分析納米材料在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

周成河 (湖北恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北恩施445000)

納米原為尺度定義(10－9m)。自然界中遍布納米微粒，而將納米應(yīng)用在技術(shù)領(lǐng)域則源自20世紀(jì)80年代。目前，納米技術(shù)在各領(lǐng)域已得到普及，在土壤、肥料等方面也因此有了新的突破。我國(guó)黏土及礦物資源十分豐富。通過(guò)插層復(fù)合法與液相沉淀法所得到的納米復(fù)合材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，并且在近年實(shí)踐中取得顯著效果。

1 納米材料發(fā)展現(xiàn)狀

從納米材料發(fā)展的歷程來(lái)看，20世紀(jì)末期是納米科技的理論研發(fā)階段，主要負(fù)責(zé)研究納米材料性質(zhì)與使用方法。在21世紀(jì)初期，納米技術(shù)進(jìn)入理論演變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用的階段，而納米性質(zhì)研究水平逐漸提高，應(yīng)用范圍隨之?dāng)U張，各類(lèi)新型名詞不斷出現(xiàn)［1］。納米材料可以根據(jù)尺寸進(jìn)行區(qū)分，包括納米顆粒、納米粉體、納米絲、納米膜、三維納米塊，而根據(jù)結(jié)構(gòu)則可分為納米復(fù)合與納米相材料兩大類(lèi)。目前常用的納米材料包括金屬材料、磁性材料、傳感材料、醫(yī)用材料、農(nóng)用材料、有機(jī)－無(wú)機(jī)材料、介孔復(fù)合材料，而納米材料已在人們的日常生活中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在能源、電子、醫(yī)學(xué)、生物、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中非常重視納米材料的應(yīng)用［2］。在納米材料的使用過(guò)程中，人們對(duì)生物安全性的重視程度逐漸提高。作為自然界中最重要的生產(chǎn)者，植物直接影響高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的安全與穩(wěn)定。但是，我國(guó)關(guān)于納米材料在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的研究較少，大多數(shù)研究只局限在動(dòng)物細(xì)胞、微生物、藻類(lèi)、人體中。納米材料種類(lèi)繁多，生物學(xué)特征也存在較大差別。這種不同材料之間的差別直接關(guān)系到植物的抗逆性與環(huán)境。

2 納米材料在植物營(yíng)養(yǎng)及土壤中的應(yīng)用分析

2．1 在植物種子處理上的應(yīng)用 利用納米材料進(jìn)行植物種子處理，是通過(guò)納米FLM材料中的能量轉(zhuǎn)換效果，強(qiáng)化植物種子的活力，進(jìn)而提升植物種子中酶的活性，從而加快植物生產(chǎn)，強(qiáng)化植物包括抗蟲(chóng)、抗病等各類(lèi)能力。植物種子經(jīng)納米材料處理后，能夠使種子在吸收來(lái)自自然界的光波后，將其轉(zhuǎn)換成電磁波，促進(jìn)種子中大分子團(tuán)向小分子團(tuán)分裂，而空間不變，分子數(shù)量激增。在這種情況下，分子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)加劇，觸碰幾率增大，活性也得到大幅強(qiáng)化，蘊(yùn)含的生長(zhǎng)力、破土能力也就得到有效提升［3］。此外，經(jīng)納米材料處理的植物種子幼苗根系發(fā)達(dá)，長(zhǎng)勢(shì)快，新陳代謝加快，促進(jìn)生長(zhǎng)。

2．2 在植物土壤肥料中的應(yīng)用 肥料能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供充足營(yíng)養(yǎng)，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量有著十分重要的作用。但是，如果肥料沒(méi)有得到合理應(yīng)用，那么不但不能有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，而且可能造成土壤污染等嚴(yán)重問(wèn)題［4］。例如，若化學(xué)肥料中養(yǎng)分釋放過(guò)快，不能與植物養(yǎng)分吸收的速率相協(xié)調(diào)等，則可能導(dǎo)致在土壤中淋溶、揮發(fā)以及固結(jié)等情況。因此，對(duì)肥料中養(yǎng)分釋放和植物吸收的協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析，研發(fā)優(yōu)質(zhì)控釋肥，是預(yù)防此類(lèi)問(wèn)題的有效途徑。國(guó)外通過(guò)化學(xué)、生物等理論及技術(shù)對(duì)肥料中植物養(yǎng)分的釋放進(jìn)行研制。經(jīng)多年的研究，已研制出多種緩釋及控釋型植物營(yíng)養(yǎng)肥料，但因此類(lèi)肥料的價(jià)格過(guò)高等因素，制約了這種優(yōu)質(zhì)控釋肥的應(yīng)用與推廣。

將納米材料應(yīng)用在植物營(yíng)養(yǎng)控釋肥料中的目的就是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于農(nóng)作物不同發(fā)育階段的營(yíng)養(yǎng)需要進(jìn)行適時(shí)供養(yǎng)。這也正是當(dāng)前植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。應(yīng)用納米材料技術(shù)的肥料不僅能為農(nóng)作物提供各個(gè)階段的所需養(yǎng)分，而且其營(yíng)養(yǎng)釋放速率可以與植物不同發(fā)育期所需營(yíng)養(yǎng)規(guī)律保持基本一致［5］。目前，應(yīng)用納米材料技術(shù)的植物營(yíng)養(yǎng)緩釋型肥料主要包括納米結(jié)構(gòu)肥、納米磁性液態(tài)肥以及納米材料膠結(jié)包膜型緩釋肥等。

應(yīng)用納米材料的植物營(yíng)養(yǎng)肥料，其納米膠結(jié)薄膜等納米材料通常是利用廢棄資源制成的［6］。因此，應(yīng)用納米材料的植物營(yíng)養(yǎng)肥料不僅能充分運(yùn)用廢棄的資源，實(shí)現(xiàn)綠化環(huán)保，而且可大大提升肥料的利用率，利于被植物吸收。納米材料因其小尺寸效應(yīng)，強(qiáng)化了肥料吸附性能，防止肥料在土壤中的流失，避免對(duì)土壤造成污染。此外，在植物在生長(zhǎng)中，根系存在趨肥性、趨水性，應(yīng)用納米材料的肥料可吸附在植物的根系。

此外，納米材料在植物營(yíng)養(yǎng)肥料中的應(yīng)用還能有效培肥土壤，不但為植物提供養(yǎng)分，而且可提高土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化土壤在蓄肥保肥等方面的能力。納米材料還能通過(guò)強(qiáng)化土壤養(yǎng)分離子的交換吸附，大大強(qiáng)化土壤生產(chǎn)力。納米材料還可激發(fā)土壤微生物活性，對(duì)土壤中的C/N比進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)培肥土壤。

2．3 在葉面肥中的應(yīng)用 眾所周知，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要進(jìn)行光合作用，因此強(qiáng)化光合作用也是提高植物產(chǎn)量的方法之一［7］。目前，植物營(yíng)養(yǎng)界提倡通過(guò)增加二氧化碳的方式促進(jìn)植物加快光合作用，出現(xiàn)了如碳酸水、二氧化碳發(fā)生器等的應(yīng)用。此外，還有利用光觸媒、暗觸媒將其噴施在植物葉面上的方式，其目的就是提升光的利用率，促進(jìn)光合作用。這種方式即使是在日照并不充足的情況下，仍然具有很好的光合作用促進(jìn)效果。

光觸媒、暗觸媒這種納米材料的應(yīng)用不但能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提升光合速率，而且可改善葉片顏色。隨著光合作用的活躍，植物營(yíng)養(yǎng)成分的運(yùn)輸也更流暢，其根部對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)成分的吸收能力也得到大幅強(qiáng)化，并且可將養(yǎng)分充分輸送到植物的各個(gè)部分，使得葉片更厚、更綠［8］。此外，在這些納米材料的作用下，也可有效節(jié)約化肥、農(nóng)藥的應(yīng)用。經(jīng)納米技術(shù)處理后，植物中的硝酸還原酶活性也得到大幅提升，而硝酸還原酶活性是決定植物吸收水肥效果的關(guān)鍵，因此也提升了肥料利用率，實(shí)現(xiàn)化肥的節(jié)約［9］。活躍的光合作用促進(jìn)了植物新陳代謝，進(jìn)而提升了植物的免疫能力，降低了發(fā)病率，進(jìn)而可在節(jié)約化肥、農(nóng)藥的條件下實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。光合作用的強(qiáng)化能夠促進(jìn)干物質(zhì)的積累，提高果實(shí)品質(zhì)、糖度以及各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。

3 展望

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，納米技術(shù)逐漸被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域之中。為了加強(qiáng)自身對(duì)納米技術(shù)的了解，必須不斷加強(qiáng)研究，深入了解納米技術(shù)的應(yīng)用效果，充分掌握納米知識(shí)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)納米技術(shù)的跨越式進(jìn)步。由于納米技術(shù)的特殊性與重要性，國(guó)際上許多國(guó)家都在進(jìn)行研究，而不同方向、領(lǐng)域、材料則構(gòu)成非常分散的研究結(jié)構(gòu)［10］。由于水體與土壤環(huán)境的差別較大，納米材料也會(huì)產(chǎn)生不同表現(xiàn)的生物效應(yīng)，在接下來(lái)的研究中將重點(diǎn)進(jìn)行培養(yǎng)基質(zhì)的改進(jìn)與優(yōu)化研究。在植物開(kāi)始培養(yǎng)后，培養(yǎng)溶液中使用的納米材料也會(huì)發(fā)生性質(zhì)上的變化，所以在后續(xù)的研究過(guò)程中，根系微環(huán)境研究將繼續(xù)深入，如模擬自然土壤與水體環(huán)境，了解pH、離子強(qiáng)度、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域帶來(lái)的影響。使用熒光標(biāo)記方法確定納米顆粒在植物中的使用效果，通過(guò)X射線(xiàn)顯微鏡了解納米材料在植物中的分布情況，并且探索納米材料進(jìn)入植物的最佳時(shí)期。

在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域中，納米材料擁有良好的應(yīng)用前景，尤其是在抗菌、改善土壤環(huán)境方面，效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。雖然我國(guó)納米技術(shù)研究時(shí)間較短，而且農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成果較少，但是在作物增產(chǎn)方面，研究水平較高，所以可以借鑒其技術(shù)與方法，使土壤與植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的納米技術(shù)得到有效發(fā)展。納米材料擁有良好的磁性特征，可以吸附部分離子或通過(guò)反應(yīng)形成新物質(zhì)。將納米抗菌能力與改善土壤環(huán)境的能力進(jìn)行結(jié)合，制作出膠結(jié)緩釋肥料。這是肥料領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。今后，將不斷加強(qiáng)土壤與植物營(yíng)養(yǎng)方面的研究，為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力的支持。

［1］崔海信，姜建芳，劉琪．論植物營(yíng)養(yǎng)智能化遞釋系統(tǒng)與精準(zhǔn)施肥［J］．植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2011，17(2):494 －499．

［2］張建峰．植物營(yíng)養(yǎng)功能性材料制備及其應(yīng)用研究［D］．雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012．

［3］王佳奇．納米碳對(duì)玉米生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收的影響［D］．哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

［4］王萌，陳世寶，李娜，等．納米材料在污染土壤修復(fù)及污水凈化中應(yīng)用前景探討［J］．中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010(3):14－15．

［5］王佳奇，李淑敏，周寶庫(kù)．納米碳對(duì)玉米種子萌發(fā)及根系形態(tài)的影響［J］．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29(18):62 －66．

［6］王赟峰．植物材料和水分管理對(duì)稻田土壤pH和碳氮礦化的影響［D］．杭州:浙江大學(xué)，2012．

［7］潘攀．典型緩/控釋肥料包膜材料的土壤生態(tài)影響研究［D］．雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

［8］葛文．山東煙臺(tái)地區(qū)土壤地球化學(xué)環(huán)境與優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果生產(chǎn)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)［D］．武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013．

［9］張建峰．植物營(yíng)養(yǎng)功能性材料制備及其應(yīng)用研究［D］．雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012．

［10］徐同凱．杭州不同功能區(qū)綠地土壤特征及其營(yíng)養(yǎng)元素與植物的關(guān)系［D］．杭州:杭州師范大學(xué)，2013．