00 m³·667^-1 m^-2、尿素12.00 kg·667^-1m^-2、磷酸二铵10.00 kg·667^-1 m^-2。于4月20日左右进行人工播种，播种密度为4 500~4 600株·667^-1 m^-2。播种后滴水出苗，灌水量为15~20 m³·667^-1 m^-2；于展叶期灌水3次，灌水量为20~25 m³·667^-1 m^-2，每次间隔15 d；于玉米吐丝后灌水6次，灌水量为25~27 m³·667^-1 m^-2，每次间隔10 d。于展叶期第1次灌水施尿素10.00 kg·667^-1 m^-2、复合肥（m_N∶m_{{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}}∶m_{{\mathrm{K}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}=19∶19∶19）5.00 kg·667^-1 m^-2；吐丝后第1次灌水施尿素8.00 kg·667^-1 m^-2、复合肥（m_N∶m_{{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}}∶m_{{\mathrm{K}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}=19∶19∶19）5.00 kg·667^-1 m^-2；吐丝后第4次灌水施尿素5.00 kg·667^-1 m^-2。田间除草、病虫害防治等管理措施同常规大田一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高、穗位高和茎直径的测定方法

在灌浆始期和乳熟期，每个处理定点选取具有代表性的玉米10株，使用卷尺测量地表至顶端的高度，记为株高；使用卷尺测量地表至穗位茎节处的高度，记为穗位高；使用游标卡尺测定基部第3节茎秆直径记为茎直径。

1.3.2 叶绿素含量（SPAD值）测定方法

在灌浆始期和乳熟期，每个处理随机选取具有代表性的玉米5株，采用SPAD-502 型PLUS叶绿素仪测定穗位叶（功能叶）相对SPAD值。

1.3.3 叶片光合参数测定方法

在灌浆始期和乳熟期，选择晴朗天气，于09：00—11：00利用A-3200型便携式光合仪测定穗位叶（功能叶）光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、胞间CO₂浓度（C_i）和气孔导度（G_s），每个处理测定5株。

1.3.4 叶绿素荧光参数测定方法

在灌浆始期和乳熟期，选择晴朗天气，利用叶绿素荧光仪测定穗位叶（功能叶）初始荧光（F_o）、最大荧光（F_m）、最大光化学效率（F_v/F_m）和潜在光化学活性（F_v/F_o），每个处理测定5株。

1.3.5 干物质积累量测定方法

在灌浆始期和乳熟期，每个处理选取具有代表性植株5株，将茎、叶片、雄穗和雌穗分离后，在105 ℃下杀青20 min，在80 ℃条件下烘干至质量恒定后称干物质质量。

1.3.6 产量及产量构成因素测定方法

在乳熟期，每个处理在中间一行随机选取具有代表性的连续的25个玉米穗，记录每穗穗行数；调查单行粒数，每穗5行，记录行粒数；25个玉米穗脱粒混合后，调查100粒的质量（g），每个处理重复5次，记录百粒质量。产量计算公式（按14%含水率折合成产量）：产量（kg·667^-1m^-2）=（穗数×穗行数×行粒数×百粒质量）/100 000。式中：100 000为单位换算系数；穗数为每667 m²的穗数。

1.4 数据处理

使用软件Excel 2016进行数据整理及绘图，利用软件DPS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施CDs对玉米生长的影响

由表1可知，叶面喷施CDs可以促进玉米生长。随着CDs叶面喷施浓度的增加，灌浆始期和乳熟期玉米的株高、茎直径和穗位高呈现先升后降的趋势。在灌浆始期，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的株高与Y_CK相比分别增加了2.61%、6.41%、8.56%和8.08%，各处理之间的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4处理的茎直径与Y_CK相比分别增加了5.21%、6.32%、12.82%和5.80%，Y_C3与Y_CK之间的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4处理的穗位高与Y_CK相比分别增加了1.95%、7.51%、6.47%和4.73%，Y_C2、Y_C3、Y_C4与Y_CK之间的差异有统计学意义。在乳熟期，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的株高与Y_CK相比分别增加了1.98%、5.63%、9.89%和5.09%，Y_C3与Y_CK之间的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的茎直径与Y_CK相比分别增加了1.47%、2.66%、5.66%和4.66%，各处理之间的差异没有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的穗位高与Y_CK相比分别增加了0.32%、2.45%、3.41%和0.67%，各处理之间的差异没有统计学意义。

2.2 叶面喷施CDs对叶片光合特性的影响

2.2.1 叶面喷施CDs对叶片SPAD值的影响

由图1可知，叶面喷施CDs可以提高叶片SPAD值，增强叶片光合能力。随着CDs喷施浓度的增加，灌浆始期和乳熟期的穗位叶SPAD值均呈先升高后下降的趋势。在灌浆始期，各处理的SPAD值均高于Y_CK，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的SPAD值与Y_CK相比分别增加了2.67%、6.67%、8.38%和7.05%，Y_C3的SPAD值最高，且与其他处理间的差异有统计学意义；在乳熟期，各处理的SPAD值均高于Y_CK，YC₃和YC₄的SPAD值显著高于Y_CK，较Y_CK分别增加了6.36%和4.05%，YC₃处理的SPAD值最高，且与其他处理间的差异有统计学意义。

2.2.2 叶面喷施CDs对叶片光合特性的影响

由表2可知，随着CDs喷施浓度的增加，在灌浆始期和乳熟期P_n、T_r、G_s和C_i均呈先升高后下降的趋势。在灌浆始期，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的P_n和T_r均显著高于Y_CK，P_n较Y_CK分别增加了248.28%、436.78%、801.15%和794.25%，T_r较Y_CK分别增加了58.62%、110.34%、210.34%和191.38%，其中Y_C3的P_n和T_r为最大值，分别达7.84、1.80 μmol∙m^-2∙s^-1；在乳熟期，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的P_n均显著高于Y_CK，P_n较Y_CK分别增加了41.83%、44.87%、261.60%和54.75%，T_r较Y_CK分别增加了15.00%、13.33%、103.33%和3.33%，其中Y_C3的P_n和T_r为最大值，分别达9.51、1.22 μmol∙m^-2·s^-1。与Y_CK相比，灌浆始期Y_C3的G_s和C_i均显著高于Y_CK，且为最大值，分别达43.77 mmol∙m^-2∙s^-1和256.26 μmol∙mol^-1，增幅分别为254.13%和198.50%；乳熟期Y_C3的G_s和C_i均显著高于Y_CK，且为最大值，分别达47.75 mmol∙m^-2∙s^-1和183.97 μmol·mol^-1，增幅分别为126.73%和185.09%。这说明随着CDs喷施浓度的增加，玉米的光合作用也在增强，且在w（CDs）为20.00%时光合作用最强。

2.2.3 叶面喷施CDs对叶片叶绿素荧光参数的影响

由表3可知，随着CDs喷施浓度的增加，在灌浆始期和乳熟期，穗位叶的F_o、F_m、F_v、F_v/F_m和F_v/F_o均呈先升高后下降的趋势。在灌浆始期，与Y_CK相比，Y_C3和Y_C4的F_o显著高于Y_CK，而Y_C3和Y_C4的差异没有统计学意义，Y_C3的F_o最大，较Y_CK增加了3.29%；Y_C2和Y_C3的F_m显著高于Y_CK，而Y_C2和Y_C3的差异没有统计学意义，Y_C3的F_m最大，较Y_CK增加了9.81%；Y_C2和Y_C3的F_v显著高于Y_CK，而Y_C2和Y_C3之间的差异没有统计学意义，Y_C2的F_v最大，较Y_CK增加了12.88%；各处理的F_v/F_m与Y_CK的差异有统计学意义，而各处理之间的差异没有统计学意义，Y_C3的F_v/F_m最大，较Y_CK增加了5.67%；Y_C2、Y_C3和Y_C4的F_v/F_o显著高于Y_CK，而Y_C2、Y_C3和Y_C4之间的差异没有统计学意义，其中Y_C3的F_v/F_o最大，较Y_CK增加了14.65%。在乳熟期，Y_C2和Y_C3的F_o显著高于Y_CK，Y_C3的F_o最大，较Y_CK增加了1.82%；Y_C3的F_m显著高于其他处理，较Y_CK增加了17.78%；Y_C3的F_v显著高于其他处理，较Y_CK增加了21.43%；Y_C3的F_v/F_m显著高于其他处理，较Y_CK增加了6.49%；Y_C3的F_v/F_o显著高于其他处理，较Y_CK增加了15.77%。

2.3 叶面喷施CDs对地上部分干物质积累量的影响

由表4可知，在灌浆始期和乳熟期喷施CDs对地上部分干物质（茎、叶、雄穗和雌穗）的积累有明显的促进作用，随着CDs喷施浓度的增加呈先升高后下降的趋势。在灌浆始期，Y_C3的茎干质量显著高于其他处理，达20.14 g·株^-1，较Y_CK增幅达21.03%；Y_C2的叶干质量显著高于其他处理，达38.96 g·株^-1，较Y_CK增幅达15.10%；Y_C3的雄穗干质量显著高于其他处理，达1.593 g·株^-1，较Y_CK增幅达17.30%；Y_C3的雌穗干质量显著高于其他处理，达20.53 g·株^-1，较Y_CK增幅达56.00%。在乳熟期，Y_C3的茎干质量达25.23 g·株^-1，较Y_CK增幅达26.98%，且与其他处理的差异有统计学意义；Y_C3的叶干质量显著高于其他处理，达39.01 g·株^-1，较Y_CK增幅达21.41%；Y_C3的雄穗干质量显著高于其他处理，达4.503 g·株^-1，较Y_CK增幅达29.32%；Y_C3的雌穗干质量显著高于其他处理，达222.90 g·株^-1，较Y_CK增幅达61.66%。

2.4 叶面喷施CDs对产量及产量构成因素的影响

由表5可知，在灌浆始期和乳熟期喷施CDs对玉米产量性状及产量的影响较明显。随着CDs叶面喷施浓度的增加，产量构成因素及产量呈先升高后下降的趋势。Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的穗行数显著高于Y_CK，较Y_CK分别增加了1.13%、6.65%、4.81%和4.81%，其中Y_C2的穗行数达最大值，且与其他处理的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的行粒数显著高于Y_CK，与Y_CK相比分别增加了1.40%、2.45%、4.10%和1.65%，Y_C3的行粒数达最大值，且与其他处理的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2和Y_C3的百粒质量显著高于Y_CK，较Y_CK分别增加了2.44%、2.47%、5.21%，其中Y_C3的百粒质量达最大值，且与其他处理的差异有统计学意义；Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的产量显著高于Y_CK，较Y_CK分别增加了6.10%、7.47%、9.98%和5.65%，其中Y_C3的产量达到最大值，且与其他处理的差异具有统计学意义。

2.5 叶面喷施CDs对籽粒品质的影响

由表6可知，叶面喷施CDs对粗蛋白质和粗脂肪含量（w）的提高有明显的促进作用。随着CDs叶面喷施浓度的增加，粗蛋白质和粗脂肪含量均呈先升高后下降的趋势。与Y_CK相比，Y_C1、Y_C2、Y_C3和Y_C4的w（粗蛋白质）分别增加了0.86%、1.85%、6.54%和4.20%，w（粗脂肪）分别增加了3.24%、5.88%、14.71%和14.41%。各处理中YC₃的w（粗蛋白质）和w（粗脂肪）均最高，分别达到8.63%和3.90%，且与其他处理的差异有统计学意义。

3 讨论

植株生长过旺会降低玉米抗倒伏能力，造成减产。试验发现，随着CDs叶面喷施浓度的增加，玉米株高、茎直径和穗位高呈先升高后下降的趋势。在灌浆始期，叶面喷施w为20.00%的CDs后，玉米株高、茎直径和穗位高差异不明显；在乳熟期，叶面喷施w为20.00%的CDs后，玉米株高、茎直径和穗位高显著增加。这说明前期喷施CDs对玉米生长的影响不明显，随着喷施次数增加可明显增加茎直径，从而减少玉米倒伏的风险，为提高玉米产量奠定基础。

叶绿素是参与光合作用的重要色素，叶绿素含量越高，光合作用越强^[17]。试验发现，叶面喷施CDs可以使叶片维持较高的叶绿素水平，增强叶片光合能力。随着CDs叶面喷施浓度的增加，灌浆始期和乳熟期穗位叶SPAD值均呈先升高后下降的趋势，叶面喷施w为20.00%的CDs后，穗位叶SPAD值与Y_CK相比差异显著，有效提高了穗位叶的SPAD值。植物体发出的荧光信号包含丰富的光合作用信息，可以用于作物产量潜力的预测^[18]。试验发现，随着CDs叶面喷施浓度的增加，灌浆始期和乳熟期穗位叶荧光参数均呈先升高后下降的趋势，叶面喷施w为20.00%的CDs后，穗位叶荧光参数与Y_CK相比差异显著，有效提升了玉米叶片光合速率。光合作用是作物干物质积累和产量形成的基础^[19]。试验发现，在灌浆始期和乳熟期，随着CDs叶面喷施浓度的增加，玉米穗位叶P_n、T_r、G_s和C_i均呈先升高再下降的趋势，地上部分（茎、叶、雄穗和雌穗）干物质质量也呈先升高后下降的趋势，叶面喷施w为20.00%的CDs后，穗位叶P_n、T_r、G_s和C_i以及地上部分干物质质量与Y_CK相比差异显著，有效促进了光合作用和玉米干物质的积累，为提高产量奠定了基础。

产量和品质是衡量一种栽培措施或技术手段的最重要指标，任何产量构成因素的改善均会促进产量的提高^[20-21]。试验发现，随着CDs叶面喷施浓度的增加，产量构成因素（穗行数、行粒数、百粒质量）、产量以及籽粒品质（粗蛋白质、粗脂肪含量）均呈先升高后下降的趋势。叶面喷施适宜浓度的CDs，增加了玉米的穗行数、行粒数、百粒质量、产量、粗蛋白质含量和粗脂肪含量，其中叶面喷施w为20.00%的CDs后，产量构成因素及产量较Y_CK显著增加4.96%、4.10%、5.21%和9.98%，w（粗蛋白质）和w（粗脂肪）较Y_CK显著增加6.54%和14.50%。因此，叶面喷施适宜浓度的CDs能够提高玉米产量和品质。

4 结论

前期喷施CDs对玉米生长的影响不明显，随着喷施次数增加可显著增加茎直径，提高叶片净光合速率，促进光合同化产物的积累，提高产量、粗蛋白质含量和粗脂肪含量。叶面喷施浓度为20.00%时，可显著提高玉米产量和品质。

参考文献

[1] 王磊.碳点在绿色农业技术变革中的应用进展[J].河南大学学报（自然科学版），2024，54（6）：631-645.

[2] 李亚东，许晓凯，李唯，等.荧光碳点调控植物光合作用研究进展[J].发光学报，2021，42（8）：1172.

[3] 刘振玲，李亚伟，杨涵越，等.碳点促进作物种子萌发及生长的机制研究[J].安徽农业科学，2021，49（24）：1-5.

[4] 杨涵越.氮掺杂碳点对玉米光合和抗旱性的机制研究[D].无锡：江南大学，2022.

[5] Guirguis A， Yang W R， Conlan X A，et al.Boosting plant photosynthesis with carbon dots： A critical review of perFormance and prospects[J].Small，2023，19（43）：2300671.

[6] 董梓豪.稀土螯合物掺杂荧光碳点对植物光合生理生化的影响及机制研究[D].临汾：山西师范大学，2022.

[7] 李璐.荧光碳点对绿豆、玉米生理生化的影响及机制研究[D].太原：山西师范大学，2023.

[8] Li Y D， Xu X K， Lei B F，et al.Magnesium-nitrogen Co-doped carbon dots enhance plant growth through multifunctional regulation in photosynthesis[J].Chemical Engineering Journal，2021，422：130114.

[9] 付宇佳，徐辉，邱凤奇，等.碳量子点调节植物光合固碳研究进展[J].现代化工，2024，44（8）：38-43.

[10] 徐兰青，程冰徐，王传洗.叶面喷施生物质碳点对玉米光合及产量的影响[J].生态环境学报，2023，32（12）：2166-2173.

[11] 王晓琼.生物质碳点对萝卜芽苗菜生长发育及次生代谢物质的影响[D].新乡：河南师范大学，2022.

[12] 李艳娟.荧光硅量子点的制备及其蔬菜生物学效应研究[D].广州：华南农业大学，2020.

[13] Kou E F， Yao Y Y， Yang X， et al.Regulation mechanisms of carbon dots in the development of lettuce and tomato[J].ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2021，9（2）：944-953.

[14] Li Y J， Li W， Yang X， et al. Salvia miltiorrhiza-derived carbon dots as scavengers of reactive oxygen species for reducing oxidative damage of plants[J].ACS Applied Nano Materials，2021，4（1）：113-120.

[15] Wang C X， Yang H Y， Chen F R， et al.Nitrogen-doped carbon dots increased light conversion and electron supply to improve the corn photosystem and yield[J].Environmental Science & Technology，2021，55（18）：12317-12325.

[16] Liu J L， Gang H X， Qin D，et al.Carbon quantum dots from fallen leaves of Lonicera caerulea L.： An innovative plant growth promoter and fruit quality enhancer[J]. Environmental Research，2025，274：121350.

[17] 曹娜，于海秋，王绍斌，等.高产玉米群体的冠层结构及光合特性分析[J].玉米科学，2006，14（5）：94-97.

[18] 巩擎柱，吕金印，徐炳成，等.水分胁迫和种植方式对小麦叶绿素荧光参数及水分利用效率的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2006，34（5）：83-87.

[19] 郑宝香.大豆表观光合作用遗传及其与产量关系的研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2008.

[20] 王霞.六种植物生长调节剂对玉米抗倒伏能力及其产量和品质的影响[D].新乡：河南科技学院，2016.

[21] 李东，赵晶晶，郑殿峰，等.植物生长调节剂对春玉米子粒建成及产量的影响[J].玉米科学，2016，24（6）：47-54.

基金资助

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BEG02006)