施用纳米碳对烤烟氮素吸收和利用的影响

2014-05-14梁太波尹启生张艳玲谢剑平王宝林蔡宪杰过伟民王建伟

生态学报 2014年6期

梁太波，尹启生，张艳玲，谢剑平，王宝林，蔡宪杰，过伟民，王建伟

(中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州 450001)

在我国农业生产中，肥料的大量投入在提高农产品产量和品质方面发挥了重要作用。然而，随着肥料使用量的不断增加，其负面效应不断显现，肥料利用率低、经济效益下降等问题日益突出。据估计，我国氮肥利用率仅为30%左右，远低于世界发达国家［1］。提高肥料利用效率，减少肥料损失，对我国农业的健康发展和人类生存环境的保护都有着重要意义［2］。纳米技术是20世纪80年代兴起的一项新技术，基本涵义是在纳米(10-9—10-7m)尺度范围内对物质进行认识和改造。纳米材料具有小尺寸效应、表面界面效应和量子尺寸效应等许多传统材料不具备的特性［3-4］。近年来，纳米材料被逐步应用到农业生产领域，其在促进植物生长发育、提高肥料利用率方面的作用受到人们极大关注［5-7］。研究表明，纳米材料能够调节植物基因表达，刺激种子萌发和根系生长［8-9］。同时，纳米材料能够调节植物体内多种酶的活性，改善植物光合性能，提高作物产量［10-12］。此外，由纳米材料研制的纳米增效肥料在减少肥料的流失、提高肥料利用率方面展现出良好效果［13-16］。

烤烟是我国重要的经济作物，在烤烟生产中过量施肥现象时有发生。提高烤烟植株对营养元素的吸收，减少肥料投入，对增加农民收入和生态环境保护都有重要意义。室内培养研究发现，适宜浓度的碳纳米管能够促进烟草细胞生长［8］，然而关于纳米材料对烤烟养分吸收利用的研究尚鲜见报道。为此，进行了不同纳米碳施用量对烤烟生长发育和氮素吸收积累的影响试验，以期为纳米碳在烤烟生产中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011年4月至8月在郑州烟草研究院温室内进行，供试土壤质地为壤土，有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为15.10 g/kg，87.16 mg/kg，44.27 mg/kg，96.37 mg/kg。土壤过筛后装盆，每盆装土15 kg(盆钵直径30cm，高25 cm)，供试烤烟品种为中烟100。供试肥料:硝酸铵(含N35%)、硝酸钾(含N13%，K2O 45%)、硫酸钾(含 K2O 50%)、磷酸二氢钾(含P2O552%，K2O 34%)等，纳米碳由北京华龙肥料技术有限公司提供。

1.2 试验设计

试验设4个处理，分别为:T1，对照(不施用纳米碳);T2，纳米碳用量为肥料总重量的0.1%;T3，纳米碳用量为肥料总重量的0.3%;T4，纳米碳用量为肥料总重量的0.5%。根据烤烟需肥规律，每处理均按照氮磷钾 N ∶P2O5∶K2O=1∶0.8∶3(纯氮 2.1g/盆)的比例施用肥料。施肥方法:各处理所需氮素的70%以硝酸铵形式连同磷、钾肥一起作为基肥在移栽前施入，剩余30%的氮素以硝酸钾形式在移栽后30d作为追肥施入，纳米碳与肥料混合均匀后随肥料同时施入。每处理15次重复，4月28日移栽，其他管理措施同大田栽培。

结合盆栽试验，在T1和T3处理中分别取8盆进行15N示踪试验。同位素肥料分别为15N双标记的硝酸铵(丰度 10%)和15N标记的硝酸钾(丰度10%)，由上海化工研究院提供。其中，第 1、2、3、4盆，基肥施用标记15N的硝酸铵肥料，追肥施用普通硝酸钾肥料;第5、6、7、8盆，基肥施用普通硝酸铵肥料，追肥施用标记15N的硝酸钾肥料。其他管理措施与盆栽试验保持一致。

1.3 样品采集与测定

在烟叶生长团棵期(移栽后35d)、旺长期(移栽后60d)、成熟期(移栽后85d)分别取样，每处理取代表性植株2—3株。操作时先用水小心冲出根系，然后将烟株按根、茎、叶各器官分开并称其鲜重，于70℃烘箱中烘至恒重后，测定干物质量。

样品粉碎后用浓H2SO4-H2O2消化，半微量凯氏定氮法测定土壤、植株含氮量。根系活力用TTC还原法测定［17］。15N样品采用ZHT2O2型质谱仪分析15N丰度，由河北省农林科学院理化所分析。

计算公式:

植株从肥料中吸收的氮素百分数(NDFF)

植株从土壤中吸收的氮素百分数(NDFS)

1.4 数据处理

数据分析采用Excel 2010程序和DPS v7.05统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 根系生物量和根系活力

从图1可以看出，在烤烟生长发育的3个关键时期(团棵期、旺长期和成熟期)，与对照(T1)比较，施用纳米碳均不同程度地增加了植株根系生物量，成熟期增加幅度分别达到 9.78%，18.53%和21.04%。3个纳米碳处理比较，在烟株团棵期，以T3处理根系生物量最高;在烟株生育后期以T4处理根系生物量相对较高。说明施用纳米碳有利于促进烤烟根系生长发育，增加根系生物量，但不同纳米碳用量的效果存在差异。由图1还可以看出，施用纳米碳能够不同程度提高烤烟根系活力。与对照(T1)比较，在团棵期和旺长期，3个纳米碳处理根系活力均显著增加，且以T3处理增加幅度最大。在成熟期，T3和 T4处理根系活力显著高于 T1和 T2处理。

图1 施用纳米碳对烤烟根系生物量和根系活力的影响Fig.1 Effects of nanocarbon application on the biomass and vigor of tobacco root

2.2 干物质积累量

由表1看出，在烤烟生长发育进程中，施用纳米碳均不同程度促进了烤烟植株各器官生长发育，增加干物质积累量，尤以T3和T4处理相对较好。在成熟期，与对照(T1)相比，T3处理根茎叶干物质积累量分别增加6.73%、19.17%和7.92%;T4处理分别增加9.12%、12.44%和3.89%。可见，适宜的纳米碳用量有利于促进烤烟植株生长发育，增加干物质积累量。

表1 不同处理对烤烟干物质积累量的影响Table 1 Effect of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.3 成熟期不同器官氮素积累和分配

从表2可以看出，与对照T1相比，施用纳米碳处理不同程度增加了烤烟根系和叶片氮素含量，而对茎器官氮素含量无显著影响。由于干物质积累量增加，纳米碳处理T2、T3和T4成熟期各器官氮素积累量均有所增加，尤以T3和T4处理效果显著。氮素积累在各器官中的分配比例处理间无显著差异。可见，施用纳米碳能够不同程度促进烤烟植株氮素吸收，提高根系和叶片氮素含量和积累量，但并未影响植株氮素在不同器官中的分配。

表2 成熟期烤烟植株不同器官氮素积累与分配Table 2 Effect of different treatments on nitrogen accumulation and distribution among different organs of tobacco plant at maturity stage

2.4 烤烟植株对不同来源氮素的吸收

15N示踪试验结果(表3)表明，在旺长期和成熟期，植株积累的氮素25.29%—34.62%来自于肥料，65.38%—74.01%来自于土壤。与旺长期相比，成熟期T1和T3处理烤烟植株对土壤氮的吸收比例增加，而肥料氮比例减少。说明随生育期推后，肥料氮在植株氮素积累中的贡献降低。处理间比较，在成熟期，来自肥料氮所占的比例，T1和T3无显著差异;来自土壤氮所占比例，处理间亦无明显差异。

表3 施用纳米碳对烤烟吸收不同来源氮素的影响Table 3 Effects of nanocarbon application on tobacco nitrogen uptake from different sources

就烤烟对氮素的吸收量而言，在旺长期，施用纳米碳后植株积累氮素来自土壤的氮和植株总吸氮量均显著增加。在成熟期，来自肥料的氮、来自土壤的氮和植株总吸氮量均表现为T3＞T1。施用纳米碳处理不仅增加了植株对肥料氮的吸收量，还增加了对土壤氮的吸收量，这与其促进了烤烟根系生长发育、提高了根系的吸收能力有密切关系。

2.5 氮肥利用率

利用15N示踪技术可计算出不同处理的氮肥利用率(表4)。可以看出，T1和T3处理烤烟对氮肥的利用率，基肥为35.67%和40.82%，追肥为47.50%和52.07%，两个处理追肥利用率均明显高于基肥。与T1相比，T3处理基施氮肥利用率提高14.44%;追施氮肥利用率提高9.62%。从器官来看，与T1相比，T3处理茎和叶片肥料利用率基肥和追肥均显著提高，而根系肥料利用率无显著差异。初步分析认为，施用纳米碳处理的氮肥利用率提高，可能与纳米碳颗粒的高表面能提高了肥料中氮素的有效性有关。

表4 施用纳米碳对氮肥利用率的影响Table 4 Effects of nanocarbon application on nitrogen utilization rate

由表4还可以看出，两个处理氮肥土壤残留率追肥均显著低于基肥;而氮肥的损失率基肥和追肥之间无明显差异。处理之间比较，施用纳米碳处理T3无论是基肥还是追肥，土壤残留率和损失率均有不同程度降低，这可能与该处理根系发育好、氮肥利用率较高有关。

3 结论与讨论

3.1 纳米碳对烤烟生长发育的影响

纳米碳作为一种具有高表面能的小尺度纳米材料，在影响生物代谢、促进作物生长发育方面的良好效果已在多种作物上显现［18-19］。本试验结果表明，在普通肥料中加入纳米碳能不同程度地促进烤烟植株生长发育，增加烟株干物质积累量，这与刘键［16］、武美燕［20］等人在水稻、小麦上的研究结果相似。同时研究发现，纳米碳促进烤烟植株生长发育的效果在烤烟生育前期更为显著，说明纳米碳能够促进烤烟植株早发、快长，从而有利于提高烟叶产量。施用纳米碳明显增加烤烟根系生物量、提高根系活力，是其促进植株生长发育的重要原因。

3.2 纳米碳对烤烟氮素吸收和氮肥利用率的影响

研究表明，纳米材料能够促进植物对氮磷钾等养分的吸收［21-23］。本试验条件下，施用纳米碳处理不仅增加了植株对肥料氮的吸收量，还增加了对土壤氮的吸收量，这与其促进了烤烟根系生长发育、提高了根系的吸收能力有密切关系。施用纳米碳能够不同程度促进烤烟植株氮素吸收，提高根系叶片氮素含量和积累量，但并未影响植株氮素在各器官的分配。

施入土壤中的肥料氮一般有3个去向:作物吸收、土壤残留和损失。有报道指出，肥料施入土壤后，约有39%—53%被烟株吸收利用［24］。本试验条件下，施入土壤的氮素35.67%—52.07%被植株吸收利用。纳米碳无论做基肥还是做追肥，均显著提高了氮肥利用率，使氮素土壤残留率和损失率均有不同程度降低。这可能是因为纳米碳作为一种小尺度、高表面能活性的纳米颗粒，能够与土壤中的养分离子形成聚合物，提高了营养元素的有效性，促进了植株对养分的吸收和利用。然而，仅从纳米碳的吸附性能角度无法完全解释其促进作物生长和养分吸收的机理。张夫道等［22］利用纳米胶结包膜材料制作缓释肥料，通过溶解或溶胀作用使胶粘剂分子与肥料分子相互扩散形成胶结接头，在提高肥料利用率方面取得良好效果。然而，本研究中纳米碳提高烤烟肥料利用率的作用机理可能与之有所不同。研究表明，纳米碳具有较高的比表面能和电催化性能，遇水后能够变成导体，可以提高土壤电动电位。植物根系对养分的吸收，涉及了复杂的电化学过程，纳米碳可能参与并影响了这一过程。同时，在烤烟生长发育过程中，纳米碳作为肥料的载体可充分吸附结合在根系表面，促进了根系对养分的吸收和根系生物量的增加。也有研究认为，纳米材料可以改变水的结构，提高其活性，在水不断被植物吸收的过程中可以携带大量营养元素进入植物体内，达到营养植物的目的［25］。研究已证实，某些形态的纳米材料如碳纳米管能够被植物吸收，然而由于缺乏有效的检测手段，纳米材料在土壤中的行为和迁移规律尚不清楚［26］。因此，关于纳米材料促进作物养分吸收的机理和在土壤环境中的行为规律，有待于进一步研究。

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