納米碳對桃園土壤肥力及植株養(yǎng)分吸收的影響

高榮廣，趙鑫，高曉蘭，肖元松，彭福田

(作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018)

肥料對桃果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量起著重要作用。然而隨著肥料的大量施入，其負(fù)面作用不斷顯現(xiàn)，肥料利用率低，大量肥料殘存在土壤中造成水體和土壤污染。所以提高土壤肥力和促進(jìn)植株對養(yǎng)分的吸收利用率是當(dāng)前桃生產(chǎn)中急需解決的問題。

納米科學(xué)技術(shù)(Nano-ST)誕生于20世紀(jì)80年代末期，是在納米尺寸(10-7～10-9m)范圍內(nèi)對物質(zhì)的認(rèn)識和改造，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)制新的物質(zhì)。溫俊強(qiáng)等[1]在海水蝦養(yǎng)殖中應(yīng)用強(qiáng)的納米863生物助長器改善水質(zhì)提高了蝦的成活率和產(chǎn)量；陳學(xué)軍等[2]用納米陶瓷對豇豆和蘿卜浸種，提高了發(fā)芽勢、發(fā)芽率和幼苗鮮重；王佳奇等[3]研究發(fā)現(xiàn)，納米碳增效劑能促進(jìn)玉米種子萌發(fā)和生長，對玉米幼苗生長和發(fā)育有明顯促進(jìn)作用；陸長梅等[4]在大豆上應(yīng)用納米材料提高了根系活力和吸水能力，增加體內(nèi)抗氧化酶活性和植物的抗逆能力。這些研究表明納米材料可以促進(jìn)生物的生長代謝。

納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。劉鍵等首次將納米碳應(yīng)用到肥料中，在蔬菜、水稻、冬小麥上施用得到明顯的增產(chǎn)效果[5-8]。Hong[9]等研究表明，納米TiO2(二氧化鈦)可以有效保護(hù)葉綠體，避免長期光照造成的老化，減緩葉綠體的衰老，促進(jìn)菠菜植株生長發(fā)育，提高產(chǎn)量[10]。曾昭華[11]在水稻栽培中應(yīng)用納米863生物助長器使水稻產(chǎn)量增加。筆者對使用納米碳能否增加桃園土壤肥力，提高土壤酶活力，達(dá)到促進(jìn)桃樹養(yǎng)分吸收的效果進(jìn)行研究，為納米碳在果樹生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。桃園桃品種春美，7年生樹；盆栽桃品種霞脆，2年生樹。兩種類型的樹砧木均為毛桃，長勢基本一致，無病蟲害。盆的直徑30cm，高45cm。盆土取自桃園0～20cm表層土，棕壤土，自然風(fēng)干后去除植物殘?bào)w和石塊，過篩。其pH值6.68，含堿解氮47.63mg/kg，速效磷32.46mg/kg，有效鉀85.26mg/kg，有機(jī)質(zhì)13.05g/kg，每盆另施入有機(jī)肥0.3kg，重量18kg。

納米碳，液體，由北京奈艾斯新材料有限公司提供；免深耕土壤調(diào)理劑，液體，由土壤微粒結(jié)構(gòu)促進(jìn)劑與土壤活化劑進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而成，高效、安全、無殘留，由成都新朝陽生物化學(xué)有限公司生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 桃園施用納米碳對土壤酶活性和氧化還原電位的影響試驗(yàn)

桃園納米碳試驗(yàn)，設(shè)5個(gè)處理，處理T1-土壤施入免深耕土壤調(diào)理劑1.2ml(溶于2.5L水)。處理T2、T3、T4-土壤施入納米碳20ml、25ml、30ml(分別溶于2.5L水)。空白對照CK-土壤施入清水2.5L。以樹干為中心，選長1m、寬1m、深0.6m，體積為0.6m3的土壤，用施肥槍均勻打孔，每平方20個(gè)，深度20cm施入土壤。單株小區(qū)，重復(fù)7次。施入后禁止踩踏。

2016年5月11日施入，至30天和60天時(shí)，分別取土樣測定土壤酶活性(過氧化氫酶、土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤磷酸酶)，土壤氧化還原電位，土壤容重。每處理測定重復(fù)5次。

2.2 盆栽桃施用納米碳對植株生長及養(yǎng)分吸收影響的試驗(yàn)

盆栽桃納米碳試驗(yàn)，設(shè)3個(gè)濃度處理，分別為A-4ml，B-8ml，C-12ml。 對照D施用復(fù)混肥28.29g(自配制，含尿素10.87g、聚磷酸銨9.09g、氯化鉀8.33g。施肥量按N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2計(jì)算得出。)。納米碳3個(gè)用量分別占復(fù)混肥用量28.29g的14%、28%和42%，每盆澆水2L。

納米碳與復(fù)混肥均等量分為3份，分3次施入，每隔30天1次，分別在2016年5月23日、6月24日、7月22日施入。于9月中旬進(jìn)行破壞性取樣，測定地上部和地下部干重和植株中各養(yǎng)分含量。每處理測定重復(fù)5次。

2.3 測定指標(biāo)及方法

桃園土壤酶活性的測定。在桃園取0～20cm土層的土樣，按5點(diǎn)取樣充分混勻。將劃定的1m2的處理區(qū)域分成兩塊，第1次取同側(cè)一塊區(qū)域的土樣，取土后將挖出的土壤回填；第2次取另一側(cè)區(qū)域的土樣。蔗糖酶活性測定用3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性用苯酚鈉比色法；磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法(0.1mol/L KMnO4)[12]。

桃園土壤養(yǎng)分含量測定。土壤有機(jī)質(zhì)含量測定用重鉻酸鉀容量法；堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法；速效磷用0.5mol/LNaHCO3-鉬銻抗比色法；有效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤pH值用土壤水浸提液pH計(jì)測定法[13]。

土壤容重和氧化還原電位測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定，各處理測定重復(fù)5次。氧化還原電位測定用便攜式防水pHMV電導(dǎo)測定儀(美國HACH，H170-BNDL)，測定時(shí)挖0～20cm深的坑，將探頭插入土中讀數(shù)；盆栽桃直接插入盆內(nèi)土壤讀數(shù)。

盆栽桃植株干重和植株?duì)I養(yǎng)元素的測定。盆栽植株將根、枝、葉分別用自來水沖洗干凈，于105℃下殺青0.5小時(shí)，在80℃下烘干至恒量，分別稱量質(zhì)量并用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，過0.5mm篩后放入封口塑料袋中保存于干燥處備用。用1/10000電子天枰精確稱取樣品0.3g(精確至0.0001)，采用HNO3-H2O2混酸體系，將根、莖、葉分別放入微波消解儀(Mars 6，CEM，美國)內(nèi)消解后，用超純水定容至50ml備用。每處理測定重復(fù)3次。

鎂(Mg)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)的含量測定用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(NexION 300X,PerKin Elmer，美國)。鉀(K)、鈣(Ca)含量的測定，分別用火焰分光光度計(jì)和原子吸收分光光度計(jì)測定；氮(N)含量用分光光度計(jì)測定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行圖表繪制，DPS7.05軟件進(jìn)行Duncan數(shù)據(jù)顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 桃園施用納米碳對土壤酶活性的影響

表1顯示，桃園土壤處理60天后的4種土壤酶活性高于處理30天的。施入免深耕土壤調(diào)理劑后，除過氧化氫酶明顯高于空白對照外，另3種酶脲酶、蔗糖酶、磷酸酶反而低于對照。納米碳每平方米3個(gè)用量20ml、25ml、30ml處理的效果均顯著高于免深耕土壤調(diào)理劑每平方米1.2ml處理和清水對照處理。隨納米碳施入量的增加酶活性逐漸增高，以 T4處理每平方米用量30ml處理的效果最好，4種酶活性均明顯高于其他所有各處理。納米碳3個(gè)用量促進(jìn)土壤酶活力的效果高低順序?yàn)門4>T3>T2。

3.2 納米碳對桃園土壤容重和氧化還原電位的影響

由表2可看出，桃園施入免深耕土壤調(diào)理劑和納米碳后，土壤容重均有不同程度的減小，氧化還原電位增加。施入納米碳的效果好于施入免深耕土壤調(diào)理劑的效果。隨納米碳施入量的增加，土壤容重減小和氧化還原電位升高的幅度愈大。土壤愈疏松。減小土壤容重和升高氧化還原電位的效果順序?yàn)門4>T3>T2>T1。

表1 桃園施入納米碳對土壤酶活力的影響 (mg/g)

注：CK-清水對照，T1-免深耕土壤調(diào)理劑1.2ml/m2,T2-納米碳20ml/m2,T3-納米碳25ml/m2,T4-納米碳30ml/m2。表中同列數(shù)字旁不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

表2 桃園施入納米碳對土壤容重和氧化還原電位的影響

3.3 盆栽桃施用納米碳后對植株干重的影響

表3顯示，盆栽桃霞脆品種施入納米碳后，植株地上部、地下部干重均顯著提高。在納米碳每盆用量4ml、8ml、12ml時(shí)，隨納米碳施入量增加植株地上、地下部干重呈增加趨勢，并且均顯著大于對照復(fù)混肥每盆用量28.29g的。納米碳對根部促進(jìn)生長的作用大于對地上部的。

表3 盆栽桃施用納米碳對植株干重的影響與對照相比

注：D-對照，施用復(fù)混肥28.29g(含尿素10.87g、聚磷酸銨9.09g、氯化鉀8.33g)，A-納米碳4ml，B-納米碳8ml，C-納米碳12ml。

3.4 盆栽桃施用納米碳對植株各器官營養(yǎng)元素含量的影響

表4表明，盆栽桃植株施用納米碳和復(fù)合肥后，在器官葉、枝、根中，元素氮、鉀、鎂、鈣、錳、銅、鋅的含量均高于對照D，施用納米碳的高于施用復(fù)合肥的。納米碳隨著施用量的增加植株器官內(nèi)各元素的量增加。葉、枝、根中的各元素含量均以處理C的最高。顯著高于處理B、A和復(fù)合肥D的。氮素在根中含量最多。鉀、鈣、鎂在葉片中含量最高，其次是根，最低的是枝中。微量元素銅的分布：根>枝>葉；錳的分布：根>葉>枝；鋅的分布：枝>根>葉。

4 討論

納米碳具有高表面能，對促進(jìn)生物的代謝、植物養(yǎng)分的吸收利用[14]和生長發(fā)育效果良好。土壤微生物的數(shù)量、活動(dòng)強(qiáng)度及植株根系的分泌物與土壤酶活性有明顯關(guān)系[15]。土壤中添加納米碳可能改善了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。李淑敏等人[16]對不同供氮水平的地添加納米碳增效劑研究表明，納米碳增效劑能明顯促進(jìn)玉米生長，提高土壤酶活性。本研究結(jié)果納米碳提高了土壤的過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性，可能是納米碳增加了土壤微生物和植株根系活力，間接提高了土壤酶活性，增加土壤的疏松度。土壤免深耕調(diào)理劑對提高上面4種土壤酶活性無顯著作用，可降低土壤容重和提高土壤氧化還原電位，有改變了土壤理化性質(zhì)的作用。

梁太波[17]等在普通肥料中加入納米碳能不同程度地促進(jìn)烤煙植株的生長發(fā)育，增加煙株干物質(zhì)積累量，提高煙葉產(chǎn)量，明顯增加烤煙根系生物量、提高根系活力。本研究表明，納米碳促進(jìn)植株干物質(zhì)的積累，對根系的促生作用大于對地上部的，根部生長狀況好，進(jìn)一步促進(jìn)植株對養(yǎng)分和水分的吸收利用，從而促進(jìn)植株的生長發(fā)育。納米碳能促進(jìn)植株對多種元素的吸收，與武美燕等[18]研究結(jié)果一致，且隨施入量的增加促進(jìn)作用越明顯。

溫善菊[19]研究表明，納米材料能夠促進(jìn)植物對氮、鉀、鈣等養(yǎng)分的吸收。本研究表明，納米碳可有效促進(jìn)桃樹對養(yǎng)分的吸收?？赡苡捎诩{米碳表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，能增強(qiáng)對肥料的吸附性能，減少肥料流失、淋失。劉安勛[20]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，在植物不斷吸收水的過程中可攜帶大量營養(yǎng)元素進(jìn)入植物體內(nèi)，起到促進(jìn)養(yǎng)分吸收的作用。納米碳可以改變植株根系周圍的水環(huán)境，提高根系活力，從而提高土壤酶活性，土壤脲酶活性的提高是促進(jìn)氮素吸收的主要原因，有效降低了氮素的土壤殘留和損失[21-22]。

納米碳施入土壤中能提高土壤中各種酶的活性，降低土壤容重，提高土壤氧化還原電位，有利于根系對養(yǎng)分和水分的吸收利用，促進(jìn)植株的生長發(fā)育。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。

表4 盆栽桃施用納米碳對植株器官中各元素含量的影響