氮摻雜碳納米粒子施用對稻田氮素利用率與水稻產量的影響

胡偉++向建華++向言詞++周練++陳燕

摘要 為明確氮摻雜碳納米粒子（N-CNPs）在田間條件下對單季稻田氮素利用效率和水稻產量的影響，采用田間小區試驗，對不同用量N-CNPs配施尿素時稻田氮素利用率和水稻產量進行研究。結果表明，配施N-CNPs能有效提升稻田氮肥利用率，1‰、5‰和15‰ N-CNPs用量處理氮肥利用率分別為37.28%、43.74%和35.84%，高于單施尿素處理的33.6%；配施5‰ N-CNPs較單施尿素處理水稻產量增加398.9 kg/hm2，增幅達4.78%，進一步提升N-CNPs用量至15‰，水稻產量反而較單施尿素處理降低2.76%。可見，田間條件下尿素配施5‰ N-CNPs能提升氮肥利用效率，實現增加水稻產量的目的。

關鍵詞 水稻；氮摻雜碳納米粒子；稻田；氮肥利用率；產量

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）17-0025-02

氮肥的施用在促進現代農業發展中發揮了重要作用，但較低的氮肥利用率造成了資源、能源的巨大浪費以及農產品和土壤、水體的重度污染。研究表明，施入田間的氮素除35%為作物吸收及13%無法統計外，其余均以各種途徑損失殆盡[1]。通過氮肥增效劑的施用減緩NH4+-N向NO3--N轉化，可實現氮肥利用效率的提高[2-3]。氮摻雜碳納米粒子作為一種新型氮肥增效劑表現出了較好的效果，室內試驗表明，氮摻雜碳納米粒子（N-CNPs）具有較好的硝化抑制能力，可提升氮肥利用率；5‰劑量的N-CNPs能促進油菜苗期的生長和氮素的積累[4]。本試驗通過田間試驗進一步驗證N-CNPs配施尿素對單季稻田氮肥利用率和產量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2016年5月至2016年11月在湖南省長沙縣江背鎮太平橋村（北緯28.12°，東經113.36°）進行。試驗田所在區域年平均降水量在1 200～1 400 mm之間，年平均溫度為17.2 ℃，無霜期274 d，年日照時數1 663 h，屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候，土壤類型為河流沖積物發育而成的潮沙泥。試驗前水稻田耕層（0～20 cm）土壤pH值為5.72（土∶水=1∶5）、有機質含量51.06 g/kg、全氮含量4.29 g/kg、銨態氮含量26.95 mg/kg、硝態氮含量6.35 mg/kg。

1.2 供試材料

氮摻雜碳納米籽子（N-CNPs）由湖南科技大學物理學院提供，該材料以檸檬酸為原料，以氨水為溶劑和氮摻雜源，采用微波介電加熱法制備，氮摻雜量為6.72%（at）。供試水稻品種為C兩優608（湖南隆平選育）。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，設5個處理，分別為不施氮肥（CK）；單施尿素（T1）；低量氮摻雜碳納米粒子（純氮量1‰）配施尿素（T2）；中量氮摻雜碳納米粒子（純氮量5‰）配施尿素（T3）；高量氮摻雜碳納米粒子（純氮量15‰）配施尿素（T4）。3次重復，小區面積30 m2（15 m×2 m），各小區四周間做高40 cm、寬30 cm田埂，覆以尼龍膜，以減少各區間互滲。小區種植密度株行距為20 cm×20 cm，每穴2～3株苗。除CK外，其他各處理氮肥用量（按純N計）均為200 kg/hm2。所有處理P2O5、K2O施用量相同，分別為60、100 kg/hm2，參照當地常規方式施肥，磷肥作基肥一次性施入，氮肥、鉀肥的40%作基肥，30%作分蘗肥，30%作穗肥。

1.4 試驗實施

2016年5月12日育秧，6月5日施基肥移栽，6月25日追施分蘗肥，9月1日追施穗肥，灌溉和病蟲草害防治及其他管理與當地生產一致。11月3日收獲。

1.5 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對數據進行處理并作圖，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較（Duncan）對不同數據組間進行差異性比較（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮肥利用率

由表1可知，氮肥施用顯著增加了水稻吸氮量，處理T1、T2、T3、T4分別較CK增加了67.21、74.57、87.48、71.69 kg/hm2。配施N-CNPs進一步提升了水稻吸氮水平，隨著N-CNPs用量提升，水稻吸氮水平表現出先增后降的趨勢，5‰ N-CNPs用量處理水稻吸氮量最高，達到172.94 kg/hm2，較單施尿素處理增加了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用量處理氮肥利用率分別為37.28%、43.74%和35.84%，均高于單施尿素處理的33.6%，將不同N-CNPs用量和氮肥利用率建立回歸方程，得到回歸方程為y=-0.185 6x2+2.904 5x+34.011（R2=0.991 3）。氮肥偏生產力數據同樣表明，5‰ N-CNPs表現為最高，達到43.71 kg/kg，較單施尿素處理高出2.02 kg/kg，增幅為4.8%。

2.2 水稻農藝性狀及產量

小區實割測產數據表明（表2），在不施肥的情況下，單季稻田產量僅為6 531.83 kg/hm2，顯著低于施肥后各處理，適量配施N-CNPs能提高產量，處理T3配施5‰ N-CNPs時較處理T1（單施尿素）產量增加398.9 kg/hm2，增幅達4.78%，進一步提升N-CNPs用量至15‰（處理T4），水稻產量反而較處理T1降低2.66%。配施N-CNPs引起水稻成熟時各項農藝性狀差異，不同用量N-CNPs配施尿素處理水稻株高、穗長和有效穗數等農藝性狀與單施尿素處理（T1）相比沒有顯著差異；配施純氮量1‰和5‰ N-CNPs處理千粒重分別為25.32 g和27.57 g，分別較單施尿素增加5.54%和14.92%，差異達到顯著水平。配施純氮量5‰N-CNPs處理結實率也達到84.88%，顯著高于單施尿素處理的80.31%。高用量（15‰）N-CNPs引起水稻千粒重和結實率的降低，并最終導致產量低于單施尿素處理。

3 結論與討論

已有研究表明[4]，N-CNPs能顯著增加了土壤中NH4+-N含量，減少了NO3--N含量，提高作物有效吸收氮素時間和水平，顯著提升氮肥利用率，其作用機理則可能與土壤氧化還原電位變化有關，長期淹水顯著降低了土壤的氧化還原電位，引起稻田土壤NH4+-N降低和NO3--N的累積[5]，厭氧條件下較高的NO3--N加速了反硝化作用的進程，提升了N2O排放的風險，進一步降低了當季氮肥利用率。N-CNPs包含大量吡啶-N和吡咯-N結構，這類結構具備較強的電子吸附能力，從而導致與它鄰近的 C原子表面形成正電荷，提高區域氧化還原電位，促進氧化還原反應的發生[6]，增加了稻田土壤NH4+-N含量和持續存在時間，最終提升氮肥利用效率。本試驗結果表明，田間條件下配施純氮量5‰的N-CNPs，當季水稻吸氮量較單施尿素增加了20.27 kg/hm2，驗證了田間條件下N-CNPs的氮肥增效能力。從不同N-CNPs對水稻農藝性狀及產量影響來看，N-CNPs的增產效果主要表現在增加了水稻千粒重和結實率，不同用量N-CNPs增產效果存在差異，1‰和5‰ N-CNPs能較好地增加水稻產量，而增加N-CNPs用量至15‰，水稻產量并沒有同步增加，反而表現出下降趨勢。如能改進N-CNPs施用方式，明確N-CNPs田間安全施用量，避免納米材料的生物毒性，則更有利于為氮肥利用率的提高提供新的材料和新的技術，為深度開發納米技術在農業領域的應用提供理論依據和技術支持[7]。

4 參考文獻

[1] 朱兆良.中國土壤氮素研究[J].土壤學報，2008，45（5）：778-783.

[2] 李莉，李東坡，武志杰，等.脲酶/硝化抑制劑對尿素氮在白漿土中轉化的影響[J].植物營養與肥料學報，2011，17（3）：646-650.

[3] 徐星凱，周禮愷，OSWALD V C.脲酶抑制劑/硝化抑制劑對土壤中尿素氮轉化及形態分布的影響[J].土壤學報，2000，37（3）：339-345.

[4] 胡偉，楊玉蘭，王燕.氮摻雜碳納米粒子對土壤氮素轉化及油菜苗期生長的影響[J].中國土壤與肥料，2016（4）：108-112.

[5] 劉若萱，賀紀正，張麗梅.稻田土壤不同水分條件下硝化/反硝化作用及其功能微生物的變化特征[J].環境科學，2014，1（11）：4275-4283.

[6] 張亭亭，何傳生，黎琳波，等.氮摻雜納米碳塊的制備及氧還原的高電化學催化活性（英文）[J].催化學報，2016，37（8）：1275-1282.

[7] 楊新萍，趙方杰.植物對納米顆粒的吸收、轉運及毒性效應[J].環境科學，2013，34（11）：4495-4902.