氮掺杂碳纳米粒子施用对稻田氮素利用率与水稻产量的影响

胡伟+向建华+向言词+周练+陈燕

摘要 为明确氮掺杂碳纳米粒子（N-CNPs）在田间条件下对单季稻田氮素利用效率和水稻产量的影响，采用田间小区试验，对不同用量N-CNPs配施尿素时稻田氮素利用率和水稻产量进行研究。结果表明，配施N-CNPs能有效提升稻田氮肥利用率，1‰、5‰和15‰ N-CNPs用量处理氮肥利用率分别为37.28%、43.74%和35.84%，高于单施尿素处理的33.6%；配施5‰ N-CNPs较单施尿素处理水稻产量增加398.9 kg/hm2，增幅达4.78%，进一步提升N-CNPs用量至15‰，水稻产量反而较单施尿素处理降低2.76%。可见，田间条件下尿素配施5‰ N-CNPs能提升氮肥利用效率，实现增加水稻产量的目的。

关键词 水稻；氮掺杂碳纳米粒子；稻田；氮肥利用率；产量

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）17-0025-02

氮肥的施用在促进现代农业发展中发挥了重要作用，但较低的氮肥利用率造成了资源、能源的巨大浪费以及农产品和土壤、水体的重度污染。研究表明，施入田间的氮素除35%为作物吸收及13%无法统计外，其余均以各种途径损失殆尽[1]。通过氮肥增效剂的施用减缓NH4+-N向NO3--N转化，可实现氮肥利用效率的提高[2-3]。氮掺杂碳纳米粒子作为一种新型氮肥增效剂表现出了较好的效果，室内试验表明，氮掺杂碳纳米粒子（N-CNPs）具有较好的硝化抑制能力，可提升氮肥利用率；5‰剂量的N-CNPs能促进油菜苗期的生长和氮素的积累[4]。本试验通过田间试验进一步验证N-CNPs配施尿素对单季稻田氮肥利用率和产量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2016年5月至2016年11月在湖南省长沙县江背镇太平桥村（北纬28.12°，东经113.36°）进行。试验田所在区域年平均降水量在1 200～1 400 mm之间，年平均温度为17.2 ℃，无霜期274 d，年日照时数1 663 h，属于典型的亚热带湿润季风气候，土壤类型为河流冲积物发育而成的潮沙泥。试验前水稻田耕层（0～20 cm）土壤pH值为5.72（土∶水=1∶5）、有机质含量51.06 g/kg、全氮含量4.29 g/kg、铵态氮含量26.95 mg/kg、硝态氮含量6.35 mg/kg。

1.2 供试材料

氮掺杂碳纳米籽子（N-CNPs）由湖南科技大学物理学院提供，该材料以柠檬酸为原料，以氨水为溶剂和氮掺杂源，采用微波介电加热法制备，氮掺杂量为6.72%（at）。供试水稻品种为C两优608（湖南隆平选育）。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设5个处理，分别为不施氮肥（CK）；单施尿素（T1）；低量氮掺杂碳纳米粒子（纯氮量1‰）配施尿素（T2）；中量氮掺杂碳纳米粒子（纯氮量5‰）配施尿素（T3）；高量氮掺杂碳纳米粒子（纯氮量15‰）配施尿素（T4）。3次重复，小区面积30 m2（15 m×2 m），各小区四周间做高40 cm、宽30 cm田埂，覆以尼龙膜，以减少各区间互渗。小区种植密度株行距为20 cm×20 cm，每穴2～3株苗。除CK外，其他各处理氮肥用量（按纯N计）均为200 kg/hm2。所有处理P2O5、K2O施用量相同，分别为60、100 kg/hm2，参照当地常规方式施肥，磷肥作基肥一次性施入，氮肥、钾肥的40%作基肥，30%作分蘖肥，30%作穗肥。

1.4 试验实施

2016年5月12日育秧，6月5日施基肥移栽，6月25日追施分蘖肥，9月1日追施穗肥，灌溉和病虫草害防治及其他管理与当地生产一致。11月3日收获。

1.5 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 13.0软件对数据进行处理并作圖，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较（Duncan）对不同数据组间进行差异性比较（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮肥利用率

由表1可知，氮肥施用显著增加了水稻吸氮量，处理T1、T2、T3、T4分别较CK增加了67.21、74.57、87.48、71.69 kg/hm2。配施N-CNPs进一步提升了水稻吸氮水平，随着N-CNPs用量提升，水稻吸氮水平表现出先增后降的趋势，5‰ N-CNPs用量处理水稻吸氮量最高，达到172.94 kg/hm2，较单施尿素处理增加了20.27 kg/hm2。配施N-CNPs能有效提升稻田氮肥利用率，1‰、5‰和15‰ N-CNPs用量处理氮肥利用率分别为37.28%、43.74%和35.84%，均高于单施尿素处理的33.6%，将不同N-CNPs用量和氮肥利用率建立回归方程，得到回归方程为y=-0.185 6x2+2.904 5x+34.011（R2=0.991 3）。氮肥偏生产力数据同样表明，5‰ N-CNPs表现为最高，达到43.71 kg/kg，较单施尿素处理高出2.02 kg/kg，增幅为4.8%。

2.2 水稻农艺性状及产量

小区实割测产数据表明（表2），在不施肥的情况下，单季稻田产量仅为6 531.83 kg/hm2，显著低于施肥后各处理，适量配施N-CNPs能提高产量，处理T3配施5‰ N-CNPs时较处理T1（单施尿素）产量增加398.9 kg/hm2，增幅达4.78%，进一步提升N-CNPs用量至15‰（处理T4），水稻产量反而较处理T1降低2.66%。配施N-CNPs引起水稻成熟时各项农艺性状差异，不同用量N-CNPs配施尿素处理水稻株高、穗长和有效穗数等农艺性状与单施尿素处理（T1）相比没有显著差异；配施纯氮量1‰和5‰ N-CNPs处理千粒重分别为25.32 g和27.57 g，分别较单施尿素增加5.54%和14.92%，差异达到显著水平。配施纯氮量5‰N-CNPs处理结实率也达到84.88%，显著高于单施尿素处理的80.31%。高用量（15‰）N-CNPs引起水稻千粒重和结实率的降低，并最终导致产量低于单施尿素处理。

3 结论与讨论

已有研究表明[4]，N-CNPs能显著增加了土壤中NH4+-N含量，减少了NO3--N含量，提高作物有效吸收氮素时间和水平，显著提升氮肥利用率，其作用机理则可能与土壤氧化还原电位变化有关，长期淹水显著降低了土壤的氧化还原电位，引起稻田土壤NH4+-N降低和NO3--N的累积[5]，厌氧条件下较高的NO3--N加速了反硝化作用的进程，提升了N2O排放的风险，进一步降低了当季氮肥利用率。N-CNPs包含大量吡啶-N和吡咯-N结构，这类结构具备较强的电子吸附能力，从而导致与它邻近的 C原子表面形成正电荷，提高区域氧化还原电位，促进氧化还原反应的发生[6]，增加了稻田土壤NH4+-N含量和持续存在时间，最终提升氮肥利用效率。本试验结果表明，田间条件下配施纯氮量5‰的N-CNPs，当季水稻吸氮量较单施尿素增加了20.27 kg/hm2，验证了田间条件下N-CNPs的氮肥增效能力。从不同N-CNPs对水稻农艺性状及产量影响来看，N-CNPs的增产效果主要表现在增加了水稻千粒重和结实率，不同用量N-CNPs增产效果存在差异，1‰和5‰ N-CNPs能较好地增加水稻产量，而增加N-CNPs用量至15‰，水稻产量并没有同步增加，反而表现出下降趋势。如能改进N-CNPs施用方式，明确N-CNPs田间安全施用量，避免纳米材料的生物毒性，则更有利于为氮肥利用率的提高提供新的材料和新的技术，为深度开发纳米技术在农业领域的应用提供理论依据和技术支持[7]。

4 参考文献

[1] 朱兆良.中国土壤氮素研究[J].土壤学报，2008，45（5）：778-783.

[2] 李莉，李东坡，武志杰，等.脲酶/硝化抑制剂对尿素氮在白浆土中转化的影响[J].植物营养与肥料学报，2011，17（3）：646-650.

[3] 徐星凯，周礼恺，OSWALD V C.脲酶抑制剂/硝化抑制剂对土壤中尿素氮转化及形态分布的影响[J].土壤学报，2000，37（3）：339-345.

[4] 胡偉，杨玉兰，王燕.氮掺杂碳纳米粒子对土壤氮素转化及油菜苗期生长的影响[J].中国土壤与肥料，2016（4）：108-112.

[5] 刘若萱，贺纪正，张丽梅.稻田土壤不同水分条件下硝化/反硝化作用及其功能微生物的变化特征[J].环境科学，2014，1（11）：4275-4283.

[6] 张亭亭，何传生，黎琳波，等.氮掺杂纳米碳块的制备及氧还原的高电化学催化活性（英文）[J].催化学报，2016，37（8）：1275-1282.

[7] 杨新萍，赵方杰.植物对纳米颗粒的吸收、转运及毒性效应[J].环境科学，2013，34（11）：4495-4902.