氮摻雜碳納米粒子施用對(duì)稻田氮素利用率與水稻產(chǎn)量的影響

胡偉++向建華++向言詞++周練++陳燕

摘要 為明確氮摻雜碳納米粒子（N-CNPs）在田間條件下對(duì)單季稻田氮素利用效率和水稻產(chǎn)量的影響，采用田間小區(qū)試驗(yàn)，對(duì)不同用量N-CNPs配施尿素時(shí)稻田氮素利用率和水稻產(chǎn)量進(jìn)行研究。結(jié)果表明，配施N-CNPs能有效提升稻田氮肥利用率，1‰、5‰和15‰ N-CNPs用量處理氮肥利用率分別為37.28%、43.74%和35.84%，高于單施尿素處理的33.6%；配施5‰ N-CNPs較單施尿素處理水稻產(chǎn)量增加398.9 kg/hm2，增幅達(dá)4.78%，進(jìn)一步提升N-CNPs用量至15‰，水稻產(chǎn)量反而較單施尿素處理降低2.76%。可見，田間條件下尿素配施5‰ N-CNPs能提升氮肥利用效率，實(shí)現(xiàn)增加水稻產(chǎn)量的目的。

關(guān)鍵詞 水稻；氮摻雜碳納米粒子；稻田；氮肥利用率；產(chǎn)量

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）17-0025-02

氮肥的施用在促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，但較低的氮肥利用率造成了資源、能源的巨大浪費(fèi)以及農(nóng)產(chǎn)品和土壤、水體的重度污染。研究表明，施入田間的氮素除35%為作物吸收及13%無法統(tǒng)計(jì)外，其余均以各種途徑損失殆盡[1]。通過氮肥增效劑的施用減緩NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化，可實(shí)現(xiàn)氮肥利用效率的提高[2-3]。氮摻雜碳納米粒子作為一種新型氮肥增效劑表現(xiàn)出了較好的效果，室內(nèi)試驗(yàn)表明，氮摻雜碳納米粒子（N-CNPs）具有較好的硝化抑制能力，可提升氮肥利用率；5‰劑量的N-CNPs能促進(jìn)油菜苗期的生長和氮素的積累[4]。本試驗(yàn)通過田間試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證N-CNPs配施尿素對(duì)單季稻田氮肥利用率和產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2016年5月至2016年11月在湖南省長沙縣江背鎮(zhèn)太平橋村（北緯28.12°，東經(jīng)113.36°）進(jìn)行。試驗(yàn)田所在區(qū)域年平均降水量在1 200～1 400 mm之間，年平均溫度為17.2 ℃，無霜期274 d，年日照時(shí)數(shù)1 663 h，屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，土壤類型為河流沖積物發(fā)育而成的潮沙泥。試驗(yàn)前水稻田耕層（0～20 cm）土壤pH值為5.72（土∶水=1∶5）、有機(jī)質(zhì)含量51.06 g/kg、全氮含量4.29 g/kg、銨態(tài)氮含量26.95 mg/kg、硝態(tài)氮含量6.35 mg/kg。

1.2 供試材料

氮摻雜碳納米籽子（N-CNPs）由湖南科技大學(xué)物理學(xué)院提供，該材料以檸檬酸為原料，以氨水為溶劑和氮摻雜源，采用微波介電加熱法制備，氮摻雜量為6.72%（at）。供試水稻品種為C兩優(yōu)608（湖南隆平選育）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)5個(gè)處理，分別為不施氮肥（CK）；單施尿素（T1）；低量氮摻雜碳納米粒子（純氮量1‰）配施尿素（T2）；中量氮摻雜碳納米粒子（純氮量5‰）配施尿素（T3）；高量氮摻雜碳納米粒子（純氮量15‰）配施尿素（T4）。3次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2（15 m×2 m），各小區(qū)四周間做高40 cm、寬30 cm田埂，覆以尼龍膜，以減少各區(qū)間互滲。小區(qū)種植密度株行距為20 cm×20 cm，每穴2～3株苗。除CK外，其他各處理氮肥用量（按純N計(jì)）均為200 kg/hm2。所有處理P2O5、K2O施用量相同，分別為60、100 kg/hm2，參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式施肥，磷肥作基肥一次性施入，氮肥、鉀肥的40%作基肥，30%作分蘗肥，30%作穗肥。

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

2016年5月12日育秧，6月5日施基肥移栽，6月25日追施分蘗肥，9月1日追施穗肥，灌溉和病蟲草害防治及其他管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。11月3日收獲。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較（Duncan）對(duì)不同數(shù)據(jù)組間進(jìn)行差異性比較（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥利用率

由表1可知，氮肥施用顯著增加了水稻吸氮量，處理T1、T2、T3、T4分別較CK增加了67.21、74.57、87.48、71.69 kg/hm2。配施N-CNPs進(jìn)一步提升了水稻吸氮水平，隨著N-CNPs用量提升，水稻吸氮水平表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，5‰ N-CNPs用量處理水稻吸氮量最高，達(dá)到172.94 kg/hm2，較單施尿素處理增加了20.27 kg/hm2。配施N-CNPs能有效提升稻田氮肥利用率，1‰、5‰和15‰ N-CNPs用量處理氮肥利用率分別為37.28%、43.74%和35.84%，均高于單施尿素處理的33.6%，將不同N-CNPs用量和氮肥利用率建立回歸方程，得到回歸方程為y=-0.185 6x2+2.904 5x+34.011（R2=0.991 3）。氮肥偏生產(chǎn)力數(shù)據(jù)同樣表明，5‰ N-CNPs表現(xiàn)為最高，達(dá)到43.71 kg/kg，較單施尿素處理高出2.02 kg/kg，增幅為4.8%。

2.2 水稻農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量

小區(qū)實(shí)割測產(chǎn)數(shù)據(jù)表明（表2），在不施肥的情況下，單季稻田產(chǎn)量僅為6 531.83 kg/hm2，顯著低于施肥后各處理，適量配施N-CNPs能提高產(chǎn)量，處理T3配施5‰ N-CNPs時(shí)較處理T1（單施尿素）產(chǎn)量增加398.9 kg/hm2，增幅達(dá)4.78%，進(jìn)一步提升N-CNPs用量至15‰（處理T4），水稻產(chǎn)量反而較處理T1降低2.66%。配施N-CNPs引起水稻成熟時(shí)各項(xiàng)農(nóng)藝性狀差異，不同用量N-CNPs配施尿素處理水稻株高、穗長和有效穗數(shù)等農(nóng)藝性狀與單施尿素處理（T1）相比沒有顯著差異；配施純氮量1‰和5‰ N-CNPs處理千粒重分別為25.32 g和27.57 g，分別較單施尿素增加5.54%和14.92%，差異達(dá)到顯著水平。配施純氮量5‰N-CNPs處理結(jié)實(shí)率也達(dá)到84.88%，顯著高于單施尿素處理的80.31%。高用量（15‰）N-CNPs引起水稻千粒重和結(jié)實(shí)率的降低，并最終導(dǎo)致產(chǎn)量低于單施尿素處理。

3 結(jié)論與討論

已有研究表明[4]，N-CNPs能顯著增加了土壤中NH4+-N含量，減少了NO3--N含量，提高作物有效吸收氮素時(shí)間和水平，顯著提升氮肥利用率，其作用機(jī)理則可能與土壤氧化還原電位變化有關(guān)，長期淹水顯著降低了土壤的氧化還原電位，引起稻田土壤NH4+-N降低和NO3--N的累積[5]，厭氧條件下較高的NO3--N加速了反硝化作用的進(jìn)程，提升了N2O排放的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步降低了當(dāng)季氮肥利用率。N-CNPs包含大量吡啶-N和吡咯-N結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的電子吸附能力，從而導(dǎo)致與它鄰近的 C原子表面形成正電荷，提高區(qū)域氧化還原電位，促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生[6]，增加了稻田土壤NH4+-N含量和持續(xù)存在時(shí)間，最終提升氮肥利用效率。本試驗(yàn)結(jié)果表明，田間條件下配施純氮量5‰的N-CNPs，當(dāng)季水稻吸氮量較單施尿素增加了20.27 kg/hm2，驗(yàn)證了田間條件下N-CNPs的氮肥增效能力。從不同N-CNPs對(duì)水稻農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量影響來看，N-CNPs的增產(chǎn)效果主要表現(xiàn)在增加了水稻千粒重和結(jié)實(shí)率，不同用量N-CNPs增產(chǎn)效果存在差異，1‰和5‰ N-CNPs能較好地增加水稻產(chǎn)量，而增加N-CNPs用量至15‰，水稻產(chǎn)量并沒有同步增加，反而表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。如能改進(jìn)N-CNPs施用方式，明確N-CNPs田間安全施用量，避免納米材料的生物毒性，則更有利于為氮肥利用率的提高提供新的材料和新的技術(shù)，為深度開發(fā)納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持[7]。

4 參考文獻(xiàn)

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