納米碳對玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影響

李淑敏，馬 辰，李麗鶴，張愛媛，韓曉光，王 飛，王德江，鄭成彧，毛睿麟

（東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

納米碳對玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影響

李淑敏，馬 辰，李麗鶴，張愛媛，韓曉光，王 飛，王德江，鄭成彧，毛睿麟

（東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

為揭示納米碳對作物生長的促進作用機理，以玉米東農(nóng)253為試驗材料，通過設(shè)置不同供氮水平，利用盆栽試驗研究納米碳對玉米氮素吸收及根系活力的影響。結(jié)果表明，N1+C（施氮150 mg·kg-1+納米碳）、N2+C（施氮200 mg·kg-1+納米碳）和N0+C（不施氮+納米碳）處理的玉米植株生物量比N1（施氮150 mg·kg-1）、N2（施氮200 mg·kg-1）和N0（不施氮）分別增加4%、12.29%和32.60%；吸氮量比不添加納米碳分別增加9.09%、8.33%和42.86%。除此之外，納米碳的添加對玉米根系活力和土壤酶活性有促進作用，其中添加納米碳處理的玉米根系活力分別增加2.2倍、2.3倍和1.9倍，根際土壤脲酶分別增加7.89%、28.26%和28.57%。由此可見，納米碳可提高玉米根系活力，促進氮素吸收，從而促進玉米植株生長。

納米碳；玉米；氮素吸收；根系活力；土壤酶

過量施肥導致養(yǎng)分利用效率降低，據(jù)報道，2012年我國化肥消費量已達5 838.8×104t[1]。由于大量施用化學肥料，出現(xiàn)肥料利用率低、導致水體污染、臭氧層破壞[2]和加劇溫室效應[3]等環(huán)境問題。因此，合理、高效施用化肥，提高肥料利用效率，成為當前急需解決的重要問題。

納米碳作為一種具有宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和表面與界面效應的小尺度納米材料，在提高作物養(yǎng)分利用效率，促進作物生長發(fā)育方面的良好效果已在多種作物上顯現(xiàn)[4]。劉鍵等首次將納米碳應用到肥料中，通過蔬菜作物的多點田間試驗結(jié)果表明，產(chǎn)生明顯增產(chǎn)效果，可使蔬菜增產(chǎn)20%～40%，且在同等產(chǎn)量水平下可節(jié)肥30%～50%，同時促進蔬菜提早成熟[5]。武美燕等研究表明，在緩釋肥料中添加納米碳，能促進水稻分蘗形成，增加孕穗期葉綠素含量，促進水稻干物質(zhì)的形成和有效穗、每穗粒數(shù)增加，使水稻增產(chǎn)、氮肥利用率提高[6]。王佳奇等研究發(fā)現(xiàn)，納米碳增效劑能促進玉米種子萌發(fā)和生長，對玉米幼苗生長和發(fā)育也有明顯促進作用[7]。納米碳增效劑對作物生長，發(fā)育以及養(yǎng)分吸收有明顯作用。但是大量研究都集中在納米碳對作物生長和產(chǎn)量的影響，納米碳增效劑對作物生長和養(yǎng)分吸收促進作用機理尚不清楚。

本試驗以玉米為研究對象，通過設(shè)置不同供氮水平，添加納米碳增效劑，探究納米碳增效劑對玉米幼苗根系活力、土壤酶活性及玉米氮素吸收的影響，為進一步揭示納米碳促進作物生長和養(yǎng)分吸收的機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與方法

試驗于2013年4月21日～6月13日在東北農(nóng)業(yè)大學園藝試驗站進行。選用籽粒成熟飽滿一致的玉米種子2粒播種到塑料容器內(nèi)，待出苗后保留1株玉米。試驗設(shè)3個供氮水平，每個供氮水平設(shè)添加納米增效劑和不添加納米碳兩個處理，分別為，不施氮肥（N0），施純氮150 mg·kg-1（N1），施純氮200 mg·kg-1（N2）；施氮150 mg·kg-1+納米碳增效劑（N1+C）；施氮200 mg·kg-1+納米碳增效劑（N2+C）；不施氮肥+納米碳增效劑（N0+C）。試驗共設(shè)置6個處理，試驗所用氮肥為硝酸銨，每個處理8次重復。

除氮肥存在差異外，所用處理施磷肥（KH2PO4以P2O5計算）量為100 mg·kg-1，施鉀肥（K2SO4以 K2O計算）量為150 mg·kg-1，施Mg為50 mg·kg-1（MgSO4·7H2O以Mg計算），施微量元素肥料為Fe、Mn、Cu、Zn，分別為5 mg·kg-1，所用肥料分別為FeSO4·7H2O、MnSO4·H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O。其中N、P、K、Mg在播種前與土壤混合均勻作基肥1次性施入，納米碳與肥料混合均勻后隨肥料同時施入，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn以營養(yǎng)液形式澆灌。

本試驗中所添加的納米碳由華龍肥料技術(shù)有限公司提供。需要添加納米碳的處理，添加量為該處理施肥總質(zhì)量的3‰。

供試土壤為沙土，將土壤過2 mm篩后裝盆內(nèi)。土壤基礎(chǔ)肥力為：全氮2.64 g·kg-1；堿解氮55.56 mg·kg-1；速效磷60.14 mg·kg-1；速效鉀52.01 mg·kg-1。

供試玉米品種為東農(nóng)253。

1.2 樣品采集及測定方法

在試驗前（未施肥處理），采集土壤，自然風干，測定土壤基礎(chǔ)肥力。

SPAD值：在玉米長出第7片葉片時，采用日本產(chǎn)SPAD-502葉綠素快速測定儀，測定莖上第5片葉片的葉綠素值，每個葉片分別在上、中、下部位測定3次，取其平均值。

植株樣品分析：生長后55 d收獲，將地上部分和根系分開，并用水小心沖出根系，然后將莖葉與根系分開裝入紙袋。將植株樣品于烘箱中105℃殺青30 min，再在80℃中烘干至恒重，測其干物質(zhì)質(zhì)量，放于干燥處保存。

植株含氮量測定：將烘干后的植株樣品粉碎，過0.25 mm篩，用濃H2SO4-H2O2消煮，分別測植株和根系中氮含量，全氮采用半微量凱氏定氮法[8]。

根系活力測定：將玉米植株的根洗凈，采用TTC法測定其根系活力[9]。

土壤酶活性測定：土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[10]。

根系活力用ttf μg·g-1·h-1表示，土壤脲酶用NH4-N mg·g-1·h-1表示，土壤蔗糖酶用葡萄糖mg·g-1·h-1表示，土壤過氧化氫酶用0.1 mol KMnO4mL·g-1表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013軟件進行，方差分析采用SPSS 19軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平下納米碳增效劑對玉米干重的影響

各處理對玉米地上部干重的影響見圖1A。隨施氮量增加，玉米地上部干重顯著增加。在施氮量相同情況下，肥料中添加納米碳處理的玉米植株干重均顯著高于不添加納米碳處理。在施氮量為200 mg·kg-1，加入納米碳增效劑（N2+C）處理時，植株地上干重達最大值，為3.27 g·株-1，與不施納米碳（N2）處理相比，增加10.01%。在施氮量為150 mg·kg-1時，添加納米碳增效劑（N1+C）處理對玉米生長有促進作用，植株干重達2.97 g·株-1，比不施納米碳（N1）處理相比，增加2.06%；在不施氮肥處理中，添加納米碳比不添加納米碳地上干重增加42.23%。由此可見，在肥料中添加納米碳增效劑促進玉米生長，尤其在施肥水平低的情況下，納米碳對玉米生長促進作用最明顯。

納米碳增效劑對玉米根系生長影響與地上部有相同趨勢（見圖1B）。在施氮量為200 mg·kg-1時，添加納米碳增效劑處理玉米根系干重最高，為1.39 g·株-1，與不添加納米碳（N1）相比，增加17.80%；在施氮量為150 mg·kg-1時，玉米根系干重表現(xiàn)為納米碳增效劑與不添加納米碳（N2+C）處理相比，增加9.17%；當不施氮肥時，納米碳對根系生長促進作用最顯著，比不添加納米碳處理增加14.74%。

從生物量來看，納米碳對玉米整個植株生長有明顯的促進作用。除施氮150 mg·kg-1的處理間差異不顯著外，其余處理添加納米碳處理與不添加納米碳處理間均存在顯著差異。N2+C處理的玉米植株總體重量比N2處理增加12.29%。N1+C處理比N1處理增加4%。N0+C處理比N0處理增加32.60%。

圖1 納米碳增效劑對玉米干重的影響Fig.1 Effect of Nano-carbon on maize dry weight

2.2 納米碳增效劑對玉米氮素吸收的影響

不同供氮水平下，添加納米碳增效劑使玉米地上部和根系的含氮量和吸氮量都有顯著增加（見表1）。

本試驗玉米地上部分和根系含氮量最大值均出現(xiàn)在N2+C處理；各個供氮水平處理，除N1+C 與N1處理的地上部分含氮量無顯著差異外，添加納米碳處理的玉米地上部和根系含氮量均顯著高于不添加納米碳處理。在施氮量為200 mg·kg-1并添加納米碳增效劑（N2+C）時，玉米氮積累量最高為0.13 g·株-1，比不添加納米碳處理（N2）增加8.33%；在施氮量為150 mg·kg-1并添加納米碳增效劑（N1+C）時，玉米氮積累為0.12 g，比不添加納米碳處理（N1）增加9.09%。不施氮處理中，納米碳增效劑對玉米吸收和積累亦有顯著作用，添加納米碳處理（N0+C）比不添加處理（N0）的氮積累量增加42.86%。因此納米碳增效劑對玉米氮素吸收和積累有促進作用。

表1 納米碳增效劑對玉米地上部和根系氮素吸收的影響Table 1 Effect of Nano-carbon synergist on aerial part nitrogen uptake by maize

2.3 不同氮水平下納米碳增效劑對玉米葉片SPAD值的影響

由圖2可知，玉米葉片氮素含量與葉SPAD值呈正相關(guān)，可用SPAD值估算全氮含量從而診斷玉米氮營養(yǎng)狀況[11]。添加納米碳處理玉米葉片SPAD值明顯高于不添加納米碳處理。施氮200 mg·kg-1的處理，添加納米碳處理（N2+C）與不添加納米碳處理（N2）相比差異顯著，N2+C處理的SPAD值比N2處理增加7.36%；施氮150 mg·kg-1的處理，添加納米碳處理（N1+C）與不添加納米碳處理（N1）相比差異顯著，N1+C處理的SPAD值比N1增加8.17%；不施氮處理同樣差異顯著，添加納米碳處理（N0+C）比不添加處理(N0)的氮積累量增加11.10%。由此可見，納米碳增效劑能夠提高玉米葉綠素含量，進一步說明納米碳增效劑對玉米氮吸收具有促進作用。

2.4 納米碳增效劑對根系活力和土壤酶活性的影響

如表2所示，不同供氮水平對玉米根系活力無顯著影響，但納米碳顯著提高玉米根系活力。在施氮200 mg·kg-1的處理中，添加納米碳處理（N1+ C）的根系活力是不添加納米碳處理（N1）的2.2倍；施氮150 mg·kg-1的處理，N2+C處理根系活力是N2處理的2.3倍；不施氮處理同樣差異極顯著，N0+ C是N0處理根系活力的1.9倍。由此可見，納米碳增效劑對玉米根系活力的影響顯著，可促進玉米對養(yǎng)分的吸收。

圖2 納米碳增效劑對玉米葉片SPAD值的影響Fig.2 Effect of Nano-carbon synergist on SPAD value of maize

表2 納米碳增效劑對根系活力和土壤酶的影響Table 2 Effect of Nano-carbon synergist on root activity of maize and soil enzyme activities

由表2可知，各處理間差異顯著。施氮200 mg·kg-1處理玉米根系土壤脲酶活性要高于施氮150 mg·kg-1處理和不施氮處理。添加納米碳處理的脲酶活性要高于不添加納米碳處理。在施氮200 mg·kg-1處理中，N2+C處理的脲酶活性比N2增加28.26%，且N1+C數(shù)值在試驗中最高；施氮150 mg·kg-1處理中，N1+C處理比N1處理增加7.89%；不施氮處理中，N0+C處理比N0+C處理高28.57%。因此，可看出納米碳增效劑能夠增強土壤脲酶活性。

由表2可知，不同氮水平間土壤蔗糖酶和土壤過氧化氫酶均存在差異性；相同氮水平下，添加納米碳與不添加納米碳處理間差異顯著。N2+C處理的土壤蔗糖酶和土壤過氧化氫酶均為最大值；在氮200 mg·kg-1的處理中，N2+C處理與N2處理相比，土壤蔗糖酶和土壤過氧化氫酶均高于不添加納米碳處理（N2），分別高15.97%和6.11%；在施氮150 mg·kg-1的處理中，亦是添加納米碳處理的土壤蔗糖酶和土壤過氧化氫酶活性高于不添加納米碳的處理，N1+C與N1相比分別增加19.02% 和9.49%；在不施氮處理中，N0+C處理比N0處理分別增加16.92%和6.45%?？梢姡{米碳能夠促進土壤蔗糖酶和土壤過氧化氫酶活性。

3 討論與結(jié)論

本研究通過設(shè)置不同氮水平且添加納米碳增效劑，研究納米碳對玉米氮素吸收的促進作用，結(jié)果表明，添加納米碳增效劑能明顯促進玉米生長，提高玉米對氮素的吸收和利用，節(jié)肥作用明顯。劉鍵等根據(jù)常規(guī)施肥優(yōu)化量在節(jié)氮30%～50%，添加納米碳增效劑顯著增加水稻產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[12]。本試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米碳同樣能有效增加玉米生物量，與劉鍵研究結(jié)果[2]一致。

分析納米碳促進作物生長的原因，可能由于其表面效應和小尺寸效應，能增強對肥料的吸附性能，減少肥料流失、淋失和固定；溫善菊研究表明，納米材料能夠促進植物對N、P、K等養(yǎng)分的吸收[13]。本試驗研究結(jié)果表明，納米碳可提高玉米對氮素的吸收和利用，在本試驗中添加納米碳處理玉米植株吸氮量比不加納米碳處理玉米植株吸氮量平均增加20.1%。由于玉米吸氮量增加，導致添加納米碳處理的玉米生物量高于不加納米碳處理。

葉片SPAD值與產(chǎn)量、吸氮量及生物量呈顯著相關(guān)，進一步測定玉米葉片SPAD值，本研究結(jié)果表明，添加納米碳處理的玉米葉片SPAD值高于相應不加納米碳處理，由于添加納米碳后，葉片氮濃度增加，導致葉片SAPD值升高，由此可見，添加納米碳后，植株葉綠素含量增加。

劉安勛研究表明，納米材料可改變水分子結(jié)構(gòu)和能態(tài)，提高其活性，在水不斷被植物吸收的過程中可攜帶大量營養(yǎng)元素進入植物體內(nèi)，達到營養(yǎng)植物目的[14]。納米碳可改善水稻周圍水環(huán)境，使肥料氮更易于被根系交換吸附，促進水稻根系對氮素的吸收[15]，這可能提高作物根系活力。本試驗得到相同試驗結(jié)果，添加納米碳后，玉米根系活力顯著增加，這是納米碳促進玉米養(yǎng)分吸收原因之一。

土壤脲酶對提高氮素利用率及促進土壤氮素循環(huán)具有重要作用，本試驗研究結(jié)果表明，納米碳能夠有效增強土壤脲酶活性，這可能是納米碳促進玉米氮素吸收另一原因。另外，相關(guān)研究表明，土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量、活動強度和植株根系分泌物有明顯相關(guān)性[16]。添加納米碳可能增強土壤微生物的活性或植株根系活動，間接改變土壤酶活性，但納米碳對酶活性影響的機制還需深入研究。

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.2012中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2013.

[2]Aulakh M S,Doran J W,Mosier A R.Soil denitrificaton signifi?cance,measurement,effect of management[J].Adv Soil Sci,1992, 18:1-57.

[3]Mosier A R,Chapman S L,Freney J R.Determination of dinitro?gen emission and retention in floodwater and pore porewater of a lowland rice field fertilized with15N urea[J].Fert Res,1989,19: 127-136.

[4]劉安勛,盧其明,曹玉江.納米復合材料對水稻生長發(fā)育的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2007,13(2):344-347.

[5]劉鍵,張陽德,張志明.納米生物技術(shù)促進蔬菜作物增產(chǎn)應用研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2009,48(1):123-127.

[6]武美燕,蒿若超,田小海,等.添加納米碳緩釋肥料對超級雜交稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響[J].雜交水稻,2010,25(4):86-90.

[7] 王佳奇,李麗鶴,李淑敏,等.納米碳對玉米種子萌發(fā)及根系形態(tài)的影響[J].中國農(nóng)學通報,2013,29(18):62-66.

[8]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2008.

[9]白寶璋,金錦子,白崧,等.玉米根系活力TTC測定法的改良[J].玉米科學,1994,4(2):44-47.

[10] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[11]李志宏,張云貴,劉宏斌,等.葉綠素儀在夏玉米氮營養(yǎng)診斷中的應用[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2005,11(6):764-768.

[12]劉鍵,馬筠,張志明,等.肥料添加納米碳在水稻上的施用效果[J].磷肥與復肥,2011,26(6):76-77.

[13] 溫善菊.土壤無機納米微粒對土壤保肥供肥及作物生育的影響[D].長春:吉林農(nóng)業(yè)大學,2005.

[14]劉安勛,廖宗文.納米材料對水團簇的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2008,36(36):15780-15781.

[15] 王小燕,馬國輝,狄浩,等.納米增效尿素對水稻產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學利用率的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2010,16(6):1479-1485.

[16]Grierson P F,Adams M A.Plant species affect acid phosphatase, ergo sterol and microbial P in a Jarrah(Eucalyptus marginata Donn ex Sm.)forest in south-western Australia[J].Soil Biol Bio?chem,2000,32:1817-1828.

Effect of Nano-carbon on nitrogen absorption,root activity and soil enzyme of maize

LI Shumin,MA Chen,LI Lihe,ZHANG Aiyuan,HAN Xiaoguang,WANG Fei, WANG Dejiang,ZHENG Chengyu,MAO Ruilin(School of Resources and Environmental Sciences, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to explore the mechanisms of Nano-carbon on crop growth facilitation,a pot experiment with different nitrogen supplied levels were conducted to study the effects of Nano-carbon on nitrogen absorption and root activity of maize.The results showed that maize biomass in N1+C(Nitrogen 150 mg·kg-1+Nano-carbon),N2+C(Nitrogen 200 mg·kg-1+Nano-carbon)and N0+C(no nitrogen+ Nano-carbon)treatments increased 4%,12.29%and 32.60%than N1(Nitrogen 150 mg·kg-1),N2(Nitrogen 200 mg·kg-1)and handling N0(no nitrogen）treatments,and N uptake by maize increased 9.09%,8.33%and 42.86%,respectively.In addition,addition of Nano-carbon affects maize root and soil enzyme activities.The maize root activities were 2.2,2.3 and 1.9 times than those of without Nano-carbon treatments,respectively. Urease activities increased by 7.89%,28.26%and 28.57%,respectively.Therefore,Nano-carbon enhanced roots activities of corn,and promoted the absorption of nitrogen,resulting in the growth of maize.

Nano-carbon;maize;nitrogen uptake;root activity;soil enzyme

S513

A

1005-9369（2014）07-0014-05

時間2014-7-7 8:57:10 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140707.0857.023.html

李淑敏,馬辰,李麗鶴,等.納米碳對玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2014,45(7):14-18.

Li Shumin,Ma Chen,Li Lihe,et al.Effect of Nano-carbon on nitrogen absorption root activity and soil enzyme of maize[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(7):14-18.(in Chinese with English abstract)

2014-01-06

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計劃（2013BAD20B04）

李淑敏（1971-），女，教授，博士，碩士生導師，研究方向為作物營養(yǎng)與施肥。E-mail:lishumin113@126.com