納米碳對土壤的影響及其應用

楊自超 楊博蘭 鐘雯瑾 張斌強

（河南心連心化學工業(yè)集團股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700）

納米碳是由植物殘體經(jīng)過人為高溫厭氧條件加工制成的碳材料，屬于多孔材料，具有不規(guī)則的外表面和復雜的內(nèi)表面，含有微孔結構，具有較大的比表面積。納米碳的主要組成元素為碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）等有機元素，以及鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等以灰分形式存在的無機元素，而且含碳量豐富（30.0%～77.4%），pH值大于7。納米碳通過根系吸收的方式進入植物體內(nèi)，是一種新型農(nóng)田土壤改良劑。不僅如此，納米碳對土壤理化性質、土壤微生物環(huán)境均有一定的影響。利用納米碳材料特性開發(fā)出的增效肥料稱為納米碳肥，在農(nóng)業(yè)領域具有十分廣闊的應用前景。

1 納米碳對土壤的影響

1.1 納米碳對土壤環(huán)境的影響

隨著社會的發(fā)展，人們對食品安全的關注度越來越高，而食物質量與土壤環(huán)境密不可分，土壤環(huán)境會間接影響食物品質，因此，關注土壤環(huán)境顯得尤為重要。有關研究表明，土壤微生物及酶的活性被認為是最能反映土壤活力的兩大數(shù)值，同時是評價土壤環(huán)境的重要指標［1］。有報道指出，納米碳是一種無機物質，可以調(diào)節(jié)土壤微環(huán)境，對土壤酶活性及土壤微生物活性具有一定的激活作用。金立夏等研究發(fā)現(xiàn)土壤內(nèi)單壁納米碳管的濃度與細菌的相對豐度在一定范圍內(nèi)呈正相關關系［2］。張晶研究發(fā)現(xiàn)施用納米碳粉后土壤脫氫酶活性顯著降低，土壤微生物總量有所增加并保持在穩(wěn)定水平［3］。這說明納米碳通過增強植株根系活動或土壤微生物的活性，間接改變了土壤酶活性，從而改良了土壤環(huán)境。

1.2 納米碳對土壤理化性狀的影響

1.2.1 納米碳對土壤保水性的影響。土壤水是土壤中物質與能量運輸和轉換的重要介質，土壤水分條件直接影響作物長勢，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)戶通常使用水分吸附劑以優(yōu)化土壤的保水性。納米碳材料因具有較大的表面積、體積比，而逐漸被應用于土壤保水，并以其優(yōu)良特性正逐漸取代傳統(tǒng)的水分吸附劑［4］。胡梓超研究發(fā)現(xiàn)，在粒級＞2μm的土壤中施用較多納米碳材料時，其土壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量隨之增加，而土壤團聚體數(shù)量的增加在一定程度上增大了土壤容重，減少了土壤中大孔隙的數(shù)量，增加了中小孔隙的數(shù)量，降低了外界吸力對水分的影響，從而提高了土壤保水性［5］。

1.2.2 納米碳對土壤氮、鉀含量的影響。氮作為植物生長需求量最多的元素之一，在土壤中主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在。銨態(tài)氮在堿性土壤中極易揮發(fā)而造成損失，硝態(tài)氮由于帶負電荷不能被土壤膠體吸附而極易隨水流失。有關研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施用納米碳后由于其對水分的吸持作用，從而減少了硝態(tài)氮的淋失。同時，由于納米碳自身的結構特點，納米碳對土壤銨態(tài)氮也有一定的吸附作用，從而減少土壤中銨態(tài)氮的揮發(fā)。胡梓超將納米碳施于土壤中，得到了類似結果［5］。

鉀元素不僅能提高作物品質，而且能增強植物的抗病蟲害及抗逆能力。作物對土壤中鉀元素的吸收主要以速效鉀形式進行，但速效鉀吸附性差、移動性強，從而導致作物對鉀元素的利用率較低。納米碳材料以其較大的比表面積和強吸附性，可以與鉀元素進行復合反應，從而有效提高作物對鉀元素的利用率。溫善菊等研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施入納米碳后進行土壤淋溶試驗，土壤中鉀元素含量與對照相比顯著提高［6］。這也進一步驗證了納米碳對土壤中鉀元素的增效作用。

2 納米碳的應用

2.1 在減輕環(huán)境污染中的應用

不合理施用化學肥料，會造成嚴重生態(tài)環(huán)境污染。如何利用納米碳材料減輕環(huán)境污染，國內(nèi)外學者均進行了相關研究。徐磊等研究發(fā)現(xiàn)，納米碳具有超強的吸附性，將其施入土壤后能有效吸附土壤中的污染物，從而降低了污染物向外擴散的風險，減輕了環(huán)境污染［7］；YUAN C和MANNING B A等研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加納米碳材料可以有效改善土壤環(huán)境，降低砷對土壤和地下水的污染［8-9］；胡梓超在人工模擬降雨條件下，研究不同納米碳含量對黃土坡面養(yǎng)分流失影響，結果發(fā)現(xiàn)在土壤中施加納米碳可顯著緩解土壤侵蝕，對土壤養(yǎng)分具有較好的保護作用［5］。

2.2 在肥料中的應用

納米碳在肥料中具有廣闊的應用前景，許多專家學者對其均有研究。馬筠等以冬小麥為研究對象，將納米碳添加到肥料中制作成納米碳肥，以納米碳肥為研究材料，發(fā)現(xiàn)納米碳可以促進小麥植株新陳代謝，從而促進小麥生長［10］；王佳奇等在瓊脂培養(yǎng)基中添加納米碳以研究玉米幼苗根系的變化，結果表明添加一定濃度的納米碳不僅可以促進玉米種子發(fā)芽和根系生長，而且可以顯著提高玉米對氮肥的利用率［11］。納米碳具有節(jié)肥增效作用。李淑敏等得到了類似的試驗結果，在化肥中添加納米碳可以顯著提高玉米根系活力，促進玉米地下根系生長發(fā)育［12］。王飛等研究表明，在同一施肥條件下添加納米碳可以有效提高作物對肥料的利用率，從而實現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)［13］。劉健等在玉米肥效試驗中發(fā)現(xiàn)，添加納米碳可使玉米增產(chǎn)10.93%～16.74%［14］，進一步驗證了納米碳在肥料中的應用效果。劉健等研究發(fā)現(xiàn)納米碳增效尿素處理的水稻產(chǎn)量三要素顯著高于對照處理，對水稻產(chǎn)量具有極為顯著的影響［15］。

3 納米碳在肥料中的應用特點

第一，納米碳肥料能在光合作用下使土壤中養(yǎng)分增加，促進植物根系活性化，提高植物生命力。

第二，納米碳的高吸附性和緩釋放性使納米碳肥料進入土壤后能溶于水，增加植物根系吸收水分和養(yǎng)分的能力。

第三，植物可以通過根系吸收納米碳粒附著的養(yǎng)分，進入植物根、莖、葉，縮短植物生長周期并達到增產(chǎn)效果。

第四，納米碳肥料可以使土壤中有益微生物大量繁殖，逐漸改善土壤狀況，帶動減少肥料施用量。

4 結語

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將納米碳添加到肥料中制成納米碳肥，不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且可以起到節(jié)肥增效的作用，并減輕環(huán)境污染。因此，將納米碳應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。