不同尿素添加納米碳增效劑對大豆干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

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不同尿素添加納米碳增效劑對大豆干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

李淑敏，韓曉光，張愛媛，王飛，王德江，鄭成彧，劉彤彤

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

摘要：為進(jìn)一步探究納米碳在作物生產(chǎn)中的肥效效果，通過2013年和2014年田間試驗(yàn)系統(tǒng)研究不同尿素添加納米碳對大豆干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，普通尿素+控釋尿素＋納米碳（CU+CRU+C）處理可顯著增加大豆不同生育期干物質(zhì)積累量，該處理大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重均最高，提高大豆苗期相對生長速率。試驗(yàn)結(jié)果還表明，2013年和2014年普通尿素+控釋尿素＋納米碳處理的大豆產(chǎn)量比普通尿素（CU）處理分別增加24.5%和16.7%。在黑土生態(tài)條件下，不同尿素添加納米碳后可增加大豆干物質(zhì)積累量，提高苗期相對生長速率，使大豆產(chǎn)量顯著增加。

關(guān)鍵詞：納米碳增效劑；大豆；干物質(zhì)；產(chǎn)量

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-4-23 10:06:05

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150423.1006.006.html

李淑敏,韓曉光,張愛媛,等.不同尿素添加納米碳增效劑對大豆干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 46(4): 10-16.

我國是肥料用量大國，特別是氮肥消費(fèi)量相對較大，在氮肥用量中尿素所占比重最大。普通尿素雖然具有含氮量高、成本低、易溶水等特征，但易揮發(fā)、易淋溶，利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象普遍。如何提高尿素肥效，減少氮肥用量是目前植物營養(yǎng)中亟需解決問題。

納米碳具有小尺寸效應(yīng)、吸附性等特殊性能，在提高作物養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)作物生長發(fā)育方面受到廣泛關(guān)注[1]。劉鍵等研究表明，肥料添加納米碳后使水稻產(chǎn)量明顯增加，提高肥料利用率[2]。武美燕等在緩釋肥料中添加納米碳，促進(jìn)水稻分蘗形成，增加孕穗期葉綠素含量，促進(jìn)干物質(zhì)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[3]。另外，王小燕等研究表明納米增效尿素可促進(jìn)水稻苗期分蘗，提高分蘗數(shù)，使分蘗盛期到成熟期干物質(zhì)積累量增加，顯著增加籽粒產(chǎn)量，還可提高氮肥農(nóng)學(xué)效率[4]。但關(guān)于納米碳與不同尿素混合對作物生長影響的研究報道很少。普通尿素與控釋尿素配施，能充分發(fā)揮普通肥料和控釋尿素優(yōu)勢，確保作物前期不缺乏氮素，使氮素后移，有效滿足作物整個生育期營養(yǎng)供應(yīng)[5-6]。同時納米碳能提高作物氮素利用效率。因此，研究納米碳與不同尿素混合的肥效效應(yīng)，對提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率有重要意義。

本試驗(yàn)以大豆為研究對象，研究不同尿素添加納米碳對大豆干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響，為通過納米碳增效劑提高作物產(chǎn)量，減少氮肥用量提供新思路和參考。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別于2013和2014年5～10月在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。土壤類型為黑鈣土，試驗(yàn)地土壤（0~20 cm）基礎(chǔ)肥力如表1所示。

表1　供試土壤基礎(chǔ)肥力Table 1　Basic fertility of the experimental soil

2013年試驗(yàn)：供試大豆品種為東農(nóng)52（由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究所提供）。試驗(yàn)設(shè)5個處理：不施肥處理（CK），100%普通尿素（CU），100%普通尿素+納米碳（CU+C），50%普通尿素+50%控釋尿素（CU+CRU），50%普通尿素+50%控釋尿素+納米碳（CU+CRU+C）。施肥量為：純氮50 kg·hm-2，P2O560 kg·hm-2，K2O 50 kg·hm-2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，6行區(qū)，壟距0.7 m，行長7.0 m，小區(qū)面積為29.4 m2，保護(hù)行寬1.0 m，4次重復(fù)，保苗28.0萬株·hm-2。

2014年試驗(yàn)：供試大豆品種為東農(nóng)42（由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆研究所提供）。試驗(yàn)處理和2013年設(shè)置相同，小區(qū)面積為22.4 m2，共20個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，4次重復(fù)。種植密度同2013年試驗(yàn)。

兩年田間試驗(yàn)供試肥料均為普通尿素（CU，含N 46%）、普通磷酸二銨（含N 18%，P2O546%）、普通硫酸鉀（含K2O 50%）和控釋尿素（CRU，含N 34%），購買于哈爾濱市農(nóng)化市場?？蒯屇蛩貫樯綎|金正大生態(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)的樹脂硫包膜尿素。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‰。

納米碳和控釋尿素、磷、鉀肥混合作為底肥1次施入，氮肥在大豆苗期追施，常規(guī)田間管理。

1.2樣品采集與測試

1.2.1取樣時間與方法

取樣時間：在大豆苗期（V4）、開花期（R2）、結(jié)莢期（R4）、鼓粒期（R6）和成熟期（R8）每個小區(qū)隨機(jī)取5株植物樣。

取樣方法：每次取樣時將大豆整株挖出，用水將根系土壤沖洗干凈，保留完整根系，沖后的土經(jīng)篩子過濾，將沖掉的根瘤及根系挑出，同一處理放在一起。在子葉痕處剪斷分地上和地下部裝入取樣袋中。

1.2.2干物質(zhì)量

各時期取樣后把植株按根、莖、葉、莢果、莢皮、籽粒分開、洗凈，在105℃下殺青30 min，80℃下烘干至恒重，稱取干重。

1.2.3相對生長速率

根據(jù)大豆各器官干物質(zhì)量計(jì)算其全株干物質(zhì)量，再比較不同取樣時期大豆植株相對生長速率（Relative growth rate，RGR）[7]。

式中，t1、t2分別為相鄰兩次取樣時期；D1、D2分別為t1和t2時的干物質(zhì)積累量；ln為自然對數(shù)。從第1次取樣到第4次，共計(jì)4個不同取樣時期平均相對生長速率，分別記為RGR1、RGR2、RGR3、RGR4。在成熟期取樣時，由于大豆完熟葉片脫落，干物質(zhì)積累明顯低于前一取樣時間，故未計(jì)算其相對生長速率。

1.2.4產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

在大豆成熟期，每個小區(qū)測產(chǎn)，另取5株考種，考種項(xiàng)目包括單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重及單株產(chǎn)量。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010、SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1地上部干物質(zhì)積累量

如圖1所示，2013年田間試驗(yàn)結(jié)果表明，添加納米碳對大豆地上部干物質(zhì)積累有顯著影響，CU+ CRU+C、CU+C處理的干物質(zhì)量要高于相應(yīng)不添加納米碳的處理。其中在鼓粒期表現(xiàn)的最為明顯，CU+CRU+C處理的地上部干物質(zhì)量比CU+CRU處理增加13.2%，CU+C處理比CU增加13.1%。2014年試驗(yàn)結(jié)果與2013年基本相似，添加納米碳的處理在各取樣期的大豆地上部干物質(zhì)量均高于相應(yīng)不添加納米碳處理。同樣鼓粒期各處理干物質(zhì)量差異明顯，CU+CRU+C處理的干物質(zhì)量比CU+ CRU處理高6.7%，CU+C處理比CU增加12.2%。大豆開花期到成熟期干物質(zhì)量表現(xiàn)為CU+CRU+C> CU+C>CU+CRU>CU>CK。說明在本試驗(yàn)條件下，普通尿素和控釋尿素配施并添加納米碳處理更有利于大豆地上部干物質(zhì)量的提高，為最終獲得較高籽粒產(chǎn)量奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2根系干物質(zhì)積累量

大豆根系干物質(zhì)積累變化如圖2所示。2013年試驗(yàn)結(jié)果表明，開花期CU+CRU+C、CU+C和CU+ CRU處理干物質(zhì)量明顯高于其他處理，但三者間無差異，CU+CRU+C和CU+C處理干物質(zhì)量比CU處理分別增加37.9%和22.8%。在結(jié)莢期CU+ CRU+C處理干物質(zhì)量要高于其他處理，而CU+C、CU+CRU與CU處理間無顯著性差異。在大豆成熟期，添加納米碳處理干物質(zhì)量均好于相應(yīng)不添加納米碳處理，控釋尿素和普通尿素配施處理干物質(zhì)量好于普通尿素單施處理。

與2013年試驗(yàn)結(jié)果不同，2014年大豆開花期各處理根系干物質(zhì)量差異不顯著。而在結(jié)莢期添加納米碳處理干物質(zhì)量均高于相應(yīng)不添加納米碳處理，CU+CRU+C處理根系干物質(zhì)量比CU+CRU處理高13.4%，CU+C處理的干物質(zhì)量比CU處理高11.3%。在成熟期仍以CU+CRU+C處理干物質(zhì)量最高，與其他處理差異顯著。說明普通尿素和控釋尿素配施并添加納米碳處理促進(jìn)大豆苗期根系生長。

圖1　納米碳對大豆不同生育期地上部干物質(zhì)量的影響Fig. 1　Effect of nano-carbon on shoots dry matter for soybean in different growth period

2.3大豆干物質(zhì)分配

如表2所示，2013年和2014年試驗(yàn)結(jié)果顯示，在大豆苗期，納米碳對根系干物質(zhì)分配影響明顯，添加納米碳處理的大豆根系干物質(zhì)分配比例明顯高于其他處理，CU+CRU+C處理根系干物質(zhì)量分配比例分別較CU+CRU處理增加8.6%和2.0%，CU+C處理較CU處理分別增加4.9%和15.1%。在苗期干物質(zhì)分配比例最高，然而隨大豆生育進(jìn)程推進(jìn)，根系干物質(zhì)分配比例呈降低趨勢且無差異。添加納米碳處理對大豆葉片、莖稈、莢果等器官干物質(zhì)量無顯著影響，且在各時期納米碳對大豆葉片、莖稈等器官干物質(zhì)分配比例沒有明顯促進(jìn)作用。可以看出，納米碳對大豆根系干物質(zhì)分配在前期的作用較后期大，隨大豆生育期遞進(jìn)，差異逐漸減小。

2.4大豆相對生長速率

大豆相對生長速率變化如表3所示，兩年試驗(yàn)結(jié)果均表明，在大豆苗期，添加納米碳處理相對生長速率與相應(yīng)不添加納米碳處理差異顯著，CU+ CRU+C處理相對生長速率比CU+CRU高36.5%，CU+C處理相對生長速率比CU提高14.2%。2013年結(jié)果顯示普通尿素+控釋尿素處理相對生長速率和CU處理相比差異不顯著。但是2014年結(jié)果表明，普通尿素+控釋尿素處理相對生長速率和CU處理相比，增加20.8%，差異顯著。在開花期到鼓粒期，在不同處理下大豆相對生長速率均無差異。因此，納米碳可提高大豆生育前期相對生長速率。

2.5大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重等是大豆產(chǎn)量的主要構(gòu)成因素，結(jié)果見表4。和普通尿素單施相比，控釋尿素和普通尿素配施未能增加大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)，但添加納米碳顯著提高單株莢數(shù)、單株粒數(shù)，2013年CU+CRU+C處理分別比CU+ CRU增加30.9%、9.6%，2014年分別增加16.8%、12.5%。通過方差分析可知，CU+CRU+C、CU+C處理的單株粒數(shù)、單株粒數(shù)和CU處理差異達(dá)顯著水平，由此可見，處理CU+CRU+C與其他處理相比，更有利于大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)的增加。

添加納米碳處理的百粒重高于CU處理，差異顯著，且CU+CRU+C處理百粒重高于CU+CRU處理，差異顯著。然而CU+CRU處理百粒重和CU處理無差異性。與CU處理相比，CU+CRU+C、CU+C 和CU+CRU處理百粒重分別增加1.5、0.9和0.4 g。CU+CRU+C處理百粒重比CU+CRU處理增加1.2 g。2014年試驗(yàn)結(jié)果仍以添加納米碳處理的百粒重最高，與CU處理差異顯著。綜合以上分析，表現(xiàn)最好的處理是CU+CRU+C，明顯增加大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)，提高大豆百粒重。

由表4可見，添加納米碳處理的大豆產(chǎn)量高于相應(yīng)不添加納米碳處理，其中處理CU+CRU+C大豆產(chǎn)量最高，比CU+CRU處理增產(chǎn)16.5%，比CU處理增產(chǎn)24.6%。其次為處理CU+C，比CU處理增產(chǎn)15.8%。CU+CRU處理比CU處理增產(chǎn)6.9%。2014年試驗(yàn)結(jié)果顯示，CU+CRU+C處理的產(chǎn)量最好，與處理CU差異顯著，增產(chǎn)16.6%，其次為處理CU+C，增產(chǎn)11.8%。處理CU+CRU+C的增產(chǎn)效果達(dá)到顯著水平，綜合兩年大田試驗(yàn)結(jié)果說明控釋尿素和普通尿素配施有利于大豆產(chǎn)量提高，添加納米碳后增產(chǎn)效果更明顯。

圖2　納米碳對各時期大豆根系干物質(zhì)量的影響Fig. 2　Effect of nano-carbon on root dry matter for soybean in different growth period

表2　納米碳對大豆不同生育期干物質(zhì)分配的影響Table 2　Effect of nano-carbon on dry matter distribution for soybean in different growth period

表3　納米碳對大豆不同生育期相對生長速率的影響Table 3　Effect of nano-carbon on relative growth rate for soybean in different growth period

表4　納米碳對大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 4　Effect of nano-carbon on yield and yield factors for soybean

3　討論與結(jié)論

本研究通過在不同尿素中添加納米碳，研究納米碳對大豆干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，添加納米碳能促進(jìn)大豆生長，提高苗期相對生長速率，使大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重高于不添加碳處理，顯著提高大豆產(chǎn)量。馬辰研究表明，在玉米上施用納米碳能顯著增加作物產(chǎn)量[8]。另外，肖強(qiáng)等研究表明，納米材料膠結(jié)包膜緩/控釋肥料能提高小麥和玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)效果顯著[9]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米碳同樣能有效增加大豆產(chǎn)量，與劉鍵、余常兵等研究結(jié)果一致[10-11]。

納米碳促進(jìn)植物生長發(fā)育的效應(yīng)已經(jīng)多種植物驗(yàn)證。王佳奇等研究表明，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)，納米碳能增加玉米植株鮮重、根系鮮重、主胚根長及側(cè)根數(shù)量[12]。Hong等研究表明納米TiO2能明顯提高菠菜老化種子活力，促進(jìn)葉綠素形成，減緩葉綠體衰老[13]，促進(jìn)菠菜植株生長發(fā)育，提高產(chǎn)量[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，納米碳能增加大豆苗期根系干物質(zhì)量，提高大豆苗期相對生長速率?？赡苁怯捎诩{米碳促進(jìn)大豆種子萌發(fā)，有效促進(jìn)大豆幼苗根系生長。劉安勛研究表明，納米材料能促進(jìn)水稻種子、幼苗代謝及根系生長，提高根系活力[15]，顯著促進(jìn)植物幼苗生長[16]；也可能是由于納米碳刺激相關(guān)代謝酶活性[17-18]，使種子內(nèi)束縛水變?yōu)樽杂伤?，促進(jìn)其生長，因?yàn)榧{米碳小尺寸效應(yīng)，將會攜帶大量水分進(jìn)入植物體內(nèi)，相應(yīng)提高植株吸水能力，促進(jìn)植株根系生長發(fā)育。

納米碳具有吸附性，不僅使水分積聚在根系周圍，增強(qiáng)對肥料吸附性，有效促進(jìn)水分和養(yǎng)分吸收，這可能是納米碳促進(jìn)大豆生長的原因。陸長梅等研究表明，納米材料促進(jìn)大豆種子吸水、提高發(fā)芽率、促進(jìn)其根系生長[17]，促進(jìn)植物對N、P、K等養(yǎng)分吸收，提高肥料吸收效率[19]。根系生長情況能夠直接反映作物生長狀況及產(chǎn)量水平，在本研究中，納米碳促進(jìn)大豆根系生長發(fā)育，使大豆更有效吸收水分和養(yǎng)分，導(dǎo)致添加納米碳處理的大豆生物量及產(chǎn)量高于不添加納米碳處理。

2013年和2014年田間試驗(yàn)表明，普通尿素和控釋尿素配施并添加納米碳處理提高大豆干物質(zhì)積累量、大豆苗期相對生長速率及產(chǎn)量，顯著高于控釋尿素和普通尿素配施，效果優(yōu)于普通尿素+納米碳處理。

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Li Shumin, Han Xiaoguang, Zhang Aiyuan, et al. Effect of different urea added nano-carbon synergist on dry matter accumulation and yield of soybean[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(4): 10-16. (in Chinese with English abstract)

Effect of different urea added nano-carbon synergist on dry matter

accumulation and yield of soybean

/LI Shumin, HAN Xiaoguang, ZHANG Aiyuan,WANG Fei, WANG Dejiang, ZHENG Chengyu, LIU Tongtong(School of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Field experiments were conducted to study the influence of different forms of urea added nano-carbon on dry matter accumulation and yield of soybean in 2013 and 2014. The results indicated dry matter accumulation of soybean was significantly increased in different growth period in CU + CRU + C (common urea+controlled release urea+nano-carbon) treatment. Pods, grains, and 100-grain weight under the treatment performed at their best. Furthermore, the relative growth rate was distinctly enhanced of emergence for soybean. In addition, compared with CU (common urea) treatment, the yield of soybean increased 24.5% , 16.7% in 2013 and 2014, respectively. Different urea added nano-carbon, therefore, increased dry matter accumulation of soybean, enhanced the relative growth rate in seedling stage and significantly increased soybean yield in black soil.

Key words:nano-carbon synergist; soybean; dry matter; yield

作者簡介：李淑敏（1971-），女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽魑餇I養(yǎng)與施肥。E-mail: lishumin113@126.com

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2013BAD20B04）

收稿日期：2015-01-12

文章編號：1005-9369（2015）04-0010-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：S155.2＋6；S565.1