噴施不同納米硅肥對(duì)紅莧菜增產(chǎn)效果研究

裴福云，董超文，段繼賢，黃培釗，陳占全，王德漢(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州51046;.深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司博士后工作站，廣東深圳518057)

納米材料具有一系列特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，包括小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)等，在吸收、催化、磁效應(yīng)等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。肖強(qiáng)等［1］闡述了國(guó)內(nèi)外納米材料在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，其中包括納米材料在緩/控釋肥方面的應(yīng)用［2］、納米碳酸鈣對(duì)蘋(píng)果的作用［3］、納米二氧化鈦的殺菌作用等［4］。目前對(duì)材料利用分散和深度的研究不夠，對(duì)含有植物營(yíng)養(yǎng)的材料研究較少。因此研究能夠提供營(yíng)養(yǎng)的納米材料在肥料中的應(yīng)用顯得尤為重要。

硅被國(guó)際土壤界列為繼氮、磷、鉀之后的第四大營(yíng)養(yǎng)元素，其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)具有諸多有益影響，例如能降低土壤鹽度高帶來(lái)的不利影響［5］、有效緩解缺鐵癥狀［6］、提高馬鈴薯的抗逆性［7］等。硅藻土、膨潤(rùn)土都是礦石資源，既含有營(yíng)養(yǎng)元素Si，又含有Ca、Mg等中微量元素，可以彌補(bǔ)肥料中營(yíng)養(yǎng)元素不足的問(wèn)題。該研究分析了納米硅藻土、納米膨潤(rùn)土以及合成的納米二氧化硅幾種材料對(duì)紅莧菜生長(zhǎng)的影響，并比較材料之間的差異，為納米材料在肥料方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)設(shè)在深圳市光明新區(qū)芭田公司公明試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試莧菜品種為‘紅莧菜’，采用人工盆栽直播方式種植。試驗(yàn)中硅藻土(型號(hào)為SD-303)由東莞市森大環(huán)保材料有限公司提供，膨潤(rùn)土由信陽(yáng)鑫鼎礦業(yè)有限公司提供;硅酸四丁酯、無(wú)水乙醇為試劑級(jí)。物理加工硅藻土、膨潤(rùn)土分別得到納米級(jí)別的硅藻土和膨潤(rùn)土;以硅酸四丁酯為原料合成納米二氧化硅。

1.2 測(cè)試方法 土壤全氮用凱氏法測(cè)定，土壤速效鉀用醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定，土壤速效磷用鉬藍(lán)比色法測(cè)定［8］。利用紅外光譜分析材料的結(jié)構(gòu)特征。施肥前1 d用游標(biāo)卡尺測(cè)量植株莖粗，用刻度尺測(cè)量株高，并在第2次施肥后的第5天再次測(cè)量該參數(shù)，對(duì)比差異性。莧菜取樣后，沖洗根部，瀝干后稱(chēng)重得到鮮重;莧菜在105℃條件下殺青30 min后，于80℃烘箱中恒溫烘干12 h稱(chēng)得干重。采用葉綠素儀測(cè)量莧菜葉片葉綠素值。

1.3 試驗(yàn)處理 盆栽試驗(yàn)共設(shè)10個(gè)處理，各處理重復(fù)5次，每盆用土量為5 kg。將SiO2、納米硅藻土和納米膨潤(rùn)土3種材料分別設(shè)3個(gè)濃度(表1)。播種時(shí)間為2014年5月18日，共噴施2次，噴施時(shí)間分別為6月13日和6月21日，將材料稀釋300倍后采用人工噴施莧菜葉面的方式噴施。主要考察莧菜株高、莖粗、鮮重及干重、葉綠素含量、植株全N量、NPK含量。采用Excel和SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料結(jié)構(gòu)分析 對(duì)硅藻土和膨潤(rùn)土2種材料進(jìn)行紅外分析。由圖1 可知，793.22、1 039.4 cm－1處的吸收峰分別屬于Si-O-Si的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。3 416.5、1 636.0 cm－1處的吸收峰分別屬于 H-O-H 的彎曲振動(dòng)峰和伸縮振動(dòng)峰。另外，由于膨潤(rùn)土中Al2O3含量較高，體現(xiàn)在3 626 cm－1附近的Al-O-H伸縮振動(dòng)峰以及920 cm－1附近的峰，屬于離子置換敏感區(qū)。從峰的強(qiáng)度上能夠看出硅藻土中SiO2的含量較高，膨潤(rùn)土次之，這與材料元素分析的結(jié)果相一致。

表1 各處理納米材料類(lèi)型與用量

2.2 噴施不同納米硅肥對(duì)莧菜重量的影響 葉面噴施不同硅肥后，統(tǒng)計(jì)各處理的莧菜重量(包括根系)結(jié)果如表2所示。噴施硅肥處理的莧菜鮮重明顯高于對(duì)照，說(shuō)明硅肥促進(jìn)了莧菜生長(zhǎng)。在噴施不同濃度同一種納米肥料后，莧菜鮮重隨著噴施濃度的增加而增加;而幾種不同材料之間，同等濃度的情況下比較，噴施納米膨潤(rùn)土的莧菜鮮重最高，噴施納米硅藻土的莧菜鮮重次之，噴施納米二氧化硅的莧菜鮮重較低。3種材料的區(qū)別主要在于成分與結(jié)構(gòu)的差異，合成納米二氧化硅中未含有膨潤(rùn)土和硅藻土中的Ca、Mg、Fe等中微量元素。對(duì)比低濃度的3種材料，發(fā)現(xiàn)納米硅藻土和納米膨潤(rùn)土之間對(duì)莧菜重量影響差異不顯著，與納米二氧化硅之間有差異(圖2)。中濃度梯度下納米膨潤(rùn)土對(duì)莧菜重量影響優(yōu)于納米硅藻土，優(yōu)于納米SiO2。高濃度梯度下，納米膨潤(rùn)土對(duì)莧菜重量影響顯示出優(yōu)勢(shì)。對(duì)比烘干后的重量發(fā)現(xiàn)同種材料，隨著各處理噴施濃度的增加，干重增加。

表2 各處理對(duì)莧菜生長(zhǎng)的影響

2.3 噴施硅肥對(duì)莧菜株高和莖粗的影響 由表2可知，施肥前各處理之間無(wú)差異，葉面噴施硅肥后，與對(duì)照相比較差異顯著，認(rèn)為葉面噴施硅肥對(duì)莧菜植株直徑增加具有明顯的效果。對(duì)比噴施納米二氧化硅的3個(gè)處理可看出在噴施前沒(méi)有差異，但是噴施后，隨著噴施濃度的增加，莧菜植株直徑增加，并且顯示出差異性。說(shuō)明二氧化硅能促進(jìn)細(xì)胞的分裂使得植株直徑增加。從株高數(shù)據(jù)看出噴施硅肥前，對(duì)照與各處理間無(wú)差異。噴施硅肥后，各處理株高明顯增加。說(shuō)明噴施硅肥起到了促進(jìn)莧菜細(xì)胞的分裂與拉長(zhǎng)，從而促進(jìn)了植株長(zhǎng)高。

2.4 噴施硅肥對(duì)莧菜植株全N量及全NPK含量的影響 由圖3可知，噴施硅肥后，各處理莧菜中N含量顯著高于對(duì)照，說(shuō)明硅肥促進(jìn)了莧菜對(duì)氮素的吸收利用。且隨著噴施量的提高，莧菜吸收的氮量逐漸增加。不同材料相同含硅量(0.04%)的處理之間，納米膨潤(rùn)土處理莧菜含N量＞納米硅藻土處理莧菜含N量＞納米二氧化硅處理莧菜含N量。說(shuō)明在等含硅量的條件下，膨潤(rùn)土含有更多的中微量元素。

莧菜產(chǎn)量與對(duì)N、P、K總養(yǎng)分的吸收密切相關(guān)，為此考察噴施硅肥后各處理莧菜N、P、K養(yǎng)分累計(jì)量(圖3)。噴施硅肥后，各處理吸收N、P、K養(yǎng)分的總量顯著高于對(duì)照;隨著噴施量的增加吸收量亦增加;各材料噴施硅肥對(duì)N、P、K的總吸收量依次為:納米膨潤(rùn)土、納米硅藻土、納米二氧化硅。

2.5 噴施硅肥對(duì)莧菜葉綠素的影響 由圖4可知，施肥前各處理莧菜葉綠素含量差異不顯著;2次噴施硅肥后，于采收期測(cè)量各處理葉綠素含量發(fā)現(xiàn)，對(duì)照的葉綠素明顯偏低，而噴施硅肥的各處理葉綠素含量差異不明顯，說(shuō)明硅肥能促進(jìn)光合作用，長(zhǎng)勢(shì)良好。

3 結(jié)論與討論

(1)該試驗(yàn)表明噴施3種納米硅肥后莧菜的莖粗、株高、葉綠素、植株全NPK、鮮重及干重等增加，與對(duì)照相比有顯著差異，證明噴施硅肥對(duì)莧菜的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。有文獻(xiàn)表明硅能提高作物抗逆性，同時(shí)提高作物產(chǎn)量;硅藻土能夠增加小麥的鮮重、干重及葉綠素含量［9－10］。硅素可以在莧菜葉片表皮細(xì)胞形成具有角質(zhì)雙硅層的細(xì)胞壁［11］;在葉脈間成行排列的矩形硅化細(xì)胞［12］。正是由于硅的作用，進(jìn)一步促進(jìn)了莧菜細(xì)胞的分裂、拉長(zhǎng)，增大莖粗、株高，從而增加了生物量。

(2)從研究結(jié)果看出，葉面噴施3種納米材料后，植株全NPK總量都有大幅度的提高，并且總體趨勢(shì)是:納米膨潤(rùn)土處理莧菜全NPK含量＞納米硅藻土處理莧菜全NPK含量＞合成納米二氧化硅處理莧菜全NPK含量。納米硅藻土和納米膨潤(rùn)土與納米二氧化硅相比表現(xiàn)出更為突出的優(yōu)勢(shì)與材料中的其他微量元素Ca、Mg、Fe有必然聯(lián)系。且膨潤(rùn)土中微量元素最高，硅藻土中次之。

(3)有研究表明，硅能減輕生物或者非生物的脅迫，即在非正常的環(huán)境脅迫情況下對(duì)植物是有益的影響。不管是葉面噴施還是施入土壤，都能增加植物中色素濃度及光合作用與蒸騰作用［13］。硅肥能緩解植物中鐵含量的不足，促進(jìn)鐵在質(zhì)外體中的移動(dòng)和吸收［14］。該研究中，噴施中等濃度(0.09%)的納米二氧化硅、納米硅藻土、納米膨潤(rùn)土后，莧菜鮮重、干重相對(duì)于對(duì)照分別提高了 11.20%、20.37%、31.49%。

(4)納米硅肥對(duì)莧菜增產(chǎn)提質(zhì)的效果，與納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密不可分。納米材料的比表面積大、活性高，尤其是納米材料粒徑小，其表面原子數(shù)目占完整粒子原子總數(shù)的80%以上，由于表面原子周?chē)鄙傧噜彽脑?，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，表現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。隨著粒徑的減小，肥料粒子的表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，在濕潤(rùn)的環(huán)境中，容易被植物吸附，從而提高利用效率，這是利用納米材料的理論基礎(chǔ)。在生物磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，具有液體的流動(dòng)性，所以更容易被植物吸收，并有效刺激植物生長(zhǎng)。

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