納米炭材料對作物生長影響的研究進展

喬 俊，趙建國，解 謙，邢寶巖，杜雅琴，屈文山，王海青

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納米炭材料對作物生長影響的研究進展

喬 俊1，趙建國1※，解 謙2，邢寶巖1，杜雅琴1，屈文山1，王海青1

（1. 山西大同大學化學與環境工程學院，大同 037009； 2. 山西大同大學生命科學學院，大同 037009）

納米炭材料由于其獨特的結構和物理化學性質被廣泛地應用到材料科學、能源、環境修復以及制藥等領域。隨著納米炭材料生產和使用的不斷增加，納米炭材料將不可避免地被釋放到環境中，并對環境中的各種植物以及作物造成未知的影響。近年來，將納米炭材料應用到農業領域，考察納米炭材料對作物的影響成為新的研究熱點。該文綜述了各類納米炭材料（包括炭納米管、富勒烯、炭納米洋蔥和石墨烯等）對作物的生長影響，現有研究表明，各類納米炭材料對作物種子的萌發和幼苗根莖的生長、作物產量和品質以及作物的抗逆性方面造成影響；此外，施加含納米炭材料的肥料對作物的產量品質，肥料的利用率也造成影響，但其中的影響機理還不完全清楚，仍有待于進一步研究。研究納米炭材料與作物的相互作用關系，可為納米炭材料應用于農業，促進增產提供新的思路和指導，因而具有重要的意義。

作物；生長；納米炭材料；品質；納米炭增效肥

0 引 言

納米材料是指三維空間尺度中至少有一維處于納米量級（1～100 nm）的材料。納米炭材料是納米材料中非常重要的一類，目前納米炭材料主要包括石墨烯（graphene）、炭納米管（carbon nanotubes）、炭納米角（carbon nanohorns）、富勒烯（fullerene）、炭納米洋蔥（carbon nano-onion）和炭納米量子點（carbon nano quantum dot）。其中，石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的平面二維晶體。炭納米管和炭納米角可看成是由片層石墨烯卷曲形成的一維尺度無縫中空管，管徑具有納米尺寸，長度可達數微米甚至數毫米。富勒烯、炭納米洋蔥球和炭納米量子點可看成是由片狀的石墨烯包圍而成的零維尺度具有球狀結構的納米材料。富勒烯是由多個碳原子組成的中空球體或橢球體分子，經典的富勒烯C60是由12個五元環和20個六元環組成的多面體碳原子簇合物。炭納米洋蔥是以C60為核心的同心多層球面套疊結構的碳分子，各層碳原子數按602（為層數）遞增，層與層間距約0.34 nm與石墨烯的層間距十分接近。炭納米量子點是一類尺寸在10 nm以下，類球形的具有獨特熒光性質的炭顆粒。這些納米炭材料由于具有獨特的結構以及優良的力學、電學和化學性能，被廣泛應用到工業界的各個領域，包括電子、材料、能源、制藥、環保等[1-3]。各種納米炭材料的大量生產和使用將不可避免地造成這些材料向環境中釋放，其潛在的生態風險已引起了學術界的廣泛關注[4-6]。

近年來，將納米炭材料應用到農業領域，研究納米炭材料對農作物的影響逐漸成為新的研究熱點[7-9]，目前關于納米炭材料對作物影響方面的研究可大致分為兩類：一類是關注各種納米炭材料對作物生理、毒理方面的影響，主要涉及到各類納米炭材料存在下對作物種子的萌發、幼苗根莖的生長、作物產量和品質、以及作物抗逆性等方面的影響；另一類是關注將納米炭材料應用在施肥方面，側重研究納米炭材料在農業節肥增效方面的影響。由于植物在自然界中扮演“生產者”的角色，環境中的納米炭材料對植物產生的影響將直接關系到各級“消費者”的食物來源，從而對整個生態系統的穩定性產生影響。此外，農業是社會發展的基礎，納米炭材料對作物生長帶來的影響也關系到農業的未來以及人類社會的穩定發展。因此，深入研究環境中的納米炭材料對作物生長的影響及其作用機理，不僅對拓展納米炭材料應用到農業領域具有重要意義，同時也對于評估納米炭材料的環境和生態風險具有十分重要的意義。

1 納米炭材料對作物生理及毒理的影響

1.1 納米炭材料對種子萌發和幼苗生長的影響

隨著納米炭材料不斷進入到環境當中，作物的種子將暴露在富含各類納米炭材料的環境之中。環境中的納米炭材料，將構成對作物種子萌發及幼苗生長的生理和毒理的影響，近年來受到學者的普遍關注[10-12]。

目前，有關各類納米炭材料對種子萌發及幼苗根莖生長的研究均有報道，此類研究多數是將各類納米炭材料配制成溶液，采用這類溶液對種子進行萌發和幼苗生長試驗。例如：在炭納米管和炭納米角方面，Lin等使用2 g/L的多壁炭納米管溶液培養了6種植物（油菜、黑麥草、玉米、蘿卜、萵苣和黃瓜）種子，在種子萌發5 d后用多壁炭納米管溶液培養的油菜、黑麥草和玉米的根長顯著高于未加炭納米管培養的對照；然而，多壁炭納米管對種子根生長促進效果并沒有在其他3種植物（蘿卜、萵苣和黃瓜）的試驗中觀察到[13]。Canas等使用單壁炭納米管溶液對洋蔥、黃瓜、西紅柿、卷心菜和胡蘿卜種子進行了48 h的培養，發現單壁炭納米管溶液質量濃度在0.16、0.9和5 g/L時，能夠促進洋蔥和黃瓜的根生長，但對卷心菜和胡蘿卜幾乎沒有促進作用，對西紅柿反而產生抑制作用[14]。袁剛強等發現，質量濃度為10～40 mg/L的單壁炭納米管溶液對水稻種子萌發有延遲作用，對水稻幼苗的生長產生抑制作用[15]。Lahiani等發現，單壁炭納米角存在下可促進玉米、水稻、西紅柿和大豆種子的發芽以及幼苗的生長[16]。

在富勒烯、炭納米洋蔥和炭納米量子點方面，Nair等發現，質量濃度為50 mg/L的富勒烯C60溶液可提高水稻種子的發芽率達20%，并能夠顯著促進水稻幼苗的生長[17]。Sonkar等報道了用木屑為原料制備水溶性的炭納米洋蔥，在使用質量濃度為30 mg/L的炭納米洋蔥溶液對鷹嘴豆種子培養10 d后，根的生長得到了顯著促進[18]。Tripathi等研究發現，在有光照或無光照條件下培養小麥種子10 d，經炭納米洋蔥溶液培養的小麥種子，其根和莖的生物量都要明顯高于沒有用炭納米洋蔥溶液培養的種子，且炭納米洋蔥對小麥根的生長促進作用更為突出[19]。Chen等采用水溶性的炭納米點（carbon nano-dots）研究發現低濃度（250和500 mg/L）炭納米量子點對玉米生長無毒，而高濃度（1 000和2 000 mg/L）會顯著抑制玉米根和莖的生長，造成玉米根鮮質量降低57%～68%，莖鮮質量降低38%～72%[20]。

在石墨烯方面的研究中，Liu等發現較低濃度石墨烯（5 mg/L）對水稻側根數量、根鮮質量、地上部分鮮質量指標有明顯的促進作用；但當石墨烯溶液質量濃度高于50 mg/L時，水稻種子發芽速率、根長、莖長、側根數量、根鮮質量等都明顯受到抑制[21]。Zhang等研究發現石墨烯對西紅柿種子發芽產生促進影響，石墨烯可以加速種子發芽過程，縮短發芽時間。在西紅柿幼苗生長階段，石墨烯能夠增加幼苗根和莖的長度，但根和莖的鮮質量卻比對照稍低[22]。Anjum等研究發現，氧化石墨烯的質量濃度適宜時（400和800 mg/L）可促進蠶豆根的生長，但濃度過低（100，200 mg/L）和過高（1 600 mg/L）會對蠶豆根伸長起抑制作用[23-24]。此外，筆者使用不同質量濃度的氧化石墨烯溶液（200和600 mg/L）對綠豆、紅豆、黑豆種子進行了培養，觀察氧化石墨烯對3種豆類植物發芽的影響。結果發現，氧化石墨烯對紅豆的種子發芽有明顯的促進作用。如圖1所示，使用600 mg/L的氧化石墨烯溶液培養紅豆3 d后，紅豆的幼芽生長情況顯著好于僅使用超純水培養的對照。對于黑豆和綠豆，試驗中未觀察到氧化石墨烯對種子發芽的促進作用。

從上述的各類研究結果可以看出，各類納米炭材料存在下對作物種子萌發和幼苗生長是利或弊，論說并不一致。值得注意的是，許多研究表明在一些情況下，納米炭材料的存在不僅不會對種子萌發及幼苗生長產生抑制，反而會有比較明顯的促進作用，這表明納米炭材料應用于農業生產具有一定的潛力，而其中的作用機理也值得深入研究。目前，研究者們正從作物對納米炭材料的吸收和吸附、納米炭材料在作物體內的遷移和利用、納米炭材料對作物產生的氧化應激效應以及對作物某些蛋白、基因的表達等方面探索其內在的作用機制。

1）現有許多研究采用拉曼光譜、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、熒光光譜、熱重分析等技術發現植物可吸附、吸收各類納米炭材料進入植物體內[25-27]。Liu等研究發現，單壁炭納米管能夠穿透完整的細胞壁和細胞膜進入到煙草細胞中[28]。Begum等利用透射電子顯微鏡觀察到擬南芥胞吞石墨烯的細胞結構，表明石墨烯可通過胞吞作用進入擬南芥細胞內[29]。Sonkar等研究發現，經炭納米洋蔥處理的種子萌發后，其根部觀察到有炭顆粒的侵入，且造成根部表皮細胞外觀變得疏松[18]。Khodakovskaya等[25]和Zhang等[22]分別觀察到多壁炭納米管和石墨烯能夠穿透西紅柿的種皮，認為此效應可促進種子對水分的吸收，從而促進西紅柿種子發芽和幼苗的生長，Zhang等進一步采用熱重分析等手段發現石墨烯可使種子水分含量增加17.5%[22]。

2）納米炭材料顆粒進入植物體內后，可通過植物木質部或韌皮部實現在植物不同組織間的運輸和遷移，有些情況下，植物可利用體內的納米炭構建自身組織或細胞器，從而對植物的生長造成影響。Tripathi等觀察到鷹嘴豆可吸收水溶性的炭納米管，并利用炭納米管來構建木質部的毛細導管，從而增強了植株的吸收和保持水分的能力，促進根和莖的生長[27]。Serag等研究發現，植物擬南芥體內木質素的生物合成過程中，可通過氧化橋聯作用將體內的炭納米管與單體木質素連接起來，從而利用炭納米管來構建導管[30]，促進植物對各種大量、微量營養元素的運輸。Giraldo等研究發現，單壁炭納米管經植物的被動運輸過程嵌入到葉綠體后，可增強植物葉綠體的光合作用活性（比對照高3倍）和電子轉移速率[31]。

3）納米炭材料可能會導致植物體內活性氧自由基的積累，一旦超過植物抗氧化系統（一些抗氧化酶，如超氧化物歧化酶，過氧化氫酶，谷胱甘肽過氧化物酶等）的清除能力，就會導致細胞損傷和死亡，產生毒害和抑制作用[32-34]。Anjum等研究發現[24]，氧化石墨烯質量濃度在過低（100、200 mg/L）和過高（1 600 mg/L）時，會引起蠶豆體內活性氧自由基的積累產生抑制作用，然而當質量濃度適中時（400和800 mg/L）有助于蠶豆種子水分含量的增加，并提高種子的過氧化氫酶的活性，降低自身脂肪和蛋白質被氧化的程度，且能夠使種子保持細胞膜的完整性，降低細胞電解質液體外泄的程度，從而改善了蠶豆的生長狀況，促進蠶豆種子根的生長。

4）納米炭材料也可能通過影響植物細胞中某些基因的表達，對植物某些功能蛋白及組織表現出促進作用。Yan等發現單壁炭納米管能夠上調2種與玉米根細胞伸長有關的2種基因（1和）的表達，可促進種子根的生長；但對根毛生長的2種基因（1和3）表達產生抑制作用，因而對玉米的根毛生長產生抑制影響[35]。Khodakovskaya等研究發現，多壁炭納米管的表面電荷可誘導西紅柿體內水通道蛋白基因（2）的表達，增強西紅柿對水分以及營養元素（如鈣、鐵等）的吸收效率，因此可促進西紅柿種子的萌發和生長[36-37]。Khodakovskaya等研究發現，多壁炭納米管能夠誘導煙草的某些基因表達上調，如細胞分裂基因（）、細胞壁的形成基因（1）和水分運輸基因（水通道蛋白，1），從而能夠促進種子萌發和植株的生長[38]。

從上述研究結果來看，納米炭材料對作物種子萌發和幼苗生長的影響很大程度上取決于作物的種類，納米炭材料的類型、劑量和性質。目前雖然在納米炭材料影響作物種子萌發和幼苗生長的機理研究方面有一些突破，但總體上還所知有限，難以形成規律性的結論。已報道的研究多數都在考察單一類型的納米炭材料對作物的影響，而系統地對比不同形貌、不同性質的納米炭材料對作物的影響，是理清納米炭材料的結構-效應關系的重要研究內容，需進一步關注。例如，Tripathi等對比了6種不同形貌、尺寸的納米炭材料（包括炭納米量子點、單壁炭納米管、多壁炭納米管和炭納米晶須等）在鷹嘴豆幼苗體內的遷移，認為各形貌和尺寸的納米炭材料更傾向通過質外體途徑（apoplastic pathway）進入植物體內；幾種納米炭材料中，一維中空結構的單壁炭納米管更具生物兼容性，可優先進入鷹嘴豆幼苗的木質部，對幼苗生長的促進作用也最明顯[39]。Lahiani等研究發現，4種不同形貌的納米炭材料（薄層石墨烯、螺旋狀、長尺寸和短尺寸的多壁炭納米管）對西紅柿的生長有著相同的作用機制，即都可造成水通道蛋白基因表達的上調，促進種子萌發和幼苗生長[40]。另外，現有的多數研究在關注納米炭材料對作物毒性及生理影響時，試驗的納米炭材料質量濃度和受試作物的培養條件，都與自然土壤環境有著較大差別，得到的研究結果不一定能反映真實自然條件下的情形。Gogos等研究表明，在嚴格模擬自然條件的土壤微宇宙試驗中，多壁炭納米管的垂直遷移能力以及植物對多壁炭納米管的吸收都非常有限，且植物對多壁炭納米管的吸收量與多壁炭納米管的暴露濃度無關[41]。因此，研究自然土壤環境中納米炭材料對植物的影響，同樣需要受到關注。

1.2 納米炭材料對作物產量及品質的影響

納米炭材料對作物的產量及品質方面的影響也是研究納米炭材料與作物相互作用關系的重要方面。在研究方法上，有些研究是將種子先浸泡在含有納米炭材料的溶液中一段時間（或培養至種子萌發），再將種子（或幼苗）種植在土壤觀察對作物產量的影響[18,42-44]；也有研究采用水培法，在作物的培養液中保持一定濃度的納米炭材料，研究對作物產量及品質的影響[17,21,45]。

在炭納米管方面，Khodakovskaya等研究發現，質量濃度為50 mg/L的多壁炭納米管溶液能夠對西紅柿增產2倍多（單株果實數量為9個，未用炭納米管處理的單株果實數量僅為4個）[36-37]。在炭納米洋蔥和富勒烯方面，Sonkar等研究發現，使用質量濃度為30 mg/L的炭納米洋蔥溶液對鷹嘴豆種子培養10 d后，再將萌發的幼苗進行種植，植株生物量以及鷹嘴豆的產量明顯提高。進一步分析果實中的C、H和N的含量后發現，與對照相比，炭納米洋蔥未對鷹嘴豆果實造成明顯的C、H和N含量的差異[18]。Kole等用不同濃度的富勒醇C60(OH)20溶液對種子進行萌發培養后，再將種子移種在土壤中直至成熟結果，研究發現，試驗中各濃度的富勒醇都能夠對苦瓜的果實、植株的生物量起到增產效果，增產40%～128%，但富勒醇濃度最高的處理其增產效果并非最好。研究還發現，富勒醇的處理可提高來自苦瓜的4種天然植物藥物的含量，能夠對葫蘆素-B、番茄紅素、苦瓜甾和胰島素分別增產達74%、82%、20%和91%，從而能夠使苦瓜的品質得到提高[42]。然而，Lin等研究了C70對水稻的影響，發現經C70處理后的水稻花期推遲了1個月，且稻穗的結實率也降低了4.6%。此外，該研究還發現C70可以在水稻體內進行“代際遷移”。研究人員僅在第1代水稻種子的萌發期施加了一定濃度的C70，但令人驚訝的是，在第2代水稻幼苗的葉子中再次發現了C70的聚合物。這項研究表明，C70可以通過水稻種子進行“代際遷移”從而可能造成對人類或其他受體的潛在風險[46]。在石墨烯方面，Begum研究了石墨烯添加量在500～2 000 mg/L質量濃度范圍內能夠顯著抑制大白菜、土豆和菠菜根莖的生長和生物量水平，并導致植株葉片的尺寸變小、數量減少，石墨烯對這些植物產生不利影響的程度與其濃度存在劑量-效應關系。研究進一步發現，石墨烯與植物體內活性氧自由基、過氧化氫的含量以及細胞死亡也存在劑量-效應關系，這表明石墨烯引起了氧化應激損傷（oxidative stress necrosis），從而對大白菜、土豆、菠菜3種植物產生不利影響。然而，研究發現各種濃度的石墨烯對萵苣并未造成明顯的毒性影響[45]。Chakravarty等用0.2 g/L的石墨烯量子點（Graphene quantum dots）溶液先對香菜和大蒜的種子浸泡3 h然后再進行種植，觀察香菜和大蒜的整個生長周期后發現，石墨烯量子點對香菜和大蒜的植株根、莖、葉、花和果實的生長都有明顯的促進作用，表明石墨烯可作為這兩種作物的生長促進劑，促進其產量提高[43]。

從上述研究結果來看，各類納米炭材料對作物產量和品質的影響表現不一，有些情況下納米炭材料可提高作物產量和品質，可能與納米炭材料類型、濃度以及受體作物種類這3方面因素有關。探究納米炭材料對作物產量和品質方面的作用機理，從而使農業上利用納米炭材料進行趨利避害是一項重要課題，但這方面的研究還比較欠缺。促進作物生長及產量的原因有：納米炭材料促進作物種子萌發、誘導作物體內水通道蛋白的表達，從而促進根的生長以及對水分和營養元素的吸收等；納米炭材料可吸附一些營養離子（如NH4+和NO3-），減緩營養離子的流失[47]；可能還與相關的酶、蛋白和基因表達有關，但還未見報道，需深入研究。

1.3 納米炭材料對作物抗逆性的影響

作物在環境條件惡劣（如干旱、高溫、高寒、高鹽等）的情況下，本身具有一定的抵抗不利環境的某些性狀，即抗逆性。在自然環境條件惡劣時，納米炭材料的存在可能會對作物抗逆性表現構成未知影響。Wang等通過在培養體系中加入聚乙二醇來模擬干旱，另加入NaCl來模擬高鹽，研究微克級別（0～1 000g/L）的氧化石墨烯在干旱或高鹽的條件下，對擬南芥的抗逆性影響[48-49]。研究結果表明，在非脅迫環境條件下（不干旱、非高鹽），不同質量濃度的氧化石墨烯（10、100、1 000g/L）對擬南芥的發芽、幼苗根莖生長以及花期等幾乎沒有抑制作用，但也未觀察到促進作用，證明微克級別的氧化石墨烯在良好環境條件下對擬南芥的生長是安全的。但是在干旱和高鹽條件下，氧化石墨烯質量濃度為1 000g/L時會加重惡劣條件對擬南芥生長的不利影響，表現在植物鮮質量減少，根長度變短等。進一步酶分析結果表明，在有氧化石墨烯存在下并疊加外界不利環境條件時，擬南芥體內的過氧化氫含量較高，發生氧化應激損傷的壓力較大。然而，Martinez-ballesta等研究表明[50]，在高鹽情況下，多壁炭納米管的存在能夠誘導花椰菜根部細胞膜脂類的組成和硬度發生變化，改變細胞膜的通透性，促進花椰菜對水分的吸收和CO2的同化，從而緩解環境中高鹽帶來的不利影響，促進花椰菜的生長。目前，炭納米材料對作物的抗逆性影響的報道還非常有限，還無法判斷炭納米材料的存在究竟對作物抗逆性表現是利或弊，仍有待深入研究。

2 納米炭材料用作肥料對作物的影響

除了關于納米炭材料對作物生理、毒理方面研究外，考慮到納米炭材料的小尺寸、高表面能等特性，能夠吸附養分離子，促進土壤中肥料的可利用性等，也有很多學者關注將納米炭材料在施肥階段加入，主要考察納米炭材料用做肥料時，對作物產量、品質以及農田肥料利用等方面的影響。

2.1 納米炭材料用做肥料對作物產量及品質的影響

中國學者在將納米炭作為肥料添加劑方面做了大量研究，所用納米炭材料一般為5～50 nm的球狀納米炭。劉鍵等[51]研究將球狀納米炭添加在肥料中制成納米炭增效肥（nano-fertilizer，納米炭占肥料總量的0.3%），研究表明納米炭增效肥能夠促進蘿卜、卷心菜、茄子、辣椒、西紅柿、芹菜和韭菜的生長，可使這些作物的產量提高20%～40%，并提早上市時間5～7 d，從而提升經濟效益。在品質方面，納米炭增效肥的施用能夠對蔬菜中的各類營養成分含量造成影響。例如，施用納米炭增效肥培育的蘿卜，其胱氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的含量可增加11.1%～140%，而酪氨酸、精氨酸、組氨酸、纈氨酸和賴氨酸的含量卻減少了11.1%～30.0%；施用納米炭增效肥的茄子除胱氨酸減少了16.7%外，其他上述氨基酸的含量均有增加（增幅為11.5%～42.9%）；施用納米炭增效肥的芹菜其氨基酸含量均有增加，增幅為15.4%～70.0%；施加納米炭增效肥的辣椒氨基酸含量降低了42.86%～72.73%，但辣椒中維生素C的含量提高了1.5倍，可提高辣椒的品質及增強其耐貯性。在對冬小麥的研究發現，納米炭增效肥可使冬小麥增產12.34%～19.76%，小麥蛋白質含量減少7.52%，脂肪含量增加33%[52]。與傳統化肥相比，添加納米球狀炭制備的納米炭增效肥能使水稻增產10.3%、玉米增產10.9%～16.7%、大豆增產28.8%，且能使大豆中植物油含量提高13.2%。還可促進春玉米早熟，納米炭增效肥的產投比可達13.5∶1.0，能使每公頃增加純經濟收入2 777.5元[53]。對煙草種植方面，施加納米炭增效肥不僅可提高煙葉單葉質量和產量[54]，還能在一定程度上改善烤煙的品質，表現在明顯提高了烤煙煙葉的鉀離子含量（平均提高幅度為20%）和鉀氯比值，使煙草香氣品質得到提高[55]。此外，筆者對比了施用含納米炭的氮肥與普通氮肥對萵筍和水蘿卜2種蔬菜的生長影響，發現施用納米炭增效肥能夠使萵筍果實質量增加17.6%～41%，水蘿卜果實質量增加29%，即納米炭隨氮肥混和施入后對萵筍和水蘿卜實現了增產。圖2給出了普通氮肥和含納米炭的氮肥對萵筍和水蘿卜果實生長影響的照片，從圖2a中可以看出，納米炭施加能明顯提高萵筍果實的直徑，從而實現萵筍增產。圖2b中可明顯觀察到，納米炭添加種植出水蘿卜的果實表皮顏色明顯變深，呈紫紅色。進一步試驗結果表明，納米炭可誘導促進水蘿卜體內花青素的合成，使表皮花青素含量增加，顏色變紫。花青素具有抗氧化、抗衰老的功效，花青素含量的增高有助于提升水蘿卜的營養價值和品質。

由此可見，與傳統肥料制成納米炭增效肥可對許多蔬菜、糧食作物和經濟作物起到增產、改善作物品質等的積極影響。目前，對于納米炭增效肥可促進作物增產的可能作用機理，報道的主要有：

1）納米炭的添加可促進作物對土壤中營養元素的吸收。由于納米炭材料有較大的比表面積，吸附性強，易于吸附土壤溶液中的養分離子，此外納米炭與肥料形成納米增效肥后具有良好的導電性能，可提高根系細胞外電化學勢梯度，提高土壤中無機營養元素的遷移速率，從而促進離子進入根系細胞，促進作物對營養離子的吸收[56-57]。謝劍平等研究發現，納米炭可促進擬南芥對K、P、Mg、Fe、Zn等營養元素的吸收，從而可能促進擬南芥根、莖的生長和生育期的提前[58]；李淑敏等研究表明，納米炭可提高玉米對氮素的吸收和利用，添加納米炭的處理其玉米植株吸收氮素的量可增加20.1%，進而使植株葉片的葉綠素含量增加，光合作用增強[59]；王小燕等研究表明，肥料中添加0.3%的納米炭后，可改善水稻根系周圍微環境，使氮肥更易于被根系交換吸附，進而可促進水稻根系對氮的吸收[60]。

2）納米炭可促進作物對水分的吸收，進而攜帶大量營養元素進入植物體內。納米炭材料可滲透作物種子和根表皮細胞，使外觀結構變得疏松；一些納米炭材料可誘導作物的水通道蛋白表達以及根伸長基因的表達，并參與作物根中導管的構建等，這些都可能促進作物根系的生長，有利于作物對水分的吸收。作物吸收水分的同時可攝取營養元素，進而促進作物生長。

3）納米炭作為肥料添加劑可促進作物根系活力和根際土壤酶活性的提高。李淑敏等研究表明，傳統氮肥添加納米炭后，能夠對玉米根系活力提高近2倍，且明顯提高了根際土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性[59]。由于土壤脲酶活性與氮素的吸收利用有關，因而可能是納米炭促進玉米氮素吸收的原因之一。

納米炭用做肥料添加劑可提高某些作物產量的直接原因是納米炭材的存在促進了作物對營養元素的吸收，但其作用機制還不夠清楚。需注意的是，作物根系分泌物（如小分子有機酸、醇化物、次生代謝物等）以及根際微生物可能會對納米炭材料產生修飾作用，改變納米炭材料的理化性質，從而最終影響到作物對養分的吸收，在未來研究中應給予關注。有關納米炭作為肥料能夠改善某些作物品質的具體機理，目前還所知甚少，可能需要從植物代謝，相關的酶、蛋白和基因表達層面尋找原因。

2.2 納米炭材料用做肥料對農田節肥增效的影響

納米炭與傳統肥料制成的納米炭增效肥除了對作物產量和品質產生影響外，還對農田化肥的利用率產生積極影響，從而起到節肥增效的作用。有研究表明，與傳統氮肥尿素相比，施用納米炭增效尿素可降低農田中氮素的流失，可大幅度提高氮肥的農學利用率達44%，在施N量相同的條件下，水稻種植施用納米炭增效尿素每公頃的經濟效益比普通尿素可增加1 064元以上[60]。在中國河北省小麥種植區，施用含有納米炭的氮肥可大幅度降低氮肥施用量（降低20%），減少二氧化氮的釋放，并同時能夠使小麥獲得增產[61]。在鹽堿地等不利土壤條件下，施用含納米炭的氮肥能夠使水稻增產8.5%～18.4%[62]。此外還有一些研究表明，施用納米炭增效肥可對玉米[63]、煙草[55]、大豆[64]、棉花[65]、茶葉[65]、番薯[65]、花卉[66]等作物也有著不同程度的節肥增效的效果。

納米炭能夠提高傳統肥料的利用率，促進農業生產的節肥增效的可能原因在于：一方面，添加細粒徑的納米炭能增加土壤的黏粒含量，改善土壤質地，且納米炭具有極大比表面積，能提高土壤對養分元素的吸持力，從而有效控制養分因地上揮發、地表徑流和深層滲漏的損失[67-69]。施用納米炭增效尿素與普通尿素相比，可顯著降低土壤總氮素徑流流失量[60]。另一方面，納米炭能夠改善土壤的電化學性質，促進作物根系對土壤中養分的吸收，從而提高了肥料利用率，最終起到節肥增效的作用。

3 結論與展望

納米炭材料由于其獨特的結構和性質特點，目前已在不少工業領域得到廣泛應用，而各類納米炭材料能否應用于農業，并給農業發展帶來新思路、新變革，逐漸成為近年來有關學者研究的新課題。農業生產關系到人類社會的糧食來源，納米炭材料應用于農業生產之前需充分研究和評估對作物的影響以及沿食物鏈傳遞和放大的生態風險。

從已有的研究報道來看，各類納米炭材料會對作物從種子萌發、幼苗生長、作物產量及品質、作物抗逆性以及農田肥料利用等各個方面產生不可忽視的影響。這些影響有的是消極、有害的，而有些是積極、有利的。總體上，納米炭材料對作物的影響與作物種類、作物所處生長階段、納米炭材料的性質、濃度、作用方式以及外界環境條件等多種因素有關。研究納米炭材料對作物的影響以及在農業上的應用是一個新興領域，目前還有很多方面有待進一步研究：

1）納米炭材料對作物生長產生有利或有害影響的規律和具體作用機理還不清楚，需要深入研究。例如，作物對各類納米炭材料的具體耐受劑量；納米炭材料的粒徑、形貌、表面理化性質等對作物影響的規律和機制；納米炭材料的作用方式（培養液用于種子萌發，作為肥料添加劑等）對作物影響的規律和機制；探究納米炭材料對某些作物品質改善機理等。

2）研究納米炭材料在作物體內的遷移和轉化，弄清納米炭材料在作物體內的“歸趨”和“匯集”。充分研究和評估納米炭材料在作物體內的累積效應和代際遷移風險，甚至可能隨食物鏈、食物網傳遞在動物體內富集、放大等生態風險。

3）研究環境條件對納米炭材料與作物相互作用的影響。例如，在不利自然環境下，納米炭材料對作物抗逆性影響規律和機理；納米炭材料與其他污染物（如重金屬、有機類農藥等）共存時對作物的復合影響及機制；因而需要充分考慮環境介質，尤其是根際特殊環境下的納米炭材料對植物的作用效果，為納米炭材料應用于農業生產提供重要且可靠的依據。

最后，納米炭材料應用于農業之前，還需要廣泛的農田試驗研究對其積極效果進行充分驗證。

[1] Mauter M S, Elimelech M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials[J]. Environmental Science & Technology, 2008, 42(16): 5843－5859.

[2] Piccilmo F, Gottschalk F, Seeger S, et al. Industrial production quantities and uses of ten engineered nanomaterials in Europe and the world[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2012, 14(9): 1109－1119.

[3] Paradise M, Goswami T. Carbon nanotubes production and industrial applications[J]. Materials and Design, 2007, 28(5): 1477－1489.

[4] Lam C W, James J T, McCluskey R, et al. A review of carbon nanotube toxicity and assessment of potential occupational and environmental health risks[J]. Critical Reviews in Toxicology, 2006, 36(3): 189－217.

[5] Batley G E, Kirby J K, McLaughlin M J. Fate and risks of nanomaterials in aquatic and terrestrial environments[J]. Accounts of Chemical Research, 2013, 46(3): 854－862.

[6] Hendren C O, Mesnard X, Droge J, et al. Estimating production data for five engineered nanomaterials as a basis for exposure assessment[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(7): 2562－2569.

[7] Monreal C M, DeRosa M, Mallubhotla S C, et al. Nanotechnologies for increasing the crop use efficiency of fertilizer-micronutrients[J]. Biology & Fertility of Soils, 2016, 52(3): 423－437.

[8] Deng Y Q, White J C, Xing B S. Interactions between engineered nanomaterials and agricultural crops: Implications for food safety[J]. Journal of Zhejiang University, Science A (Applied Physics & Engineering), 2014, 15(8): 552－572.

[9] Huang S W, Wang L, Liu L M, et al. Nanotechnology in agriculture, livestock, and aquaculture in China. A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(2): 369－400.

[10] Chichiricco G, Poma A. Penetration and toxicity of nanomaterials in higher plants[J]. Nanomaterials, 2015, 5(2): 851－873.

[11] Hossain Z, Mustafa G, Komatsu S. Plant responses to nanoparticle stress[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(11): 26644－26653.

[12] Miralles P, Johnson E, Church T L, et al. Multiwalled carbon nanotubes in alfalfa and wheat: toxicology and uptake[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2012, 77(9): 3514－3527.

[13] Lin D, Xing B. Phytotoxicity of nanoparticles, Inhibition of seed germination and root growth[J]. Environmental Pollution, 2007, 150(2): 243－250.

[14] Canas J E, Long M, Nations S, et al. Effects of functionalized and non-functionalized single-walled carbon nanotubes on root elongation of select crop species[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, 27(9): 1922－1931.

[15] 袁剛強，龔繼來，曾光明. 單壁碳納米管材料對水稻幼苗的毒性效應[J]. 環境科學學報，2015，35(12)：4143－4149.

Yuan Gangqiang, Gong Jilai, Zeng Guangming. Phytotoxicity of single-walled carbon nanotubes to rice seedling ()[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(12): 4143－4149 (in Chinese with English abstract).

[16] Lahiani M H, Chen J, Irin F, et al. Interaction of carbon nanohorns with plants: Uptake and biological effects[J]. Carbon, 2015, 81(1): 607－619.

[17] Nair R, Mohamed M S, Gao W, et al. Effect of carbon nanomaterials on the germination and growth of rice plants[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2012, 12(3): 2212－2220.

[18] Sonkar S K, Roy M, Babar D G, et al. Water soluble carbon nano-onions from wood wool as growth promoters for gram plants[J]. Nanoscale, 2012, 4(24): 7670－7675.

[19] Tripathi S, Sarkar S. Influence of water soluble carbon dots on the growth of wheat plant[J]. Applied Nanoscience, 2015, 5(5): 609－616.

[20] Chen J, Dou R, Yang Z, et al. The effect and fate of water-soluble carbon nanodots in maize (L.)[J]. Nanotoxicology, 2016, 5: 1－11.

[21] Liu S J, Wei H M, Li Z Y, et al. Effects of graphene on germination and seedling morphology in rice[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2015, 15(4): 2695－2701.

[22] Zhang M, Gao B, Chen J J, et al. Effect of graphene on seed germination and seedling growth[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2015, 17(2): 78.

[23] Anjum N A, Singh N, Singh M K, et al. Single-bilayer graphene oxide sheet tolerance and glutathione redox system significance assessment in faba bean (L.)[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2013, 15(7): 1770.

[24] Anjum N A, Singh N, Singh M K, et al. Single-bilayer graphene oxide sheet impacts and underlying potential mechanism assessment in germinating faba bean (L.)[J]. Science of the Total Environment, 2014, 472(4): 834－841.

[25] Khodakovskaya M, Dervishi E, Mahmood M, et al. Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth[J]. ACS Nano, 2009, 3(10): 3221－3227.

[26] Wild E, Jones K. Novel method for the direct visualization of in vivo nanomaterials and chemical interactions in plants[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43(14): 5290－5294.

[27] Tripathi S, Sonkar S K, Sarkar S. Growth stimulation of gram () plant by water soluble carbon nanotubes[J]. Nanoscale, 2011, 3(3): 1176－1181.

[28] Liu Q L, Chen B, Wang Q L, et al. Carbon nanotubes as molecular transporters for walled plant cells[J]. Nano Letters, 2009, 9(3): 1007－1010.

[29] Begum P, Fugetsu B. Induction of cell death by graphene in Arabidopsis thaliana () T87 cell suspensions[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 260(18): 1032－1041.

[30] Serag M F, Kaji N, Tokeshi M, et al. The plant cell uses carbon nanotubes to build tracheary elements[J]. Integrative Biology, 2012, 4(2): 127－131.

[31] Giraldo J P, Landry M P, Faltermeier S M, et al. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing[J]. Nature Materials, 2014, 13(4): 400－408.

[32] 李小康，胡獻剛，周啟星. 碳納米顆粒誘發植物毒性效應及其機理的研究進展[J]. 農業環境科學學報，2015，34(11)：2041－2047.

Li Xiaokang, Hu Xiangang, Zhou Qixing. Research progress in phytotoxicity of carbon nanoparticles and its mechanisms[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 34(11): 2041－2047. (in Chinese with English abstract)

[33] Nel A, Xia T, Madler L, et al. Toxic potential of materials at the nanolevel[J]. Science, 2006, 311(5761): 622－627.

[34] Sanchez V C, Jachak A, Hurt R H, et al. Biological interactions of graphene-family nanomaterials: An interdisciplinaryreview[J]. Chemical Research in Toxicology, 2011, 25(1): 15－34.

[35] Yan S H, Zhao L, Li H, et al. Single-walled carbon nanotubes selectively influence maize root tissue development accompanied by the change in the related gene expression[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 246/247: 110－118.

[36] Khodakovskaya M V, Kim B, Kim J N, et al. Carbon nanotubes as plant growth regulators: Effects on tomato growth, reproductive system, and soil microbial community[J]. Small, 2013, 9(1): 115－123.

[37] Villagarcia H, Dervishi E, de Silva K, et al. Surface chemistry of carbon nanotubes impacts the growth and expression of water channel protein in tomato plants[J]. Small, 2012, 8(15): 2328－2334.

[38] Khodakovskaya M V, Silva K D, Biris A S, et al. Carbon nanotubes induce growth enhancement of tobacco cells[J]. ACS Nano, 2012, 6(3): 2128－2135.

[39] Tripathi S, Kapri S, Datta A, et al. Influence of the morphology of carbon nanostructures on the stimulated growth of gram plant[J]. RSC Advances, 6(50): 43864－43873.

[40] Lahiani M H, Dervishi E, Ivanov I, et al. Comparative study of plant responses to carbon-based nanomaterials with different morphologies[J]. Nanotechnology, 2016, 27(26): 265, 102: 1－13.

[41] Gogos A, Moll J, Klingenfuss F, et al. Vertical transport and plant uptake of nanoparticles in a soil mesocosm experiment[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2016, 14(1): 40: 1－11.

[42] Kole C, Kole P, Randunu K M, et al. Nanobiotechnology can boost crop production and quality: First evidence from increased plant biomass, fruit yield and phytomedicine content in bitter melon ()[J]. BMC Biotechnology, 2013, 13(1): 37.

[43] Chakravarty D, Erande M B, Late D. Graphene quantum dots as enhanced plant growth regulators: Effects on coriander and garlic plants[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2015, 95(13): 2772－2778.

[44] 吳金海，焦靖芝，謝伶俐，等. 氧化石墨烯處理對甘藍型油菜生長發育的影響[J]. 基因組學與應用生物學，2015，34(12)：2738－2742.

Wu Jinhai, Jiao Jingzhi, Xie Lingli, et al. Effects of grapheme oxide on growth and development of.[J]. Genomics and Applied Biology, 2015, 34(12): 2738－2742 (in Chinese with English abstract).

[45] Begum P, Ikhtiari R, Fugetsu B. Graphene phytotoxicity in the seedling stage of cabbage, tomato, red spinach, and lettuce[J]. Carbon, 2011, 49(12): 3907－3919.

[46] Lin S, Reppert J, Hu Q, et al. Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants[J]. Small, 2009, 5(10): 1128－1132.

[47] Saxena M, Maity S, Sarkar S. Carbon nanoparticles in ‘biochar’ boost wheat () plant growth[J]. RSC Advances, 2014, 4(75): 39948－39954.

[48] Wang Q Q, Zhao S Q, Zhao Y L, et al. Toxicity and translocation of graphene oxide inplants under stress conditions[J]. RSC Advances, 2014, 105 (4): 60891－60901.

[49] Zhao S Q, Wang Q Q, Zhao Y L, et al. Toxicity and translocation of graphene oxide in[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology, 2015, 39(1): 145－156.

[50] Martinez-ballesta M C, Zapata L, Chalbi N, et al. Multiwalled carbon nanotubes enter broccoli cells enhancing growth and water uptake of plants exposed to salinity[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2016, 14(1): 42: 1－14.

[51] 劉鍵，張陽德，張志明. 納米生物技術促進蔬菜作物增產應用研究[J]. 湖北農業科學，2009，48(1)：123－127.

Liu Jian, Zhang Yangde, Zhang Zhiming. The application research of nano-biotechnology to promote increasing of vegetable production[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2009, 48(1): 123－127. (in Chinese with English abstract).

[52] 劉鍵，張陽德，張志明. 納米增效肥對冬小麥產量及品質影響的研究[J]. 安徽農業科學，2008，36(35)：15578－15580.

Liu Jian, Zhang Yangde, Zhang Zhiming. Study on application of nanometer biotechnology on the yield and quality of winter wheat[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(35): 15578－15580. (in Chinese with English abstract)

[53] 劉鍵，張陽德，張志明. 納米生物技術在水稻、玉米、大豆增產效益上的應用研究[J]. 安徽農業科學，2008，36(36)：15814－15816.

Liu Jian, Zhang Yangde, Zhang Zhiming. Application study on nano-biotechnology in increasing yield benefit of rice, maize and soybean[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(36): 15814－15816 (in Chinese with English abstract).

[54] 李小龍，孫占偉，過偉民，等. 納米碳增效肥對煙草農藝性狀和經濟指標的影響[J]. 土壤，2016，48(4)：831－834.

Li Xiaolong, Sun Zhanwei, Guo Weimin, et al. Effects of nano-carbon synergistic fertilizer on agronomical characters and economic indices of flue-cured tobacco[J]. Soils, 2016, 48(4): 831－834. (in Chinese with English abstract)

[55] 過偉民，尹啟生，張艷玲，等. 納米增效肥對烤煙生長發育及品質的影響[J]. 煙草農學，2012(5)：69－73.

Guo Weimin, Yin Qisheng, Zhang Yanling, et al. Effects of nanometer synergistic fertilizer on growth, development and quality of flue-cured tobacco[J]. Tobacco Agronomy, 2012(5): 69－73 (in Chinese with English abstract).

[56] 劉鍵，馬筠，張志明，等. 肥料添加納米碳在水稻上的施用效果[J]. 磷肥與復肥，2011，26(6)：76－77.

Liu Jian, Ma Yun, Zhang Zhiming, et al. Application effect of fertilizer added with nano-carbon on rice[J]. Phosphate & Compound Fertilizer, 2011, 26(6): 76－77. (in Chinese with English abstract).

[57] 張志明，劉鍵，韓振，等. 納米增效肥對雜交稻的增產效果研究[J]. 腐植酸，2012(2)：15－19.

Zhang Zhiming, Liu Jian, Han Zhen, et al. The research of increasing the yield by nano-synergistic fertilizer on hybrid rice[J]. Humic Acid, 2012(2): 15－19. (in Chinese with English abstract)

[58] 謝劍平，劉鍵，金靈娜，等. 納米增效肥技術研究及產品創制[R]. 鄭州：中國煙草總公司鄭州煙草研究院，2013.

Xie Jianping. Liu Jian, Jin Lingna, et al. Nano synergistic fertilizer technology research and product created[R]. Zhengzhou: Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, 2013. (in Chinese with English abstract)

[59] 李淑敏，馬辰，李麗鶴，等. 納米碳對玉米氮素吸收及根系活力和土壤酶活性的影響[J]. 東北農業大學學報，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).

[60] 王小燕，王燚，田小海，等. 納米碳增效尿素對水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影響[J]. 農業工程學報，2011，27(1)：106－111.

Wang Xiaoyan, Wang Yan, Tian Xiaohai, et al. Effects of NMUrea on nitrogen runoff losses of surface water and nitrogen fertilizer efficiency in paddy field [J]. Transactions of the Chinese Society Agricultural Science (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 106－111. (in Chinese with English abstract)

[61] Liu Y N, Li Y C, Peng Z P, et al. Effects of different nitrogen fertilizer management practices on wheat yields and N2O emissions from wheat fields in North China[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(6): 1184－1191.

[62] Fan L L, Wang Y H, Shao X W, et al. Effects of combined nitrogen fertilizer and nano-carbon application on yield and nitrogen use of rice grown on saline-alkali soil[J]. Journal of Food, Agriculture & Environmental, 2012, 10(1): 558－562.

[63] 王飛，劉彤彤，鄭成彧，等. 不同氮素水平下添加納米碳增效劑對玉米氮肥利用率及產量影響[J]. 中國農學通報，2015，31(33)：74－78.

Wang Fei, Liu Tongtong, Zheng Chengyu, et al. Effect of nano-carbon synergists on nitrogen utilization efficiency and yield of maize under different nitrogen levels[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(33): 74－78. (in Chinese with English abstract).

[64] 李淑敏，韓曉光，張愛媛，等. 不同尿素添加納米碳增效劑對大豆干物質積累和產量的影響[J]. 東北農業大學學報，2015，46(4)：10－16.

Li Shumin, Han Xiaoguang, Zhang Aiyuan, et al. Effect of different urea added nano-carbon synergist on dry matter accumulation and yield of soybean[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(4): 10－16. (in Chinese with English abstract).

[65] 劉鍵，張志明，馬筠. 納米技術與農業低碳經濟：納米碳增效肥應用研究[M]. 北京：中國農業出版社，2010.

[66] 張寶珠，吳義軍，李一丹，等. 納米碳對火鶴施肥用量及直觀形態的影響[J]. 北方園藝，2010(11)：74－75.

Zhang Baozhu, Wu Yijun, Li Yidan, et al. The effect of nano-carbon on fertilization and the ornamental characteristics ofpotted flower[J]. Northern Horticulture, 2010(11): 74－75. (in Chinese with English abstract)

[67] 劉艷麗，周蓓蓓，王全九，等. 納米碳對黃綿土水分運動及溶質遷移特征的影響[J]. 水土保持學報，2015，29(1)：21－25.

Liu Yanli, Zhou Beibei, Wang Quanjiu, et al. Effects of nano-carbon on water movement and solute transport in loessial soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(1): 21－25. (in Chinese with English abstract)

[68] 胡梓超，周蓓蓓，王全九. 模擬降雨條件下納米碳對黃土坡面養分流失的影響[J]. 水土保持學報，2016，30(4)：1－6.

Hu Zichao, Zhou Beibei, Wang Quanjiu. Effects of nano-carbon on nutrient loss of loess slope under simulated rainfall[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(4): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[69] 田艷飛，黃占斌，劉丹，等. 納米碳及其復合材料對油菜生長和土壤氮素保持效應的影響[J]. 環境科學學報，2016，36(9)：3339－3345.

Tian Yanfei, Huang Zhanbin, Liu Dan, et al. Effect of nano-carbon and its composites on rape growth and soil nitrogen-holding efficiency[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(9): 3339－3345. (in Chinese with English abstract)

Review of effects of carbon nano-materials on crop growth

Qiao Jun1, Zhao Jianguo1※, Xie Qian2, Xing Baoyan1, Du Yaqin1, Qu Wenshan1, Wang Haiqing1

(1.037009,; 2.037009,)

Carbon nano-materials (CNMs) due to their unique structure and physicochemical properties are being used in the field of material science, energy, environmental remediation and medicine. As the production and application of CNMs continues to expand, CNMs will be inevitably discharged into the environment and generate unknown impacts on plants and crop species. Presently, more and more studies on CNMs are concentrated around their interactions and distribution within plants especially crops. In this paper, we review the literature about impacts on plant growth generated by four types of CNMs (carbon nanotube, fullerene, carbon nano-onions and graphene). Previous studies reveal that CNMs-exposed plants exhibit different response to stress, including seed germination, root and stem growth, biomass yields and nutritional quality. In some cases, CNMs are shown to be helpful in seed germination, root growth, photosynthesis and crop production, such as the use of fullerenes in bitter melon, the effect of graphene oxide on red bean germination, the growth promoters effects of carbon nano-onions for gram plants, the ability of carbon nanotubes to enhance growth in tobacco cells, increase the seed germination and growth of tomato plants and cause root enhancement in wheat plants. Further mechanisms investigation of CNMs on plants showed that the carbon nanotubes could increase the protein expression of water channel, as tracheal elements of the xylem vessels are responsible for water channel transport in plants, results in the overall enhanced growth of plants. While the CNMs are useful to increase the crop production and fruit manifold, but there are many other aspects, CNMs are known to be phytotoxic and harmful. Reports show that graphene significantly inhibited plant growth and biomass levels. It also decreased the number and size of leaves in a dose-dependent manner and caused oxidative stress-induced necrosis in cabbage, tomato and red spinach seeds during development. The transmission of CNMs to the next generation coming from the treated seeds has been reported, the fullerene (C70) aggregates were found in second-generation seedlings when the first generation was exposed only during germination. The ability of CNMs transmitted to the progeny suggests the potential that CNMs may present chronic exposure hazard to human and other receptors. According to the studies, the toxic effect of CNMs on plants seems to be related to the nano-materials’ concentration, the exposure time and the plant species used during the study. When nano-carbon was added to the fertilizer, nano-fertilizer was formed. Compared with the conventional fertilizer, the nanocarbon-synergistic fertilizer had the function of promoting the growth of the crops, nutrients content and fertilizer agronomic efficiency. The nano-synergistic fertilizer increased the rice yield of 10.3%, the spring maize of 10.9%-16.7%, the soybean of 28.8% and increased the soybean oil content of 13.2%. Nano-fertilizer also could improve the quality of the vegetables; the content of anthocyanin of summer radish was increased and the peel color turned prunosus. The amino acid content of celery treated with nano-synergistic fertilizer was shown to be 15.4%-70.0% higher than that with urea treatment. Compared to urea application alone, the nano-carbon fertilizer synergist was found to be able to improve N agronomic efficiency by 40.1% while minimizing N losses when added into urea. The mechanism of nano-synergistic fertilizer on crops showed that nano-carbon mixed with water became the superconductor, which increased the electric potential of soil and release large amounts of nutrient elements. However, it is still not fully understood how these actions induced by CNMs. Given the potential widespread application of nanotechnology in agriculture, resolution of this question remains a critical issue of concern. Importantly, more research is urgently needed in the area of CNMs-plant interactions; and with this fundamental knowledge, development of novel idea and guidance for implementation of CNMs in agriculture and food manufacturing will be possible.

crops; growth; nano-materials; quality; nano-carbon synergistic fertilizer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022

S129; S19; S311

A

1002-6819(2017)-02-0162-09

2016-09-06

2016-12-23

山西省新興產業領軍人才資助項目；大同市科技攻關項目（201315，201422-1，201422-6，2015024，2016110）；大同市基礎研究項目（2014105-7）；山西大同大學博士科研啟動基金。

喬俊，男，山西大同人，博士，主要從事環境化學，污染生態學等的研究。大同 山西大同大學化學與環境工程學院，037009。 Email：qiaojun_nk@163.com

趙建國，男，山西天鎮人，教授，博士生導師，主要從事功能納米炭材料的制備及應用研究。大同 山西大同大學化學與環境工程學院，037009。Email：jgzhaoshi@163.com

喬 俊，趙建國，解 謙，邢寶巖，杜雅琴，屈文山，王海青. 納米炭材料對作物生長影響的研究進展[J]. 農業工程學報，2017，33(2)：162－170. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org

Qiao Jun, Zhao Jianguo, Xie Qian, Xing Baoyan, Du Yaqin, Qu Wenshan, Wang Haiqing. Review of effects of carbon nano-materials on crop growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 162－170. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org