納米碳對桃園土壤肥力及植株養分吸收的影響

高榮廣，趙鑫，高曉蘭，肖元松，彭福田

(作物生物學國家重點實驗室/山東農業大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018)

肥料對桃果實品質和產量起著重要作用。然而隨著肥料的大量施入，其負面作用不斷顯現，肥料利用率低，大量肥料殘存在土壤中造成水體和土壤污染。所以提高土壤肥力和促進植株對養分的吸收利用率是當前桃生產中急需解決的問題。

納米科學技術(Nano-ST)誕生于20世紀80年代末期，是在納米尺寸(10-7～10-9m)范圍內對物質的認識和改造，通過直接操作和安排原子、分子創制新的物質。溫俊強等[1]在海水蝦養殖中應用強的納米863生物助長器改善水質提高了蝦的成活率和產量；陳學軍等[2]用納米陶瓷對豇豆和蘿卜浸種，提高了發芽勢、發芽率和幼苗鮮重；王佳奇等[3]研究發現，納米碳增效劑能促進玉米種子萌發和生長，對玉米幼苗生長和發育有明顯促進作用；陸長梅等[4]在大豆上應用納米材料提高了根系活力和吸水能力，增加體內抗氧化酶活性和植物的抗逆能力。這些研究表明納米材料可以促進生物的生長代謝。

納米技術在農業生產領域的應用越來越廣泛。劉鍵等首次將納米碳應用到肥料中，在蔬菜、水稻、冬小麥上施用得到明顯的增產效果[5-8]。Hong[9]等研究表明，納米TiO2(二氧化鈦)可以有效保護葉綠體，避免長期光照造成的老化，減緩葉綠體的衰老，促進菠菜植株生長發育，提高產量[10]。曾昭華[11]在水稻栽培中應用納米863生物助長器使水稻產量增加。筆者對使用納米碳能否增加桃園土壤肥力，提高土壤酶活力，達到促進桃樹養分吸收的效果進行研究，為納米碳在果樹生產中的應用提供依據。

1 試驗材料

試驗在山東農業大學試驗基地進行。桃園桃品種春美，7年生樹；盆栽桃品種霞脆，2年生樹。兩種類型的樹砧木均為毛桃，長勢基本一致，無病蟲害。盆的直徑30cm，高45cm。盆土取自桃園0～20cm表層土，棕壤土，自然風干后去除植物殘體和石塊，過篩。其pH值6.68，含堿解氮47.63mg/kg，速效磷32.46mg/kg，有效鉀85.26mg/kg，有機質13.05g/kg，每盆另施入有機肥0.3kg，重量18kg。

納米碳，液體，由北京奈艾斯新材料有限公司提供；免深耕土壤調理劑，液體，由土壤微粒結構促進劑與土壤活化劑進行有機結合而成，高效、安全、無殘留，由成都新朝陽生物化學有限公司生產。

2 試驗設計

2.1 桃園施用納米碳對土壤酶活性和氧化還原電位的影響試驗

桃園納米碳試驗，設5個處理，處理T1-土壤施入免深耕土壤調理劑1.2ml(溶于2.5L水)。處理T2、T3、T4-土壤施入納米碳20ml、25ml、30ml(分別溶于2.5L水)。空白對照CK-土壤施入清水2.5L。以樹干為中心，選長1m、寬1m、深0.6m，體積為0.6m3的土壤，用施肥槍均勻打孔，每平方20個，深度20cm施入土壤。單株小區，重復7次。施入后禁止踩踏。

2016年5月11日施入，至30天和60天時，分別取土樣測定土壤酶活性(過氧化氫酶、土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤磷酸酶)，土壤氧化還原電位，土壤容重。每處理測定重復5次。

2.2 盆栽桃施用納米碳對植株生長及養分吸收影響的試驗

盆栽桃納米碳試驗，設3個濃度處理，分別為A-4ml，B-8ml，C-12ml。 對照D施用復混肥28.29g(自配制，含尿素10.87g、聚磷酸銨9.09g、氯化鉀8.33g。施肥量按N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2計算得出。)。納米碳3個用量分別占復混肥用量28.29g的14%、28%和42%，每盆澆水2L。

納米碳與復混肥均等量分為3份，分3次施入，每隔30天1次，分別在2016年5月23日、6月24日、7月22日施入。于9月中旬進行破壞性取樣，測定地上部和地下部干重和植株中各養分含量。每處理測定重復5次。

2.3 測定指標及方法

桃園土壤酶活性的測定。在桃園取0～20cm土層的土樣，按5點取樣充分混勻。將劃定的1m2的處理區域分成兩塊，第1次取同側一塊區域的土樣，取土后將挖出的土壤回填；第2次取另一側區域的土樣。蔗糖酶活性測定用3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性用苯酚鈉比色法；磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法(0.1mol/L KMnO4)[12]。

桃園土壤養分含量測定。土壤有機質含量測定用重鉻酸鉀容量法；堿解氮含量用堿解擴散法；速效磷用0.5mol/LNaHCO3-鉬銻抗比色法；有效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤pH值用土壤水浸提液pH計測定法[13]。

土壤容重和氧化還原電位測定。土壤容重采用環刀法測定，各處理測定重復5次。氧化還原電位測定用便攜式防水pHMV電導測定儀(美國HACH，H170-BNDL)，測定時挖0～20cm深的坑，將探頭插入土中讀數；盆栽桃直接插入盆內土壤讀數。

盆栽桃植株干重和植株營養元素的測定。盆栽植株將根、枝、葉分別用自來水沖洗干凈，于105℃下殺青0.5小時，在80℃下烘干至恒量，分別稱量質量并用不銹鋼粉碎機粉碎，過0.5mm篩后放入封口塑料袋中保存于干燥處備用。用1/10000電子天枰精確稱取樣品0.3g(精確至0.0001)，采用HNO3-H2O2混酸體系，將根、莖、葉分別放入微波消解儀(Mars 6，CEM，美國)內消解后，用超純水定容至50ml備用。每處理測定重復3次。

鎂(Mg)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)的含量測定用電感耦合等離子質譜儀(NexION 300X,PerKin Elmer，美國)。鉀(K)、鈣(Ca)含量的測定，分別用火焰分光光度計和原子吸收分光光度計測定；氮(N)含量用分光光度計測定。

2.4 數據分析

應用Microsoft Excel 2003軟件進行圖表繪制，DPS7.05軟件進行Duncan數據顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 桃園施用納米碳對土壤酶活性的影響

表1顯示，桃園土壤處理60天后的4種土壤酶活性高于處理30天的。施入免深耕土壤調理劑后，除過氧化氫酶明顯高于空白對照外，另3種酶脲酶、蔗糖酶、磷酸酶反而低于對照。納米碳每平方米3個用量20ml、25ml、30ml處理的效果均顯著高于免深耕土壤調理劑每平方米1.2ml處理和清水對照處理。隨納米碳施入量的增加酶活性逐漸增高，以 T4處理每平方米用量30ml處理的效果最好，4種酶活性均明顯高于其他所有各處理。納米碳3個用量促進土壤酶活力的效果高低順序為T4>T3>T2。

3.2 納米碳對桃園土壤容重和氧化還原電位的影響

由表2可看出，桃園施入免深耕土壤調理劑和納米碳后，土壤容重均有不同程度的減小，氧化還原電位增加。施入納米碳的效果好于施入免深耕土壤調理劑的效果。隨納米碳施入量的增加，土壤容重減小和氧化還原電位升高的幅度愈大。土壤愈疏松。減小土壤容重和升高氧化還原電位的效果順序為T4>T3>T2>T1。

表1 桃園施入納米碳對土壤酶活力的影響 (mg/g)

注：CK-清水對照，T1-免深耕土壤調理劑1.2ml/m2,T2-納米碳20ml/m2,T3-納米碳25ml/m2,T4-納米碳30ml/m2。表中同列數字旁不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

表2 桃園施入納米碳對土壤容重和氧化還原電位的影響

3.3 盆栽桃施用納米碳后對植株干重的影響

表3顯示，盆栽桃霞脆品種施入納米碳后，植株地上部、地下部干重均顯著提高。在納米碳每盆用量4ml、8ml、12ml時，隨納米碳施入量增加植株地上、地下部干重呈增加趨勢，并且均顯著大于對照復混肥每盆用量28.29g的。納米碳對根部促進生長的作用大于對地上部的。

表3 盆栽桃施用納米碳對植株干重的影響與對照相比

注：D-對照，施用復混肥28.29g(含尿素10.87g、聚磷酸銨9.09g、氯化鉀8.33g)，A-納米碳4ml，B-納米碳8ml，C-納米碳12ml。

3.4 盆栽桃施用納米碳對植株各器官營養元素含量的影響

表4表明，盆栽桃植株施用納米碳和復合肥后，在器官葉、枝、根中，元素氮、鉀、鎂、鈣、錳、銅、鋅的含量均高于對照D，施用納米碳的高于施用復合肥的。納米碳隨著施用量的增加植株器官內各元素的量增加。葉、枝、根中的各元素含量均以處理C的最高。顯著高于處理B、A和復合肥D的。氮素在根中含量最多。鉀、鈣、鎂在葉片中含量最高，其次是根，最低的是枝中。微量元素銅的分布：根>枝>葉；錳的分布：根>葉>枝；鋅的分布：枝>根>葉。

4 討論

納米碳具有高表面能，對促進生物的代謝、植物養分的吸收利用[14]和生長發育效果良好。土壤微生物的數量、活動強度及植株根系的分泌物與土壤酶活性有明顯關系[15]。土壤中添加納米碳可能改善了土壤微生物的群落結構。李淑敏等人[16]對不同供氮水平的地添加納米碳增效劑研究表明，納米碳增效劑能明顯促進玉米生長，提高土壤酶活性。本研究結果納米碳提高了土壤的過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性，可能是納米碳增加了土壤微生物和植株根系活力，間接提高了土壤酶活性，增加土壤的疏松度。土壤免深耕調理劑對提高上面4種土壤酶活性無顯著作用，可降低土壤容重和提高土壤氧化還原電位，有改變了土壤理化性質的作用。

梁太波[17]等在普通肥料中加入納米碳能不同程度地促進烤煙植株的生長發育，增加煙株干物質積累量，提高煙葉產量，明顯增加烤煙根系生物量、提高根系活力。本研究表明，納米碳促進植株干物質的積累，對根系的促生作用大于對地上部的，根部生長狀況好，進一步促進植株對養分和水分的吸收利用，從而促進植株的生長發育。納米碳能促進植株對多種元素的吸收，與武美燕等[18]研究結果一致，且隨施入量的增加促進作用越明顯。

溫善菊[19]研究表明，納米材料能夠促進植物對氮、鉀、鈣等養分的吸收。本研究表明，納米碳可有效促進桃樹對養分的吸收。可能由于納米碳表面效應和小尺寸效應，能增強對肥料的吸附性能，減少肥料流失、淋失。劉安勛[20]研究表明，納米材料可改變水分子結構和能態，提高其活性，在植物不斷吸收水的過程中可攜帶大量營養元素進入植物體內，起到促進養分吸收的作用。納米碳可以改變植株根系周圍的水環境，提高根系活力，從而提高土壤酶活性，土壤脲酶活性的提高是促進氮素吸收的主要原因，有效降低了氮素的土壤殘留和損失[21-22]。

納米碳施入土壤中能提高土壤中各種酶的活性，降低土壤容重，提高土壤氧化還原電位，有利于根系對養分和水分的吸收利用，促進植株的生長發育。關于納米材料促進作物養分吸收的機理和在土壤環境中的行為規律，有待于進一步研究。

表4 盆栽桃施用納米碳對植株器官中各元素含量的影響