石墨烯对土壤养分转化及玉米苗期根系生长的影响

王诗雅， 王欣怡， 刘莹， 胡慧颖， 孙海燕， 郭伟

（黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319）

玉米（Zea maysL.）是世界上最具潜力的粮饲兼用型作物，在保障粮食安全的同时可以缓解饲料短缺，因此占有重要地位[1]。土壤养分对提高玉米产量起着关键作用，但以往高施用量、高消耗的方式使玉米生产过度依赖化肥投入。化肥的大量施用一方面造成土壤养分结构失衡，物理性状变差；另一方面水溶性养分等物质通过雨水和农田灌水渗入到地下水及河流中，造成环境污染[2]。玉米是旱作区主要种植作物，地力瘠薄和干旱胁迫是其生产的主要限制因子，由于长期不合理耕种以及化学肥料的过量施用，导致土壤表层结构恶化、养分供应失衡等土壤肥力退化日益突出，严重影响了玉米产量的提高，并制约玉米产业的健康发展。因此，通过提高肥料利用率、施用缓/控释肥等方式是解决当前问题的主要途径之一，也是保障玉米产量和农田可持续发展的关键。

研究表明，在原有肥料基础上通过添加某种肥料增效剂促进作物生长是提高肥料利用率的新途径[3]。近年来，随着科技的发展，发现纳米碳材料作为一种高效、经济的材料，对土壤结构、元素迁移等方面具有一定影响，并在促进植物生长方面显示出巨大潜力[4]。研究表明，纳米碳具有体积小、表面积大、反应活性强等特性，施入土壤后不仅能增加土壤孔隙度和土壤持水性、提高土壤保肥性、减小土壤容重等[5]，还能促进植物对氮、磷、钾等元素的吸收，促进作物生长发育。石墨烯作为一种由碳原子以sp2杂化轨道构成的二维层状的新型纳米碳材料，具有极其优异的理化特性，在各领域具有广阔的应用前景[6]。石墨烯中的碳（C）原子间有大量的疏水性sp2团簇，而碳氧键（CO）间存在大量的亲水性sp3团簇，sp3和C-O 键可将水分子聚集在其表面，而sp2团簇会进一步排斥水分子使其向根系或种子迁移，从而促进种子萌发[7]。而石墨烯对种子萌发的影响与石墨烯类型、含量水平和植物种类有关。王晓静等[8]研究指出，20%氧化石墨烯处理高羊茅（Festuca elataKengexE. Alexeev）种子，其萌发率提高6.3%。氧化石墨烯用量在50～150 mg·L-1时，紫穗槐（Amorpha fruticoseLinn.）种子的萌发率分别提高14.0%～23.3%；而当用量为250 mg·L-1时，则抑制种子萌发[9]。姚建忠等[10]研究表明，适宜水平石墨烯溶液能够促进欧洲山杨（Populus tremulaL.）组培苗植株的不定根伸长、主根形成及不定根数量的增加。胡晓飞等[11]研究表明，2 mg·L-1的石墨烯溶液可促进树莓（Rubus corchorifoliusL.）组培苗幼苗的根长、比表面积、根尖数与分叉数显著增加。

目前，关于石墨烯对土壤养分转化、植物养分吸收及生长发育影响的研究鲜有报道。玉米是一种根系形态属性极强的植物，当其根系遇到养分斑块后往往能在短时间内成倍地增生侧根，从而有效促进地上部的生长，而土壤肥力低的地块则会限制玉米生长[12]。因此，本研究以石墨烯为主要材料，探究石墨烯对土壤及玉米的养分转化、吸收利用及对玉米根系生长发育的影响，以期为石墨烯在农业上的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用玉米品种为郑单958。石墨烯材料购于郑州市二七区顺诚化工产品商行，为黑色蓬松粉末。其中单层石墨烯片层直径为0.5～10 µm；少层石墨烯片层直径为10～20 µm，平均厚度均为1～3 nm。试验用土壤取自黑龙江省密山市黑龙江八一农垦大学农业科研所（131.8754°N，46.5936°E）。

1.2 试验设计

试验分别于2021 年6—8 月和10—12 月在黑龙江八一农垦大学农学院温室内进行，采用上口径15 cm、高13 cm 的塑料育苗钵进行盆栽试验，每盆装土1.5 kg。分别添加单层石墨烯（TS）和少层石墨烯（TF），并设置0（CK）、25（TS1和TF1）、50（TS2 和TF2）、100（TS3 和TF3）和150 g·kg-1（TS4和TF4）共5 种不同用量水平，共计9 个处理，将石墨烯与土壤均匀混合。挑选饱满、健康的玉米种子，用10% NaClO 消毒15 min 后，蒸馏水冲洗3 遍，将残留的NaClO 彻底洗净，于30 ℃、黑暗条件下用清水浸种、催芽24 h。于播种前1 d用清水将盆内基质浇透，取长势一致的种子点播于盆中，每盆均匀播种4 粒，出苗后定苗2 株。4 盆为1 个处理。待玉米生长至3叶1心期，进行植株和土壤的取样，植株叶片样品用液氮速冻30 min后，置于-40 ℃冰箱保存待测。

1.3 测定项目及方法

用直径3 cm 土钻距植株5 cm 处取0—10 cm土层土壤样品，每盆取3 点，将其混匀后自然风干，过1 mm筛室内常温保存。土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用中性NH4Ac 浸提-火焰光度比色法测定[13]。土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[14]。

每处理取3 株完整的植株，将地上部与根系分开，测量根长和根系鲜重、地上部鲜重，并采用排水法测定根系体积。测量后将地上部和根系装入纸袋，置于烘箱中，105 ℃杀青30 min，在80 ℃烘干至恒重，测定其干物质量。

采用羟胺氧化法[15]测定超氧阴离子（superoxide anion production rate，O·-2）产生速率，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量，采用氮蓝四唑（nitrotetrazolium blue chloride，NBT）法测定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶（peroxidase，POD）活性，采用分解过氧化氢含量速率法测定过氧化氢酶（catalase，CAT）活性，具体操作规程按李合生[16]的方法进行。参考Yun 等[17]方法测定抗坏血酸过氧化物酶（aseorbateperoxidase，APX）活性。参考Tan等[18]方法测定还原型抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）和还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）含量，采用考马斯亮蓝G-250染色法[19]测定可溶性蛋白含量，采用茚三酮比色法[16]测定脯氨酸含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2013 整理数据，通过SPSS 25.0 软件进行数据的统计分析，采用GraphPad Prism 8和Origin 2021进行绘图。

2 结果与分析

2.1 施用石墨烯对土壤养分和土壤酶活性的影响

随石墨烯施入量的增加，土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量逐渐增加（图1），且均高于对照，其中土壤有效磷的增幅最大；同时，相同用量下，少层石墨烯处理的土壤速效养分含量高于单层石墨烯。TS1 和TF1 处理与CK 差异不显著。TS4 处理的碱解氮、有效磷和速效钾含量较CK 分别显著增加21.85%、76.56%和30.69%；TF4处理较CK 分别显著增加23.05%、82.16%和47.20%。TS4 与TS3 处理、TF4 与TF3 处理间养分含量差异不显著。因此，在本研究条件下TF4 处理的土壤速效养分含量较高。

图1 不同处理下的土壤速效养分含量Fig. 1 Contents of available nutrients under soil under different treatments

施用石墨烯对土壤酶活性的影响如图2 所示。添加单层石墨烯后土壤蔗糖酶活性降低，并随施用量增加呈逐渐降低趋势，TS2、TS3 和TS4处理较CK 分别显著降低4.29%、5.34%和7.51%。低水平少层石墨烯TF1 和TF2 处理可增加土壤蔗糖酶活性，分别较CK 增加3.73%和6.67%，但差异不显著；随少层石墨烯用量的增加，土壤蔗糖酶活性逐渐降低，TF3 和TF4 处理较CK 分别显著降低5.14%和5.78%，但降幅小于单层石墨烯处理。石墨烯显著增强了土壤脲酶活性，随石墨烯施入量的增加土壤脲酶活性先升高后降低，且少层石墨烯处理的效果优于单层石墨烯，其中，TF2 处理的酶活性最高，较CK显著增加21.26%。

2.2 石墨烯对根系生长的影响

由表1 可知，施用石墨烯促进了根系生长，随着石墨烯用量的增加，根系鲜重和干重均先增加后降低，但均高于CK。单层石墨烯TS2 处理的根系质量最大，而少层石墨烯为TF3处理最大；高水平的少层石墨烯对根系的促生作用大于单层石墨烯。各石墨烯处理中，TS1和TS2处理的根系鲜重较CK 分别显著增加16.19%和26.48%；TF1～TF4处理的根系鲜重较CK 显著增加12.89%～42.18%；而TS1、TS2 和TS3 处理的根系干重较CK分别显著增加32.62%、59.26%和14.70%；TF1、TF2 和TF3 处理的根系干重较CK 分别显著增加33.81%、42.17%和15.89%。综合分析，TF2 处理更有利于根系发育，其次为TS2处理。

表1 不同处理下的玉米根系鲜重、干重签和根长Table 1 Fresh weight， dry weight and root length of maize root under different treatments

施用石墨烯促进了玉米幼苗根系的伸长，且随着石墨烯施用量的增加根长呈单峰曲线，少层石墨烯对根长的影响大于单层石墨烯，其中TS2和TF2 处理的根长最长，分别较CK 显著增加6.61%和8.79%。同时，石墨烯处理还增加了玉米的根体积，与CK 相比，TS1、TS2 和TS3 处理分别增加20.50%、41.58%和20.06%，其中，TS2 处理与CK 差异显著；TF2、TF3 和TF4 处理较CK 分别显著增加19.03%、25.92%和15.23%。

与CK 相比，TS1 和TS2 处理显著增加了玉米植株部地上的鲜重和干重，说明施入低水平的单层石墨烯对植株的生长发育具有促进作用；而TS3和TS4处理的鲜重和干重略有降低，但未达到显著水平。少层石墨烯处理的植株鲜重、干重均高于CK，且均随石墨烯用量的增加呈先增后降的趋势，在TF3处理时最高。总体来说，高水平时少层石墨烯处理对植株的促生作用大于单层石墨烯。

2.3 石墨烯对根系抗氧化的影响

由图3 可知，低水平的石墨烯对玉米根系O·-2产生速率无显著影响；随着施入量的增加，根系O·-2产生速率逐渐增加。其中，单层石墨烯TS3和TS4处理较CK 分别显著增加44.75%和58.20%；少层石墨烯TF4 处理显著增加了29.54%。由此表明，少层石墨烯对根系O·-2产生速率的影响小于单层石墨烯。

图3 不同处理下的根系O· -2 产生速率Fig. 3 Root O· -2 production rates under different treatments

图4 不同处理下的根系MDA含量Fig. 4 MDA content of roots under different treatments

石墨烯对根系MDA 含量的影响与对O·-2产生速率的影响相似，即低水平石墨烯处理根系的MDA 含量与CK 无显著差异；高水平石墨烯处理导致MDA 含量显著增加。其中，单层石墨烯TS3、TS4处理和少层石墨烯TF4处理的MDA含量较CK 分别显著增加26.86%、54.87%和32.45%。由此可见，单层石墨烯引起的膜脂过氧化程度更加强烈。

石墨烯的施用提高了玉米幼苗抗氧化酶活性，但当施用量超过100 g·kg-1时抗氧化酶活性出现不同程度的降低，酶活性最高的分别为单层石墨烯TS2 处理和少层石墨烯TF2 处理（图5）。单层石墨烯TS3 和TS4 处理的SOD 活性较CK 分别显著降低11.03%和23.54%；少层石墨烯TF4处理显著降低了12.94%。TS1～TS3处理的POD和CAT活性较CK 分别显著提高10.53%~32.09% 和60.91%~142.95%；TS2 处理的APX 活性较CK 显著增加27.98%；TF1～TF3处理的POD、CAT和APX活性则分别显著提高10.53%～32.09%、125.50%～414.58%和25.20%～64.44%；TS4 和TF4 处理的抗氧化酶活性显著低于CK，且相同水平下少层石墨烯处理的酶活性均高于单层石墨烯。

图5 不同处理下的根系抗氧化酶活性Fig. 5 Antioxidant enzyme activities of roots under different treatments

2.4 石墨烯对根系非酶抗氧化物质的影响

由图6 可知，随着石墨烯施入量的增加，玉米根系AsA 含量呈先升高后降低趋势；且相同水平下，少层石墨烯处理的AsA含量大于单层石墨烯。其中，单层石墨烯TS1~TS3 处理的AsA 含量与CK间无显著差异；TS4 处理较CK 显著降低15.69%；TF2 和TF3 处理较CK 分别显著增加33.52%和20.59%。玉米根系GSH 含量随石墨烯施用量的增加呈单峰曲线变化，分别在TS3 和TF2 处理达到峰值。单层石墨烯处理中仅TS3处理的GSH含量较CK 显著增加28.39%，其他处理与CK 差异不显著；少层石墨烯TF2 处理的GSH 含量较CK 显著增加21.17%。由此可知，少层石墨烯处理较单层石墨烯处理更有利于根系非酶抗氧化物质的积累。

图6 不同处理下根系的非酶抗氧化物质含量Fig. 6 Non-enzymatic antioxidant content of roots under different treatments

2.5 石墨烯对根系渗透调节物质的影响

由图7 可知，施用石墨烯增加了根系可溶性蛋白和脯氨酸含量；且随着石墨烯施入量的增加，可溶性蛋白和脯氨酸含量先增加后降低。其中，TS2 和TS3 处理的可溶性蛋白含量较CK 分别显著增加27.40%和39.98%；TS1、TS2 和TS3 处理的脯氨酸含量较CK 分别显著增加41.45%、54.53%和13.74%。少层石墨烯TF2处理的可溶性糖和脯氨酸含量较CK 分别显著增加43.17%和68.11%。同时，TF1、TF2处理的可溶性糖和脯氨酸含量则分别显著增加22.04%、15.63%和20.02%、27.47%。总体而言，少层石墨烯处理的渗透调节物质含量高于单层石墨烯处理。

图7 不同处理下的根系碳水化合物含量Fig. 7 Carbohydrate content of roots under different treatments

2.6 相关性分析

分析各指标间的相关性，结果如图8 所示。石墨烯与土壤速效养分含量呈显著正相关（相关系数均大于0.9），与土壤酶活性间相关不显著；土壤脲酶活性与土壤碱解氮含量呈显著正相关。可见，施用石墨烯活化了土壤养分，进而诱导脲酶活性提高。石墨烯用量与O·-2产生速率和MDA 含量呈显著正相关，与抗氧化酶活性呈显著负相关；且O·-2产生速率、MDA 含量与抗氧化酶活性、非酶抗氧化物质含量、渗透调节物质含量呈显著负相关。由此表明，高水平石墨烯导致根系O·-2积累、抗氧化酶失活，最终使膜脂过氧化程度加剧；而低水平石墨烯对根系质膜透性的影响不明显。

图8 石墨烯处理下各指标间相关性分析Fig. 8 Correlation analysis among the indicators of graphene treatments

石墨烯与根系生长间无显著相关性；根长、根干重、根体积、地上部鲜重和干重、抗氧化系统、渗透调节物质显著正相关，与O·-2产生速率、MDA含量呈显著负相关；根鲜重与土壤速效养分含量、抗氧化活性、渗透调节物质含量呈显著正相关，与O·-2产生速率、MDA 含量相关不显著。由此表明，施用石墨烯加强了地上部光合产物的合成及向根系的分配，增强了根系抗氧化能力和渗透调节能力，进而间接促进了根系的生长与物质积累。

3 讨论

3.1 石墨烯对土壤性状的影响

石墨烯是一种新型纳米碳材料，因其具有特殊的理化性质，作为土壤改良剂配施肥料后对土壤养分会产生一定的影响。石墨烯表面积大，对养分离子有较强的吸附作用，能增强土壤对养分的持留作用，减少养分随灌溉、降水等的淋溶损失[20]。赵楚等[21]研究表明，纳米碳施入土壤中可增强土壤对水分的吸持能力，进而抑制硝态氮随水淋失，同时，纳米碳还会因其自身表面积大等特点吸附NH+4，减少肥料中氮素的挥发。范立春等[3]研究指出，与常规施肥相比，施用纳米碳处理的钾肥利用率均高于常规施肥处理。胡梓超[22]研究指出，纳米碳施入土壤中可吸附土壤中的有效磷，同时还胶结大量吸附着磷素的土壤颗粒，进一步稳固磷素在相应土层深度的留存。本研究也得出相似结论，随石墨烯施入量的增加，土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈上升趋势，说明土壤中施入单层或少层石墨烯均可提高土壤对养分的固持能力。这可能是由于土壤中施入纳米碳后其遇水可变成超导体，进而提高土壤的点位差和离子游离动力，加速土壤溶液中离子的传导。纳米碳在土壤中吸附阳离子[23]，形成以纳米碳为胶核的新胶体颗粒[22]，促进土壤微团聚体重组并释放土壤养分，进一步增强植株对土壤养分吸收的激发或诱导效应，从而提高养分利用效率[3]。本研究还发现，少层石墨烯对速效养分的增幅大于单层石墨烯，因此，推测少层石墨烯相对于单层石墨烯可能具有较大的表面效应，可吸附更多的养分，并形成更多的胶核结构，提高对养分的固持能力，进而减少养分的流失。

土壤酶活性是土壤生态系统中极为重要的组成部分，与土壤肥力的演变和形成息息相关[5]。同时，土壤酶作为土壤代谢的主要动力，反映了土壤中生化反应的强度和方向，是衡量土壤质量变化的敏感性指标[24]。纳米碳材料是一种无机物质，可通过调节土壤微环境进而起到激活土壤酶活性的作用[25-26]。本试验结果表明，随着单层石墨烯用量增加，土壤蔗糖酶活性呈逐渐降低趋势，这可能是由于纳米碳对土壤养分和土壤酶均有较强的吸附能力，两者产生竞争，进而降低土壤酶活性在纳米碳材料上的吸附量，导致蔗糖酶活性降低[27]。而低水平少层石墨烯能促进蔗糖酶活性，这可能是由于少层石墨烯是以堆垛形式构成，较单层石墨烯有更多孔隙，可以吸附较多的土壤酶，进而提高蔗糖酶活性；而随着石墨烯施用量的增加酶活性逐渐降低，这也说明土壤养分可能占据了更多的孔隙，导致酶活性降低，与前人研究结果一致。土壤脲酶对提高土壤氮素利用率及促进土壤氮素循环具有重要作用[5,28]。研究表明，土壤中添加纳米碳对脲酶活性表现为低水平促进、高水平抑制，且脲酶活性与土壤微生物数量、有机物质含量等呈正相关，碳源的加入可增加土壤的生物活性，继而提高脲酶活性[29]。本研究发现，施入石墨烯能有效增强土壤脲酶活性，且少层石墨烯的效果优于单层石墨烯。土壤酶活性的高低取决于土壤养分含量[30]。相关性分析表明，石墨烯与土壤速效养分间呈显著正相关，与土壤酶活相关不显著，说明石墨烯可直接影响土壤中速效养分的转化，改善土壤质量，其多孔特性也为微生物创造了良好的栖息环境；同时，土壤脲酶活性与土壤速效养分含量呈显著正相关，而蔗糖酶活性与碱解氮、有效磷和速效钾含量呈显著负相关，表明土壤碱解氮、有效磷和速效钾等肥力因素主要影响脲酶活性，由此证明脲酶活性的大小可反映土壤肥力水平的高低；脲酶活性与碱解氮含量呈极显著正相关，与有效磷和速效钾含量呈显著正相关，说明碱解氮含量是影响脲酶活性的主要因素。

3.2 石墨烯对玉米植株生长发育的影响

根系作为作物吸收养分、水分和合成某些内源激素的重要器官，其发育状况与地上部器官的形态建成和产量密切相关[31]。目前，石墨烯材料与植物的相互作用已经被广泛研究，但不同石墨烯材料的物理化学性质存在差异，因此对植物生长的效应也有所不同[32-33]。石墨烯材料对植物生长具有抑制作用，且随石墨烯施用量和暴露时间的增加毒性也随之增强[34]。赵琳等[33]研究表明，氧化石墨烯能抑制玉米幼苗根系生长，并降低根冠比；随着施用量的增加，根部形态发生变化，且出现明显的结构性损伤。本研究与上述结论不同，单层和少层石墨烯均能够明显促进玉米根系生长，且根鲜重、干重和根长均有所增加，这与常海伟等[35]研究磺化石墨烯对小麦根系生长影响的结果一致，适量施用磺化石墨烯能显著促进小麦根系生长，增加根冠比，但随着施用量的增加促进作用逐渐减弱。Liu 等[36]也发现，低水平石墨烯能促进水稻地下部分鲜重和干重的积累。低水平石墨烯对根系生长具有促进作用，这可能是因为少量石墨烯可以富集在根系表面，充当离子传输通道，被富集的养分可以传输至根部并被根系吸收，提高根系对养分的吸收速率[37]；而当石墨烯水平过高时，过量的石墨烯包覆于根系表面，反而阻挡了养分传输，抑制了根系的生长，因此出现根系鲜、干重和根长降低的现象。根生物量和根体积是表征根系生长发育的重要指标。本研究中根体积的变化趋势与根系鲜、干重一致，由于本研究中未测定根粗和根条数等指标，但根据前人试验结果推测，根体积的增加与根条数有关，这可能是由于添加石墨烯改善了土壤中速效养分的转化，增加了玉米的根条数，侧根的大量发生可以增加根表面积和根体积，从而有利于植物对水分和营养元素的吸收[38]，进而提高根系的鲜、干重。低水平石墨烯促进植株地上部生长，高水平石墨烯则抑制植株地上部生长，这与刘顿等[9]研究结果相似。这可能是因为石墨烯增加了株高，并加强叶片的光合作用，从而促进植株生长；另外石墨烯施入土壤后，其含氧官能团以电荷吸引方式吸附土壤中的阳离子，间接为植物提供了营养物质，从而促进植物生长发育[7]。相关性分析表明，玉米根系鲜、干重与土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量呈正相关；而玉米根长与土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量呈负相关，说明土壤养分直接影响根系的鲜、干重；玉米地上部鲜重和干重与根系鲜重和干重、根长、根体积呈显著正相关，说明根系的生长直接影响地上部生长发育。

3.3 石墨烯对玉米根系生理指标的影响

研究表明，当石墨烯水平较低时，可通过根毛运输至根毛细胞和根薄壁组织细胞中；当石墨烯水平过高时，纳米材料会对植物产生毒性效应，导致根细胞受损[39-40]，表现为诱导植物产生过量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），引起氧化胁迫和膜脂过氧化、蛋白质和核糖核酸等氧化损伤，使细胞膜受损，最终导致细胞死亡[33,41-42]。本研究结果表明，低水平的石墨烯未影响O·-2产生速率和MDA 含量；而随着石墨烯施用量的增加，单层石墨烯TS3、TS4 处理和少层石墨烯TF4 处理的O·-2产生速率和MDA 含量均显著增加，说明单层石墨烯用量在100 和150 g·kg-1、少层石墨烯用量在150 g·kg-1（TF4）时对玉米根系生长有抑制作用。这可能是由于石墨烯具有较锋利的边缘，过多的石墨烯聚集在根系表面会对植物根部产生物理切割损伤，导致生物体内氧自由基过量积累，产生过量的ROS、O·-2和H2O2等[34]。植物自身具有解毒能力，产生的ROS、MDA 可通抗氧化酶进行清除。植物中主要的抗氧化酶包括SOD、POD、CAT和APX 等。其中，SOD 是清除ROS 的第一道防线，催化O·-2生成H2O2和H2O，以减少损害细胞的自由基水平[43]。POD 在植物生长发育、体内代谢以及植物对外部环境的适应性方面发挥重要作用。CAT 是去除H2O2的主要酶之一，可维持ROS代谢平衡，减轻氧化损伤[44]。APX 可与其他抗氧化物质共同作用清除ROS，维持细胞膜稳定性[45]。本研究表明，与CK 相比，石墨烯施用量为25 和50 g·kg-1时，可提高SOD、POD、CAT 和APX 活性；随着石墨烯施用量的增加，当施用量为150 g·kg-1时，上述酶活性显著降低。这可能是由于在高水平石墨烯条件下，根系表面富集过多的石墨烯，导致细胞膜受损，并产生应激反应，而随着O·-2、MDA含量的增加，抗氧化系统被破坏，酶活性逐渐降低，这与Li等[40]研究结果相符。AsA 和GSH 是重要的非酶抗氧化剂，是清除氧自由基的重要组成物质[46]。本研究表明，单层石墨烯TS2（50 g·kg-1）处理提高了AsA 含量，TS2（50 g·kg-1）和TS3（100 g·kg-1）处理提高了GSH 含量；少层石墨烯TF2（50 g·kg-1）和TF3（100 g·kg-1）处理均提高了AsA 和GSH 含量；而当石墨烯施用量为150 g·kg-1（TS4 和TF4）时，AsA 和GSH 含量均有所降低，进一步说明，适量石墨烯处理可促进根系非酶抗氧化剂含量的提高，进而抑制O·-2和MDA 的积累；而进一步增加石墨烯施用量，会使膜系统受损，O·-2和MDA 的过量积累，导致非酶抗氧化剂含量降低。根系中可溶性蛋白含量的增加是根系活力增强的基础[47]，脯氨酸是蛋白质的组分之一，以游离态广泛存在于植物体中，可溶性蛋白和脯氨酸可作为植物细胞质内渗透调节物质，在稳定生物大分子结构、维持细胞内外渗透平衡、保障植物组织酶系统和膜结构的正常功能上起重要作用[48-49]。研究表明，适宜水平的纳米碳溶胶使根系可溶性蛋白含量增加，但随其水平的增加可溶性蛋白含量呈降低趋势[50]，这与本研究结果一致。本研究中，可溶性蛋白含量随单层和少层石墨烯施用量的增加呈先升高后降低趋势，脯氨酸变化趋势与可溶性蛋白含量趋势相同，说明低水平石墨烯有助于维持根系细胞正常状态，进而保证根系生理生化代谢活动的正常进行，随石墨烯施用量的进一步增加，膜脂过氧化物过量积累，渗透调节物质含量的增加不足以维持细胞膜的稳定性，使细胞生长受到抑制、酶活性降低，进而导致根系生长受到抑制。

综上，适量施用石墨烯能活化土壤养分，提高了土壤速效养分含量，进而增强植物根系抗氧化能力和渗透调节能力，促进根系生长与干物质积累；但施用量超过100 g·kg-1时会引起根系不同程度的氧化损伤和质膜透性加剧。相同施用量时，少层石墨烯对玉米苗期土壤养分转化及幼苗生长的正向效应优于单层石墨烯，且单层石墨烯较少层石墨烯成本更高，因此，在常规施肥基础上添加50 g·kg-1少层石墨烯有利于玉米壮苗的形成。