纳米碳溶胶对碱性土壤pH和养分含量的影响①

梁太波，赵振杰，王宝林，张仕祥，李玉磊，张艳玲，尹启生*

(1 中国烟草总公司郑州烟草研究院，烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，郑州 450001；2 河南中烟工业有限责任公司，郑州 450000)

纳米碳溶胶对碱性土壤pH和养分含量的影响①

梁太波1，赵振杰1，王宝林2，张仕祥1，李玉磊1，张艳玲1，尹启生1*

(1 中国烟草总公司郑州烟草研究院，烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，郑州 450001；2 河南中烟工业有限责任公司，郑州 450000)

采用土柱淋洗试验和土盆试验，研究了浓度分别为10、20和40 mg/L的纳米碳溶胶对碱性土壤pH、EC值和速效养分含量的影响。结果表明：纳米碳溶胶能够明显降低碱性土壤pH和EC值，最大降低幅度分别达到0.49个单位和0.14 mS/cm，且纳米碳溶胶浓度越高，降低效果越明显。纳米碳溶胶能够明显增加0 ～ 80 cm各土层硝态氮含量，3个处理平均增幅分别达到21.99%、27.34% 和25.57%；但对铵态氮含量影响较小。纳米碳溶胶淋洗可提高各土层中有效磷含量，但不同浓度纳米碳溶胶在不同土层中表现效果不同，3个处理有效磷含量平均增加10.10%、13.72%和12.30%。纳米碳溶胶对土壤钾素有较好的活化效果，各土层速效钾含量均有明显增加，3个处理平均增幅分别达到6.62%、12.54% 和13.18%。上述结果表明纳米碳溶胶能够明显降低碱性土壤pH和EC值，提高速效养分含量，对碱性土壤有较好的改良效果。

纳米碳溶胶；碱性土壤；pH；电导；养分含量

目前我国盐碱土地面积约为3 600万hm2，碱性土壤由于pH高，结构性差和通透性差，土壤缓冲性能差等各种因素，是主要低产土壤之一[1]。研究表明，土壤处于碱性状态时，会影响磷、钾、钙的有效性，造成一些微量元素的流失，诱发作物各类病症[2-4]。如何改良碱性土壤是一个亟待解决的重要问题。

纳米碳溶胶为一种纳米级材料，利用电解石墨制备而成。当石墨粒子处于纳米尺度时，表现出许多常规尺寸石墨材料所不具有的性能。已有研究表明，纳米碳溶胶在蔬菜、烟草、小麦、玉米等作物上均展现出节肥增产效果[5-9]。碳纳米材料还可以提高肥料利用率，改善土壤状况[10-11]，有效降低重金属的活性，改良污染土壤[12-15]。但迄今为止，关于纳米碳溶胶对碱性土壤pH及养分含量的影响鲜见报道。为此，本试验采用土柱淋洗及土盆试验的方法，研究纳米碳溶胶对碱性土壤的影响，以期为纳米碳溶胶的进一步推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

纳米碳溶胶：采用通电电解双石墨电极板制成，由北京奈艾斯新材料科技有限公司提供，纳米碳粒子粒径：10 ～ 100 nm，见图1。

图1 纳米碳溶胶电镜图Fig. 1 Electron micrograph of nano carbon sol

供试土壤：河南烟区的褐土(干润雏形土)，基本性质见表1。

表1 供试土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 试验方法

1.2.1 土柱试验 试验于2015年10月进行。室内模拟土柱置于内径10 cm、高100 cm的PVC圆柱管内。在PVC管底部用两层纱布对管口进行包裹，两层纱布中间放2张滤纸，在保证土壤不露出的同时，以达到过滤的目的。每个土柱装土9.5 kg，下端接一漏斗收集淋洗液。

试验设4个处理，纳米碳溶胶浓度分别为0(CK)、10 mg/L(T1)、20 mg/L(T2)、40 mg/L(T3)，3次重复。土壤装柱后加去离子水2.5 L平衡72 h，然后用500 ml不同浓度纳米碳溶胶淋洗，6 h后淋洗结束，收集淋洗液，测定其pH、EC值。每4 d淋洗1次，共淋洗4次。全部淋洗完成后，将土壤按照0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80 cm不同层次分离，风干，磨细，过2 mm筛后，测定不同土层中速效氮磷钾的含量。

1.2.2 土盆试验 纳米碳溶胶浓度设置同土柱试验，PVC盆上口径为30 cm，高40 cm，下部口径为28 cm，盆中装土9.5 kg。试验前，先用2.5 L去离子水平衡72 h，然后加入500 ml淋洗液处理，3 h即完成淋洗；隔7 d再淋洗1次，共淋洗2次。每天定时测定土壤pH及EC值。

1.3 测定项目及方法

土壤铵态氮与硝态氮用氯化钾溶液浸提，有效磷用碳酸氢钠溶液浸提，浸提液中氮和磷均用间断化学分析仪测定；土壤速效钾用醋酸铵浸提，火焰光度计法测定[16]。用土壤原位pH计及土壤原位盐度计对土壤pH和EC值实时测定，探头深度10 cm。

1.4 数据处理及分析

用Microsoft Excel 2013和SAS软件进行数据处理、分析和作图，差异显著性检验水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 纳米碳溶胶对土壤pH和EC值的影响

2.1.1 土盆淋洗试验 图2表明，纳米碳溶胶对土壤pH有明显的降低作用。在淋洗初期，土壤pH随时间延长呈下降趋势。与CK相比，纳米碳溶胶能够明显降低土壤pH，且随着纳米碳溶胶浓度的增加，其降低土壤pH的效果越好，T3处理最大降幅达到0.49个单位。在淋洗后期，土壤的pH逐渐上升，这可能与土壤的缓冲能力有关。但经纳米碳溶胶处理后的土壤，pH回升后仍明显低于初始值，可见纳米碳溶胶对碱性土壤pH具有较好的调节作用。

纳米碳溶胶对土壤EC值的影响如图3所示。经过淋洗后，土壤EC值先降低后逐渐趋于稳定，变化幅度相对较小。与CK相比，纳米碳溶胶对土壤EC值有明显的降低作用，且随浓度的增加，降低作用增强，相差最大时达到0.14 mS。表明在一定范围内，纳米碳溶胶浓度越高降低EC值的效果越明显。

图2 不同浓度纳米碳溶胶对土壤pH的影响Fig. 2 Effects of different concentrations of nano carbon sols on soil pH

图3 不同浓度纳米碳溶胶对土壤EC值的影响Fig. 3 Effects of different concentrations of nano carbon sols on soil EC

2.1.2 土柱淋洗试验 由图4可知，随着淋洗次数的增加，淋洗液的pH呈先上升后降低的趋势。在淋洗初期，土壤碱性物质淋出较多，使淋洗液pH上升；随着淋洗次数的增加，土壤中碱性物质含量逐渐降低，淋洗液pH下降。与CK相比，纳米碳溶胶处理淋洗液pH明显提高，且随纳米碳溶胶浓度的增加呈上升趋势。表明纳米碳溶胶可以淋出更多的碱性物质，降低土壤pH。

图4 不同浓度纳米碳溶胶对淋洗液pH的影响Fig. 4 Effect of different concentrations of nano carbon sols on pH of soil leachates

图5显示，随淋洗次数的增加，淋洗液的EC值呈下降趋势。在淋洗初期，纳米碳溶胶处理能够明显提高淋洗液EC值，之后各处理间无明显差异。

图5 不同浓度纳米碳溶胶对淋洗液EC值的影响Fig. 5 Effects of different concentrations of nano carbon sols on EC value of soil leachates

2.2 纳米碳溶胶对淋洗后土壤速效养分的影响

2.2.1 对硝态氮和铵态氮含量的影响 由图6可以看出，土壤经淋洗后，硝态氮含量在不同土层间存在明显差异，0 ～ 20 cm土层硝态氮含量要明显低于其他土层。纳米碳溶胶淋洗对不同土层中硝态氮含量有较大影响，在0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土层，纳米碳溶胶淋洗效果明显，与CK相比，T1、T2、T3处理硝态氮含量均有显著增加，最大增幅达到47.47%。在40 ～ 60 cm和60 ～ 80 cm土层，土壤经纳米碳溶胶淋洗后，硝态氮含量略有增加，T2和T3处理与CK相比差异达到显著水平。与CK相比，纳米碳溶胶处理土壤4个土层中硝态氮的总量明显提高，3个处理平均增幅分别到达21.99%、27.34% 和25.57%，可见纳米碳溶胶对土壤硝态氮含量有较好的促进作用。

图6 不同浓度纳米碳溶胶对土壤硝态氮含量的影响Fig. 6 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil nitrate nitrogen

从图7可以看出，各土层铵态氮含量存在明显差异。0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土层铵态氮含量要明显低于40 ～ 60 cm和60 ～ 80 cm土层。纳米碳溶胶淋洗后对土壤铵态氮含量的影响相对较小。0 ～ 20 cm土层，铵态氮含量的状况是T3＞T1＞T2＞CK，差异不显著。20 ～ 40 cm土层，与 CK相比，T1、T2处理铵态氮含量分别上升10.85% 和13.52%，差异达到显著水平。40 ～ 60 cm土层，铵态氮含量均有大幅度上升，含量达到最高；经纳米碳溶胶处理过的土壤铵态氮含量均高于CK，其中T2与CK相比，差异显著。而在60 ～ 80 cm土层，各处理铵态氮含量相比于上一层土壤均有所下降，但是经纳米碳溶胶处理的土壤铵态氮含量仍高于CK，含量排序为T2＞T1＞T3＞CK。

图7 不同浓度纳米碳溶胶对土壤铵态氮含量的影响Fig. 7 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil ammonium nitrogen

2.2.2 对有效磷含量的影响 图8显示，与CK相比，土壤经纳米碳溶胶淋洗后有效磷含量有不同程度的增加。其中，0 ～ 20 cm土层T2和T3处理土壤有效磷含量显著增加；60 ～ 80 cm土层T2处理显著增加；在20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土层，各处理间差异未达到显著水平。与CK相比，土壤经纳米碳溶胶处理后，3个处理有效磷含量平均增加10.10%、13.72%和12.30%。纳米碳溶胶提高了土壤磷素有效性，可能与其降低土壤pH有密切关系。

图8 不同浓度纳米碳溶胶对土壤有效磷含量的影响Fig. 8 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil available phosphorus

2.2.3 对速效钾含量的影响 图9表明，纳米碳溶胶淋洗对不同土层速效钾含量有明显影响。与CK相比，经纳米碳溶胶处理后，各土层速效钾含量均有所上升，且随纳米碳溶胶浓度的增加，速效钾含量增幅提高。其中，T2和T3处理与CK相比，各土层速效钾含量增幅均达到显著水平。综合比较分析，经纳米碳溶胶处理后的土壤，各土层速效钾总量要明显高于CK，3个处理平均增幅分别达到6.62%、12.54% 和13.18%，表明纳米碳溶胶对土壤中的钾有明显的活化效应，能够增加土壤速效钾含量。

图9 不同浓度纳米碳溶胶对土壤速效钾含量的影响Fig. 9 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil available potassium

3 讨论

纳米碳材料在土壤改良和重金属污染土壤修复方面有重要应用[17-18]。然而，目前关于纳米碳材料对土壤pH的影响鲜见报道。本试验条件下，土壤经纳米碳溶胶淋洗后，可以淋洗出更多的碱性物质和盐分，有效降低土壤pH和EC值；且在一定范围内，纳米碳溶胶浓度越高降低pH和EC值的效果越明显。可见，纳米碳溶胶对碱性土壤pH具有较好的调节作用。

纳米碳材料对土壤养分具有一定的活化或固持作用，能够有效减少养分的淋失[19]。本试验条件下，土壤经纳米碳溶胶淋洗后，能够明显增加硝态氮含量，此作用效果与生物炭的效果类似[20-23]，但对铵态氮含量的影响相对较小。推测可能的原因有两个：一是纳米碳溶胶可以保持和减少硝态氮的淋失；二是纳米碳溶胶可以活化土壤中的硝态氮，增加土壤中硝态氮含量。经过纳米碳溶胶处理后的土壤，土壤有效磷含量有不同程度增加，表明纳米碳溶胶可以提高土壤磷的有效性，这与生物黑炭对土壤有效磷含量的影响类似[24-25]。纳米碳溶胶对土壤钾有明显的活化效果，土壤经纳米溶胶淋洗后，速效钾含量有明显增加。可见，纳米碳溶胶对土壤有较好的改良效果，能够不同程度增加土壤速效养分含量，可以作为碱性土壤改良的有效方法。已有研究表明，纳米碳溶胶颗粒具有羟基、羧基等多种活性功能团，且带有负电荷。纳米碳溶胶对土壤的改良作用可能与其特殊性质有密切关系，然而其内在机理尚需进一步研究。

传统的碱性土壤改良措施包括：施用石膏、磷石膏和氯化钙等，以外源钙交换出土壤中的钠；或者施用硫磺、硫酸亚铁等酸性物质，活化土壤中的钙，降低土壤中碳酸钠盐类浓度，从而提高某些矿质营养元素的有效性[26-27]。在本试验条件下，纳米碳溶胶展现了良好的改良碱性土壤的效果。如能进一步降低生产和应用成本，研究确定其大田施用方式，将为我国碱性土壤改良提供有力技术支持。

4 结论

纳米碳溶胶能够明显降低碱性土壤pH和EC值，提高0 ～ 80 cm各土层硝态氮含量，活化土壤磷素和钾素，增加各土层速效磷和速效钾含量，可用于碱性土壤修复治理。

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Effects of Nano Carbon Sols (NCS) on pH and Nutrient Contents of Alkaline Soil

LIANG Taibo1, ZHAO Zhenjie1, WANG Baolin2, ZHANG Shixiang1, LI Yulei1,ZHANG Yanling1, YIN Qisheng1*
(1 Key Laboratory of Eco-environment and Leaf Tobacco Quality, Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001, China; 2 China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

Soil column leaching experiment and soil pot experiment were conducted in this study in order to clarify the effects of nano carbon sols (NCS) on pH, EC and nutrient contents of alkaline soil. The results showed that NCS obviously reduced soil pH and EC values, the maximal reduced value were 0.49 units for pH and 0.14 mS/cm for EC, respectively, and the reducing effect was more obvious under higher NCS concentration. NCS significantly increased nitrate contents in 0-80 cm soil,averagely increased by 21.99%, 27.34% and 25.57% under different treatments, respectively, but it influenced little on ammonium nitrogen content. NCS increased available phosphorus contents in different soil layers, averagely increased by 10.10%, 13.72%and 12.30% respectively under different treatments, but the effects were different in different soil layers. NCS had higher activation effect on soil potassium, could increase soil available potassium contents significantly, averagely increased by 6.62%,12.54% and 13.18% under different treatments. Therefore, NCS can obviously reduce pH and EC value, improve the available nutrient contents in alkaline soil and thus is effective in improving alkaline soil.

Nano carbon sol (NCS); Alkaline soil; pH; EC; Nutrient contents

S156.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.015

国家科技支撑计划项目(2012BAC08B08)和郑州烟草研究院科技项目(112013CZ0580)资助。

* 通讯作者(yinqs@ztri.com.cn)

梁太波(1981—)，男，山东潍坊人，博士，高级农艺师，主要从事作物栽培生理和营养调控研究。E-mail： taibol@163.com