纳米碳对桃园土壤肥力及植株养分吸收的影响

高荣广，赵鑫，高晓兰，肖元松，彭福田

(作物生物学国家重点实验室/山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271018)

肥料对桃果实品质和产量起着重要作用。然而随着肥料的大量施入，其负面作用不断显现，肥料利用率低，大量肥料残存在土壤中造成水体和土壤污染。所以提高土壤肥力和促进植株对养分的吸收利用率是当前桃生产中急需解决的问题。

纳米科学技术(Nano-ST)诞生于20世纪80年代末期，是在纳米尺寸(10-7～10-9m)范围内对物质的认识和改造，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。温俊强等[1]在海水虾养殖中应用强的纳米863生物助长器改善水质提高了虾的成活率和产量；陈学军等[2]用纳米陶瓷对豇豆和萝卜浸种，提高了发芽势、发芽率和幼苗鲜重；王佳奇等[3]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有明显促进作用；陆长梅等[4]在大豆上应用纳米材料提高了根系活力和吸水能力，增加体内抗氧化酶活性和植物的抗逆能力。这些研究表明纳米材料可以促进生物的生长代谢。

纳米技术在农业生产领域的应用越来越广泛。刘键等首次将纳米碳应用到肥料中，在蔬菜、水稻、冬小麦上施用得到明显的增产效果[5-8]。Hong[9]等研究表明，纳米TiO2(二氧化钛)可以有效保护叶绿体，避免长期光照造成的老化，减缓叶绿体的衰老，促进菠菜植株生长发育，提高产量[10]。曾昭华[11]在水稻栽培中应用纳米863生物助长器使水稻产量增加。笔者对使用纳米碳能否增加桃园土壤肥力，提高土壤酶活力，达到促进桃树养分吸收的效果进行研究，为纳米碳在果树生产中的应用提供依据。

1 试验材料

试验在山东农业大学试验基地进行。桃园桃品种春美，7年生树；盆栽桃品种霞脆，2年生树。两种类型的树砧木均为毛桃，长势基本一致，无病虫害。盆的直径30cm，高45cm。盆土取自桃园0～20cm表层土，棕壤土，自然风干后去除植物残体和石块，过筛。其pH值6.68，含碱解氮47.63mg/kg，速效磷32.46mg/kg，有效钾85.26mg/kg，有机质13.05g/kg，每盆另施入有机肥0.3kg，重量18kg。

纳米碳，液体，由北京奈艾斯新材料有限公司提供；免深耕土壤调理剂，液体，由土壤微粒结构促进剂与土壤活化剂进行有机结合而成，高效、安全、无残留，由成都新朝阳生物化学有限公司生产。

2 试验设计

2.1 桃园施用纳米碳对土壤酶活性和氧化还原电位的影响试验

桃园纳米碳试验，设5个处理，处理T1-土壤施入免深耕土壤调理剂1.2ml(溶于2.5L水)。处理T2、T3、T4-土壤施入纳米碳20ml、25ml、30ml(分别溶于2.5L水)。空白对照CK-土壤施入清水2.5L。以树干为中心，选长1m、宽1m、深0.6m，体积为0.6m3的土壤，用施肥枪均匀打孔，每平方20个，深度20cm施入土壤。单株小区，重复7次。施入后禁止踩踏。

2016年5月11日施入，至30天和60天时，分别取土样测定土壤酶活性(过氧化氢酶、土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤磷酸酶)，土壤氧化还原电位，土壤容重。每处理测定重复5次。

2.2 盆栽桃施用纳米碳对植株生长及养分吸收影响的试验

盆栽桃纳米碳试验，设3个浓度处理，分别为A-4ml，B-8ml，C-12ml。 对照D施用复混肥28.29g(自配制，含尿素10.87g、聚磷酸铵9.09g、氯化钾8.33g。施肥量按N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2计算得出。)。纳米碳3个用量分别占复混肥用量28.29g的14%、28%和42%，每盆浇水2L。

纳米碳与复混肥均等量分为3份，分3次施入，每隔30天1次，分别在2016年5月23日、6月24日、7月22日施入。于9月中旬进行破坏性取样，测定地上部和地下部干重和植株中各养分含量。每处理测定重复5次。

2.3 测定指标及方法

桃园土壤酶活性的测定。在桃园取0～20cm土层的土样，按5点取样充分混匀。将划定的1m2的处理区域分成两块，第1次取同侧一块区域的土样，取土后将挖出的土壤回填；第2次取另一侧区域的土样。蔗糖酶活性测定用3,5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性用苯酚钠比色法；磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法(0.1mol/L KMnO4)[12]。

桃园土壤养分含量测定。土壤有机质含量测定用重铬酸钾容量法；碱解氮含量用碱解扩散法；速效磷用0.5mol/LNaHCO3-钼锑抗比色法；有效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤pH值用土壤水浸提液pH计测定法[13]。

土壤容重和氧化还原电位测定。土壤容重采用环刀法测定，各处理测定重复5次。氧化还原电位测定用便携式防水pHMV电导测定仪(美国HACH，H170-BNDL)，测定时挖0～20cm深的坑，将探头插入土中读数；盆栽桃直接插入盆内土壤读数。

盆栽桃植株干重和植株营养元素的测定。盆栽植株将根、枝、叶分别用自来水冲洗干净，于105℃下杀青0.5小时，在80℃下烘干至恒量，分别称量质量并用不锈钢粉碎机粉碎，过0.5mm筛后放入封口塑料袋中保存于干燥处备用。用1/10000电子天枰精确称取样品0.3g(精确至0.0001)，采用HNO3-H2O2混酸体系，将根、茎、叶分别放入微波消解仪(Mars 6，CEM，美国)内消解后，用超纯水定容至50ml备用。每处理测定重复3次。

镁(Mg)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)的含量测定用电感耦合等离子质谱仪(NexION 300X,PerKin Elmer，美国)。钾(K)、钙(Ca)含量的测定，分别用火焰分光光度计和原子吸收分光光度计测定；氮(N)含量用分光光度计测定。

2.4 数据分析

应用Microsoft Excel 2003软件进行图表绘制，DPS7.05软件进行Duncan数据显著性分析。

3 结果与分析

3.1 桃园施用纳米碳对土壤酶活性的影响

表1显示，桃园土壤处理60天后的4种土壤酶活性高于处理30天的。施入免深耕土壤调理剂后，除过氧化氢酶明显高于空白对照外，另3种酶脲酶、蔗糖酶、磷酸酶反而低于对照。纳米碳每平方米3个用量20ml、25ml、30ml处理的效果均显著高于免深耕土壤调理剂每平方米1.2ml处理和清水对照处理。随纳米碳施入量的增加酶活性逐渐增高，以 T4处理每平方米用量30ml处理的效果最好，4种酶活性均明显高于其他所有各处理。纳米碳3个用量促进土壤酶活力的效果高低顺序为T4>T3>T2。

3.2 纳米碳对桃园土壤容重和氧化还原电位的影响

由表2可看出，桃园施入免深耕土壤调理剂和纳米碳后，土壤容重均有不同程度的减小，氧化还原电位增加。施入纳米碳的效果好于施入免深耕土壤调理剂的效果。随纳米碳施入量的增加，土壤容重减小和氧化还原电位升高的幅度愈大。土壤愈疏松。减小土壤容重和升高氧化还原电位的效果顺序为T4>T3>T2>T1。

表1 桃园施入纳米碳对土壤酶活力的影响 (mg/g)

注：CK-清水对照，T1-免深耕土壤调理剂1.2ml/m2,T2-纳米碳20ml/m2,T3-纳米碳25ml/m2,T4-纳米碳30ml/m2。表中同列数字旁不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

表2 桃园施入纳米碳对土壤容重和氧化还原电位的影响

3.3 盆栽桃施用纳米碳后对植株干重的影响

表3显示，盆栽桃霞脆品种施入纳米碳后，植株地上部、地下部干重均显著提高。在纳米碳每盆用量4ml、8ml、12ml时，随纳米碳施入量增加植株地上、地下部干重呈增加趋势，并且均显著大于对照复混肥每盆用量28.29g的。纳米碳对根部促进生长的作用大于对地上部的。

表3 盆栽桃施用纳米碳对植株干重的影响与对照相比

注：D-对照，施用复混肥28.29g(含尿素10.87g、聚磷酸铵9.09g、氯化钾8.33g)，A-纳米碳4ml，B-纳米碳8ml，C-纳米碳12ml。

3.4 盆栽桃施用纳米碳对植株各器官营养元素含量的影响

表4表明，盆栽桃植株施用纳米碳和复合肥后，在器官叶、枝、根中，元素氮、钾、镁、钙、锰、铜、锌的含量均高于对照D，施用纳米碳的高于施用复合肥的。纳米碳随着施用量的增加植株器官内各元素的量增加。叶、枝、根中的各元素含量均以处理C的最高。显著高于处理B、A和复合肥D的。氮素在根中含量最多。钾、钙、镁在叶片中含量最高，其次是根，最低的是枝中。微量元素铜的分布：根>枝>叶；锰的分布：根>叶>枝；锌的分布：枝>根>叶。

4 讨论

纳米碳具有高表面能，对促进生物的代谢、植物养分的吸收利用[14]和生长发育效果良好。土壤微生物的数量、活动强度及植株根系的分泌物与土壤酶活性有明显关系[15]。土壤中添加纳米碳可能改善了土壤微生物的群落结构。李淑敏等人[16]对不同供氮水平的地添加纳米碳增效剂研究表明，纳米碳增效剂能明显促进玉米生长，提高土壤酶活性。本研究结果纳米碳提高了土壤的过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性，可能是纳米碳增加了土壤微生物和植株根系活力，间接提高了土壤酶活性，增加土壤的疏松度。土壤免深耕调理剂对提高上面4种土壤酶活性无显著作用，可降低土壤容重和提高土壤氧化还原电位，有改变了土壤理化性质的作用。

梁太波[17]等在普通肥料中加入纳米碳能不同程度地促进烤烟植株的生长发育，增加烟株干物质积累量，提高烟叶产量，明显增加烤烟根系生物量、提高根系活力。本研究表明，纳米碳促进植株干物质的积累，对根系的促生作用大于对地上部的，根部生长状况好，进一步促进植株对养分和水分的吸收利用，从而促进植株的生长发育。纳米碳能促进植株对多种元素的吸收，与武美燕等[18]研究结果一致，且随施入量的增加促进作用越明显。

温善菊[19]研究表明，纳米材料能够促进植物对氮、钾、钙等养分的吸收。本研究表明，纳米碳可有效促进桃树对养分的吸收。可能由于纳米碳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。刘安勋[20]研究表明，纳米材料可改变水分子结构和能态，提高其活性，在植物不断吸收水的过程中可携带大量营养元素进入植物体内，起到促进养分吸收的作用。纳米碳可以改变植株根系周围的水环境，提高根系活力，从而提高土壤酶活性，土壤脲酶活性的提高是促进氮素吸收的主要原因，有效降低了氮素的土壤残留和损失[21-22]。

纳米碳施入土壤中能提高土壤中各种酶的活性，降低土壤容重，提高土壤氧化还原电位，有利于根系对养分和水分的吸收利用，促进植株的生长发育。关于纳米材料促进作物养分吸收的机理和在土壤环境中的行为规律，有待于进一步研究。

表4 盆栽桃施用纳米碳对植株器官中各元素含量的影响