納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH和養(yǎng)分含量的影響①

梁太波，趙振杰，王寶林，張仕祥，李玉磊，張艷玲，尹啟生*

(1 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；2 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450000)

納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH和養(yǎng)分含量的影響①

梁太波1，趙振杰1，王寶林2，張仕祥1，李玉磊1，張艷玲1，尹啟生1*

(1 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；2 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450000)

采用土柱淋洗試驗(yàn)和土盆試驗(yàn)，研究了濃度分別為10、20和40 mg/L的納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH、EC值和速效養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明：納米碳溶膠能夠明顯降低堿性土壤pH和EC值，最大降低幅度分別達(dá)到0.49個(gè)單位和0.14 mS/cm，且納米碳溶膠濃度越高，降低效果越明顯。納米碳溶膠能夠明顯增加0 ～ 80 cm各土層硝態(tài)氮含量，3個(gè)處理平均增幅分別達(dá)到21.99%、27.34% 和25.57%；但對(duì)銨態(tài)氮含量影響較小。納米碳溶膠淋洗可提高各土層中有效磷含量，但不同濃度納米碳溶膠在不同土層中表現(xiàn)效果不同，3個(gè)處理有效磷含量平均增加10.10%、13.72%和12.30%。納米碳溶膠對(duì)土壤鉀素有較好的活化效果，各土層速效鉀含量均有明顯增加，3個(gè)處理平均增幅分別達(dá)到6.62%、12.54% 和13.18%。上述結(jié)果表明納米碳溶膠能夠明顯降低堿性土壤pH和EC值，提高速效養(yǎng)分含量，對(duì)堿性土壤有較好的改良效果。

納米碳溶膠；堿性土壤；pH；電導(dǎo)；養(yǎng)分含量

目前我國(guó)鹽堿土地面積約為3 600萬hm2，堿性土壤由于pH高，結(jié)構(gòu)性差和通透性差，土壤緩沖性能差等各種因素，是主要低產(chǎn)土壤之一[1]。研究表明，土壤處于堿性狀態(tài)時(shí)，會(huì)影響磷、鉀、鈣的有效性，造成一些微量元素的流失，誘發(fā)作物各類病癥[2-4]。如何改良?jí)A性土壤是一個(gè)亟待解決的重要問題。

納米碳溶膠為一種納米級(jí)材料，利用電解石墨制備而成。當(dāng)石墨粒子處于納米尺度時(shí)，表現(xiàn)出許多常規(guī)尺寸石墨材料所不具有的性能。已有研究表明，納米碳溶膠在蔬菜、煙草、小麥、玉米等作物上均展現(xiàn)出節(jié)肥增產(chǎn)效果[5-9]。碳納米材料還可以提高肥料利用率，改善土壤狀況[10-11]，有效降低重金屬的活性，改良污染土壤[12-15]。但迄今為止，關(guān)于納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH及養(yǎng)分含量的影響鮮見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)采用土柱淋洗及土盆試驗(yàn)的方法，研究納米碳溶膠對(duì)堿性土壤的影響，以期為納米碳溶膠的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

納米碳溶膠：采用通電電解雙石墨電極板制成，由北京奈艾斯新材料科技有限公司提供，納米碳粒子粒徑：10 ～ 100 nm，見圖1。

圖1 納米碳溶膠電鏡圖Fig. 1 Electron micrograph of nano carbon sol

供試土壤：河南煙區(qū)的褐土(干潤(rùn)雛形土)，基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土柱試驗(yàn) 試驗(yàn)于2015年10月進(jìn)行。室內(nèi)模擬土柱置于內(nèi)徑10 cm、高100 cm的PVC圓柱管內(nèi)。在PVC管底部用兩層紗布對(duì)管口進(jìn)行包裹，兩層紗布中間放2張濾紙，在保證土壤不露出的同時(shí)，以達(dá)到過濾的目的。每個(gè)土柱裝土9.5 kg，下端接一漏斗收集淋洗液。

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，納米碳溶膠濃度分別為0(CK)、10 mg/L(T1)、20 mg/L(T2)、40 mg/L(T3)，3次重復(fù)。土壤裝柱后加去離子水2.5 L平衡72 h，然后用500 ml不同濃度納米碳溶膠淋洗，6 h后淋洗結(jié)束，收集淋洗液，測(cè)定其pH、EC值。每4 d淋洗1次，共淋洗4次。全部淋洗完成后，將土壤按照0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80 cm不同層次分離，風(fēng)干，磨細(xì)，過2 mm篩后，測(cè)定不同土層中速效氮磷鉀的含量。

1.2.2 土盆試驗(yàn) 納米碳溶膠濃度設(shè)置同土柱試驗(yàn)，PVC盆上口徑為30 cm，高40 cm，下部口徑為28 cm，盆中裝土9.5 kg。試驗(yàn)前，先用2.5 L去離子水平衡72 h，然后加入500 ml淋洗液處理，3 h即完成淋洗；隔7 d再淋洗1次，共淋洗2次。每天定時(shí)測(cè)定土壤pH及EC值。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮用氯化鉀溶液浸提，有效磷用碳酸氫鈉溶液浸提，浸提液中氮和磷均用間斷化學(xué)分析儀測(cè)定；土壤速效鉀用醋酸銨浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定[16]。用土壤原位pH計(jì)及土壤原位鹽度計(jì)對(duì)土壤pH和EC值實(shí)時(shí)測(cè)定，探頭深度10 cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

用Microsoft Excel 2013和SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖，差異顯著性檢驗(yàn)水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米碳溶膠對(duì)土壤pH和EC值的影響

2.1.1 土盆淋洗試驗(yàn) 圖2表明，納米碳溶膠對(duì)土壤pH有明顯的降低作用。在淋洗初期，土壤pH隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。與CK相比，納米碳溶膠能夠明顯降低土壤pH，且隨著納米碳溶膠濃度的增加，其降低土壤pH的效果越好，T3處理最大降幅達(dá)到0.49個(gè)單位。在淋洗后期，土壤的pH逐漸上升，這可能與土壤的緩沖能力有關(guān)。但經(jīng)納米碳溶膠處理后的土壤，pH回升后仍明顯低于初始值，可見納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH具有較好的調(diào)節(jié)作用。

納米碳溶膠對(duì)土壤EC值的影響如圖3所示。經(jīng)過淋洗后，土壤EC值先降低后逐漸趨于穩(wěn)定，變化幅度相對(duì)較小。與CK相比，納米碳溶膠對(duì)土壤EC值有明顯的降低作用，且隨濃度的增加，降低作用增強(qiáng)，相差最大時(shí)達(dá)到0.14 mS。表明在一定范圍內(nèi)，納米碳溶膠濃度越高降低EC值的效果越明顯。

圖2 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤pH的影響Fig. 2 Effects of different concentrations of nano carbon sols on soil pH

圖3 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤EC值的影響Fig. 3 Effects of different concentrations of nano carbon sols on soil EC

2.1.2 土柱淋洗試驗(yàn) 由圖4可知，隨著淋洗次數(shù)的增加，淋洗液的pH呈先上升后降低的趨勢(shì)。在淋洗初期，土壤堿性物質(zhì)淋出較多，使淋洗液pH上升；隨著淋洗次數(shù)的增加，土壤中堿性物質(zhì)含量逐漸降低，淋洗液pH下降。與CK相比，納米碳溶膠處理淋洗液pH明顯提高，且隨納米碳溶膠濃度的增加呈上升趨勢(shì)。表明納米碳溶膠可以淋出更多的堿性物質(zhì)，降低土壤pH。

圖4 不同濃度納米碳溶膠對(duì)淋洗液pH的影響Fig. 4 Effect of different concentrations of nano carbon sols on pH of soil leachates

圖5顯示，隨淋洗次數(shù)的增加，淋洗液的EC值呈下降趨勢(shì)。在淋洗初期，納米碳溶膠處理能夠明顯提高淋洗液EC值，之后各處理間無明顯差異。

圖5 不同濃度納米碳溶膠對(duì)淋洗液EC值的影響Fig. 5 Effects of different concentrations of nano carbon sols on EC value of soil leachates

2.2 納米碳溶膠對(duì)淋洗后土壤速效養(yǎng)分的影響

2.2.1 對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響 由圖6可以看出，土壤經(jīng)淋洗后，硝態(tài)氮含量在不同土層間存在明顯差異，0 ～ 20 cm土層硝態(tài)氮含量要明顯低于其他土層。納米碳溶膠淋洗對(duì)不同土層中硝態(tài)氮含量有較大影響，在0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層，納米碳溶膠淋洗效果明顯，與CK相比，T1、T2、T3處理硝態(tài)氮含量均有顯著增加，最大增幅達(dá)到47.47%。在40 ～ 60 cm和60 ～ 80 cm土層，土壤經(jīng)納米碳溶膠淋洗后，硝態(tài)氮含量略有增加，T2和T3處理與CK相比差異達(dá)到顯著水平。與CK相比，納米碳溶膠處理土壤4個(gè)土層中硝態(tài)氮的總量明顯提高，3個(gè)處理平均增幅分別到達(dá)21.99%、27.34% 和25.57%，可見納米碳溶膠對(duì)土壤硝態(tài)氮含量有較好的促進(jìn)作用。

圖6 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響Fig. 6 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil nitrate nitrogen

從圖7可以看出，各土層銨態(tài)氮含量存在明顯差異。0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層銨態(tài)氮含量要明顯低于40 ～ 60 cm和60 ～ 80 cm土層。納米碳溶膠淋洗后對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響相對(duì)較小。0 ～ 20 cm土層，銨態(tài)氮含量的狀況是T3＞T1＞T2＞CK，差異不顯著。20 ～ 40 cm土層，與 CK相比，T1、T2處理銨態(tài)氮含量分別上升10.85% 和13.52%，差異達(dá)到顯著水平。40 ～ 60 cm土層，銨態(tài)氮含量均有大幅度上升，含量達(dá)到最高；經(jīng)納米碳溶膠處理過的土壤銨態(tài)氮含量均高于CK，其中T2與CK相比，差異顯著。而在60 ～ 80 cm土層，各處理銨態(tài)氮含量相比于上一層土壤均有所下降，但是經(jīng)納米碳溶膠處理的土壤銨態(tài)氮含量仍高于CK，含量排序?yàn)門2＞T1＞T3＞CK。

圖7 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響Fig. 7 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil ammonium nitrogen

2.2.2 對(duì)有效磷含量的影響 圖8顯示，與CK相比，土壤經(jīng)納米碳溶膠淋洗后有效磷含量有不同程度的增加。其中，0 ～ 20 cm土層T2和T3處理土壤有效磷含量顯著增加；60 ～ 80 cm土層T2處理顯著增加；在20 ～ 40 cm和40 ～ 60 cm土層，各處理間差異未達(dá)到顯著水平。與CK相比，土壤經(jīng)納米碳溶膠處理后，3個(gè)處理有效磷含量平均增加10.10%、13.72%和12.30%。納米碳溶膠提高了土壤磷素有效性，可能與其降低土壤pH有密切關(guān)系。

圖8 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤有效磷含量的影響Fig. 8 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil available phosphorus

2.2.3 對(duì)速效鉀含量的影響 圖9表明，納米碳溶膠淋洗對(duì)不同土層速效鉀含量有明顯影響。與CK相比，經(jīng)納米碳溶膠處理后，各土層速效鉀含量均有所上升，且隨納米碳溶膠濃度的增加，速效鉀含量增幅提高。其中，T2和T3處理與CK相比，各土層速效鉀含量增幅均達(dá)到顯著水平。綜合比較分析，經(jīng)納米碳溶膠處理后的土壤，各土層速效鉀總量要明顯高于CK，3個(gè)處理平均增幅分別達(dá)到6.62%、12.54% 和13.18%，表明納米碳溶膠對(duì)土壤中的鉀有明顯的活化效應(yīng)，能夠增加土壤速效鉀含量。

圖9 不同濃度納米碳溶膠對(duì)土壤速效鉀含量的影響Fig. 9 Effects of different concentrations of nano carbon sols on contents of soil available potassium

3 討論

納米碳材料在土壤改良和重金屬污染土壤修復(fù)方面有重要應(yīng)用[17-18]。然而，目前關(guān)于納米碳材料對(duì)土壤pH的影響鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)條件下，土壤經(jīng)納米碳溶膠淋洗后，可以淋洗出更多的堿性物質(zhì)和鹽分，有效降低土壤pH和EC值；且在一定范圍內(nèi)，納米碳溶膠濃度越高降低pH和EC值的效果越明顯?？梢?，納米碳溶膠對(duì)堿性土壤pH具有較好的調(diào)節(jié)作用。

納米碳材料對(duì)土壤養(yǎng)分具有一定的活化或固持作用，能夠有效減少養(yǎng)分的淋失[19]。本試驗(yàn)條件下，土壤經(jīng)納米碳溶膠淋洗后，能夠明顯增加硝態(tài)氮含量，此作用效果與生物炭的效果類似[20-23]，但對(duì)銨態(tài)氮含量的影響相對(duì)較小。推測(cè)可能的原因有兩個(gè)：一是納米碳溶膠可以保持和減少硝態(tài)氮的淋失；二是納米碳溶膠可以活化土壤中的硝態(tài)氮，增加土壤中硝態(tài)氮含量。經(jīng)過納米碳溶膠處理后的土壤，土壤有效磷含量有不同程度增加，表明納米碳溶膠可以提高土壤磷的有效性，這與生物黑炭對(duì)土壤有效磷含量的影響類似[24-25]。納米碳溶膠對(duì)土壤鉀有明顯的活化效果，土壤經(jīng)納米溶膠淋洗后，速效鉀含量有明顯增加。可見，納米碳溶膠對(duì)土壤有較好的改良效果，能夠不同程度增加土壤速效養(yǎng)分含量，可以作為堿性土壤改良的有效方法。已有研究表明，納米碳溶膠顆粒具有羥基、羧基等多種活性功能團(tuán)，且?guī)в胸?fù)電荷。納米碳溶膠對(duì)土壤的改良作用可能與其特殊性質(zhì)有密切關(guān)系，然而其內(nèi)在機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

傳統(tǒng)的堿性土壤改良措施包括：施用石膏、磷石膏和氯化鈣等，以外源鈣交換出土壤中的鈉；或者施用硫磺、硫酸亞鐵等酸性物質(zhì)，活化土壤中的鈣，降低土壤中碳酸鈉鹽類濃度，從而提高某些礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的有效性[26-27]。在本試驗(yàn)條件下，納米碳溶膠展現(xiàn)了良好的改良?jí)A性土壤的效果。如能進(jìn)一步降低生產(chǎn)和應(yīng)用成本，研究確定其大田施用方式，將為我國(guó)堿性土壤改良提供有力技術(shù)支持。

4 結(jié)論

納米碳溶膠能夠明顯降低堿性土壤pH和EC值，提高0 ～ 80 cm各土層硝態(tài)氮含量，活化土壤磷素和鉀素，增加各土層速效磷和速效鉀含量，可用于堿性土壤修復(fù)治理。

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Effects of Nano Carbon Sols (NCS) on pH and Nutrient Contents of Alkaline Soil

LIANG Taibo1, ZHAO Zhenjie1, WANG Baolin2, ZHANG Shixiang1, LI Yulei1,ZHANG Yanling1, YIN Qisheng1*
(1 Key Laboratory of Eco-environment and Leaf Tobacco Quality, Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001, China; 2 China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China)

Soil column leaching experiment and soil pot experiment were conducted in this study in order to clarify the effects of nano carbon sols (NCS) on pH, EC and nutrient contents of alkaline soil. The results showed that NCS obviously reduced soil pH and EC values, the maximal reduced value were 0.49 units for pH and 0.14 mS/cm for EC, respectively, and the reducing effect was more obvious under higher NCS concentration. NCS significantly increased nitrate contents in 0-80 cm soil,averagely increased by 21.99%, 27.34% and 25.57% under different treatments, respectively, but it influenced little on ammonium nitrogen content. NCS increased available phosphorus contents in different soil layers, averagely increased by 10.10%, 13.72%and 12.30% respectively under different treatments, but the effects were different in different soil layers. NCS had higher activation effect on soil potassium, could increase soil available potassium contents significantly, averagely increased by 6.62%,12.54% and 13.18% under different treatments. Therefore, NCS can obviously reduce pH and EC value, improve the available nutrient contents in alkaline soil and thus is effective in improving alkaline soil.

Nano carbon sol (NCS); Alkaline soil; pH; EC; Nutrient contents

S156.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.015

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC08B08)和鄭州煙草研究院科技項(xiàng)目(112013CZ0580)資助。

* 通訊作者(yinqs@ztri.com.cn)

梁太波(1981—)，男，山東濰坊人，博士，高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事作物栽培生理和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控研究。E-mail： taibol@163.com