施用納米碳對(duì)烤煙氮素吸收和利用的影響

梁太波，尹啟生，張艷玲，謝劍平，王寶林，蔡憲杰，過(guò)偉民，王建偉

(中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001)

在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，肥料的大量投入在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著肥料使用量的不斷增加，其負(fù)面效應(yīng)不斷顯現(xiàn)，肥料利用率低、經(jīng)濟(jì)效益下降等問(wèn)題日益突出。據(jù)估計(jì)，我國(guó)氮肥利用率僅為30%左右，遠(yuǎn)低于世界發(fā)達(dá)國(guó)家［1］。提高肥料利用效率，減少肥料損失，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和人類生存環(huán)境的保護(hù)都有著重要意義［2］。納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新技術(shù)，基本涵義是在納米(10-9—10-7m)尺度范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行認(rèn)識(shí)和改造。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等許多傳統(tǒng)材料不具備的特性［3-4］。近年來(lái)，納米材料被逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，其在促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育、提高肥料利用率方面的作用受到人們極大關(guān)注［5-7］。研究表明，納米材料能夠調(diào)節(jié)植物基因表達(dá)，刺激種子萌發(fā)和根系生長(zhǎng)［8-9］。同時(shí)，納米材料能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)多種酶的活性，改善植物光合性能，提高作物產(chǎn)量［10-12］。此外，由納米材料研制的納米增效肥料在減少肥料的流失、提高肥料利用率方面展現(xiàn)出良好效果［13-16］。

烤煙是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在烤煙生產(chǎn)中過(guò)量施肥現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。提高烤煙植株對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，減少肥料投入，對(duì)增加農(nóng)民收入和生態(tài)環(huán)境保護(hù)都有重要意義。室內(nèi)培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的碳納米管能夠促進(jìn)煙草細(xì)胞生長(zhǎng)［8］，然而關(guān)于納米材料對(duì)烤煙養(yǎng)分吸收利用的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，進(jìn)行了不同納米碳施用量對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育和氮素吸收積累的影響試驗(yàn)，以期為納米碳在烤煙生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2011年4月至8月在鄭州煙草研究院溫室內(nèi)進(jìn)行，供試土壤質(zhì)地為壤土，有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為15.10 g/kg，87.16 mg/kg，44.27 mg/kg，96.37 mg/kg。土壤過(guò)篩后裝盆，每盆裝土15 kg(盆缽直徑30cm，高25 cm)，供試烤煙品種為中煙100。供試肥料:硝酸銨(含N35%)、硝酸鉀(含N13%，K2O 45%)、硫酸鉀(含 K2O 50%)、磷酸二氫鉀(含P2O552%，K2O 34%)等，納米碳由北京華龍肥料技術(shù)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為:T1，對(duì)照(不施用納米碳);T2，納米碳用量為肥料總重量的0.1%;T3，納米碳用量為肥料總重量的0.3%;T4，納米碳用量為肥料總重量的0.5%。根據(jù)烤煙需肥規(guī)律，每處理均按照氮磷鉀 N ∶P2O5∶K2O=1∶0.8∶3(純氮 2.1g/盆)的比例施用肥料。施肥方法:各處理所需氮素的70%以硝酸銨形式連同磷、鉀肥一起作為基肥在移栽前施入，剩余30%的氮素以硝酸鉀形式在移栽后30d作為追肥施入，納米碳與肥料混合均勻后隨肥料同時(shí)施入。每處理15次重復(fù)，4月28日移栽，其他管理措施同大田栽培。

結(jié)合盆栽試驗(yàn)，在T1和T3處理中分別取8盆進(jìn)行15N示蹤試驗(yàn)。同位素肥料分別為15N雙標(biāo)記的硝酸銨(豐度 10%)和15N標(biāo)記的硝酸鉀(豐度10%)，由上?；ぱ芯吭禾峁Ｆ渲?，第 1、2、3、4盆，基肥施用標(biāo)記15N的硝酸銨肥料，追肥施用普通硝酸鉀肥料;第5、6、7、8盆，基肥施用普通硝酸銨肥料，追肥施用標(biāo)記15N的硝酸鉀肥料。其他管理措施與盆栽試驗(yàn)保持一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在煙葉生長(zhǎng)團(tuán)棵期(移栽后35d)、旺長(zhǎng)期(移栽后60d)、成熟期(移栽后85d)分別取樣，每處理取代表性植株2—3株。操作時(shí)先用水小心沖出根系，然后將煙株按根、莖、葉各器官分開(kāi)并稱其鮮重，于70℃烘箱中烘至恒重后，測(cè)定干物質(zhì)量。

樣品粉碎后用濃H2SO4-H2O2消化，半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤、植株含氮量。根系活力用TTC還原法測(cè)定［17］。15N樣品采用ZHT2O2型質(zhì)譜儀分析15N豐度，由河北省農(nóng)林科學(xué)院理化所分析。

計(jì)算公式:

植株從肥料中吸收的氮素百分?jǐn)?shù)(NDFF)

植株從土壤中吸收的氮素百分?jǐn)?shù)(NDFS)

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010程序和DPS v7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系生物量和根系活力

從圖1可以看出，在烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的3個(gè)關(guān)鍵時(shí)期(團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和成熟期)，與對(duì)照(T1)比較，施用納米碳均不同程度地增加了植株根系生物量，成熟期增加幅度分別達(dá)到 9.78%，18.53%和21.04%。3個(gè)納米碳處理比較，在煙株團(tuán)棵期，以T3處理根系生物量最高;在煙株生育后期以T4處理根系生物量相對(duì)較高。說(shuō)明施用納米碳有利于促進(jìn)烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育，增加根系生物量，但不同納米碳用量的效果存在差異。由圖1還可以看出，施用納米碳能夠不同程度提高烤煙根系活力。與對(duì)照(T1)比較，在團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期，3個(gè)納米碳處理根系活力均顯著增加，且以T3處理增加幅度最大。在成熟期，T3和 T4處理根系活力顯著高于 T1和 T2處理。

圖1 施用納米碳對(duì)烤煙根系生物量和根系活力的影響Fig.1 Effects of nanocarbon application on the biomass and vigor of tobacco root

2.2 干物質(zhì)積累量

由表1看出，在烤煙生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中，施用納米碳均不同程度促進(jìn)了烤煙植株各器官生長(zhǎng)發(fā)育，增加干物質(zhì)積累量，尤以T3和T4處理相對(duì)較好。在成熟期，與對(duì)照(T1)相比，T3處理根莖葉干物質(zhì)積累量分別增加6.73%、19.17%和7.92%;T4處理分別增加9.12%、12.44%和3.89%?？梢?jiàn)，適宜的納米碳用量有利于促進(jìn)烤煙植株生長(zhǎng)發(fā)育，增加干物質(zhì)積累量。

表1 不同處理對(duì)烤煙干物質(zhì)積累量的影響Table 1 Effect of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.3 成熟期不同器官氮素積累和分配

從表2可以看出，與對(duì)照T1相比，施用納米碳處理不同程度增加了烤煙根系和葉片氮素含量，而對(duì)莖器官氮素含量無(wú)顯著影響。由于干物質(zhì)積累量增加，納米碳處理T2、T3和T4成熟期各器官氮素積累量均有所增加，尤以T3和T4處理效果顯著。氮素積累在各器官中的分配比例處理間無(wú)顯著差異。可見(jiàn)，施用納米碳能夠不同程度促進(jìn)烤煙植株氮素吸收，提高根系和葉片氮素含量和積累量，但并未影響植株氮素在不同器官中的分配。

表2 成熟期烤煙植株不同器官氮素積累與分配Table 2 Effect of different treatments on nitrogen accumulation and distribution among different organs of tobacco plant at maturity stage

2.4 烤煙植株對(duì)不同來(lái)源氮素的吸收

15N示蹤試驗(yàn)結(jié)果(表3)表明，在旺長(zhǎng)期和成熟期，植株積累的氮素25.29%—34.62%來(lái)自于肥料，65.38%—74.01%來(lái)自于土壤。與旺長(zhǎng)期相比，成熟期T1和T3處理烤煙植株對(duì)土壤氮的吸收比例增加，而肥料氮比例減少。說(shuō)明隨生育期推后，肥料氮在植株氮素積累中的貢獻(xiàn)降低。處理間比較，在成熟期，來(lái)自肥料氮所占的比例，T1和T3無(wú)顯著差異;來(lái)自土壤氮所占比例，處理間亦無(wú)明顯差異。

表3 施用納米碳對(duì)烤煙吸收不同來(lái)源氮素的影響Table 3 Effects of nanocarbon application on tobacco nitrogen uptake from different sources

就烤煙對(duì)氮素的吸收量而言，在旺長(zhǎng)期，施用納米碳后植株積累氮素來(lái)自土壤的氮和植株總吸氮量均顯著增加。在成熟期，來(lái)自肥料的氮、來(lái)自土壤的氮和植株總吸氮量均表現(xiàn)為T3＞T1。施用納米碳處理不僅增加了植株對(duì)肥料氮的吸收量，還增加了對(duì)土壤氮的吸收量，這與其促進(jìn)了烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育、提高了根系的吸收能力有密切關(guān)系。

2.5 氮肥利用率

利用15N示蹤技術(shù)可計(jì)算出不同處理的氮肥利用率(表4)?？梢钥闯觯琓1和T3處理烤煙對(duì)氮肥的利用率，基肥為35.67%和40.82%，追肥為47.50%和52.07%，兩個(gè)處理追肥利用率均明顯高于基肥。與T1相比，T3處理基施氮肥利用率提高14.44%;追施氮肥利用率提高9.62%。從器官來(lái)看，與T1相比，T3處理莖和葉片肥料利用率基肥和追肥均顯著提高，而根系肥料利用率無(wú)顯著差異。初步分析認(rèn)為，施用納米碳處理的氮肥利用率提高，可能與納米碳顆粒的高表面能提高了肥料中氮素的有效性有關(guān)。

表4 施用納米碳對(duì)氮肥利用率的影響Table 4 Effects of nanocarbon application on nitrogen utilization rate

由表4還可以看出，兩個(gè)處理氮肥土壤殘留率追肥均顯著低于基肥;而氮肥的損失率基肥和追肥之間無(wú)明顯差異。處理之間比較，施用納米碳處理T3無(wú)論是基肥還是追肥，土壤殘留率和損失率均有不同程度降低，這可能與該處理根系發(fā)育好、氮肥利用率較高有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 納米碳對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響

納米碳作為一種具有高表面能的小尺度納米材料，在影響生物代謝、促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育方面的良好效果已在多種作物上顯現(xiàn)［18-19］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在普通肥料中加入納米碳能不同程度地促進(jìn)烤煙植株生長(zhǎng)發(fā)育，增加煙株干物質(zhì)積累量，這與劉鍵［16］、武美燕［20］等人在水稻、小麥上的研究結(jié)果相似。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，納米碳促進(jìn)烤煙植株生長(zhǎng)發(fā)育的效果在烤煙生育前期更為顯著，說(shuō)明納米碳能夠促進(jìn)烤煙植株早發(fā)、快長(zhǎng)，從而有利于提高煙葉產(chǎn)量。施用納米碳明顯增加烤煙根系生物量、提高根系活力，是其促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育的重要原因。

3.2 納米碳對(duì)烤煙氮素吸收和氮肥利用率的影響

研究表明，納米材料能夠促進(jìn)植物對(duì)氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收［21-23］。本試驗(yàn)條件下，施用納米碳處理不僅增加了植株對(duì)肥料氮的吸收量，還增加了對(duì)土壤氮的吸收量，這與其促進(jìn)了烤煙根系生長(zhǎng)發(fā)育、提高了根系的吸收能力有密切關(guān)系。施用納米碳能夠不同程度促進(jìn)烤煙植株氮素吸收，提高根系葉片氮素含量和積累量，但并未影響植株氮素在各器官的分配。

施入土壤中的肥料氮一般有3個(gè)去向:作物吸收、土壤殘留和損失。有報(bào)道指出，肥料施入土壤后，約有39%—53%被煙株吸收利用［24］。本試驗(yàn)條件下，施入土壤的氮素35.67%—52.07%被植株吸收利用。納米碳無(wú)論做基肥還是做追肥，均顯著提高了氮肥利用率，使氮素土壤殘留率和損失率均有不同程度降低。這可能是因?yàn)榧{米碳作為一種小尺度、高表面能活性的納米顆粒，能夠與土壤中的養(yǎng)分離子形成聚合物，提高了營(yíng)養(yǎng)元素的有效性，促進(jìn)了植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用。然而，僅從納米碳的吸附性能角度無(wú)法完全解釋其促進(jìn)作物生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收的機(jī)理。張夫道等［22］利用納米膠結(jié)包膜材料制作緩釋肥料，通過(guò)溶解或溶脹作用使膠粘劑分子與肥料分子相互擴(kuò)散形成膠結(jié)接頭，在提高肥料利用率方面取得良好效果。然而，本研究中納米碳提高烤煙肥料利用率的作用機(jī)理可能與之有所不同。研究表明，納米碳具有較高的比表面能和電催化性能，遇水后能夠變成導(dǎo)體，可以提高土壤電動(dòng)電位。植物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，涉及了復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，納米碳可能參與并影響了這一過(guò)程。同時(shí)，在烤煙生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，納米碳作為肥料的載體可充分吸附結(jié)合在根系表面，促進(jìn)了根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和根系生物量的增加。也有研究認(rèn)為，納米材料可以改變水的結(jié)構(gòu)，提高其活性，在水不斷被植物吸收的過(guò)程中可以攜帶大量營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入植物體內(nèi)，達(dá)到營(yíng)養(yǎng)植物的目的［25］。研究已證實(shí)，某些形態(tài)的納米材料如碳納米管能夠被植物吸收，然而由于缺乏有效的檢測(cè)手段，納米材料在土壤中的行為和遷移規(guī)律尚不清楚［26］。因此，關(guān)于納米材料促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收的機(jī)理和在土壤環(huán)境中的行為規(guī)律，有待于進(jìn)一步研究。

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