纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影响

李淑敏，马 辰，李丽鹤，张爱媛，韩晓光，王 飞，王德江，郑成彧，毛睿麟

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影响

李淑敏，马 辰，李丽鹤，张爱媛，韩晓光，王 飞，王德江，郑成彧，毛睿麟

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

为揭示纳米碳对作物生长的促进作用机理，以玉米东农253为试验材料，通过设置不同供氮水平，利用盆栽试验研究纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力的影响。结果表明，N1+C（施氮150 mg·kg-1+纳米碳）、N2+C（施氮200 mg·kg-1+纳米碳）和N0+C（不施氮+纳米碳）处理的玉米植株生物量比N1（施氮150 mg·kg-1）、N2（施氮200 mg·kg-1）和N0（不施氮）分别增加4%、12.29%和32.60%；吸氮量比不添加纳米碳分别增加9.09%、8.33%和42.86%。除此之外，纳米碳的添加对玉米根系活力和土壤酶活性有促进作用，其中添加纳米碳处理的玉米根系活力分别增加2.2倍、2.3倍和1.9倍，根际土壤脲酶分别增加7.89%、28.26%和28.57%。由此可见，纳米碳可提高玉米根系活力，促进氮素吸收，从而促进玉米植株生长。

纳米碳；玉米；氮素吸收；根系活力；土壤酶

过量施肥导致养分利用效率降低，据报道，2012年我国化肥消费量已达5 838.8×104t[1]。由于大量施用化学肥料，出现肥料利用率低、导致水体污染、臭氧层破坏[2]和加剧温室效应[3]等环境问题。因此，合理、高效施用化肥，提高肥料利用效率，成为当前急需解决的重要问题。

纳米碳作为一种具有宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和表面与界面效应的小尺度纳米材料，在提高作物养分利用效率，促进作物生长发育方面的良好效果已在多种作物上显现[4]。刘键等首次将纳米碳应用到肥料中，通过蔬菜作物的多点田间试验结果表明，产生明显增产效果，可使蔬菜增产20%～40%，且在同等产量水平下可节肥30%～50%，同时促进蔬菜提早成熟[5]。武美燕等研究表明，在缓释肥料中添加纳米碳，能促进水稻分蘖形成，增加孕穗期叶绿素含量，促进水稻干物质的形成和有效穗、每穗粒数增加，使水稻增产、氮肥利用率提高[6]。王佳奇等研究发现，纳米碳增效剂能促进玉米种子萌发和生长，对玉米幼苗生长和发育也有明显促进作用[7]。纳米碳增效剂对作物生长，发育以及养分吸收有明显作用。但是大量研究都集中在纳米碳对作物生长和产量的影响，纳米碳增效剂对作物生长和养分吸收促进作用机理尚不清楚。

本试验以玉米为研究对象，通过设置不同供氮水平，添加纳米碳增效剂，探究纳米碳增效剂对玉米幼苗根系活力、土壤酶活性及玉米氮素吸收的影响，为进一步揭示纳米碳促进作物生长和养分吸收的机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与方法

试验于2013年4月21日～6月13日在东北农业大学园艺试验站进行。选用籽粒成熟饱满一致的玉米种子2粒播种到塑料容器内，待出苗后保留1株玉米。试验设3个供氮水平，每个供氮水平设添加纳米增效剂和不添加纳米碳两个处理，分别为，不施氮肥（N0），施纯氮150 mg·kg-1（N1），施纯氮200 mg·kg-1（N2）；施氮150 mg·kg-1+纳米碳增效剂（N1+C）；施氮200 mg·kg-1+纳米碳增效剂（N2+C）；不施氮肥+纳米碳增效剂（N0+C）。试验共设置6个处理，试验所用氮肥为硝酸铵，每个处理8次重复。

除氮肥存在差异外，所用处理施磷肥（KH2PO4以P2O5计算）量为100 mg·kg-1，施钾肥（K2SO4以 K2O计算）量为150 mg·kg-1，施Mg为50 mg·kg-1（MgSO4·7H2O以Mg计算），施微量元素肥料为Fe、Mn、Cu、Zn，分别为5 mg·kg-1，所用肥料分别为FeSO4·7H2O、MnSO4·H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O。其中N、P、K、Mg在播种前与土壤混合均匀作基肥1次性施入，纳米碳与肥料混合均匀后随肥料同时施入，Fe、Mn、Cu、Zn以营养液形式浇灌。

本试验中所添加的纳米碳由华龙肥料技术有限公司提供。需要添加纳米碳的处理，添加量为该处理施肥总质量的3‰。

供试土壤为沙土，将土壤过2 mm筛后装盆内。土壤基础肥力为：全氮2.64 g·kg-1；碱解氮55.56 mg·kg-1；速效磷60.14 mg·kg-1；速效钾52.01 mg·kg-1。

供试玉米品种为东农253。

1.2 样品采集及测定方法

在试验前（未施肥处理），采集土壤，自然风干，测定土壤基础肥力。

SPAD值：在玉米长出第7片叶片时，采用日本产SPAD-502叶绿素快速测定仪，测定茎上第5片叶片的叶绿素值，每个叶片分别在上、中、下部位测定3次，取其平均值。

植株样品分析：生长后55 d收获，将地上部分和根系分开，并用水小心冲出根系，然后将茎叶与根系分开装入纸袋。将植株样品于烘箱中105℃杀青30 min，再在80℃中烘干至恒重，测其干物质质量，放于干燥处保存。

植株含氮量测定：将烘干后的植株样品粉碎，过0.25 mm筛，用浓H2SO4-H2O2消煮，分别测植株和根系中氮含量，全氮采用半微量凯氏定氮法[8]。

根系活力测定：将玉米植株的根洗净，采用TTC法测定其根系活力[9]。

土壤酶活性测定：土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[10]。

根系活力用ttf μg·g-1·h-1表示，土壤脲酶用NH4-N mg·g-1·h-1表示，土壤蔗糖酶用葡萄糖mg·g-1·h-1表示，土壤过氧化氢酶用0.1 mol KMnO4mL·g-1表示。

1.3 数据处理与统计分析

数据处理采用Excel 2013软件进行，方差分析采用SPSS 19软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平下纳米碳增效剂对玉米干重的影响

各处理对玉米地上部干重的影响见图1A。随施氮量增加，玉米地上部干重显著增加。在施氮量相同情况下，肥料中添加纳米碳处理的玉米植株干重均显著高于不添加纳米碳处理。在施氮量为200 mg·kg-1，加入纳米碳增效剂（N2+C）处理时，植株地上干重达最大值，为3.27 g·株-1，与不施纳米碳（N2）处理相比，增加10.01%。在施氮量为150 mg·kg-1时，添加纳米碳增效剂（N1+C）处理对玉米生长有促进作用，植株干重达2.97 g·株-1，比不施纳米碳（N1）处理相比，增加2.06%；在不施氮肥处理中，添加纳米碳比不添加纳米碳地上干重增加42.23%。由此可见，在肥料中添加纳米碳增效剂促进玉米生长，尤其在施肥水平低的情况下，纳米碳对玉米生长促进作用最明显。

纳米碳增效剂对玉米根系生长影响与地上部有相同趋势（见图1B）。在施氮量为200 mg·kg-1时，添加纳米碳增效剂处理玉米根系干重最高，为1.39 g·株-1，与不添加纳米碳（N1）相比，增加17.80%；在施氮量为150 mg·kg-1时，玉米根系干重表现为纳米碳增效剂与不添加纳米碳（N2+C）处理相比，增加9.17%；当不施氮肥时，纳米碳对根系生长促进作用最显著，比不添加纳米碳处理增加14.74%。

从生物量来看，纳米碳对玉米整个植株生长有明显的促进作用。除施氮150 mg·kg-1的处理间差异不显著外，其余处理添加纳米碳处理与不添加纳米碳处理间均存在显著差异。N2+C处理的玉米植株总体重量比N2处理增加12.29%。N1+C处理比N1处理增加4%。N0+C处理比N0处理增加32.60%。

图1 纳米碳增效剂对玉米干重的影响Fig.1 Effect of Nano-carbon on maize dry weight

2.2 纳米碳增效剂对玉米氮素吸收的影响

不同供氮水平下，添加纳米碳增效剂使玉米地上部和根系的含氮量和吸氮量都有显著增加（见表1）。

本试验玉米地上部分和根系含氮量最大值均出现在N2+C处理；各个供氮水平处理，除N1+C 与N1处理的地上部分含氮量无显著差异外，添加纳米碳处理的玉米地上部和根系含氮量均显著高于不添加纳米碳处理。在施氮量为200 mg·kg-1并添加纳米碳增效剂（N2+C）时，玉米氮积累量最高为0.13 g·株-1，比不添加纳米碳处理（N2）增加8.33%；在施氮量为150 mg·kg-1并添加纳米碳增效剂（N1+C）时，玉米氮积累为0.12 g，比不添加纳米碳处理（N1）增加9.09%。不施氮处理中，纳米碳增效剂对玉米吸收和积累亦有显著作用，添加纳米碳处理（N0+C）比不添加处理（N0）的氮积累量增加42.86%。因此纳米碳增效剂对玉米氮素吸收和积累有促进作用。

表1 纳米碳增效剂对玉米地上部和根系氮素吸收的影响Table 1 Effect of Nano-carbon synergist on aerial part nitrogen uptake by maize

2.3 不同氮水平下纳米碳增效剂对玉米叶片SPAD值的影响

由图2可知，玉米叶片氮素含量与叶SPAD值呈正相关，可用SPAD值估算全氮含量从而诊断玉米氮营养状况[11]。添加纳米碳处理玉米叶片SPAD值明显高于不添加纳米碳处理。施氮200 mg·kg-1的处理，添加纳米碳处理（N2+C）与不添加纳米碳处理（N2）相比差异显著，N2+C处理的SPAD值比N2处理增加7.36%；施氮150 mg·kg-1的处理，添加纳米碳处理（N1+C）与不添加纳米碳处理（N1）相比差异显著，N1+C处理的SPAD值比N1增加8.17%；不施氮处理同样差异显著，添加纳米碳处理（N0+C）比不添加处理(N0)的氮积累量增加11.10%。由此可见，纳米碳增效剂能够提高玉米叶绿素含量，进一步说明纳米碳增效剂对玉米氮吸收具有促进作用。

2.4 纳米碳增效剂对根系活力和土壤酶活性的影响

如表2所示，不同供氮水平对玉米根系活力无显著影响，但纳米碳显著提高玉米根系活力。在施氮200 mg·kg-1的处理中，添加纳米碳处理（N1+ C）的根系活力是不添加纳米碳处理（N1）的2.2倍；施氮150 mg·kg-1的处理，N2+C处理根系活力是N2处理的2.3倍；不施氮处理同样差异极显著，N0+ C是N0处理根系活力的1.9倍。由此可见，纳米碳增效剂对玉米根系活力的影响显著，可促进玉米对养分的吸收。

图2 纳米碳增效剂对玉米叶片SPAD值的影响Fig.2 Effect of Nano-carbon synergist on SPAD value of maize

表2 纳米碳增效剂对根系活力和土壤酶的影响Table 2 Effect of Nano-carbon synergist on root activity of maize and soil enzyme activities

由表2可知，各处理间差异显著。施氮200 mg·kg-1处理玉米根系土壤脲酶活性要高于施氮150 mg·kg-1处理和不施氮处理。添加纳米碳处理的脲酶活性要高于不添加纳米碳处理。在施氮200 mg·kg-1处理中，N2+C处理的脲酶活性比N2增加28.26%，且N1+C数值在试验中最高；施氮150 mg·kg-1处理中，N1+C处理比N1处理增加7.89%；不施氮处理中，N0+C处理比N0+C处理高28.57%。因此，可看出纳米碳增效剂能够增强土壤脲酶活性。

由表2可知，不同氮水平间土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶均存在差异性；相同氮水平下，添加纳米碳与不添加纳米碳处理间差异显著。N2+C处理的土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶均为最大值；在氮200 mg·kg-1的处理中，N2+C处理与N2处理相比，土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶均高于不添加纳米碳处理（N2），分别高15.97%和6.11%；在施氮150 mg·kg-1的处理中，亦是添加纳米碳处理的土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶活性高于不添加纳米碳的处理，N1+C与N1相比分别增加19.02% 和9.49%；在不施氮处理中，N0+C处理比N0处理分别增加16.92%和6.45%。可见，纳米碳能够促进土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶活性。

3 讨论与结论

本研究通过设置不同氮水平且添加纳米碳增效剂，研究纳米碳对玉米氮素吸收的促进作用，结果表明，添加纳米碳增效剂能明显促进玉米生长，提高玉米对氮素的吸收和利用，节肥作用明显。刘键等根据常规施肥优化量在节氮30%～50%，添加纳米碳增效剂显著增加水稻产量和经济效益[12]。本试验研究结果发现，纳米碳同样能有效增加玉米生物量，与刘键研究结果[2]一致。

分析纳米碳促进作物生长的原因，可能由于其表面效应和小尺寸效应，能增强对肥料的吸附性能，减少肥料流失、淋失和固定；温善菊研究表明，纳米材料能够促进植物对N、P、K等养分的吸收[13]。本试验研究结果表明，纳米碳可提高玉米对氮素的吸收和利用，在本试验中添加纳米碳处理玉米植株吸氮量比不加纳米碳处理玉米植株吸氮量平均增加20.1%。由于玉米吸氮量增加，导致添加纳米碳处理的玉米生物量高于不加纳米碳处理。

叶片SPAD值与产量、吸氮量及生物量呈显著相关，进一步测定玉米叶片SPAD值，本研究结果表明，添加纳米碳处理的玉米叶片SPAD值高于相应不加纳米碳处理，由于添加纳米碳后，叶片氮浓度增加，导致叶片SAPD值升高，由此可见，添加纳米碳后，植株叶绿素含量增加。

刘安勋研究表明，纳米材料可改变水分子结构和能态，提高其活性，在水不断被植物吸收的过程中可携带大量营养元素进入植物体内，达到营养植物目的[14]。纳米碳可改善水稻周围水环境，使肥料氮更易于被根系交换吸附，促进水稻根系对氮素的吸收[15]，这可能提高作物根系活力。本试验得到相同试验结果，添加纳米碳后，玉米根系活力显著增加，这是纳米碳促进玉米养分吸收原因之一。

土壤脲酶对提高氮素利用率及促进土壤氮素循环具有重要作用，本试验研究结果表明，纳米碳能够有效增强土壤脲酶活性，这可能是纳米碳促进玉米氮素吸收另一原因。另外，相关研究表明，土壤酶活性与土壤微生物数量、活动强度和植株根系分泌物有明显相关性[16]。添加纳米碳可能增强土壤微生物的活性或植株根系活动，间接改变土壤酶活性，但纳米碳对酶活性影响的机制还需深入研究。

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Effect of Nano-carbon on nitrogen absorption,root activity and soil enzyme of maize

LI Shumin,MA Chen,LI Lihe,ZHANG Aiyuan,HAN Xiaoguang,WANG Fei, WANG Dejiang,ZHENG Chengyu,MAO Ruilin(School of Resources and Environmental Sciences, NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to explore the mechanisms of Nano-carbon on crop growth facilitation,a pot experiment with different nitrogen supplied levels were conducted to study the effects of Nano-carbon on nitrogen absorption and root activity of maize.The results showed that maize biomass in N1+C(Nitrogen 150 mg·kg-1+Nano-carbon),N2+C(Nitrogen 200 mg·kg-1+Nano-carbon)and N0+C(no nitrogen+ Nano-carbon)treatments increased 4%,12.29%and 32.60%than N1(Nitrogen 150 mg·kg-1),N2(Nitrogen 200 mg·kg-1)and handling N0(no nitrogen）treatments,and N uptake by maize increased 9.09%,8.33%and 42.86%,respectively.In addition,addition of Nano-carbon affects maize root and soil enzyme activities.The maize root activities were 2.2,2.3 and 1.9 times than those of without Nano-carbon treatments,respectively. Urease activities increased by 7.89%,28.26%and 28.57%,respectively.Therefore,Nano-carbon enhanced roots activities of corn,and promoted the absorption of nitrogen,resulting in the growth of maize.

Nano-carbon;maize;nitrogen uptake;root activity;soil enzyme

S513

A

1005-9369（2014）07-0014-05

时间2014-7-7 8:57:10 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140707.0857.023.html

李淑敏,马辰,李丽鹤,等.纳米碳对玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影响[J].东北农业大学学报,2014,45(7):14-18.

Li Shumin,Ma Chen,Li Lihe,et al.Effect of Nano-carbon on nitrogen absorption root activity and soil enzyme of maize[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(7):14-18.(in Chinese with English abstract)

2014-01-06

“十二五”农村领域国家科技支撑计划（2013BAD20B04）

李淑敏（1971-），女，教授，博士，硕士生导师，研究方向为作物营养与施肥。E-mail:lishumin113@126.com