添加石墨烯對黑土氮素轉(zhuǎn)化與玉米氮素積累的影響

摘要：隨著納米技術(shù)的發(fā)展以及納米材料的大量應(yīng)用，人們對納米材料的環(huán)境安全日益關(guān)注，雖然納米材料對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的效應(yīng)已有一定研究，但是研究結(jié)果存在很大差異。以黑鈣土為材料，通過盆栽試驗研究了0（CF）、50（G1）、100（G2）、150 g/kg（G3）石墨烯添加量，對黑土不同形態(tài)氮素含量、土壤氮代謝酶活性的影響，以探討石墨烯對玉米生長季土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制。結(jié)果表明，添加石墨烯可提高土壤氮素含量，在3葉1心期，G2處理的土壤堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別較CF處理顯著增加（Plt;0.05）。同時，石墨烯的加入還提高了土壤酶活性，但隨著施用量的增加，土壤酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，G2處理蛋白酶、脲酶、亞硝酸還原酶和硝酸還原酶的活性較CF處理分別提高6.57%～25.12%、5.01%～28.68%、16.23%～46.42%和27.75%～125.94%。在成熟期G2處理的玉米氮素積累較CF處理顯著增加了31.45%。綜上，黑鈣土添加石墨烯提高了土壤氮素轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)了當(dāng)季玉米植株氮素吸收和積累，100 g/kg的石墨烯添加量效果較好。

關(guān)鍵詞：石墨烯；氮素；土壤酶活性；黑鈣土；氮素轉(zhuǎn)化；氮素積累

中圖分類號：S513.06；S153" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）03-0199-07

劉" 瑩，王詩雅，孫光旭，等. 添加石墨烯對黑土氮素轉(zhuǎn)化與玉米氮素積累的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2025，53（3）：199-206.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2025.03.027

收稿日期：2024-02-29

基金項目：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)“揭榜掛帥”科技攻關(guān)項目（編號：JB20220001）。

作者簡介：劉" 瑩（1999—），女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，主要從事作物生理生態(tài)與栽培技術(shù)研究。E-mail：2961213342@qq.com。

通信作者：郭" 偉，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物生理生態(tài)與栽培技術(shù)研究。E-mail：agrigw@163.com。

東北黑土是世界四大黑土帶之一，也是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地［1］。長期過度利用與不合理施肥，造成黑土地退化問題嚴(yán)重，土地生產(chǎn)能力降低。Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加納米材料可促進(jìn)植物根部對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收［2］。同時，添加納米材料還可以提高土壤的黏著性［2］和孔隙度［3］，改善土壤的養(yǎng)分保持能力。納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，包括廢水處理、降低污染土壤的質(zhì)量、通過傳感器檢測病原體的安全性來提高作物的生產(chǎn)力［4］。但隨著納米材料的廣泛應(yīng)用，越來越多的納米材料通過各種途徑進(jìn)入到環(huán)境中，環(huán)境暴露風(fēng)險加?。?-6］。評價納米材料對作物-土壤系統(tǒng)的綜合效應(yīng)對農(nóng)業(yè)中納米技術(shù)的應(yīng)用推廣具有深遠(yuǎn)的實踐意義和價值。

由納米材料作為填充、包膜等輔料添加到肥料中形成納米新型肥料［7］，被美國、日本、印度及歐洲的一些國家日益重視，并對納米肥料的生產(chǎn)與應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗［8］。張夫道等的研究表明，添加納米材料可以提高肥料利用效率，并提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)［7］。武美燕等研究發(fā)現(xiàn)，納米碳可以降低稻田水中的總氮含量，防止氮素通過徑流流失，從而提高對氮素的吸收和利用，增加水稻產(chǎn)量［9］。石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料［10］，因其特殊的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、電子器件等行業(yè)［11］。蔣月喜等在對朝天椒的研究中發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)施肥的基礎(chǔ)上添加適量濃度的石墨烯水溶液能夠提高根際土壤酶活性，改善土壤質(zhì)量，增加朝天椒產(chǎn)量［12］。Chen等的研究表明，50 mg/L石墨烯處理使玉米根際土壤的氮含量增加，玉米氮代謝呈上調(diào)趨勢［13］。王詩雅等的研究表明，雖然添加適量石墨烯粉可以提高土壤速效養(yǎng)分含量，但添加大量石墨烯會對玉米植株生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用［14］。近年來，碳納米材料添加（肥料）對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響研究較多，且多項研究都表現(xiàn)出了添加量的濃度效應(yīng)［13-14］。本試驗以石墨烯為納米材料，研究了石墨烯添加對黑土氮素代謝的影響，旨在探討石墨烯添加的土壤環(huán)境效應(yīng)，為黑土保護(hù)利用及退化黑土耕地保育技術(shù)研發(fā)提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 供試材料

試驗于2022年在黑龍江省大慶市黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院校園試驗盆栽場進(jìn)行，采用盆栽方式。

盆栽土壤為取自黑龍江省綏化地區(qū)的黑鈣土，基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量17.14 g/kg，堿解氮含量228.976 mg/kg，速效磷含量102.7 mg/kg，速效鉀含量179.20 mg/kg，pH值7.5。

試驗所用石墨烯購自鄭州市二七區(qū)順誠化工產(chǎn)品商行，為黑色蓬松粉末，直徑為10～20 μm，平均厚度為 1～3 nm，濃度為99.9%。

供試玉米品種為鮮食玉米金糯262。

試驗所用化學(xué)肥料包括尿素（氮含量46%）、磷酸二銨（氮含量18%、P2O5含量46%）、硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.2" 試驗設(shè)計及方法

采用上口徑×高=28.0 cm×30.0 cm的塑料育苗缽體進(jìn)行盆栽試驗，每盆先裝9 kg土壤置于盆底，再裝入與對應(yīng)處理石墨烯量和所需化肥混合均勻的基質(zhì)5 kg，每盆均勻播種5粒，播種后在種子上覆蓋與石墨烯（與處理濃度相同）混合均勻的土壤 1 kg 適度澆水。出苗后定苗至2株。每個處理3次重復(fù)。在抽雄期取樣前7 d進(jìn)行追肥，每盆施入 0.5 g 尿素，隨水灌溉。分別于玉米的3葉1心期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期和成熟期用土鉆距植株 3 cm 處取20 cm厚度的土壤，用于土壤不同氮素含量和土壤酶活性的測定。各處理的數(shù)據(jù)詳見表1。

1.3" 測定項目與方法

土壤全氮含量的測定采用凱氏定氮法［15］，土壤堿解氮含量的測定采用堿解擴(kuò)散法［16］。參照鮑士旦的方法［17］，采用酚二磺酸比色法測定土壤硝態(tài)氮含量，采用氯化鉀浸提-蒸餾法測定土壤銨態(tài)氮含量。參照關(guān)松蔭的方法［18］，采用靚酚藍(lán)比色法測定土壤脲酶活性，采用茚三酮比色法測定土壤蛋白酶活性，采用酚二磺酸比色法測定土壤硝酸還原酶活性。采用武志杰等的方法［19］測定土壤亞硝酸還原酶活性。植株全氮含量采用凱氏定氮法測定（H2SO4-H2O2 消煮）［15］。

表觀硝化率=（NO-3-N）/［（NH+4-N）+（NO-3-N）］×1 000×100%。

式中：（NO-3-N）、（NH+4-N）分別表示NO-3-N、NH+4-N的濃度。

1.4" 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019和 SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。通過單因素方差分析，采用Duncans多重比較法對玉米每個生育時期的處理進(jìn)行差異性比較（顯著水平為α=0.05）。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 石墨烯對土壤不同形態(tài)氮素含量的影響

由圖1可知，整個生育期CF處理的土壤全氮含量顯著高于添加石墨烯處理（Plt;0.05），而石墨烯處理間差異不顯著。整個生育期G1處理的土壤全氮含量較CF處理顯著降低5.72%～7.70%，G2處理顯著降低3.78%～8.43%，G3處理顯著降低8.39%～9.24%。由于試驗在玉米抽雄期前期進(jìn)行了追肥，所以抽雄期土壤全氮含量升高并趨于平穩(wěn)。土壤中添加石墨烯增加了碳源，降低了土壤氮素含量。

由圖2可知，土壤中添加石墨烯提高了土壤堿解氮含量。玉米的3葉1心期、吐絲期和成熟期，添加石墨烯的G1和G2處理土壤堿解氮含量均顯著高于CF處理，而3葉1心期和成熟期G3處理堿解氮含量較G1和G2處理有小幅降低，在拔節(jié)期和抽雄期添加石墨烯處理的堿解氮含量與CF處理間無顯著差異?？梢姡m量劑量的石墨烯添加促進(jìn)了土壤堿解氮含量的提高，為作物生長提供了更多有效氮素。

由圖3可知，石墨烯的添加對玉米苗期土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化有一定的促進(jìn)作用，3葉1心期、拔節(jié)期和抽雄期G1處理的土壤銨態(tài)氮含量較CF處理分別顯著增加8.65%、4.91%和4.82%；G2處理分別顯著增加10.33%、6.39%和3.77%；3葉1心期和拔節(jié)期G3處理的銨態(tài)氮含量較G1和G2處理顯著降低，與CF處理間差異不顯著。而玉米籽粒形成階段的吐絲期和成熟期添加石墨烯處理的土壤銨態(tài)氮含量與CF處理間無顯著差異。

由圖4可知，土壤總氮含量較高時可能誘導(dǎo)硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，3葉1心期和追肥之后的抽雄期土壤總氮素較為充盈，導(dǎo)致這2個時期的土壤硝態(tài)氮含量較高；而拔節(jié)期和吐絲期、成熟期硝態(tài)氮大量吸收消耗，維持了土壤較低的硝態(tài)氮水平。添加石墨烯提高了土壤硝態(tài)氮含量，尤其是土壤硝態(tài)氮水平較高情況下，其中G2處理的硝態(tài)氮含量最高（吐絲期除外），3葉1心期和抽雄期較CF處理分別顯著增加34.08%和42.29%?？傮w上，土壤硝態(tài)氮水平低于銨態(tài)氮，而后者受土壤堿解氮水平的影響較大。

由圖5可知，表觀硝化率在3葉1心期最高，其次是抽雄期。石墨烯處理的表觀硝化率始終高于CF處理，G2處理表觀硝化率最高（吐絲期除外，是G3處理最高）。3葉1心期和抽雄期G2處理較CF處理分別增加19.34%和32.11%，G1處理分別增加10.45%和9.06%，G3處理分別增加17.89%和9.36%?？傮w來說，石墨烯的加入提高了土壤表觀硝化率，與對照相比，添加石墨烯使土壤中的氮素更容易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮形式。

2.2" 石墨烯對土壤酶活性的影響

由圖6可知，適量添加石墨烯提高了土壤蛋白酶活性。玉米營養(yǎng)生長階段（3葉1心期和拔節(jié)期），土壤的蛋白酶活性逐漸增加，且添加石墨烯處理的酶活性顯著高于CF處理；抽雄期以后維持了

一個較高的蛋白酶活性，隨著石墨烯添加量的增加，吐絲期和成熟期蛋白酶活性先升高后降低。玉米各生育階段，G1或G2處理的土壤蛋白酶活性最高，G2處理的酶活性較CF處理顯著提高了 6.57%～25.12%。可見，添加石墨烯有利于維持較高的土壤氮代謝活性。

由圖7可知，種施和追施氮肥能帶來較高的土壤氮素水平，進(jìn)而誘導(dǎo)抽雄期脲酶活性的增強(qiáng)，而隨著生育期土壤氮水平的消減，脲酶活性降低。適量添加石墨烯提高了土壤脲酶活性，尤其是土壤大量外源氮素投入后，抽雄期和吐絲期添加石墨烯處理的脲酶活性顯著高于CF處理。吐絲期G3處理的脲酶活性最高，其他生育期均是G2處理最高，較CF處理增加5.01%～28.68%。

由圖8可知，添加石墨烯可以提高土壤亞硝酸還原酶活性，其中G1處理較CF處理增加了3.47%～

45.90%；G2處理顯著增加了 16.23%～46.42%；G3處理顯著提高了 10.77%～42.19%?？梢?，石墨烯能激發(fā)土壤亞硝酸還原酶活性，提高土壤氮素硝化水平。

由圖9可知，玉米各生育時期的土壤硝酸還原酶活性隨著石墨烯施用量的增加呈先增加后降低的趨勢。添加石墨烯的G1、G2和G3處理的酶活性較CF處理分別增加了-12.07%～46.27%、27.75%～125.94%和5.95%～91.27%。與亞硝酸還原酶活性變化規(guī)律不同的是，硝酸還原酶活性最高的是3葉1心期，而抽雄期追施氮肥后硝酸還原酶活性沒有明顯提升，拔節(jié)期以后土壤均具有一個相對平穩(wěn)的硝酸還原酶活性。綜上，石墨烯的施用顯著促進(jìn)了土壤硝化過程。

2.3" 石墨烯對玉米地上部分植株氮素積累的影響

由表2可知，隨著玉米生長，地上部植株氮素積累量逐漸增加，而添加石墨烯處理促進(jìn)了植株氮素積累，植株氮含量均顯著高于CF處理。成熟期G1、G2和G3處理玉米地上部植株氮素積累量較CF處理分別顯著增加25.44%、31.45%和21.77%。可見，石墨烯的施用可以顯著促進(jìn)玉米根系對氮素的吸收和積累，具有提高化肥利用效率的作用。

2.4" 玉米地上部位氮素積累量與土壤不同氮素形態(tài)及酶活性的通徑分析

直接通徑系數(shù)表示的是土壤氮素代謝過程的某一指標(biāo)對玉米地上部植株氮素積累量的直接影響，間接通徑系數(shù)表示某一指標(biāo)對玉米地上部位氮素積累量的間接影響。玉米地上部位氮素積累量與土壤不同氮素形態(tài)及酶活性的通徑分析結(jié)果如表3所示。將直接通徑系數(shù)絕對值從大到小排序，依次是脲酶活性、蛋白酶活性、全氮含量、亞硝酸還原酶活性、硝酸還原酶活性、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和堿解氮含量。脲酶活性和蛋白酶活性對玉米地上部位氮素積累量的直接影響和間接影響都較大，脲酶活性對玉米地上部位氮素積累量的直接影響為負(fù)效應(yīng)，蛋白酶活性為正效應(yīng)。堿解氮含量、銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量對玉米地上部位氮素積累量的直接影響均為負(fù)效應(yīng)。全氮含量、硝酸還原酶活性和亞硝酸還原酶活性對玉米地上部位氮素積累量的直接影響為正效應(yīng)。由此分析，添加石墨烯主要是提高了土壤氮代謝活性，促進(jìn)土壤硝化過程，為玉米根系吸收有效態(tài)氮素提供了高水平“供氮池”，進(jìn)而促進(jìn)氮素的吸收與積累。

3" 討論

氮素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，而氮素主要以堿性氮的形式存在于土壤中［20］。土壤堿解氮包括有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮，能反映近期土壤供氮能力［21］。隋祺祺等的研究表明，石墨烯是一種新型碳納米材料，具有較大的比表面積，對養(yǎng)分離子有較強(qiáng)的吸附作用，能增強(qiáng)土壤對養(yǎng)分的持留能力，減少養(yǎng)分隨降水等淋溶流失［22］。錢銀飛等研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加石墨烯可以減少堿解氮的損失［23］。本研究表明，在拔節(jié)期和抽雄期各處理的土壤堿解氮含量差異不顯著，但石墨烯處理較CF處理有一定提高，各生育期均是石墨烯處理的堿解氮含量最高?？赡苁怯捎谑┑奶砑犹岣吡送寥乐械氐墓?yīng)，從而增加了土壤堿解氮含量。土壤中無機(jī)氮含量直接反映了土壤的供氮能力［24］。Liu等的研究表明，土壤中添加石墨烯會增加土壤銨態(tài)氮含量［25］。本試驗中，3葉1心期和拔節(jié)期G1和G2處理的土壤銨態(tài)氮含量較高，顯著高于其他處理，但吐絲期和成熟期各處理間差異不顯著?？赡苁怯捎谶m量的石墨烯對銨化過程有促進(jìn)作用，從而導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮含量上升。在本試驗條件下，石墨烯促進(jìn)了植物直接吸收的土壤氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化，增加了氮素供應(yīng)能力。可能是由于根系的快速吸收，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量較低。

土壤氮素形態(tài)和土壤氮代謝相關(guān)酶活性間存在一定相關(guān)性。土壤酶是參與有機(jī)物分解和養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵成分，其活性可用作衡量土壤健康的指標(biāo)［26］。在本研究中，不同濃度的石墨烯對玉米各生育期土壤中脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性產(chǎn)生了顯著影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，脲酶活性與有機(jī)質(zhì)含量和微生物數(shù)量呈正相關(guān)［27］。石墨烯的添加可以促進(jìn)土壤微生物活性增加，進(jìn)而提升脲酶的活性。Hammerschmiedt等的研究表明，土壤添加石墨烯可提高土壤脲酶活性，低濃度的石墨烯效果優(yōu)于高濃度的石墨烯［28］。Long等的研究表明，土壤中添加過量的石墨烯會對土壤脲酶活性產(chǎn)生抑制作用［29］。本試驗得出相似結(jié)果，石墨烯的濃度為100 g/kg時脲酶活性總體表現(xiàn)為最高，石墨烯濃度為150 g/kg時，脲酶活性在多數(shù)生育期有所下降。邱靜雯等研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的添加還能促進(jìn)土壤蛋白酶的活性，從而加速有機(jī)氮的降解和礦化過程［30］。本試驗石墨烯處理較CF處理土壤蛋白酶活性有一定提高，可能是由于石墨烯的添加改變了土壤的C/N，適宜的C/N可提高土壤蛋白酶活性。這些酶活性的變化表明，石墨烯可能通過影響土壤酶系統(tǒng)的活性，間接影響土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過程。此外，石墨烯可能還通過影響土壤中的硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化［30-31］。本試驗結(jié)果表明，添加石墨烯可顯著提高硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性，促進(jìn)硝態(tài)氮與銨態(tài)氮之間的轉(zhuǎn)化。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的濃度在玉米不同生育階段的調(diào)控效應(yīng)存在差異。在不同濃度石墨烯處理下，土壤中氮素含量和氮素轉(zhuǎn)化過程的變化趨勢并不相同。這可能是由于石墨烯濃度的不同導(dǎo)致了其在土壤中的吸附和釋放能力發(fā)生改變，具有一定的延遲效應(yīng)。同時，玉米的生長發(fā)育速率在各生育時期存在較大差異，進(jìn)而影響對土壤氮素的需求差異，同時，對土壤氮素轉(zhuǎn)化過程也存在生育階段的差異。綜上，石墨烯對土壤氮素轉(zhuǎn)化和玉米氮素吸收積累具有顯著的影響，通過添加適宜比例的石墨烯可在一定程度上調(diào)節(jié)土壤氮素轉(zhuǎn)化過程和肥料利用效率。

4" 結(jié)論

添加石墨烯誘導(dǎo)土壤蛋白酶和脲酶活性的增強(qiáng)，提高了土壤氮素礦化效率，進(jìn)而促進(jìn)了土壤氮代謝活性，通過提高亞硝酸還原酶和硝酸還原酶活性，進(jìn)一步增加了土壤速效氮素含量，保障了玉米生長的速效氮供應(yīng)。同時，提高了玉米植株對氮素的吸收和積累，增加了玉米植株地上部氮含量。本研究中，100 g/kg的石墨烯添加量對土壤氮素轉(zhuǎn)化和玉米植株氮素積累的效果最好。

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