纳米炭材料对作物生长影响的研究进展

乔 俊，赵建国，解 谦，邢宝岩，杜雅琴，屈文山，王海青



纳米炭材料对作物生长影响的研究进展

乔 俊1，赵建国1※，解 谦2，邢宝岩1，杜雅琴1，屈文山1，王海青1

（1. 山西大同大学化学与环境工程学院，大同 037009； 2. 山西大同大学生命科学学院，大同 037009）

纳米炭材料由于其独特的结构和物理化学性质被广泛地应用到材料科学、能源、环境修复以及制药等领域。随着纳米炭材料生产和使用的不断增加，纳米炭材料将不可避免地被释放到环境中，并对环境中的各种植物以及作物造成未知的影响。近年来，将纳米炭材料应用到农业领域，考察纳米炭材料对作物的影响成为新的研究热点。该文综述了各类纳米炭材料（包括炭纳米管、富勒烯、炭纳米洋葱和石墨烯等）对作物的生长影响，现有研究表明，各类纳米炭材料对作物种子的萌发和幼苗根茎的生长、作物产量和品质以及作物的抗逆性方面造成影响；此外，施加含纳米炭材料的肥料对作物的产量品质，肥料的利用率也造成影响，但其中的影响机理还不完全清楚，仍有待于进一步研究。研究纳米炭材料与作物的相互作用关系，可为纳米炭材料应用于农业，促进增产提供新的思路和指导，因而具有重要的意义。

作物；生长；纳米炭材料；品质；纳米炭增效肥

0 引 言

纳米材料是指三维空间尺度中至少有一维处于纳米量级（1～100 nm）的材料。纳米炭材料是纳米材料中非常重要的一类，目前纳米炭材料主要包括石墨烯（graphene）、炭纳米管（carbon nanotubes）、炭纳米角（carbon nanohorns）、富勒烯（fullerene）、炭纳米洋葱（carbon nano-onion）和炭纳米量子点（carbon nano quantum dot）。其中，石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的平面二维晶体。炭纳米管和炭纳米角可看成是由片层石墨烯卷曲形成的一维尺度无缝中空管，管径具有纳米尺寸，长度可达数微米甚至数毫米。富勒烯、炭纳米洋葱球和炭纳米量子点可看成是由片状的石墨烯包围而成的零维尺度具有球状结构的纳米材料。富勒烯是由多个碳原子组成的中空球体或椭球体分子，经典的富勒烯C60是由12个五元环和20个六元环组成的多面体碳原子簇合物。炭纳米洋葱是以C60为核心的同心多层球面套叠结构的碳分子，各层碳原子数按602（为层数）递增，层与层间距约0.34 nm与石墨烯的层间距十分接近。炭纳米量子点是一类尺寸在10 nm以下，类球形的具有独特荧光性质的炭颗粒。这些纳米炭材料由于具有独特的结构以及优良的力学、电学和化学性能，被广泛应用到工业界的各个领域，包括电子、材料、能源、制药、环保等[1-3]。各种纳米炭材料的大量生产和使用将不可避免地造成这些材料向环境中释放，其潜在的生态风险已引起了学术界的广泛关注[4-6]。

近年来，将纳米炭材料应用到农业领域，研究纳米炭材料对农作物的影响逐渐成为新的研究热点[7-9]，目前关于纳米炭材料对作物影响方面的研究可大致分为两类：一类是关注各种纳米炭材料对作物生理、毒理方面的影响，主要涉及到各类纳米炭材料存在下对作物种子的萌发、幼苗根茎的生长、作物产量和品质、以及作物抗逆性等方面的影响；另一类是关注将纳米炭材料应用在施肥方面，侧重研究纳米炭材料在农业节肥增效方面的影响。由于植物在自然界中扮演“生产者”的角色，环境中的纳米炭材料对植物产生的影响将直接关系到各级“消费者”的食物来源，从而对整个生态系统的稳定性产生影响。此外，农业是社会发展的基础，纳米炭材料对作物生长带来的影响也关系到农业的未来以及人类社会的稳定发展。因此，深入研究环境中的纳米炭材料对作物生长的影响及其作用机理，不仅对拓展纳米炭材料应用到农业领域具有重要意义，同时也对于评估纳米炭材料的环境和生态风险具有十分重要的意义。

1 纳米炭材料对作物生理及毒理的影响

1.1 纳米炭材料对种子萌发和幼苗生长的影响

随着纳米炭材料不断进入到环境当中，作物的种子将暴露在富含各类纳米炭材料的环境之中。环境中的纳米炭材料，将构成对作物种子萌发及幼苗生长的生理和毒理的影响，近年来受到学者的普遍关注[10-12]。

目前，有关各类纳米炭材料对种子萌发及幼苗根茎生长的研究均有报道，此类研究多数是将各类纳米炭材料配制成溶液，采用这类溶液对种子进行萌发和幼苗生长试验。例如：在炭纳米管和炭纳米角方面，Lin等使用2 g/L的多壁炭纳米管溶液培养了6种植物（油菜、黑麦草、玉米、萝卜、莴苣和黄瓜）种子，在种子萌发5 d后用多壁炭纳米管溶液培养的油菜、黑麦草和玉米的根长显著高于未加炭纳米管培养的对照；然而，多壁炭纳米管对种子根生长促进效果并没有在其他3种植物（萝卜、莴苣和黄瓜）的试验中观察到[13]。Canas等使用单壁炭纳米管溶液对洋葱、黄瓜、西红柿、卷心菜和胡萝卜种子进行了48 h的培养，发现单壁炭纳米管溶液质量浓度在0.16、0.9和5 g/L时，能够促进洋葱和黄瓜的根生长，但对卷心菜和胡萝卜几乎没有促进作用，对西红柿反而产生抑制作用[14]。袁刚强等发现，质量浓度为10～40 mg/L的单壁炭纳米管溶液对水稻种子萌发有延迟作用，对水稻幼苗的生长产生抑制作用[15]。Lahiani等发现，单壁炭纳米角存在下可促进玉米、水稻、西红柿和大豆种子的发芽以及幼苗的生长[16]。

在富勒烯、炭纳米洋葱和炭纳米量子点方面，Nair等发现，质量浓度为50 mg/L的富勒烯C60溶液可提高水稻种子的发芽率达20%，并能够显著促进水稻幼苗的生长[17]。Sonkar等报道了用木屑为原料制备水溶性的炭纳米洋葱，在使用质量浓度为30 mg/L的炭纳米洋葱溶液对鹰嘴豆种子培养10 d后，根的生长得到了显著促进[18]。Tripathi等研究发现，在有光照或无光照条件下培养小麦种子10 d，经炭纳米洋葱溶液培养的小麦种子，其根和茎的生物量都要明显高于没有用炭纳米洋葱溶液培养的种子，且炭纳米洋葱对小麦根的生长促进作用更为突出[19]。Chen等采用水溶性的炭纳米点（carbon nano-dots）研究发现低浓度（250和500 mg/L）炭纳米量子点对玉米生长无毒，而高浓度（1 000和2 000 mg/L）会显著抑制玉米根和茎的生长，造成玉米根鲜质量降低57%～68%，茎鲜质量降低38%～72%[20]。

在石墨烯方面的研究中，Liu等发现较低浓度石墨烯（5 mg/L）对水稻侧根数量、根鲜质量、地上部分鲜质量指标有明显的促进作用；但当石墨烯溶液质量浓度高于50 mg/L时，水稻种子发芽速率、根长、茎长、侧根数量、根鲜质量等都明显受到抑制[21]。Zhang等研究发现石墨烯对西红柿种子发芽产生促进影响，石墨烯可以加速种子发芽过程，缩短发芽时间。在西红柿幼苗生长阶段，石墨烯能够增加幼苗根和茎的长度，但根和茎的鲜质量却比对照稍低[22]。Anjum等研究发现，氧化石墨烯的质量浓度适宜时（400和800 mg/L）可促进蚕豆根的生长，但浓度过低（100，200 mg/L）和过高（1 600 mg/L）会对蚕豆根伸长起抑制作用[23-24]。此外，笔者使用不同质量浓度的氧化石墨烯溶液（200和600 mg/L）对绿豆、红豆、黑豆种子进行了培养，观察氧化石墨烯对3种豆类植物发芽的影响。结果发现，氧化石墨烯对红豆的种子发芽有明显的促进作用。如图1所示，使用600 mg/L的氧化石墨烯溶液培养红豆3 d后，红豆的幼芽生长情况显著好于仅使用超纯水培养的对照。对于黑豆和绿豆，试验中未观察到氧化石墨烯对种子发芽的促进作用。

从上述的各类研究结果可以看出，各类纳米炭材料存在下对作物种子萌发和幼苗生长是利或弊，论说并不一致。值得注意的是，许多研究表明在一些情况下，纳米炭材料的存在不仅不会对种子萌发及幼苗生长产生抑制，反而会有比较明显的促进作用，这表明纳米炭材料应用于农业生产具有一定的潜力，而其中的作用机理也值得深入研究。目前，研究者们正从作物对纳米炭材料的吸收和吸附、纳米炭材料在作物体内的迁移和利用、纳米炭材料对作物产生的氧化应激效应以及对作物某些蛋白、基因的表达等方面探索其内在的作用机制。

1）现有许多研究采用拉曼光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、荧光光谱、热重分析等技术发现植物可吸附、吸收各类纳米炭材料进入植物体内[25-27]。Liu等研究发现，单壁炭纳米管能够穿透完整的细胞壁和细胞膜进入到烟草细胞中[28]。Begum等利用透射电子显微镜观察到拟南芥胞吞石墨烯的细胞结构，表明石墨烯可通过胞吞作用进入拟南芥细胞内[29]。Sonkar等研究发现，经炭纳米洋葱处理的种子萌发后，其根部观察到有炭颗粒的侵入，且造成根部表皮细胞外观变得疏松[18]。Khodakovskaya等[25]和Zhang等[22]分别观察到多壁炭纳米管和石墨烯能够穿透西红柿的种皮，认为此效应可促进种子对水分的吸收，从而促进西红柿种子发芽和幼苗的生长，Zhang等进一步采用热重分析等手段发现石墨烯可使种子水分含量增加17.5%[22]。

2）纳米炭材料颗粒进入植物体内后，可通过植物木质部或韧皮部实现在植物不同组织间的运输和迁移，有些情况下，植物可利用体内的纳米炭构建自身组织或细胞器，从而对植物的生长造成影响。Tripathi等观察到鹰嘴豆可吸收水溶性的炭纳米管，并利用炭纳米管来构建木质部的毛细导管，从而增强了植株的吸收和保持水分的能力，促进根和茎的生长[27]。Serag等研究发现，植物拟南芥体内木质素的生物合成过程中，可通过氧化桥联作用将体内的炭纳米管与单体木质素连接起来，从而利用炭纳米管来构建导管[30]，促进植物对各种大量、微量营养元素的运输。Giraldo等研究发现，单壁炭纳米管经植物的被动运输过程嵌入到叶绿体后，可增强植物叶绿体的光合作用活性（比对照高3倍）和电子转移速率[31]。

3）纳米炭材料可能会导致植物体内活性氧自由基的积累，一旦超过植物抗氧化系统（一些抗氧化酶，如超氧化物歧化酶，过氧化氢酶，谷胱甘肽过氧化物酶等）的清除能力，就会导致细胞损伤和死亡，产生毒害和抑制作用[32-34]。Anjum等研究发现[24]，氧化石墨烯质量浓度在过低（100、200 mg/L）和过高（1 600 mg/L）时，会引起蚕豆体内活性氧自由基的积累产生抑制作用，然而当质量浓度适中时（400和800 mg/L）有助于蚕豆种子水分含量的增加，并提高种子的过氧化氢酶的活性，降低自身脂肪和蛋白质被氧化的程度，且能够使种子保持细胞膜的完整性，降低细胞电解质液体外泄的程度，从而改善了蚕豆的生长状况，促进蚕豆种子根的生长。

4）纳米炭材料也可能通过影响植物细胞中某些基因的表达，对植物某些功能蛋白及组织表现出促进作用。Yan等发现单壁炭纳米管能够上调2种与玉米根细胞伸长有关的2种基因（1和）的表达，可促进种子根的生长；但对根毛生长的2种基因（1和3）表达产生抑制作用，因而对玉米的根毛生长产生抑制影响[35]。Khodakovskaya等研究发现，多壁炭纳米管的表面电荷可诱导西红柿体内水通道蛋白基因（2）的表达，增强西红柿对水分以及营养元素（如钙、铁等）的吸收效率，因此可促进西红柿种子的萌发和生长[36-37]。Khodakovskaya等研究发现，多壁炭纳米管能够诱导烟草的某些基因表达上调，如细胞分裂基因（）、细胞壁的形成基因（1）和水分运输基因（水通道蛋白，1），从而能够促进种子萌发和植株的生长[38]。

从上述研究结果来看，纳米炭材料对作物种子萌发和幼苗生长的影响很大程度上取决于作物的种类，纳米炭材料的类型、剂量和性质。目前虽然在纳米炭材料影响作物种子萌发和幼苗生长的机理研究方面有一些突破，但总体上还所知有限，难以形成规律性的结论。已报道的研究多数都在考察单一类型的纳米炭材料对作物的影响，而系统地对比不同形貌、不同性质的纳米炭材料对作物的影响，是理清纳米炭材料的结构-效应关系的重要研究内容，需进一步关注。例如，Tripathi等对比了6种不同形貌、尺寸的纳米炭材料（包括炭纳米量子点、单壁炭纳米管、多壁炭纳米管和炭纳米晶须等）在鹰嘴豆幼苗体内的迁移，认为各形貌和尺寸的纳米炭材料更倾向通过质外体途径（apoplastic pathway）进入植物体内；几种纳米炭材料中，一维中空结构的单壁炭纳米管更具生物兼容性，可优先进入鹰嘴豆幼苗的木质部，对幼苗生长的促进作用也最明显[39]。Lahiani等研究发现，4种不同形貌的纳米炭材料（薄层石墨烯、螺旋状、长尺寸和短尺寸的多壁炭纳米管）对西红柿的生长有着相同的作用机制，即都可造成水通道蛋白基因表达的上调，促进种子萌发和幼苗生长[40]。另外，现有的多数研究在关注纳米炭材料对作物毒性及生理影响时，试验的纳米炭材料质量浓度和受试作物的培养条件，都与自然土壤环境有着较大差别，得到的研究结果不一定能反映真实自然条件下的情形。Gogos等研究表明，在严格模拟自然条件的土壤微宇宙试验中，多壁炭纳米管的垂直迁移能力以及植物对多壁炭纳米管的吸收都非常有限，且植物对多壁炭纳米管的吸收量与多壁炭纳米管的暴露浓度无关[41]。因此，研究自然土壤环境中纳米炭材料对植物的影响，同样需要受到关注。

1.2 纳米炭材料对作物产量及品质的影响

纳米炭材料对作物的产量及品质方面的影响也是研究纳米炭材料与作物相互作用关系的重要方面。在研究方法上，有些研究是将种子先浸泡在含有纳米炭材料的溶液中一段时间（或培养至种子萌发），再将种子（或幼苗）种植在土壤观察对作物产量的影响[18,42-44]；也有研究采用水培法，在作物的培养液中保持一定浓度的纳米炭材料，研究对作物产量及品质的影响[17,21,45]。

在炭纳米管方面，Khodakovskaya等研究发现，质量浓度为50 mg/L的多壁炭纳米管溶液能够对西红柿增产2倍多（单株果实数量为9个，未用炭纳米管处理的单株果实数量仅为4个）[36-37]。在炭纳米洋葱和富勒烯方面，Sonkar等研究发现，使用质量浓度为30 mg/L的炭纳米洋葱溶液对鹰嘴豆种子培养10 d后，再将萌发的幼苗进行种植，植株生物量以及鹰嘴豆的产量明显提高。进一步分析果实中的C、H和N的含量后发现，与对照相比，炭纳米洋葱未对鹰嘴豆果实造成明显的C、H和N含量的差异[18]。Kole等用不同浓度的富勒醇C60(OH)20溶液对种子进行萌发培养后，再将种子移种在土壤中直至成熟结果，研究发现，试验中各浓度的富勒醇都能够对苦瓜的果实、植株的生物量起到增产效果，增产40%～128%，但富勒醇浓度最高的处理其增产效果并非最好。研究还发现，富勒醇的处理可提高来自苦瓜的4种天然植物药物的含量，能够对葫芦素-B、番茄红素、苦瓜甾和胰岛素分别增产达74%、82%、20%和91%，从而能够使苦瓜的品质得到提高[42]。然而，Lin等研究了C70对水稻的影响，发现经C70处理后的水稻花期推迟了1个月，且稻穗的结实率也降低了4.6%。此外，该研究还发现C70可以在水稻体内进行“代际迁移”。研究人员仅在第1代水稻种子的萌发期施加了一定浓度的C70，但令人惊讶的是，在第2代水稻幼苗的叶子中再次发现了C70的聚合物。这项研究表明，C70可以通过水稻种子进行“代际迁移”从而可能造成对人类或其他受体的潜在风险[46]。在石墨烯方面，Begum研究了石墨烯添加量在500～2 000 mg/L质量浓度范围内能够显著抑制大白菜、土豆和菠菜根茎的生长和生物量水平，并导致植株叶片的尺寸变小、数量减少，石墨烯对这些植物产生不利影响的程度与其浓度存在剂量-效应关系。研究进一步发现，石墨烯与植物体内活性氧自由基、过氧化氢的含量以及细胞死亡也存在剂量-效应关系，这表明石墨烯引起了氧化应激损伤（oxidative stress necrosis），从而对大白菜、土豆、菠菜3种植物产生不利影响。然而，研究发现各种浓度的石墨烯对莴苣并未造成明显的毒性影响[45]。Chakravarty等用0.2 g/L的石墨烯量子点（Graphene quantum dots）溶液先对香菜和大蒜的种子浸泡3 h然后再进行种植，观察香菜和大蒜的整个生长周期后发现，石墨烯量子点对香菜和大蒜的植株根、茎、叶、花和果实的生长都有明显的促进作用，表明石墨烯可作为这两种作物的生长促进剂，促进其产量提高[43]。

从上述研究结果来看，各类纳米炭材料对作物产量和品质的影响表现不一，有些情况下纳米炭材料可提高作物产量和品质，可能与纳米炭材料类型、浓度以及受体作物种类这3方面因素有关。探究纳米炭材料对作物产量和品质方面的作用机理，从而使农业上利用纳米炭材料进行趋利避害是一项重要课题，但这方面的研究还比较欠缺。促进作物生长及产量的原因有：纳米炭材料促进作物种子萌发、诱导作物体内水通道蛋白的表达，从而促进根的生长以及对水分和营养元素的吸收等；纳米炭材料可吸附一些营养离子（如NH4+和NO3-），减缓营养离子的流失[47]；可能还与相关的酶、蛋白和基因表达有关，但还未见报道，需深入研究。

1.3 纳米炭材料对作物抗逆性的影响

作物在环境条件恶劣（如干旱、高温、高寒、高盐等）的情况下，本身具有一定的抵抗不利环境的某些性状，即抗逆性。在自然环境条件恶劣时，纳米炭材料的存在可能会对作物抗逆性表现构成未知影响。Wang等通过在培养体系中加入聚乙二醇来模拟干旱，另加入NaCl来模拟高盐，研究微克级别（0～1 000g/L）的氧化石墨烯在干旱或高盐的条件下，对拟南芥的抗逆性影响[48-49]。研究结果表明，在非胁迫环境条件下（不干旱、非高盐），不同质量浓度的氧化石墨烯（10、100、1 000g/L）对拟南芥的发芽、幼苗根茎生长以及花期等几乎没有抑制作用，但也未观察到促进作用，证明微克级别的氧化石墨烯在良好环境条件下对拟南芥的生长是安全的。但是在干旱和高盐条件下，氧化石墨烯质量浓度为1 000g/L时会加重恶劣条件对拟南芥生长的不利影响，表现在植物鲜质量减少，根长度变短等。进一步酶分析结果表明，在有氧化石墨烯存在下并叠加外界不利环境条件时，拟南芥体内的过氧化氢含量较高，发生氧化应激损伤的压力较大。然而，Martinez-ballesta等研究表明[50]，在高盐情况下，多壁炭纳米管的存在能够诱导花椰菜根部细胞膜脂类的组成和硬度发生变化，改变细胞膜的通透性，促进花椰菜对水分的吸收和CO2的同化，从而缓解环境中高盐带来的不利影响，促进花椰菜的生长。目前，炭纳米材料对作物的抗逆性影响的报道还非常有限，还无法判断炭纳米材料的存在究竟对作物抗逆性表现是利或弊，仍有待深入研究。

2 纳米炭材料用作肥料对作物的影响

除了关于纳米炭材料对作物生理、毒理方面研究外，考虑到纳米炭材料的小尺寸、高表面能等特性，能够吸附养分离子，促进土壤中肥料的可利用性等，也有很多学者关注将纳米炭材料在施肥阶段加入，主要考察纳米炭材料用做肥料时，对作物产量、品质以及农田肥料利用等方面的影响。

2.1 纳米炭材料用做肥料对作物产量及品质的影响

中国学者在将纳米炭作为肥料添加剂方面做了大量研究，所用纳米炭材料一般为5～50 nm的球状纳米炭。刘键等[51]研究将球状纳米炭添加在肥料中制成纳米炭增效肥（nano-fertilizer，纳米炭占肥料总量的0.3%），研究表明纳米炭增效肥能够促进萝卜、卷心菜、茄子、辣椒、西红柿、芹菜和韭菜的生长，可使这些作物的产量提高20%～40%，并提早上市时间5～7 d，从而提升经济效益。在品质方面，纳米炭增效肥的施用能够对蔬菜中的各类营养成分含量造成影响。例如，施用纳米炭增效肥培育的萝卜，其胱氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的含量可增加11.1%～140%，而酪氨酸、精氨酸、组氨酸、缬氨酸和赖氨酸的含量却减少了11.1%～30.0%；施用纳米炭增效肥的茄子除胱氨酸减少了16.7%外，其他上述氨基酸的含量均有增加（增幅为11.5%～42.9%）；施用纳米炭增效肥的芹菜其氨基酸含量均有增加，增幅为15.4%～70.0%；施加纳米炭增效肥的辣椒氨基酸含量降低了42.86%～72.73%，但辣椒中维生素C的含量提高了1.5倍，可提高辣椒的品质及增强其耐贮性。在对冬小麦的研究发现，纳米炭增效肥可使冬小麦增产12.34%～19.76%，小麦蛋白质含量减少7.52%，脂肪含量增加33%[52]。与传统化肥相比，添加纳米球状炭制备的纳米炭增效肥能使水稻增产10.3%、玉米增产10.9%～16.7%、大豆增产28.8%，且能使大豆中植物油含量提高13.2%。还可促进春玉米早熟，纳米炭增效肥的产投比可达13.5∶1.0，能使每公顷增加纯经济收入2 777.5元[53]。对烟草种植方面，施加纳米炭增效肥不仅可提高烟叶单叶质量和产量[54]，还能在一定程度上改善烤烟的品质，表现在明显提高了烤烟烟叶的钾离子含量（平均提高幅度为20%）和钾氯比值，使烟草香气品质得到提高[55]。此外，笔者对比了施用含纳米炭的氮肥与普通氮肥对莴笋和水萝卜2种蔬菜的生长影响，发现施用纳米炭增效肥能够使莴笋果实质量增加17.6%～41%，水萝卜果实质量增加29%，即纳米炭随氮肥混和施入后对莴笋和水萝卜实现了增产。图2给出了普通氮肥和含纳米炭的氮肥对莴笋和水萝卜果实生长影响的照片，从图2a中可以看出，纳米炭施加能明显提高莴笋果实的直径，从而实现莴笋增产。图2b中可明显观察到，纳米炭添加种植出水萝卜的果实表皮颜色明显变深，呈紫红色。进一步试验结果表明，纳米炭可诱导促进水萝卜体内花青素的合成，使表皮花青素含量增加，颜色变紫。花青素具有抗氧化、抗衰老的功效，花青素含量的增高有助于提升水萝卜的营养价值和品质。

由此可见，与传统肥料制成纳米炭增效肥可对许多蔬菜、粮食作物和经济作物起到增产、改善作物品质等的积极影响。目前，对于纳米炭增效肥可促进作物增产的可能作用机理，报道的主要有：

1）纳米炭的添加可促进作物对土壤中营养元素的吸收。由于纳米炭材料有较大的比表面积，吸附性强，易于吸附土壤溶液中的养分离子，此外纳米炭与肥料形成纳米增效肥后具有良好的导电性能，可提高根系细胞外电化学势梯度，提高土壤中无机营养元素的迁移速率，从而促进离子进入根系细胞，促进作物对营养离子的吸收[56-57]。谢剑平等研究发现，纳米炭可促进拟南芥对K、P、Mg、Fe、Zn等营养元素的吸收，从而可能促进拟南芥根、茎的生长和生育期的提前[58]；李淑敏等研究表明，纳米炭可提高玉米对氮素的吸收和利用，添加纳米炭的处理其玉米植株吸收氮素的量可增加20.1%，进而使植株叶片的叶绿素含量增加，光合作用增强[59]；王小燕等研究表明，肥料中添加0.3%的纳米炭后，可改善水稻根系周围微环境，使氮肥更易于被根系交换吸附，进而可促进水稻根系对氮的吸收[60]。

2）纳米炭可促进作物对水分的吸收，进而携带大量营养元素进入植物体内。纳米炭材料可渗透作物种子和根表皮细胞，使外观结构变得疏松；一些纳米炭材料可诱导作物的水通道蛋白表达以及根伸长基因的表达，并参与作物根中导管的构建等，这些都可能促进作物根系的生长，有利于作物对水分的吸收。作物吸收水分的同时可摄取营养元素，进而促进作物生长。

3）纳米炭作为肥料添加剂可促进作物根系活力和根际土壤酶活性的提高。李淑敏等研究表明，传统氮肥添加纳米炭后，能够对玉米根系活力提高近2倍，且明显提高了根际土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性[59]。由于土壤脲酶活性与氮素的吸收利用有关，因而可能是纳米炭促进玉米氮素吸收的原因之一。

纳米炭用做肥料添加剂可提高某些作物产量的直接原因是纳米炭材的存在促进了作物对营养元素的吸收，但其作用机制还不够清楚。需注意的是，作物根系分泌物（如小分子有机酸、醇化物、次生代谢物等）以及根际微生物可能会对纳米炭材料产生修饰作用，改变纳米炭材料的理化性质，从而最终影响到作物对养分的吸收，在未来研究中应给予关注。有关纳米炭作为肥料能够改善某些作物品质的具体机理，目前还所知甚少，可能需要从植物代谢，相关的酶、蛋白和基因表达层面寻找原因。

2.2 纳米炭材料用做肥料对农田节肥增效的影响

纳米炭与传统肥料制成的纳米炭增效肥除了对作物产量和品质产生影响外，还对农田化肥的利用率产生积极影响，从而起到节肥增效的作用。有研究表明，与传统氮肥尿素相比，施用纳米炭增效尿素可降低农田中氮素的流失，可大幅度提高氮肥的农学利用率达44%，在施N量相同的条件下，水稻种植施用纳米炭增效尿素每公顷的经济效益比普通尿素可增加1 064元以上[60]。在中国河北省小麦种植区，施用含有纳米炭的氮肥可大幅度降低氮肥施用量（降低20%），减少二氧化氮的释放，并同时能够使小麦获得增产[61]。在盐碱地等不利土壤条件下，施用含纳米炭的氮肥能够使水稻增产8.5%～18.4%[62]。此外还有一些研究表明，施用纳米炭增效肥可对玉米[63]、烟草[55]、大豆[64]、棉花[65]、茶叶[65]、番薯[65]、花卉[66]等作物也有着不同程度的节肥增效的效果。

纳米炭能够提高传统肥料的利用率，促进农业生产的节肥增效的可能原因在于：一方面，添加细粒径的纳米炭能增加土壤的黏粒含量，改善土壤质地，且纳米炭具有极大比表面积，能提高土壤对养分元素的吸持力，从而有效控制养分因地上挥发、地表径流和深层渗漏的损失[67-69]。施用纳米炭增效尿素与普通尿素相比，可显著降低土壤总氮素径流流失量[60]。另一方面，纳米炭能够改善土壤的电化学性质，促进作物根系对土壤中养分的吸收，从而提高了肥料利用率，最终起到节肥增效的作用。

3 结论与展望

纳米炭材料由于其独特的结构和性质特点，目前已在不少工业领域得到广泛应用，而各类纳米炭材料能否应用于农业，并给农业发展带来新思路、新变革，逐渐成为近年来有关学者研究的新课题。农业生产关系到人类社会的粮食来源，纳米炭材料应用于农业生产之前需充分研究和评估对作物的影响以及沿食物链传递和放大的生态风险。

从已有的研究报道来看，各类纳米炭材料会对作物从种子萌发、幼苗生长、作物产量及品质、作物抗逆性以及农田肥料利用等各个方面产生不可忽视的影响。这些影响有的是消极、有害的，而有些是积极、有利的。总体上，纳米炭材料对作物的影响与作物种类、作物所处生长阶段、纳米炭材料的性质、浓度、作用方式以及外界环境条件等多种因素有关。研究纳米炭材料对作物的影响以及在农业上的应用是一个新兴领域，目前还有很多方面有待进一步研究：

1）纳米炭材料对作物生长产生有利或有害影响的规律和具体作用机理还不清楚，需要深入研究。例如，作物对各类纳米炭材料的具体耐受剂量；纳米炭材料的粒径、形貌、表面理化性质等对作物影响的规律和机制；纳米炭材料的作用方式（培养液用于种子萌发，作为肥料添加剂等）对作物影响的规律和机制；探究纳米炭材料对某些作物品质改善机理等。

2）研究纳米炭材料在作物体内的迁移和转化，弄清纳米炭材料在作物体内的“归趋”和“汇集”。充分研究和评估纳米炭材料在作物体内的累积效应和代际迁移风险，甚至可能随食物链、食物网传递在动物体内富集、放大等生态风险。

3）研究环境条件对纳米炭材料与作物相互作用的影响。例如，在不利自然环境下，纳米炭材料对作物抗逆性影响规律和机理；纳米炭材料与其他污染物（如重金属、有机类农药等）共存时对作物的复合影响及机制；因而需要充分考虑环境介质，尤其是根际特殊环境下的纳米炭材料对植物的作用效果，为纳米炭材料应用于农业生产提供重要且可靠的依据。

最后，纳米炭材料应用于农业之前，还需要广泛的农田试验研究对其积极效果进行充分验证。

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Review of effects of carbon nano-materials on crop growth

Qiao Jun1, Zhao Jianguo1※, Xie Qian2, Xing Baoyan1, Du Yaqin1, Qu Wenshan1, Wang Haiqing1

(1.037009,; 2.037009,)

Carbon nano-materials (CNMs) due to their unique structure and physicochemical properties are being used in the field of material science, energy, environmental remediation and medicine. As the production and application of CNMs continues to expand, CNMs will be inevitably discharged into the environment and generate unknown impacts on plants and crop species. Presently, more and more studies on CNMs are concentrated around their interactions and distribution within plants especially crops. In this paper, we review the literature about impacts on plant growth generated by four types of CNMs (carbon nanotube, fullerene, carbon nano-onions and graphene). Previous studies reveal that CNMs-exposed plants exhibit different response to stress, including seed germination, root and stem growth, biomass yields and nutritional quality. In some cases, CNMs are shown to be helpful in seed germination, root growth, photosynthesis and crop production, such as the use of fullerenes in bitter melon, the effect of graphene oxide on red bean germination, the growth promoters effects of carbon nano-onions for gram plants, the ability of carbon nanotubes to enhance growth in tobacco cells, increase the seed germination and growth of tomato plants and cause root enhancement in wheat plants. Further mechanisms investigation of CNMs on plants showed that the carbon nanotubes could increase the protein expression of water channel, as tracheal elements of the xylem vessels are responsible for water channel transport in plants, results in the overall enhanced growth of plants. While the CNMs are useful to increase the crop production and fruit manifold, but there are many other aspects, CNMs are known to be phytotoxic and harmful. Reports show that graphene significantly inhibited plant growth and biomass levels. It also decreased the number and size of leaves in a dose-dependent manner and caused oxidative stress-induced necrosis in cabbage, tomato and red spinach seeds during development. The transmission of CNMs to the next generation coming from the treated seeds has been reported, the fullerene (C70) aggregates were found in second-generation seedlings when the first generation was exposed only during germination. The ability of CNMs transmitted to the progeny suggests the potential that CNMs may present chronic exposure hazard to human and other receptors. According to the studies, the toxic effect of CNMs on plants seems to be related to the nano-materials’ concentration, the exposure time and the plant species used during the study. When nano-carbon was added to the fertilizer, nano-fertilizer was formed. Compared with the conventional fertilizer, the nanocarbon-synergistic fertilizer had the function of promoting the growth of the crops, nutrients content and fertilizer agronomic efficiency. The nano-synergistic fertilizer increased the rice yield of 10.3%, the spring maize of 10.9%-16.7%, the soybean of 28.8% and increased the soybean oil content of 13.2%. Nano-fertilizer also could improve the quality of the vegetables; the content of anthocyanin of summer radish was increased and the peel color turned prunosus. The amino acid content of celery treated with nano-synergistic fertilizer was shown to be 15.4%-70.0% higher than that with urea treatment. Compared to urea application alone, the nano-carbon fertilizer synergist was found to be able to improve N agronomic efficiency by 40.1% while minimizing N losses when added into urea. The mechanism of nano-synergistic fertilizer on crops showed that nano-carbon mixed with water became the superconductor, which increased the electric potential of soil and release large amounts of nutrient elements. However, it is still not fully understood how these actions induced by CNMs. Given the potential widespread application of nanotechnology in agriculture, resolution of this question remains a critical issue of concern. Importantly, more research is urgently needed in the area of CNMs-plant interactions; and with this fundamental knowledge, development of novel idea and guidance for implementation of CNMs in agriculture and food manufacturing will be possible.

crops; growth; nano-materials; quality; nano-carbon synergistic fertilizer

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022

S129; S19; S311

A

1002-6819(2017)-02-0162-09

2016-09-06

2016-12-23

山西省新兴产业领军人才资助项目；大同市科技攻关项目（201315，201422-1，201422-6，2015024，2016110）；大同市基础研究项目（2014105-7）；山西大同大学博士科研启动基金。

乔俊，男，山西大同人，博士，主要从事环境化学，污染生态学等的研究。大同 山西大同大学化学与环境工程学院，037009。 Email：qiaojun_nk@163.com

赵建国，男，山西天镇人，教授，博士生导师，主要从事功能纳米炭材料的制备及应用研究。大同 山西大同大学化学与环境工程学院，037009。Email：jgzhaoshi@163.com

乔 俊，赵建国，解 谦，邢宝岩，杜雅琴，屈文山，王海青. 纳米炭材料对作物生长影响的研究进展[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：162－170. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org

Qiao Jun, Zhao Jianguo, Xie Qian, Xing Baoyan, Du Yaqin, Qu Wenshan, Wang Haiqing. Review of effects of carbon nano-materials on crop growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 162－170. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.022 http://www.tcsae.org