喷施不同纳米硅肥对红苋菜增产效果研究

裴福云，董超文，段继贤，黄培钊，陈占全，王德汉(1.华南农业大学资源环境学院，广东广州51046;.深圳市芭田生态工程股份有限公司博士后工作站，广东深圳518057)

纳米材料具有一系列特殊的物理和化学性质，包括小尺寸效应、表面和界面效应等，在吸收、催化、磁效应等方面表现出优异性能。肖强等［1］阐述了国内外纳米材料在土壤与植物营养领域的应用进展，其中包括纳米材料在缓/控释肥方面的应用［2］、纳米碳酸钙对苹果的作用［3］、纳米二氧化钛的杀菌作用等［4］。目前对材料利用分散和深度的研究不够，对含有植物营养的材料研究较少。因此研究能够提供营养的纳米材料在肥料中的应用显得尤为重要。

硅被国际土壤界列为继氮、磷、钾之后的第四大营养元素，其对农作物生长具有诸多有益影响，例如能降低土壤盐度高带来的不利影响［5］、有效缓解缺铁症状［6］、提高马铃薯的抗逆性［7］等。硅藻土、膨润土都是矿石资源，既含有营养元素Si，又含有Ca、Mg等中微量元素，可以弥补肥料中营养元素不足的问题。该研究分析了纳米硅藻土、纳米膨润土以及合成的纳米二氧化硅几种材料对红苋菜生长的影响，并比较材料之间的差异，为纳米材料在肥料方面的应用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验设在深圳市光明新区芭田公司公明试验基地进行。供试苋菜品种为‘红苋菜’，采用人工盆栽直播方式种植。试验中硅藻土(型号为SD-303)由东莞市森大环保材料有限公司提供，膨润土由信阳鑫鼎矿业有限公司提供;硅酸四丁酯、无水乙醇为试剂级。物理加工硅藻土、膨润土分别得到纳米级别的硅藻土和膨润土;以硅酸四丁酯为原料合成纳米二氧化硅。

1.2 测试方法 土壤全氮用凯氏法测定，土壤速效钾用醋酸铵浸提火焰光度计法测定，土壤速效磷用钼蓝比色法测定［8］。利用红外光谱分析材料的结构特征。施肥前1 d用游标卡尺测量植株茎粗，用刻度尺测量株高，并在第2次施肥后的第5天再次测量该参数，对比差异性。苋菜取样后，冲洗根部，沥干后称重得到鲜重;苋菜在105℃条件下杀青30 min后，于80℃烘箱中恒温烘干12 h称得干重。采用叶绿素仪测量苋菜叶片叶绿素值。

1.3 试验处理 盆栽试验共设10个处理，各处理重复5次，每盆用土量为5 kg。将SiO2、纳米硅藻土和纳米膨润土3种材料分别设3个浓度(表1)。播种时间为2014年5月18日，共喷施2次，喷施时间分别为6月13日和6月21日，将材料稀释300倍后采用人工喷施苋菜叶面的方式喷施。主要考察苋菜株高、茎粗、鲜重及干重、叶绿素含量、植株全N量、NPK含量。采用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 材料结构分析 对硅藻土和膨润土2种材料进行红外分析。由图1 可知，793.22、1 039.4 cm－1处的吸收峰分别属于Si-O-Si的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰。3 416.5、1 636.0 cm－1处的吸收峰分别属于 H-O-H 的弯曲振动峰和伸缩振动峰。另外，由于膨润土中Al2O3含量较高，体现在3 626 cm－1附近的Al-O-H伸缩振动峰以及920 cm－1附近的峰，属于离子置换敏感区。从峰的强度上能够看出硅藻土中SiO2的含量较高，膨润土次之，这与材料元素分析的结果相一致。

表1 各处理纳米材料类型与用量

2.2 喷施不同纳米硅肥对苋菜重量的影响 叶面喷施不同硅肥后，统计各处理的苋菜重量(包括根系)结果如表2所示。喷施硅肥处理的苋菜鲜重明显高于对照，说明硅肥促进了苋菜生长。在喷施不同浓度同一种纳米肥料后，苋菜鲜重随着喷施浓度的增加而增加;而几种不同材料之间，同等浓度的情况下比较，喷施纳米膨润土的苋菜鲜重最高，喷施纳米硅藻土的苋菜鲜重次之，喷施纳米二氧化硅的苋菜鲜重较低。3种材料的区别主要在于成分与结构的差异，合成纳米二氧化硅中未含有膨润土和硅藻土中的Ca、Mg、Fe等中微量元素。对比低浓度的3种材料，发现纳米硅藻土和纳米膨润土之间对苋菜重量影响差异不显著，与纳米二氧化硅之间有差异(图2)。中浓度梯度下纳米膨润土对苋菜重量影响优于纳米硅藻土，优于纳米SiO2。高浓度梯度下，纳米膨润土对苋菜重量影响显示出优势。对比烘干后的重量发现同种材料，随着各处理喷施浓度的增加，干重增加。

表2 各处理对苋菜生长的影响

2.3 喷施硅肥对苋菜株高和茎粗的影响 由表2可知，施肥前各处理之间无差异，叶面喷施硅肥后，与对照相比较差异显著，认为叶面喷施硅肥对苋菜植株直径增加具有明显的效果。对比喷施纳米二氧化硅的3个处理可看出在喷施前没有差异，但是喷施后，随着喷施浓度的增加，苋菜植株直径增加，并且显示出差异性。说明二氧化硅能促进细胞的分裂使得植株直径增加。从株高数据看出喷施硅肥前，对照与各处理间无差异。喷施硅肥后，各处理株高明显增加。说明喷施硅肥起到了促进苋菜细胞的分裂与拉长，从而促进了植株长高。

2.4 喷施硅肥对苋菜植株全N量及全NPK含量的影响 由图3可知，喷施硅肥后，各处理苋菜中N含量显著高于对照，说明硅肥促进了苋菜对氮素的吸收利用。且随着喷施量的提高，苋菜吸收的氮量逐渐增加。不同材料相同含硅量(0.04%)的处理之间，纳米膨润土处理苋菜含N量＞纳米硅藻土处理苋菜含N量＞纳米二氧化硅处理苋菜含N量。说明在等含硅量的条件下，膨润土含有更多的中微量元素。

苋菜产量与对N、P、K总养分的吸收密切相关，为此考察喷施硅肥后各处理苋菜N、P、K养分累计量(图3)。喷施硅肥后，各处理吸收N、P、K养分的总量显著高于对照;随着喷施量的增加吸收量亦增加;各材料喷施硅肥对N、P、K的总吸收量依次为:纳米膨润土、纳米硅藻土、纳米二氧化硅。

2.5 喷施硅肥对苋菜叶绿素的影响 由图4可知，施肥前各处理苋菜叶绿素含量差异不显著;2次喷施硅肥后，于采收期测量各处理叶绿素含量发现，对照的叶绿素明显偏低，而喷施硅肥的各处理叶绿素含量差异不明显，说明硅肥能促进光合作用，长势良好。

3 结论与讨论

(1)该试验表明喷施3种纳米硅肥后苋菜的茎粗、株高、叶绿素、植株全NPK、鲜重及干重等增加，与对照相比有显著差异，证明喷施硅肥对苋菜的生长有促进作用。有文献表明硅能提高作物抗逆性，同时提高作物产量;硅藻土能够增加小麦的鲜重、干重及叶绿素含量［9－10］。硅素可以在苋菜叶片表皮细胞形成具有角质双硅层的细胞壁［11］;在叶脉间成行排列的矩形硅化细胞［12］。正是由于硅的作用，进一步促进了苋菜细胞的分裂、拉长，增大茎粗、株高，从而增加了生物量。

(2)从研究结果看出，叶面喷施3种纳米材料后，植株全NPK总量都有大幅度的提高，并且总体趋势是:纳米膨润土处理苋菜全NPK含量＞纳米硅藻土处理苋菜全NPK含量＞合成纳米二氧化硅处理苋菜全NPK含量。纳米硅藻土和纳米膨润土与纳米二氧化硅相比表现出更为突出的优势与材料中的其他微量元素Ca、Mg、Fe有必然联系。且膨润土中微量元素最高，硅藻土中次之。

(3)有研究表明，硅能减轻生物或者非生物的胁迫，即在非正常的环境胁迫情况下对植物是有益的影响。不管是叶面喷施还是施入土壤，都能增加植物中色素浓度及光合作用与蒸腾作用［13］。硅肥能缓解植物中铁含量的不足，促进铁在质外体中的移动和吸收［14］。该研究中，喷施中等浓度(0.09%)的纳米二氧化硅、纳米硅藻土、纳米膨润土后，苋菜鲜重、干重相对于对照分别提高了 11.20%、20.37%、31.49%。

(4)纳米硅肥对苋菜增产提质的效果，与纳米材料的结构特点密不可分。纳米材料的比表面积大、活性高，尤其是纳米材料粒径小，其表面原子数目占完整粒子原子总数的80%以上，由于表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，表现出较高的化学活性。随着粒径的减小，肥料粒子的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，在湿润的环境中，容易被植物吸附，从而提高利用效率，这是利用纳米材料的理论基础。在生物磁场作用下运动，具有液体的流动性，所以更容易被植物吸收，并有效刺激植物生长。

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