纳米碳与氮肥配施对水稻土壤养分和微生物群落结构的影响

李一丹 孙磊

（黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨150086；第一作者：liyidan2013＠163．com）

纳米技术是指在微观的尺度上来研究相关物质的结构以及性质，纳米技术是一个多学科的新型技术[1]。纳米碳材料作为纳米材料的代表，是一种低燃点和非导性的改性碳，纳米碳不同于其他金属纳米材料，在土壤及环境物质循环中广泛存在，纳米碳来源于农田，应用于农田可避免给土壤及植被带来不良影响[2]。据资料统计，我国氮肥年生产量和耕地氮肥单位施用量均居世界首位，在1990—2000年这10年间，我国耕地的氮肥施用量增长了40.8%[3]。化肥试验网的研究表明，化肥对我国粮食单产增长的贡献率高达55%～57%，对总产增加的贡献率为30%～31%。而农户为了提高水稻产量长期大量不合理施用化肥，导致肥料利用率低、土壤生产力下降、水体污染严重、臭氧层破坏和温室效应等问题[4]。而纳米碳所具有的特殊性能不仅影响土壤的理化性质和生物学特性，而且在碳、氮循环中起着积极的作用，因此已被建议应用到土壤环境领域，以期改善土壤环境，提高其生产力和肥料利用率[5]。

纳米材料近年来在农业生产领域得到逐步应用，尤其在植物生长发育、肥料利用率和改善土壤环境等方面的作用受到了人们的极大关注[6－7]。王艳等[8]利用纳米碳添加到肥料中生产出纳米增效肥料，结果发现，该肥料在减量30%～50%的情况下，能促进大豆增产10%～20%。刘键等[9]研究表明，施用纳米增效肥料可以使萝卜、白菜、甘蓝、茄子、辣椒、西红柿、芹菜和韭菜等增产20%～40%；并促进蔬菜作物快速生长，可提早5～7 d上市；同等产量水平下可节肥30%～50%，同时提高作物品质。张哲等[10]研究发现，纳米碳能够促进水稻生长，同时在等量磷钾肥条件下，70%氮量加纳米碳施肥的处理氮肥利用率比常规施肥提高了11.57%。钱银飞等[11]研究发现，参试的3种肥料在添加纳米碳肥料增效剂后，均能协调增加晚稻的穗数、每穗颖花数、结实率以及千粒重，进而增产。增加纳米碳肥料增效剂后还能减缓肥料释放速度，减少肥料流失，提高分蘖以后的稻株叶面积指数，提高干物质积累量，增强氮素吸收利用能力。

目前关于纳米碳材料对作物影响的研究主要集中于纳米碳材料对作物生理、毒理和对农业节肥增效这几个方面，主要涉及到各类纳米碳材料存在下对作物种子的萌发、幼苗根茎的生长、作物产量和品质、作物抗逆性以及养分吸收和肥效等方面的影响[12－17]，而有关纳米碳的添加对农田土壤养分和微生物群落结构影响的研究较少。因此，本研究选用水稻为指示作物，通过盆栽试验，研究了纳米碳与肥料配施对土壤理化性质及其养分含量、土壤群落结构的影响，以期为纳米碳在农田土壤改良上的应用提供理论依据。

图1 添加纳米碳对土壤pH值和含水量的影响

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤类型为黑土，土壤有机质含量27.7 g/kg、全氮 1.74 g/kg、速效磷 44.1 mg/kg、速效钾 186 mg/kg、pH值7.64。试验所用肥料种类为尿素（N 46%）、氯化钾（K2O 60%）、重过磷酸钙（P2O546%）和纳米碳粉。纳米碳粉与肥料质量以3∶1000的比例均匀混和后使用。试验水稻品种为北稻5号。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，地点设在黑龙江省农业科学院盆栽场[18]。试验共设4个处理：CK，不施氮肥；N2，常规施肥；N1+C，减施氮肥+纳米碳粉；N2+C，常规施肥+纳米碳粉。常规施肥：施纯N 10 kg/667 m2；减量施肥：施纯N 7 kg/667 m2。磷肥用量（P2O5）5 kg/667 m2、钾肥用量（K2O）3 kg/667 m2，磷、钾肥按当地施肥习惯施用；所有氮肥或纳米碳粉施用按当地一般氮肥施用方法施用。每个处理3次重复，每盆添土10 kg，插秧3丛，每丛2株。塑料盆随机排列埋入土中。试验于2016年5月18日插秧，10月26日收获并采取土样。

1.3 样品采集与测定

水稻成熟后进行破坏性取样，即各处理取走全部地上部植株样后，把盆中的土壤全部倒出，去除根系后把土壤混匀，过1.00 mm筛，取一部分鲜土冻干用于土壤磷脂脂肪酸的测定，另取一部分风干后分别过1.00 mm筛用于测定土壤速效养分和过0.25 mm筛用于测定土壤全量养分。

土壤pH值、含水量、有机碳、全氮、速效磷和速效钾等指标采用土壤农化分析常规方法测定[19]。土壤磷脂脂肪酸测定：鲜土去除植物残体和根系后，过2.00 mm筛，冷冻干燥后直接进行PLFA分析，主要参照Ai等[20-21]的方法进行提取。关键步骤包括：称取冷冻干燥后的土样3.0000 g，人工去除非土壤物质后放入聚四氟乙烯管中，依次加入4 mL柠檬酸缓冲液、5 mL氯仿、10 mL甲醇避光振荡2 h提取，并重复提取1次。提取液离心管中加入7 mL柠檬酸缓冲液、8 mL氯仿，振荡混匀，远离热源，黑暗中静止过夜，使水相与有机相分开。过夜后取下层溶液到玻璃管中氮气吹干，然后用甲醇、氯仿、丙酮等有机溶剂在SPE柱中洗脱分离得到磷脂，然后对磷脂用气相色谱仪（Agilent 6890N）配合 MIDI 微生 物鉴 定 系 统 （Version 4.5、MIDI、Inc、Newark、DE）分析PLFA的组成。含量用其脂肪酸甲酯的摩尔百分比表示。

根据 WANG 等[21-22]的研究，i14：0、i15：0、i16：0、i17：0、a15：0、a17：0、cy17：0、cy19：0、16：1w9c、16:1w7c、17：1w8c、18：1w5c、18：1w7c、15：0、17：0、17：1w6 和 17：1w7 作为细菌的标记脂肪酸，其中，i14：0、i15：0、i16：0、i17：0、a15：0 和 a17：0 作为革兰氏阳性菌的标记脂肪酸；cy17：0、cy19：0、16：1w9c、16：1w7c、17：1w8c、18：1w5c和18：1w7c作为革兰氏阴性菌的标记脂肪酸。16：1v5c、18：3w6c（6，9，12）、18：1w9c 和 18：2w 6，9c 作为真菌的标记脂肪酸。16：0（10Me）、17：0（10Me）和 18：0（10Me）作为放线菌的标记脂肪酸。

1.4 数据处理

试验数据采用SAS 9.1软件进行方差分析和相关分析，用Excel 2016软件进行数据计算和图表制作，用Canoco 4.5作磷脂脂肪酸主成分分析。

2 结果与分析

2.1 添加纳米碳对土壤pH值和含水量的影响

从图1可以发现，添加了纳米碳的处理土壤pH值和含水量均显著高于N2处理，分别高2.89%和16.99%，而添加纳米碳的2个处理间差异不显著。氮肥的施用显著降低了土壤pH值，所有施氮处理土壤pH值均低于未施氮处理（CK），土壤含水量CK和N2处理间差异不显著。

2.2 添加纳米碳对土壤养分含量的影响

由图2可知，在所有施氮处理中，添加了纳米碳的处理土壤有机碳、速效磷和速效钾含量均显著高于未添加纳米碳的N2处理，分别高 8.49%、7.49%和23.41%，而且其含量均以N1+C处理最高。N1+C和N2+C处理间土壤有机碳和速效磷含量差异不显著，而土壤速效钾含量N1+C处理显著高于N2+C。土壤全氮含量表现为 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，N2、N1+C 和 N2+C处理均显著高于CK，而这3个处理间差异不显著。

图2 添加纳米碳对土壤养分含量的影响

图3 不同处理土壤特征磷脂脂肪酸含量

2.3 土壤各菌群磷脂脂肪酸含量的变化

从图3可见，4个不同处理间土壤总PLFA含量表现为 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，处理间存在显著差异；革兰氏阳性菌/阴性菌和细菌摩尔百分比表现为N1+C＞N2+C＞N2＞CK，施肥处理较CK均有一定幅度的增加；真菌和放线菌摩尔百分比表现为CK＞N2＞N1+C＞N2+C，施肥处理较CK均有一定幅度的降低。

2.4 土壤微生物群落结构分析

利用PCA对4个不同处理的土壤微生物群落结构进行主成分分析，结果（图4）发现，N2、N1+C和N2+C处理中微生物群落结构与CK相比均发生了改变，N2+C处理与CK之间的距离最远，说明其对土壤微生物群落结构的影响最为显著，PC1和PC2分别占据了总变异的90.23%和0.67%。

图4 不同处理土壤微生物特征磷脂脂肪酸主成分分析

3 结论与讨论

纳米材料所具有的特殊性能已被建议应用到土壤与植物营养领域[5]，而且在土壤保水、保肥，以及作物代谢、促进作物生长发育方面都具有良好效果[16，23-24]。王飞等[13]研究认为，纳米碳含有的特殊结构，具有催化性，添加到肥料中能够增加肥料的释放程度，同时纳米碳材料的表面积极大、带有大量负电荷、易溶于水等特点，肥料中添加纳米碳可以使土壤吸附大量的阳离子，减少肥料的挥发与径流造成的损失。同时有研究认为，纳米碳通过自身小的颗粒形态填充土壤之间的大孔隙，使土壤有的大孔隙被小孔隙取代，减少水分流动和互相联通的孔隙，改变水流弯曲度，从而增加土壤保水、保肥的能力[25-26]。马筠等[27]研究认为，纳米碳进入土壤后能溶于水，增加土壤的EC值，可直接形成HCO3－，促进作物的生长和对养分的吸收。胡梓超等[28]研究了纳米碳对关中地区土壤水分养分和小麦生长的影响，发现农田土壤条施纳米碳后，冬小麦根系层土壤水分含量增加，深层土壤含水量降低，且土壤水分分布波动减小；纳米碳在冬小麦各生育期内均可以有效提高小麦田间土壤剖面吸持养分的能力，且同一生育期内，纳米碳含量越高，土壤表层剖面养分浓度越大，其中纳米碳质量含量为0．007 kg/kg和0．010 kg/kg的处理在灌浆期5～10 cm土壤深度内平均硝态氮、速效磷、速效钾含量与对照组相比分别增加了 25．0%、33.6%、43.7%、51.3%、6.6%和 17.5%。

纳米碳具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等基本特性，将纳米材料应用在土壤中，势必会对土壤结构、土壤中元素迁移及化学生物反应等方面有一定影响[29－30]。本研究发现，添加纳米碳可以增加土壤全氮，并显著提升土壤有机碳、速效钾养分含量，同时增加土壤总PLFA量，改善土壤微生物群落结构，而且在土壤保水方面同样具有积极作用。然而由于缺乏有效的检测手段，纳米材料在土壤中的行为和迁移规律尚不清楚[31]。