碳化石墨烯對朝天椒產(chǎn)量及其根區(qū)土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

蔣月喜，蔣 哲，王曉國，陳振東，張 力，郭元元，車江旅，陳 琴，宋煥忠，李 洋

（1廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣西蔬菜育種與新技術(shù)研究實驗室，廣西南寧 530007；2廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西南寧 530004；3廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物研究所，廣西南寧 530007）

0 引言

【研究意義】辣椒（L.）為茄科辣椒屬一年或多年生草本植物。我國是世界上辣椒栽培面積最大的國家，常年種植面積超過213.3萬ha（王立浩等，2021）。目前，辣椒已成為我國種植面積最大的蔬菜和消費量最大的辛辣調(diào)味品（鄒學(xué)校和朱凡，2022），產(chǎn)值居蔬菜作物之首（彭月等，2022）。辣椒果實中富含維生素C、可溶性糖、蛋白質(zhì)及辣椒素等成分，具有較高的營養(yǎng)價值，同時也是重要的調(diào)味料和化工原料（王燦等，2020）。品種、氣候、土壤肥力和栽培措施等是影響辣椒果實品質(zhì)的重要因素（陳亮等，2020；宋靜爽等，2020；蔣月喜等，2022；史建碩等，2022）。然而，辣椒產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展的同時，由于化學(xué)肥料的過量使用、土壤保肥保水能力下降、逆境脅迫及連作障礙等嚴重影響了其產(chǎn)量和質(zhì)量，制約了辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。通過提高肥料利用率，減少施肥量，施用緩/控釋肥等方法是解決當(dāng)前問題的主要技術(shù)途徑之一，增施有機肥、微肥，控溫補光能在一定程度上提高辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)，但很難緩解土壤中過量的重金屬對辣椒品質(zhì)的影響。石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的平面二維晶體，屬于納米碳材料，近年來科學(xué)界掀起了對石墨烯的研究熱潮，其具有獨特的理化特性，在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用（翁軼能等，2020）。因此，探究石墨烯對辣椒生長的影響，對辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。【前人研究進展】在農(nóng)業(yè)方面，關(guān)于石墨烯對植物種子萌發(fā)、光合作用、植物代謝等過程的影響進行了大量研究。以卷心菜、番茄和紅菠菜（Begum et al.，2011）、小麥和大麥（Caklr and Caklr，2015）、白豆和番茄（Caklr and Caklr，2016）為供試材料的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯對作物地上部生長具有抑制作用，表現(xiàn)為葉片數(shù)、株高、鮮重及物質(zhì)量均減少，且石墨烯濃度越高，抑制作用越強；另有研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的石墨烯對植物地上部生長無顯著影響或存在促進作用，如0.1~0.8 mg/g氧化石墨烯促進高羊茅株高及生物量增加（王曉靜等，2018），當(dāng)氧化石墨烯濃度低于1 mg/L時，經(jīng)處理的擬南芥植株表觀形態(tài)未產(chǎn)生明顯變化（Zhao et al.，2015），25~100 mg/L氧化石墨烯處理下甘藍型油菜地上部鮮重隨氧化石墨烯濃度增加而增加（吳金海等，2015）。石墨烯對種子萌芽的影響與植物種類、石墨烯類型及濃度有關(guān)，如Caklr和Caklr（2015）研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量濃度為2000 mg/L的石墨烯處理下大麥種子幾乎無發(fā)芽跡象；白豆種子的發(fā)芽率則降低88%，而番茄種子發(fā)芽率卻提高87%（Caklr and Caklr，2016）。石墨烯對植物根系形態(tài)及地上部生長均存在一定影響，姚建忠等（2018）研究結(jié)果表明，適宜濃度的石墨烯能促進歐洲山楊組培苗不定根伸長、主根形成、不定根根數(shù)增加，促進植株分芽和苗高增長，植株葉片顏色深綠；郭緒虎等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，特定濃度的石墨烯能促進藜麥根系生長和形態(tài)發(fā)育，在石墨烯質(zhì)量濃度為2、4、8和12 mg/L的MS培養(yǎng)基上生長的藜麥幼苗生物量顯著大于對照，其中8 mg/L的石墨烯對藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進作用；胡曉飛等（2019）研究了不同濃度石墨烯對樹莓組培苗苗勢及其不定根發(fā)育的影響，結(jié)果表明，隨著石墨烯濃度的增加，樹莓的苗高、根長、根尖數(shù)、根比表面積均呈先增加后減小的變化趨勢，石墨烯濃度為2 mg/L時樹莓組培苗苗高達對照組的1.46倍，其根長、比表面積、根尖數(shù)及分叉數(shù)約為對照的2倍。研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯對土壤中微生物有一定的影響，能引起耐受菌數(shù)量的增加（李麗娜等，2016）；此外，添加石墨烯材料可明顯促進植物根際細菌的數(shù)量和固氮菌數(shù)量，增強氮的有效性（張寧和王海雁，2019）。有關(guān)石墨烯材料在辣椒上的應(yīng)用僅見李鵬等（2022a，2022b，2022c）的報道，研究發(fā)現(xiàn)，溫室內(nèi)懸掛石墨烯材料可明顯增加辣椒果實內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C等含量，提高辣椒的體積與產(chǎn)量（李鵬等，2022a）；石墨烯地膜覆蓋能有效促進辣椒株高、莖粗、葉片數(shù)、胚根數(shù)等的增長，提高辣椒植株的生物積累量，提高辣椒果實中維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量，還能增加辣椒單果重和單株果實數(shù)，進而提高辣椒的產(chǎn)量（李鵬等，2022b）；辣椒在石墨烯遠紅外電暖加溫處理下的萌芽率最高，苗齡期明顯縮短，幼苗各項生理指標明顯提高（李鵬等，2022c）?！颈狙芯壳腥朦c】目前，已有石墨烯材料作為新型肥料在高羊茅、甘藍型油菜、番茄和蠶豆等作物生長上使用的相關(guān)報道，但在辣椒上應(yīng)用的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以鮮用型朝天椒為研究對象，在定植后的朝天椒根區(qū)淋施不同濃度碳化石墨烯（以下簡稱石墨烯），研究不同濃度石墨烯處理對朝天椒產(chǎn)量、品質(zhì)及其根區(qū)土壤養(yǎng)分、酶活性、重金屬和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，為石墨烯碳肥在辣椒高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年8月在廣西南寧市武鳴縣雙橋鎮(zhèn)（東經(jīng)107°49′26″、北緯22°59′58″）進行。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，陽光充足，年平均氣溫21.7 ℃，年均降水量1300 mm。供試辣椒品種為桂冠紅，由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所提供。供試土壤為磚紅土，試驗田土壤主要理化性質(zhì)：有機質(zhì)16.93 g/kg、水解性氮231.67 mg/kg、速效磷42.11 mg/kg、速效鉀148.67 mg/kg、pH 6.5；土壤總砷9.797 mg/kg、總汞0.118 mg/kg、鉛27.167 mg/kg、鎘0.115 mg/kg、鉻57.000 mg/kg。供試石墨烯漿料由廣西清鹿生物科技股份有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗于露地進行，設(shè)4個處理。（1）對照（CK）：基礎(chǔ)施肥；（2）A8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上每1000 m用石墨烯原漿5.6 kg兌水8000 kg，即用濃度為0.07%石墨烯水溶液淋施（以下類推）；（3）B8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上用0.35%石墨烯水溶液淋施；（4）C8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上用1.75%石墨烯水溶液淋施。朝天椒于2020年10月13日定植，行距45 cm，株距50 cm。試驗小區(qū)面積15 m，每處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。施肥采取自動滴灌方法進行。石墨烯水溶液于2020年10月22日用噴霧器均勻淋施在朝天椒植株根部；對照施等量清水。試驗小區(qū)施肥、病蟲防治、除草、灌溉等田間管理按照統(tǒng)一標準進行。朝天椒于2021年6月7日全部收獲并測定完畢。

1.3 樣本采集及測定方法

1.3.1 朝天椒樣本采集和品質(zhì)指標測定 每小區(qū)標記5株朝天椒，于紅果期采集朝天椒果實樣本。分別于2021年2月6日、3月6日、4月7日、5月8日和6月7日共5次采摘標記的紅果，其中第4次（5月8日）采收時測定果實維生素C（Vc）、辣椒素、可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸鹽含量。采用2,6-二氯靛酚滴定法測定Vc含量（以鮮重計）；高效液相色譜法（HPLC）測定辣椒素含量；考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量；蒽酮比色法測定可溶性糖含量；酚二磺酸分光光度法測定硝酸鹽含量（以鮮重計）。朝天椒總產(chǎn)量按5次采收的樣本重量累計。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測定 于2021年3月11日用土壤取樣器在每小區(qū)隨機取辣椒根區(qū)0~20 cm表層土壤樣品5份并混為1個樣本。每個樣本分為2份，1份暫存于-80 ℃冰箱用于土壤微生物群落組成分析，1份在室內(nèi)風(fēng)干后將根系、石塊等雜物挑除，分別過1和0.12 mm孔篩后用于土壤理化性質(zhì)分析。采用凱氏定氮法測定全氮含量、堿解擴散法測定有效氮含量；鹽酸—氟化銨浸提比色法測定速效磷含量、乙酸銨提取—火焰光度計法測定速效鉀含量、電位法測定pH，水和土的質(zhì)量比為2.5∶1。采用高錳酸鉀法測定過氧化氫酶活性、磷酸苯二鈉比色法測定磷酸酶活性、比色法測定蔗糖酶活性、靛酚藍比色法測定脲酶活性、分光光度法測定硝酸還原酶和酸性蛋白酶活性。

1.3.3 土壤及朝天椒不同器官中重金屬含量測定分別于2021年3月11日和4月2日用土壤取樣器在每小區(qū)隨機取1 kg朝天椒根區(qū)土壤混為1個樣本測定重金屬含量；于5月8日每小區(qū)取5株朝天椒的根、莖和果實分別混合測定各器官的重金屬含量。土壤中的鉛、鎘、鉻、汞和砷含量分別按GB/T 22105.2—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定》、GB/T 23739—2009《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測定 原子吸收法》、HJ 491—2019《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》中的方法進行；朝天椒的根、莖、果實中鎘和鉻含量分別按GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》和GB 5009.123—2014《食品安全國家標準 食品中鉻的測定》中的方法進行。

1.3.4 土壤微生物群落組成分析 參照天根生化科技（北京）有限公司的土壤微生物DNA提取試劑盒說明提取根區(qū)土壤微生物總DNA，所獲得的DNA送至北京諾禾致源科技股份有限公司用于高通量測序，細菌群落組成所用引物為515F（5'-GTGCCAGC MGCCGCGG-3'）和907R（5'-CCGTCAATTCMTTT RAGTTT-3'）。利用Illumina NovaSeq平臺進行高通量測序，測序得到的下機數(shù)據(jù)進行拼接和質(zhì)控后，再進行嵌合體過濾，得到分布在410~420 bp長度的序列用于OTU分析。為研究各樣本的物種組成，對所有樣本的有效數(shù)據(jù)，以97%的一致性進行OTUs聚類，然后對OTUs的序列進行物種注釋。

1.4 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 15.0進行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度石墨烯處理對朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

于第4次采摘標記株全部紅果，抽取混合樣用于朝天椒營養(yǎng)品質(zhì)測定，結(jié)果見表1。與CK相比，石墨烯處理后朝天椒產(chǎn)量和Vc含量均得到明顯提高，其中B8處理的產(chǎn)量最高，較CK顯著增產(chǎn)6.40%（<0.05，下同），其次為C8和A8處理，分別較CK增產(chǎn)5.14%和4.35%，而3個石墨烯處理間無顯著差異（>0.05，下同）；Vc含量也以B8處理最高，較對照顯著增加25.27%，其次為C8和A8處理，分別較對照增加7.96%和1.56%。與CK相比，石墨烯處理朝天椒果實的蛋白質(zhì)含量無顯著變化，可溶性糖含量顯著減少，而硝酸鹽含量顯著增加，但各處理硝酸鹽含量均低于GB 19338—2003《蔬菜中硝酸鹽限量標準》中≤440 mg/kg·FW的限量標準；A8處理的辣椒素含量顯著低于CK，但隨著石墨烯濃度的增加，B8處理的辣椒素含量較CK顯著高20.45%，而隨著石墨烯濃度的進一步增加，C8處理的辣椒素含量降至接近CK水平。比較朝天椒的產(chǎn)量和品質(zhì)結(jié)果可知，一定濃度的石墨烯處理可有效提高朝天椒的產(chǎn)量，提高朝天椒果實的辣椒素和Vc含量，改善朝天椒果實品質(zhì)。

2.2 不同濃度石墨烯處理對土壤養(yǎng)分的影響

第2次采收朝天椒后，采集朝天椒根區(qū)土壤測定理化性質(zhì)。由表2可看出，各石墨烯處理的土壤全磷、全氮和全鉀含量與CK無顯著差異，但CK的速效磷和速效鉀含量高于或顯著高于各石墨烯處理。B8處理的有機質(zhì)含量略高于CK，A8處理的有機質(zhì)含量略低于CK，3個石墨烯處理間無顯著差異，以C8處理的有機質(zhì)含量最低，較CK顯著減少10.8%；各處理的土壤水解性氮含量無顯著差異，其中A8和B8處理略高于CK；B8處理的土壤速效磷含量略低于CK，二者間無顯著差異，但A8和C8處理的土壤速效磷含量顯著低于CK，分別較CK少14.6%和23.7%；3個石墨烯處理的土壤速效鉀含量均顯著下降，A8、B8和C8處理分別較CK下降35.7%、18.0%和25.5%；各處理的土壤pH存在一定差異，其中B8處理的pH顯著下降，而隨著石墨烯處理濃度的上升，C8處理土壤中pH呈升高趨勢。總的來看，石墨烯處理對朝天椒根區(qū)土壤養(yǎng)分存在一定影響，特別是對有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量的影響較大。

2.3 不同濃度石墨烯處理對土壤酶活性的影響

石墨烯處理對朝天椒根區(qū)土壤酶活性的影響較大。由表3可知，與CK相比，A8和C8處理的蔗糖酶活性顯著下降，分別較CK低32.1%和12.2%，而B8處理的蔗糖酶活性顯著提高，較CK高38.1%；A8和B8處理的脲酶活性有所下降，分別較CK低4.1%和9.1%，而C8處理的脲酶活性明顯提高，較CK高9.0%，3個石墨烯處理與CK間脲酶活性差異不顯著；A8和B8處理的酸性磷酸酶活性均顯著下降，分別較CK低16.8%和12.8%，C8處理的酸性磷酸酶活性略低于CK但無顯著差異；B8處理的硝酸還原酶活性與CK無顯著差異，而A8和C8處理的硝酸還原酶活性均高于CK，分別較CK高19.6%和7.7%；3個石墨烯處理的過氧化氫酶活性均低于CK，但各處理間差異不顯著；A8、B8和C8處理的酸性蛋白酶活性均較CK顯著提高，分別較CK高223.7%、622.6%和223.7%。比較不同土壤酶活性可知，石墨烯處理可顯著增加土壤酸性蛋白酶活性，降低過氧化氫酶活性，并對蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和硝酸還原酶活性產(chǎn)生一定影響，從而影響土壤酶活性。

2.4 不同濃度石墨烯處理對土壤重金屬含量的影響

分別于朝天椒生長前期（2021年3月11日）和中期（2021年4月2日）測定其根區(qū)土壤重金屬含量。由表4可看出，朝天椒根區(qū)土壤鉛含量3個石墨烯處理均較CK低，而朝天椒生長中期土壤中鉛含量較生長前期高，CK較前期增加8.9%，3個石墨烯處理（A8、B8和C8）則分別較前期增加8.1%、7.0%和1.1%；土壤中鎘含量3個石墨烯處理與CK的差異較小，朝天椒生長中期土壤中鎘含量較生長前期高，其中生長前期A8和B8處理土壤中鎘含量略低于CK，生長中期3個石墨烯處理的土壤鎘含量略高于CK；各處理土壤中鉻含量表現(xiàn)為朝天椒生長中期高于前期，其中生長前期A8和B8處理較CK低、C8處理較CK高，而在朝天椒生長中期，3個石墨烯處理的土壤鉻含量均低于對照，分別較CK低7.8%、7.8%和15.6%；在朝天椒生長前期和中期，3個石墨烯處理的土壤汞含量與CK差異不大，但在朝天椒生長中期土壤汞含量較生長前期低，CK和3個石墨烯處理分別較前期降低31.4%、23.1%、22.8%和17.9%；在朝天椒生長前期，土壤中砷含量CK與3個石墨烯處理間差異不大，但在朝天椒生長中期，土壤中砷含量變化明顯，CK砷含量較前期低47.5%，而3個石墨烯處理的砷含量分別較前期高12.4%、13.6%和13.9%。

2.5 不同濃度石墨烯處理對朝天椒不同器官中重金屬含量的影響

于第4次采摘朝天椒紅果時檢測鎘和鉻2種元素在朝天椒根、莖及果實中的含量。由圖1可知，在朝天椒根中，A8和B8處理下的鎘含量分別較CK高230.23%和174.42%；A8和B8處理下的鉻含量分別較CK高1.18%和10.59%；C8處理下鎘和鉻2種元素的含量均低于CK。在朝天椒莖中，A8和B8處理下的鎘含量分別較CK高16.67%和16.67%；A8和C8處理下的鉻含量分別較CK高58.62%和93.10%；C8處理下的鎘含量較CK低25.64%；B8處理下的鉻含量較CK低1.15%。在朝天椒果實中，3個石墨烯處理的鎘和鉻含量均比CK低，其中A8、B8和C8處理的鎘含量分別較CK低18.52%、22.22%和19.75%，鉻含量分別較CK低14.02%、39.25%和42.99%，表明土壤中添加石墨烯能降低朝天椒果實中的重金屬含量。

2.6 不同濃度石墨烯處理下土壤微生物測序結(jié)果

為探討土壤中澆灌不同濃度石墨烯后土壤中微生物菌落的變化，提取朝天椒根區(qū)土壤微生物總DNA進行高通量測序。利用Illumina NovaSeq高通量測序平臺所擴增的16S區(qū)域特點建庫，并進行OTU分析。由圖2可知，CK、A8、B8和C8處理的OTU總數(shù)分別為2016、2074、2182和2063。其中，4個樣本共有的OTU數(shù)為1106，表明CK與3個石墨烯處理的土壤微生物種類有一半以上相同；而CK、A8、B8和C8處理特有的OTU數(shù)分別為218、224、445和221，其中B8處理的特有微生物種類數(shù)最多，說明在B8處理下該樣本的微生物種類發(fā)生了較大變化。

2.7 不同濃度石墨烯處理對土壤細菌群落的影響

采用二代高通量測序方法對不同石墨烯處理的土壤細菌群落結(jié)構(gòu)進行分析，根據(jù)物種注釋結(jié)果，選取每個樣本或分組在門水平上豐度排名前10的物種，生成物種相對豐度柱形累加圖（圖3）?；陂T水平的物種相對豐度柱形圖可看出，土壤中的優(yōu)勢菌群為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicuters）、擬桿菌門（Bacteroidota）、酸桿菌門（Acidobac‐teriota）、綠彎菌門（Chloroflexi）和放線菌門（Actino‐bacteriota），均為農(nóng)田土壤常見類群。與CK相比，A8處理下的變形菌門和擬桿菌門相對豐度減少，而酸桿菌門的相對豐度明顯增加；B8處理下的變形菌門、擬桿菌門和酸桿菌門相對豐度減少，厚壁菌門相對豐度增加；而C8處理下的厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門的相對豐度增加。

根據(jù)所有樣本在屬水平的物種注釋及豐度信息，選取豐度排名前35的屬，根據(jù)其在每個樣本中的豐度信息，從物種和樣本2個層面進行聚類，繪制熱圖（圖4）。在前35個屬中，有11個屬來自于變形菌門，7個屬來自于擬桿菌門，酸桿菌門和厚壁菌門各有5個屬，而放線菌門、unidentified_Bacteri、芽單胞菌門、疣微菌門分別有3、2、1、1個。與CK相比，3個石墨烯處理處理中相對豐度均減少的有unidentified_Gemmatimonadaceae屬、駒形氏桿菌屬（）、朱氏桿菌屬（）、假單胞菌屬（）和鞘氨醇單胞菌屬（）；相對豐度均增加的有屬、Lachnospi‐raceae_NK4A136_group屬和另枝菌屬（）。

3 討論

生物質(zhì)炭與肥料配合使用對小白菜、辣椒、玉米、花生和煙草等作物具有明顯的增產(chǎn)作用（劉世杰和竇森，2009；楊勁峰等，2015；陳淼等，2019；蔣欣梅等，2020；云菲等，2021）。石墨烯作為新型碳基質(zhì)肥料具有使作物增產(chǎn)提質(zhì)的特性（Zhang et al.，2012）。本研究中，與CK相比，施用石墨烯的朝天椒產(chǎn)量得到提高，與施用生物炭基肥促進辣椒增產(chǎn)的結(jié)論一致（陳淼等，2019）。硝酸鹽含量是反應(yīng)辣椒安全品質(zhì)的重要指標之一；Vc則是權(quán)衡辣椒營養(yǎng)品質(zhì)的必要指標之一；可溶性糖可為作物生長提供能量，其含量是衡量作物代謝水平的重要指標。辣椒素和Vc的合成受土壤理化條件的影響，土壤中水分、礦質(zhì)元素均參與辣椒素和Vc合成。本研究結(jié)果顯示，朝天椒果實的硝酸鹽含量有隨石墨烯施用量的增加而降低趨勢，雖然3個石墨烯處理的硝酸鹽含量均高于CK，但均在國家限量標準內(nèi)，表明施用石墨烯會在一定程度上影響辣椒的安全品質(zhì)；朝天椒的辣椒素含量和Vc含量隨著石墨烯施用量的增加呈先增加后減少的趨勢，其中B8處理的辣椒素和Vc含量最高，表明石墨烯可提高辣椒的品質(zhì)，但添加量不是越多越好。

肥料利用率與土壤通氣狀況、含水量及微生物活性等影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的因素密切相關(guān)（趙婉伊等，2017）。大量研究證明，生物炭施入土壤后對提高土壤肥力具有重要作用（殷金巖等，2015）。本研究中，隨著石墨烯添加量的增加，土壤有機質(zhì)含量呈先增加后減少的趨勢，pH則呈先降低后上升的趨勢，說明適當(dāng)施入石墨烯材料對土壤有機質(zhì)和pH具有一定的調(diào)節(jié)作用，與殷金巖等（2015）的研究結(jié)果一致。隋祺祺等（2019）研究表明，石墨烯作為一種碳納米材料，具有較大的比表面積，對養(yǎng)分離子有較強的吸附作用，能增強土壤對養(yǎng)分的持留作用，減少養(yǎng)分隨灌溉、降水等的淋溶損失。本研究中，A8和B8處理的水解性氮較CK高；3個石墨烯處理的全鉀含量均較CK高，與隋祺祺等（2019）的研究結(jié)果相似。施入不同量的石墨烯可改變土壤的速效養(yǎng)分，本研究中A8和B8處理的水解性氮含量最高；B8處理的速效磷和速效鉀較高，表明適量添加石墨烯材料可有效增加土壤速效養(yǎng)分含量。有研究表明，石墨烯具有的親水性可提高土壤含水量，同時其優(yōu)異的水傳輸性可為植物輸送充足的水分，有利于提高植物對水分及養(yǎng)分的利用（何藝佳，2019）。本研究中，3個石墨烯處理的速效鉀和速效磷含量均較CK低，同時對應(yīng)的產(chǎn)量較CK高，說明添加石墨烯能促進植物對養(yǎng)分的吸收，與何藝佳（2019）的研究結(jié)果一致。

土壤酶參與土壤養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)，土壤酶活性可表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程、物質(zhì)代謝程度及土壤肥力，是土壤質(zhì)量水平的重要指標，其中土壤脲酶活性反映土壤對氮素的需求和利用，而磷酸酶活性高低則會影響土壤有機磷的分解轉(zhuǎn)化及生物有效性。本研究3個石墨烯處理的土壤脲酶活性均與CK無顯著差異，說明石墨烯處理對土壤脲酶活性無明顯影響。研究表明，土壤酸性磷酸酶活性與土壤肥力的關(guān)系密切，酸性磷酸酶是酸性條件下能催化磷酸單酯裂解而釋放無機磷酸根離子的水解酶，低磷脅迫能誘導(dǎo)植物體內(nèi)和根系分泌的酸性磷酸酶活性顯著增加（黃宇等，2008；劉攀道等，2019）。本研究3個石墨烯處理的酸性磷酸酶活性均較CK低，說明3個石墨烯處理中的磷含量較CK更適宜朝天椒生長。從土壤蔗糖酶活性看，B8處理對蔗糖酶的影響最大；石墨烯處理的土壤過氧化氫酶活性略低于CK，但差異不顯著；隨著石墨烯添加量的增多，硝酸還原酶活性呈先減少后增加的趨勢，其中A8和C8處理的硝酸還原酶活性高于或顯著高于CK，B8處理則略低于CK；3個石墨烯處理的酸性蛋白酶活性均顯著高于CK。酸性蛋白酶是一種能催化蛋白質(zhì)水解生成多肽及小分子氨基酸的酶（李雪等，2019），本研究3個石墨烯處理的酸性蛋白酶活性均顯著高于CK，高活性的酸性蛋白酶加速了土壤中蛋白質(zhì)的分解，尤其是對有機質(zhì)含量高的土壤，更能促進植物對氨基酸的吸收，提升植株獲取氮源的能力，從而促進朝天椒產(chǎn)量的提高。

土壤中重金屬含量會直接影響土壤的理化結(jié)構(gòu)，影響土壤中的酶活性，同時也會對土壤中微生物菌落產(chǎn)生影響。土壤中重金屬離子可通過植物對土壤養(yǎng)分的吸收而進入植物的根、莖、葉和果實中，進而導(dǎo)致植物生理生化以及光合作用的改變，導(dǎo)致果實品質(zhì)的改變。土壤中重金屬離子主要來源于灌溉、農(nóng)藥和肥料的施用，在不同條件下，石墨烯對不同重金屬元素的吸附能力不同。本研究中，在朝天椒生長中期，土壤中鉛和鉻的濃度均隨著石墨烯施用濃度的增加而減少，原因可能是在當(dāng)前環(huán)境下石墨烯對鉛和鉻的吸附能力較差，同時石墨烯濃度的增加促進了土壤孔隙度的提高，促使重金屬離子通過流水離開耕作層，從而使土壤中重金屬含量下降。影響土壤對重金屬吸附能力的因素較多，土壤酸堿度、溫度和孔隙度等均會對其產(chǎn)生影響，有待從生化、物理等方面進一步探究。Yin等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的石墨烯會粘附在植物的根上，促進植物吸收石墨烯吸附的鎘離子。本研究中，隨著石墨烯濃度的增加，A8和B8處理下朝天椒植株根中的鎘及鉻含量均較CK高，與Yin等（2018）的研究結(jié)果相似。同時，3個石墨烯處理下朝天椒果實中的鎘和鉻含量均較CK低，原因可能是石墨烯對重金屬離子起到吸附作用，阻礙了重金屬從根系轉(zhuǎn)移至果實，促進了朝天椒果實品質(zhì)的提高。

土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其中的根際促生菌是一類可促進植物生長、提高植物抗病性和作物產(chǎn)量的有益微生物。本研究結(jié)果顯示，4個處理土壤樣本中的變形菌門、厚壁菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、綠彎菌門和放線菌門的相對豐度較高，這幾個菌門均為農(nóng)田土壤常見類群（陳梅春等，2018；姜偉等，2021），說明添加石墨烯對土壤中的細菌在門水平上影響較小。變形菌門是細菌域中最大的一個種類，該門下多為革蘭氏陰性菌，其中的一些屬對植物的生長有益，如具有固氮能力的根瘤菌屬可增加土壤中的氮素營養(yǎng)，促進植株生長（許藝等，2022）；厚壁菌門的成員芽胞桿菌可產(chǎn)生芽胞抵御外界的有害因子，增強植物的抗逆性（程揚等，2018）；酸桿菌門在土壤中可降解植物殘體，同時還可參與光合作用和生態(tài)環(huán)境構(gòu)建過程（程揚等，2018）；綠彎菌門能在綠體微囊中通過光合作用產(chǎn)生大量的能量（王禮偉等，2021）；放線菌能分解纖維素和木質(zhì)素，豐富的放線菌有利于土壤中植物有機殘體的分解（Kanokratana et al.，2011）；而針對擬桿菌門的研究則發(fā)現(xiàn)其具有潛在的生物防治能力（史亞晶等，2022）。在B8處理中，土壤中厚壁菌門的相對豐度在4個樣本中最高，而變形菌門的相對豐度最低；同時，在豐度排名前35的菌屬中，溶桿菌屬（）、乳桿菌屬（）和Lachnospiraceae_NK4A136_group等有益菌較CK有較大的提升，在4個處理中最高，這是B8處理下產(chǎn)量最高的原因之一。

本研究結(jié)果表明，在土壤中淋施一定量的石墨烯對改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、優(yōu)化土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)、提高朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)等具有明顯作用，但其具體機理有待進一步探究。

4 結(jié)論

在朝天椒定植后淋施0.35%石墨烯水溶液可在一定程度上提高朝天椒根區(qū)土壤肥力和酶活性，改善土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)，提高朝天椒的產(chǎn)量和品質(zhì)。石墨烯具有作為碳肥在辣椒高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培上應(yīng)用的潛力。