金属有机框架(MOF)类新型肥料在水稻上的应用初探

吴 珂，杜昌文*，申亚珍，马 菲

（1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2 中国科学院大学现代农学院，北京 100049）

Robson等于1989年合成了一类由金属离子与有机配体相连接的无机-有机材料[1]，开辟了晶体材料领域的研究，此后Li等于1999年首次报道了一种具有三维结构的金属有机框架材料MOF-5[2]，金属有机框架材料(metal-organic framework，MOF)由此诞生。这类材料是以金属或金属簇为节点，有机物为连接体，通过配位方式自组装构成的具有一维、二维或三维周期性结构的晶体多孔材料，自2000年以来，MOF已逐渐成为化学和材料科学领域的研究热点之一。

MOF材料是由金属离子或离子簇与有机配体自组装而成，因此，理论上选择不同的金属离子和有机配体可以构建不同结构的材料，该材料的研究已实现分子层面的可控设计与合成，通过预先定向设计拓扑结构，充分利用不同有机配体在配位上的特定取向，可构建具有特定结构和功能的MOF材料。作为构成MOF的金属离子，不仅包括常见的过渡金属离子如Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+等，还包含碱土金属离子(Ca2+、Mg2+等)以及主族金属的碱离子(Li+、Na+、K+等)，或是前述离子的混合物。而合成MOF的配体也有很大拓展，有单独的含氮配体、多齿羧酸类配体、含氮杂环类配体(吡啶及咪唑)，甚至包括像磺酸和磷酸这样具有多功能的配体。MOF的合成方法有很多，传统的方法有水热合成法、溶液挥发法及气相扩散法等。随后，研究人员又开发出一些新的方法，如微波合成法、固相合成法及双相合成法等。此外，为了获得结构更为稳定以及孔径更大的MOF，一般在合成过程中还会使用结构导向剂[3]。胺类化合物，特别是二胺、二氨基丙烷和哌嗪是目前较为常用的结构导向剂[4-7]。通常结构导向剂会作为客体分子镶嵌在MOF框架内，而在某些情况下，也会完全或部分分解为更稳定的二级结构[8]。

相较于传统的无机或有机材料，MOF材料具有比表面积大[9]、孔隙率高[10]、构型多样[11]及结构可调控[12]等优点，已被广泛应用于气体储存与分离[13-14]、催化[15]、荧光探针[16-18]及药物载体[19]等领域。在农业领域，已有关于MOF材料应用于肥料的报道[20-21]，但仅限于室内盆栽试验的初步尝试，试验处理不完善，且并未进行田间试验研究，同时该MOF针对性不强，养分负载量低。基于MOF的可调控性，在设计合成MOF时，可根据作物对养分的需求从分子层面定向设计引入特定营养元素，可以是大量元素，也可以是中微量元素，甚至是大量与中微量元素混合的多元营养元素。因此，本研究以氯化铁和硫酸锌提供金属离子，磷酸和草酸为配体以及尿素为结构导向剂，在水热条件下合成了两个新型MOF材料化合物(MOF1和MOF2)，并作为新型肥料初步开展了大田应用研究，以期评估MOF材料作为一类新型肥料的应用潜力。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于中国科学院南京土壤研究所汤泉试验基地(北纬32°04′15″，东经118°28′21″)。试验时间为2018年6—10月。试验地土壤类型为水稻土，土壤基础理化性质为：pH 6.28、有机质22.3 g/kg、总氮1.31 g/kg、Olsen-P 15.4 mg/kg、NH4OAc-K 146 mg/kg。

1.2 MOF材料的合成

所用试剂为氯化铁(FeCl3·6H2O)、硫酸锌(ZnSO4·7H2O)、磷酸(H3PO4)、草酸(H2C2O4·2H2O)和尿素 [CO(NH2)2]，均为分析纯，购自南京荣华科学器材有限公司；试验用水为去离子水；高压反应釜(KCF-2)购自北京世纪森郞实验仪器有限公司。

MOF1：将0.25 mol氯化铁、1.5 mol磷酸、0.25 mol草酸、0.625 mol尿素溶于450 mL去离子水中，用玻璃棒搅拌均匀，将混合溶液转移到反应釜中，在100℃下水热反应24 h。所得产物用去离子水洗涤3次，60℃下烘干，然后过3 mm筛备用。

MOF2：将0.25 mol氯化铁、0.0625 mol硫酸锌、1.5 mol磷酸、0.25 mol草酸、0.75 mol尿素溶于450 mL去离子水中，混合均匀后倒入反应釜中，在100℃下反应24 h。同样，将所得产物洗涤、烘干及过筛。

MOF1和MOF2的产率及养分含量如表1。除MOF材料之外，试验所需的常规肥料分别为尿素(N 46%)、硫酸钾(K2O 52%)和过磷酸钙(P2O512%)；水稻品种为武运粳23。

1.3 试验设计

试验设4个处理：不施肥(CK)、常规施肥(CF)、新型肥料1(MOF1)和新型肥料2(MOF2)。施肥处理的施肥水平为N 150 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2；磷肥和钾肥作为基肥一次性施用；常规施肥处理中氮肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶2∶3分3次施用；新型肥料处理中，用MOF材料替代部分常规肥料(以替代10%氮为基准，MOF1处理同时替代磷65%、MOF2处理替代磷82%)。每个试验小区面积为12 m2(3 m×4 m)，每个处理3次重复。2018年6月12日人工扦插长势均一的水稻幼苗，行距25 cm，株距20 cm，试验过程中实施正常的田间管理。2018年10月22日收获，并现场测产。

1.4 测定项目与方法

成熟期时，选择1 m2的样方测定水稻农艺性状，包括千粒重、结实率、穗粒数和有效穗数；另从每个小区随机选择60株植株，烘干后分别测定植株茎、叶以及穗的生物量和全氮含量。植株样品用H2SO4-H2O2进行消煮，利用SmartChem200自动分析仪(Alliance，France)测定植株全氮含量。

在水稻分蘖、拔节、孕穗及成熟期，分别从每个试验小区多点随机采集土样，采样深度为0—20 cm，混匀后自然风干，然后进行相关指标测定。土壤铵态氮和硝态氮采用SmartChem200自动分析仪(Alliance，France)测定；有效磷、有效铁及有效锌含量采用ICP-OES(ICAP 7000，Thermo Fisher，USA)测定；pH采用Orion Star A211(Thermo Fisher，USA)酸度计进行测定(土∶水=1∶5)。

植物氮累积量(N kg/hm2)=地上生物量(kg/hm2)×植物氮含量(kg/kg)；氮素利用率(%)=(处理植株氮吸收量-CK植株氮吸收量)/施氮量×100。

1.5 数据统计及分析

采用Excel 2010对试验数据进行整理和统计，使用SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 MOF对水稻产量及相关农艺性状的影响

如表2所示，CF、MOF1和MOF2处理的水稻产量、穗粒数、千粒重、有效穗数及结实率显著高于对照CK，虽然CF、MOF1和MOF2处理之间的差异不明显，但与CF处理相比，MOF1和MOF2处理的产量分别增加了7.7%和6.3%，千粒重、穗粒数、有效穗数及结实率也均有增加。

施肥显著增加了水稻茎、叶和穗的干物质量和氮累积量(表3)。MOF1和MOF2处理水稻茎氮累积量显著高于CK和CF处理，而CF、MOF1和MOF2处理之间的叶和穗氮累积量差异不显著。然而，MOF1和MOF2处理的总氮累积量均显著高于CF处理，分别增加了10.1%和8.2%。相比CF处理，MOF1和MOF2处理的总干物质量分别增加了7.11%和3.90%；此外，CF处理的当季氮素利用率为32.8%，而MOF1和MOF2处理的氮素利用率分别达到46.4%和43.0%，表明施加MOF1和MOF2两种材料可明显提高当季氮肥利用率，减少氮素损失。

表1 MOF1和MOF2的产率及养分含量(%)Table 1 Yield and elemental compositions in MOF1 and MOF2

表2 MOF肥料对水稻产量和农艺性状的影响Table 2 Effects of MOFs on the yield and agronomic traits of rice

表3 MOF肥料对水稻干物质量、氮累积量及氮利用率的影响Table 3 Dry matter amount, N accumulation and utilization rate of rice as affected by MOF

2.2 MOF对土壤养分的影响

如图1所示，在拔节期和成熟期，MOF1和MOF2处理的土壤铵态氮含量显著高于CK和CF处理，而在孕穗期，CF处理的土壤铵态氮含量明显高于MOF1和MOF2处理，这主要是由追肥引起。在分蘖期和拔节期，各处理之间的土壤硝态氮含量差异不显著，而到了成熟期，MOF1和MOF2处理的土壤硝态氮含量显著高于CF处理，表明MOF1和MOF2能持续稳定的释放养分。此外，分蘖期和拔节期各处理的土壤硝态氮含量均处于较低水平，从孕穗期开始大幅增加。这是因为在早期生长阶段，稻田处于水淹状态，硝化作用被抑制，而后期稻田水量减少，土壤硝化作用增强，因此硝态氮含量显著增加。在拔节期和孕穗期，MOF1和MOF2处理的土壤中有效磷含量明显高于CF处理，但成熟期3个处理之间的差异不明显。在成熟期，MOF1和MOF2处理的土壤有效铁含量显著高于CF处理，而其他生育期3个处理之间的差异不显著。另外，成熟期各处理土壤有效铁含量明显低于其他生育期，主要是因为成熟期土壤含水量低且通气良好，氧化还原电位相对较高，土壤活性铁易被氧化，进而导致有效铁含量下降。此外，在整个生育期，各处理之间的土壤有效锌含量和pH均差异不明显。

图1 MOF1和MOF2对土壤养分的影响Fig.1 Effects of MOF1 and MOF2 on soil nutrients

3 讨论

本研究结果表明，通过施用MOF1和MOF2材料，可明显提高氮肥利用率，这可能是水稻增产增效的主要原因。Anstoetz等[20]研究发现草酸盐-磷酸-胺类MOF可显著提高养分利用率和小麦产量；Abdelhameed等[22]报道了铁基-MOF材料作为肥料的功效，发现该MOF能明显提高菜豆的生物量、叶绿素含量及酶活性。这些研究结果表明MOF材料具有应用于肥料的潜力。

目前使用的缓/控释肥料绝大多数为包膜类肥料，涂敷有机聚合物，如聚烯烃、二环戊二烯、聚苯乙烯、聚砜和甘油酯[23-24]，这些材料高昂的成本和复杂的生产工艺限制了其大规模应用[25]。此外，这类材料可能对土壤造成潜在的二次污染。相关研究表明，此类聚合材料在土壤中的累积不仅降低土壤肥力，还会在降解过程中释放有毒气体[26]。本研究中，我们选取的原材料环境友好，且合成反应是在较为温和的水热溶液中进行，工艺条件易于控制。因此，从环境友好性和合成工艺角度来看，MOF也具备应用于肥料的可行性。

MOF在小麦土壤中的降解行为表明，在整个小麦生长季MOF1降解了50.9%，且降解速率与土壤温度呈正相关关系[27]，MOF材料在土壤中的降解直接影响其养分的释放(图2～图5)。本研究中，合成MOF1和MOF2所用的有机配体为草酸。因而，这两种MOF材料的降解可能是由微生物介导的草酸盐-碳酸盐途径所驱动。草酸盐-碳酸盐途径是地球上生化碳循环的重要组成部分，该途径的实质是草酸盐转化为碳酸盐，通常是草酸钙经微生物作用转化为碳酸钙[28-29]。目前已知草酸盐细菌可以驱动该途径，这类细菌以草酸盐作为唯一碳源和能源。Aragno等[30]用富集的土壤溶液接种到含有草酸钙的琼脂平板上，由于草酸钙的溶解度较低，草酸钙改性的琼脂具有不透明的外观，因此，草酸钙颗粒周围的透明区表明存在可消耗草酸钙的细菌菌落，这意味着土壤中存在可以利用草酸盐的细菌。而Anstoetz[31]利用培养试验直接证实了草酸盐细菌不仅可以消耗草酸钙，还能利用草酸盐-磷酸盐-胺类MOF中的草酸盐，从而导致MOF结构的坍塌降解。

图2 MOF1和MOF2在稻田中的降解速率Fig.2 Degradation rates of MOF1 and MOF2 in paddy fields

图3 不同降解时期MOF1和MOF2的红外光声光谱Fig.3 The infrared photoacoustic spectra of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

图4 不同降解时期MOF1和MOF2的激光诱导击穿光谱Fig.4 The laser induced breakdown spectra of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

图5 不同降解时期MOF1和MOF2的扫描电子显微照片Fig.5 The scanning electron micrographs of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

4 结论

本研究中所合成的MOF1和MOF2可分别替代部分常规肥料应用于水稻，均可提高水稻产量和氮素利用率，改善水稻千粒重、穗粒数、有效穗数及结实率，也可不同程度增加土壤铵态氮、硝态氮、有效磷及有效铁含量。MOF环境友好，可实现多元化养分设计，为新型肥料的研发提供了新的思路，具有应用于肥料的潜力，但有关应用需要通过进一步的参数优化和试验验证。