李一丹 孫磊

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱150086；第一作者：liyidan2013＠163．com）

納米技術(shù)是指在微觀的尺度上來研究相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)，納米技術(shù)是一個多學(xué)科的新型技術(shù)[1]。納米碳材料作為納米材料的代表，是一種低燃點和非導(dǎo)性的改性碳，納米碳不同于其他金屬納米材料，在土壤及環(huán)境物質(zhì)循環(huán)中廣泛存在，納米碳來源于農(nóng)田，應(yīng)用于農(nóng)田可避免給土壤及植被帶來不良影響[2]。據(jù)資料統(tǒng)計，我國氮肥年生產(chǎn)量和耕地氮肥單位施用量均居世界首位，在1990—2000年這10年間，我國耕地的氮肥施用量增長了40.8%[3]?；试囼灳W(wǎng)的研究表明，化肥對我國糧食單產(chǎn)增長的貢獻(xiàn)率高達(dá)55%～57%，對總產(chǎn)增加的貢獻(xiàn)率為30%～31%。而農(nóng)戶為了提高水稻產(chǎn)量長期大量不合理施用化肥，導(dǎo)致肥料利用率低、土壤生產(chǎn)力下降、水體污染嚴(yán)重、臭氧層破壞和溫室效應(yīng)等問題[4]。而納米碳所具有的特殊性能不僅影響土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，而且在碳、氮循環(huán)中起著積極的作用，因此已被建議應(yīng)用到土壤環(huán)境領(lǐng)域，以期改善土壤環(huán)境，提高其生產(chǎn)力和肥料利用率[5]。

納米材料近年來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到逐步應(yīng)用，尤其在植物生長發(fā)育、肥料利用率和改善土壤環(huán)境等方面的作用受到了人們的極大關(guān)注[6－7]。王艷等[8]利用納米碳添加到肥料中生產(chǎn)出納米增效肥料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該肥料在減量30%～50%的情況下，能促進(jìn)大豆增產(chǎn)10%～20%。劉鍵等[9]研究表明，施用納米增效肥料可以使蘿卜、白菜、甘藍(lán)、茄子、辣椒、西紅柿、芹菜和韭菜等增產(chǎn)20%～40%；并促進(jìn)蔬菜作物快速生長，可提早5～7 d上市；同等產(chǎn)量水平下可節(jié)肥30%～50%，同時提高作物品質(zhì)。張哲等[10]研究發(fā)現(xiàn)，納米碳能夠促進(jìn)水稻生長，同時在等量磷鉀肥條件下，70%氮量加納米碳施肥的處理氮肥利用率比常規(guī)施肥提高了11.57%。錢銀飛等[11]研究發(fā)現(xiàn)，參試的3種肥料在添加納米碳肥料增效劑后，均能協(xié)調(diào)增加晚稻的穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、結(jié)實率以及千粒重，進(jìn)而增產(chǎn)。增加納米碳肥料增效劑后還能減緩肥料釋放速度，減少肥料流失，提高分蘗以后的稻株葉面積指數(shù)，提高干物質(zhì)積累量，增強(qiáng)氮素吸收利用能力。

目前關(guān)于納米碳材料對作物影響的研究主要集中于納米碳材料對作物生理、毒理和對農(nóng)業(yè)節(jié)肥增效這幾個方面，主要涉及到各類納米碳材料存在下對作物種子的萌發(fā)、幼苗根莖的生長、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、作物抗逆性以及養(yǎng)分吸收和肥效等方面的影響[12－17]，而有關(guān)納米碳的添加對農(nóng)田土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究較少。因此，本研究選用水稻為指示作物，通過盆栽試驗，研究了納米碳與肥料配施對土壤理化性質(zhì)及其養(yǎng)分含量、土壤群落結(jié)構(gòu)的影響，以期為納米碳在農(nóng)田土壤改良上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖1 添加納米碳對土壤pH值和含水量的影響

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤類型為黑土，土壤有機(jī)質(zhì)含量27.7 g/kg、全氮 1.74 g/kg、速效磷 44.1 mg/kg、速效鉀 186 mg/kg、pH值7.64。試驗所用肥料種類為尿素（N 46%）、氯化鉀（K2O 60%）、重過磷酸鈣（P2O546%）和納米碳粉。納米碳粉與肥料質(zhì)量以3∶1000的比例均勻混和后使用。試驗水稻品種為北稻5號。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗，地點設(shè)在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院盆栽場[18]。試驗共設(shè)4個處理：CK，不施氮肥；N2，常規(guī)施肥；N1+C，減施氮肥+納米碳粉；N2+C，常規(guī)施肥+納米碳粉。常規(guī)施肥：施純N 10 kg/667 m2；減量施肥：施純N 7 kg/667 m2。磷肥用量（P2O5）5 kg/667 m2、鉀肥用量（K2O）3 kg/667 m2，磷、鉀肥按當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣施用；所有氮肥或納米碳粉施用按當(dāng)?shù)匾话愕适┯梅椒ㄊ┯?。每個處理3次重復(fù)，每盆添土10 kg，插秧3叢，每叢2株。塑料盆隨機(jī)排列埋入土中。試驗于2016年5月18日插秧，10月26日收獲并采取土樣。

1.3 樣品采集與測定

水稻成熟后進(jìn)行破壞性取樣，即各處理取走全部地上部植株樣后，把盆中的土壤全部倒出，去除根系后把土壤混勻，過1.00 mm篩，取一部分鮮土凍干用于土壤磷脂脂肪酸的測定，另取一部分風(fēng)干后分別過1.00 mm篩用于測定土壤速效養(yǎng)分和過0.25 mm篩用于測定土壤全量養(yǎng)分。

土壤pH值、含水量、有機(jī)碳、全氮、速效磷和速效鉀等指標(biāo)采用土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法測定[19]。土壤磷脂脂肪酸測定：鮮土去除植物殘體和根系后，過2.00 mm篩，冷凍干燥后直接進(jìn)行PLFA分析，主要參照Ai等[20-21]的方法進(jìn)行提取。關(guān)鍵步驟包括：稱取冷凍干燥后的土樣3.0000 g，人工去除非土壤物質(zhì)后放入聚四氟乙烯管中，依次加入4 mL檸檬酸緩沖液、5 mL氯仿、10 mL甲醇避光振蕩2 h提取，并重復(fù)提取1次。提取液離心管中加入7 mL檸檬酸緩沖液、8 mL氯仿，振蕩混勻，遠(yuǎn)離熱源，黑暗中靜止過夜，使水相與有機(jī)相分開。過夜后取下層溶液到玻璃管中氮氣吹干，然后用甲醇、氯仿、丙酮等有機(jī)溶劑在SPE柱中洗脫分離得到磷脂，然后對磷脂用氣相色譜儀（Agilent 6890N）配合 MIDI 微生 物鑒 定 系 統(tǒng) （Version 4.5、MIDI、Inc、Newark、DE）分析PLFA的組成。含量用其脂肪酸甲酯的摩爾百分比表示。

根據(jù) 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 作為細(xì)菌的標(biāo)記脂肪酸，其中，i14：0、i15：0、i16：0、i17：0、a15：0 和 a17：0 作為革蘭氏陽性菌的標(biāo)記脂肪酸；cy17：0、cy19：0、16：1w9c、16：1w7c、17：1w8c、18：1w5c和18：1w7c作為革蘭氏陰性菌的標(biāo)記脂肪酸。16：1v5c、18：3w6c（6，9，12）、18：1w9c 和 18：2w 6，9c 作為真菌的標(biāo)記脂肪酸。16：0（10Me）、17：0（10Me）和 18：0（10Me）作為放線菌的標(biāo)記脂肪酸。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SAS 9.1軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和圖表制作，用Canoco 4.5作磷脂脂肪酸主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加納米碳對土壤pH值和含水量的影響

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，添加了納米碳的處理土壤pH值和含水量均顯著高于N2處理，分別高2.89%和16.99%，而添加納米碳的2個處理間差異不顯著。氮肥的施用顯著降低了土壤pH值，所有施氮處理土壤pH值均低于未施氮處理（CK），土壤含水量CK和N2處理間差異不顯著。

2.2 添加納米碳對土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖2可知，在所有施氮處理中，添加了納米碳的處理土壤有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量均顯著高于未添加納米碳的N2處理，分別高 8.49%、7.49%和23.41%，而且其含量均以N1+C處理最高。N1+C和N2+C處理間土壤有機(jī)碳和速效磷含量差異不顯著，而土壤速效鉀含量N1+C處理顯著高于N2+C。土壤全氮含量表現(xiàn)為 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，N2、N1+C 和 N2+C處理均顯著高于CK，而這3個處理間差異不顯著。

圖2 添加納米碳對土壤養(yǎng)分含量的影響

圖3 不同處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變化

從圖3可見，4個不同處理間土壤總PLFA含量表現(xiàn)為 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，處理間存在顯著差異；革蘭氏陽性菌/陰性菌和細(xì)菌摩爾百分比表現(xiàn)為N1+C＞N2+C＞N2＞CK，施肥處理較CK均有一定幅度的增加；真菌和放線菌摩爾百分比表現(xiàn)為CK＞N2＞N1+C＞N2+C，施肥處理較CK均有一定幅度的降低。

2.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析

利用PCA對4個不同處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果（圖4）發(fā)現(xiàn)，N2、N1+C和N2+C處理中微生物群落結(jié)構(gòu)與CK相比均發(fā)生了改變，N2+C處理與CK之間的距離最遠(yuǎn)，說明其對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響最為顯著，PC1和PC2分別占據(jù)了總變異的90.23%和0.67%。

圖4 不同處理土壤微生物特征磷脂脂肪酸主成分分析

3 結(jié)論與討論

納米材料所具有的特殊性能已被建議應(yīng)用到土壤與植物營養(yǎng)領(lǐng)域[5]，而且在土壤保水、保肥，以及作物代謝、促進(jìn)作物生長發(fā)育方面都具有良好效果[16，23-24]。王飛等[13]研究認(rèn)為，納米碳含有的特殊結(jié)構(gòu)，具有催化性，添加到肥料中能夠增加肥料的釋放程度，同時納米碳材料的表面積極大、帶有大量負(fù)電荷、易溶于水等特點，肥料中添加納米碳可以使土壤吸附大量的陽離子，減少肥料的揮發(fā)與徑流造成的損失。同時有研究認(rèn)為，納米碳通過自身小的顆粒形態(tài)填充土壤之間的大孔隙，使土壤有的大孔隙被小孔隙取代，減少水分流動和互相聯(lián)通的孔隙，改變水流彎曲度，從而增加土壤保水、保肥的能力[25-26]。馬筠等[27]研究認(rèn)為，納米碳進(jìn)入土壤后能溶于水，增加土壤的EC值，可直接形成HCO3－，促進(jìn)作物的生長和對養(yǎng)分的吸收。胡梓超等[28]研究了納米碳對關(guān)中地區(qū)土壤水分養(yǎng)分和小麥生長的影響，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤條施納米碳后，冬小麥根系層土壤水分含量增加，深層土壤含水量降低，且土壤水分分布波動減??；納米碳在冬小麥各生育期內(nèi)均可以有效提高小麥田間土壤剖面吸持養(yǎng)分的能力，且同一生育期內(nèi)，納米碳含量越高，土壤表層剖面養(yǎng)分濃度越大，其中納米碳質(zhì)量含量為0．007 kg/kg和0．010 kg/kg的處理在灌漿期5～10 cm土壤深度內(nèi)平均硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量與對照組相比分別增加了 25．0%、33.6%、43.7%、51.3%、6.6%和 17.5%。

納米碳具有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等基本特性，將納米材料應(yīng)用在土壤中，勢必會對土壤結(jié)構(gòu)、土壤中元素遷移及化學(xué)生物反應(yīng)等方面有一定影響[29－30]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加納米碳可以增加土壤全氮，并顯著提升土壤有機(jī)碳、速效鉀養(yǎng)分含量，同時增加土壤總PLFA量，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，而且在土壤保水方面同樣具有積極作用。然而由于缺乏有效的檢測手段，納米材料在土壤中的行為和遷移規(guī)律尚不清楚[31]。