納米碳對關中地區土壤水分養分和小麥生長的影響

胡梓超，周蓓蓓，陳曉鵬，彭 遙，王全九,2

(1.西安理工大學水利水電學院，西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安 710048；2.西北農林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；3.云南省水利水電勘測設計研究院， 云南 昆明 650021)

陜西關中地處暖溫帶半濕潤易旱氣候區，冬冷夏熱，四季分明，年降雨量約500～700 mm，地勢平坦，灌溉條件較好，是陜西省優質小麥的優勢生產區[1]。然而近年來，隨著人口的增長及社會經濟的發展，各部門、各行業對土地資源的需求大幅增加，使得關中地區產生耕地面積連年銳減，耕地資源破壞和浪費嚴重，人地矛盾嚴峻[2]。這些問題嚴重制約著陜西省糧食生產的發展和糧食儲備的穩定，科學合理利用有限的耕地資源來提高單位面積糧食產量，已成為糧食生產發展的必由之路。

提高田間肥料施用量是近年來提高關中地區糧食單產的主要方式，但化肥的大量投入在增加糧食單產的同時，大量化肥流失到土壤環境中，引起土壤產生酸化板結、硝酸鹽污染和土壤次生鹽漬化，從而導致土壤肥力下降，并造成水體富營養化，淋溶污染地下水[3-5]。近年來隨著納米技術的不斷發展，國內外學者發現納米材料作為一種具有特殊性質的新型材料,在植物營養與土壤領域具有很大的潛力，其中納米碳材料具有巨大的比表面及小尺寸效應的特點，極易與土壤中營養元素和微量元素發生吸附或耦合成為高效復合肥料,且其遇水可提升土壤電動位，降低土壤pH值，提升土壤離子濃度，促進養分釋放；學者提出利用納米碳提高肥料利用效率，促進植物養分吸收[6-8]。Lin等[9]研究發現納米碳材料不僅對水稻生長無污染，且能夠被水稻吸收、轉運并可以轉移到下一代。李一丹[10]在東北單季稻種植區研究不同施氮水平下納米碳對水稻產量、肥料利用率的影響，結果表明納米碳可提高水稻產量；在適宜施氮量條件下，加施納米碳能夠提高水稻氮肥利用率。劉世杰等[11]研究了納米碳對玉米苗期生長和養分吸收及淋失的影響，試驗結果表明納米碳能夠促進玉米苗期的生長，減少養分淋失，增加玉米對氮、磷、鉀的吸收。

因此本研究借鑒納米材料科學研究的經驗，通過大田試驗，條施不同含量納米碳，探討其對小麥生長及土壤水分、養分含量的影響，以期對納米碳應用于提高冬小麥水肥利用率及產量提供經驗與技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

表1 土壤理化性質 Table 1 Soil physical and chemical properties

1.2 試驗設計

在試驗農用耕地布設2 m×2 m的試驗小區，隔壟條施不同含量納米碳(納米碳購置于上海海諾炭業有限公司，質量含量分別為0、0.001、0.005、0.007、0.010 kg·kg-1)。納米碳混合層深度為土壤表面以下5～10 cm。在施加納米碳之前，將壟間土壤表層5 cm土壤取出，將5～10 cm土壤與納米碳分別按照質量含量0、0.001、0.005、0.007、0.010 kg·kg-1混合后回填，并將表土一并回填。為防止農家禽畜及野外動物破壞小區，利用1 m高的鐵絲網在每塊試驗小區外圍圍成3 m×3 m的防護區。每個處理兩個重復，共計10個試驗小區。

試驗小麥品種為冬小麥小堰22號。大田試驗所用冬小麥種子在播種前均做如下處理：10%H2O2表面消毒30 min，以防止生菌；清水洗凈后，用飽和硫酸鈣(CaSO4)溶液浸泡4 h，轉移到用飽和硫酸鈣溶液浸透的紗布上，以保持種子所需的水分條件；覆蓋黑色塑料膜(提供適宜溫度，并起到遮光的作用)在25℃下催芽一晝夜，待胚根露出后播種，播種深度為1 cm。播種前在各小區均勻施入化肥，氮肥(N)施用量為180 kg·hm-2，磷肥(P2O5)施用量為108 kg·hm-2，鉀肥(K2O)施用量為108 kg·hm-2。冬小麥播種前進行灌水，使底墑充足；越冬期時對大田進行冬灌，起蓄水、增墑的作用，灌水量為90 mm左右；越冬期后對大田進行春灌，促進麥苗早返青，灌水量為90 mm左右。

試驗監測期間，在冬小麥幼苗期、返青期、拔節期、抽穗期和灌漿期內，于各個小區內按照S形選取5個采樣點，進行土壤樣品采樣，用于測定土壤含水量及土壤養分，并在每個小區隨機選取30株小麥，所選小麥各器官保持完整。由于土壤深度0～10 cm內土壤水分養分含量變化較大，因此在0～10 cm深度范圍內每2 cm取一份樣本，土壤剖面10～30 cm內每5 cm取一份樣本。土壤含水量樣本裝至標有序號的鋁盒，土壤養分樣本密封至標有序號的塑封袋內。同一小區同層土壤樣本經測定后，取平均值進行后續分析。

1.3 分析項目與測定方法

(1) 土壤含水量及土壤養分：利用烘干法測土壤含水量；選取1 mol·L-1的乙酸銨溶液作為浸提液，使用原子吸收分光光度計測土樣中的速效鉀；選取0.01 mol·L-1的氯化鈣溶液作為浸提液，使用紫外-可見分光光度計測水土樣中的硝態氮；選取0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉溶液作為浸提液，鉬鹽溶液與抗壞血酸混合液為顯色劑，使用紫外-可見分光光度計測土樣中的速效磷。

(2) 冬小麥生育指標：使用游標卡尺和直尺分別測小麥莖粗和株高，根據小麥葉片長寬與葉面積系數計算得小麥葉面積，將整株小麥裝于標有序號的信封中，放入烘箱內。溫度調整為105℃殺青30 min，之后調整溫度為85℃烘干12 h。烘好的小麥測定其生物量。小麥成熟后按小區脫粒記產。

(3) 植株養分：樣品經烘干粉碎后用H2SO4—H2O2法消解，采用連續流動分析儀測定氮素和磷素含量，用火焰光度計測定鉀素。

2 結果與分析

2.1 納米碳對農田土壤剖面含水量的影響

從冬小麥整個生育期內不同土壤深度的土壤含水量分布來看(圖1)，表層土壤由于蒸散量較大，含

圖1 不同納米碳含量對冬小麥農田土壤含水量的影響

Fig.1 The influence of nano carbon content on soil water content of winter wheat field

水量較低，隨著土壤深度的增加，土壤含水量呈現出先增加而后減少的趨勢，在5～10 cm土層土壤內達到最大值。進一步分析納米碳對其影響可以看出，施加納米碳的小區表層10 cm，即納米碳層以上部分土壤含水量要高于對照組，且土壤含水量較對照試驗土壤深度10 cm以下迅速減小并在較小范圍內波動，其中納米碳質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區從冬小麥幼苗期到灌漿期，5～10 cm土壤深度內土壤平均含水量與對照組相比分別增加了4.5%和6.8%。且灌水對土壤含水量的影響主要體現在冬小麥返青期，灌水后，表層土壤水分在短時間內受蒸散作用較小，因此在一段時間內保持較大土壤含水量。楊靜敬等[14]針對楊凌區淺層土壤水分進行研究可得農田土壤含水量最大值出現在20～40 cm處，而本研究中各小區土壤剖面含水量受納米碳影響較大，含水量較大值位于納米碳條施深度5～10 cm這一土壤深度范圍內，在圖中表現為最大土壤水量深度上移的現象。林祥等[16]對小麥出苗率與土壤含水量關系的研究發現，小麥出苗率主要受0～10 cm土壤含水量的影響。劉艷麗等[15]通過不同納米碳含量影響土壤水分運動的研究發現，土壤添加納米碳后，土壤中大孔隙數量降低，中小孔隙數量增加，而與大孔隙相比，小孔隙中的水分受外界吸力影響較小，保持水分能力較強；且納米碳具有極大比表面積，表面能極高，對水分有較高的吸持力。因此納米碳施加對提高農田土壤持水性以及提高小麥出苗率有重要意義。

2.2 納米碳對土壤養分含量的影響

2.2.1 納米碳對土壤硝態氮的影響 硝態氮是土壤氮素的主要形態之一，也是土壤速效氮的重要組成部分，在土壤養分方面常作為氮素供應指標之一。硝態氮也反映了土壤氮素的轉化水平、土壤通氣條件等。

由圖2可以看出，由于冬小麥在幼苗期株體小、氣溫低、光合能力較弱，對氮素的吸收累積速率小，因此土壤中硝態氮差值較小，含量較大；拔節期開始以后，由于氣溫升高、植株生長加快、光合能力不斷增強，小麥對土壤中氮素的吸收累積速率迅速提高，因此土壤中硝態氮差值變大，含量迅速減小。抽穗期到灌漿期小麥主要器官生長發育趨近完全，干物質累積速率大幅度減緩，因此在這兩個生育期內土壤硝態氮差值變化較小。進一步分析圖2可以看出，

圖2 不同納米碳含量處理下冬小麥播種前后農田土壤硝態氮差值分析

Fig.2 Analysis on difference value of nitrate nitrogen in soil before and after sowing of winter wheat under different nano carbon content

施加納米碳的小區表層土壤硝態氮差值明顯小于對照小區，且隨冬小麥生育期推移，土壤剖面硝態氮差值隨著納米碳含量的增大而減小。其中納米碳質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區灌漿期5～10 cm土層土壤內平均硝態氮含量與對照組相比分別增加了25%和33.6%。

由于硝態氮不易被土壤顆粒吸附，主要以溶質的形式存在于土壤溶液中[17]，極易被淋溶。因此，將納米碳條施于土壤表層以下5～10 cm，提升了這一土壤深度范圍內的土壤水分吸持能力，同時抑制了硝態氮的向下淋移，有效提升了氮肥的利用率。

2.2.2 納米碳對土壤速效鉀的影響 由圖3可以看出，同硝態氮變化規律相似，小麥生育初期，由于溫度較低，小麥生長緩慢，作物吸鉀強度較小，土壤速效鉀比較穩定，主要聚集在土壤表層，并隨土層加深而減少。由圖可以看出，土層深度0～10 cm內，施加納米碳的小區土壤速效鉀高于對照組，其中納米碳質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區在灌漿期5～10 cm土壤深度內平均速效鉀含量與對照組相比分別增加了6.6%和17.5%。返青期過后小麥生長旺盛，吸鉀強度迅速增大，從圖3(c)看出土壤速效鉀急劇減小，之后抽穗期和灌漿期小麥對鉀的需求量漸趨減少，吸鉀強度下降。

土壤中的速效鉀吸附性較差，移動性很強，在土壤中主要發生物理化學吸附，吸附位點主要在粘粒上[18]，而納米碳是一種吸附性較強的新型材料，在粘粒含量較低的土壤中，其可以增加鉀離子在條施納米碳土層內的滯留時間，從而抑制高移動性的鉀離子向深層土壤遷移，提高鉀肥的利用率。

圖3 不同納米碳含量處理下冬小麥播種前后農田土壤速效鉀差值分析

Fig.3 Analysis on difference value of available potassium in soil before and after sowing of winter wheat under different nano carbon content

2.2.3 納米碳對土壤速效磷的影響 磷素作為作物生長發育的必需營養元素，是作物體內脂肪、糖、含氮化合物和酶生成的重要組成元素，對于增強植株抗寒、抗旱性有重要作用。

圖4反映了不同納米碳含量處理的試驗小區在冬小麥各生育期內對土壤速效磷含量的影響。從圖4中土壤鉀的差值可以看到，各小區土壤中速效磷濃度與初始含量相比，差值較小且各生育期內差值均較為穩定。其中在0～10 cm土層深度，經過條施納米碳處理的小區，速效磷的差值要小于對照組，且差值變化隨著納米碳質量含量的增加而減小，其中納米碳質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區在灌漿期5～10 cm土壤深度內平均速效磷含量與對照組相比分別增加了43.7%和51.3%。由圖4(c)可知，小麥拔節期時，植株生長量大，對磷需求量高，因此速效磷差值較其他生育期較大。

土壤對速效磷有較強的吸附作用，與硝態氮、速效鉀相比，磷素在土壤中具有固定性強、移動性弱的顯著特點。徐海等[19]研究表明，隨著小麥生長發育進程土壤速效磷的耗竭空間有明顯的從表層向深層土壤逐漸延伸的趨勢，且在小麥生長初期，土壤速效磷的消耗空間主要在0～20 cm土層范圍以內。而在本研究中，納米碳質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區在冬小麥幼苗期和返青期，土壤速效磷在0～10 cm土壤深度范圍內均出現了不同程度的增加，這說明納米碳條施到試驗田中，在吸附土壤中速效磷的同時，還膠結了大量吸附著磷素的土壤細顆粒，進一步穩固了磷素在相應土層深度的留存。

圖4 不同納米碳含量處理下冬小麥播種前后農田土壤速效磷差值分析

Fig.4 Analysis on difference value of available phosphorus in soil before and after sowing of winter wheat under different nano carbon content

2.3 納米碳對冬小麥生長發育的影響

2.3.1 納米碳對冬小麥植株養分的影響 對表2內數據進行分析可以看出，隨冬小麥生育期的延長，由于植株干物質的累積速率大于養分吸收速率，作物體內養分含量呈降低趨勢。冬小麥在生育初期，植株內硝態氮階段累積量緩慢增加，在返青期后迅速增大，拔節期時達到最大，之后硝態氮階段累積量逐漸降低。土壤中加入納米碳后，增強了土壤膠體對氮的吸附能力，抑制了氮素隨土壤水下移，從而增加了氮素在冬小麥根系活動區域的存留時間。進一步分析數據可知，冬小麥在拔節期對養分需求量最大，施加納米碳的小區根系速效氮含量較大，同時提升了根部供給莖、葉的氮素含量。

而冬小麥植株對磷素的吸收與氮素有很大區別。由于磷肥施入土壤后，大部分累積在土壤剖面中，小麥植株對這一部分磷素吸收能力較弱，因此冬小麥植株在各生育期的速效磷階段累積量較小。而在納米碳含量較高的小區內，冬小麥植株在各生育期的磷素含量也相對較大，表明納米碳在土壤中可以提高小麥根部對磷的吸收能力。

小麥作為禾本科作物，對鉀的吸收能力很強，從表2中可以看到，冬小麥各生育期內，植株速效鉀的階段累積量要大于氮和磷。冬小麥對土壤中鉀的吸收，決定于土壤溶液中鉀的濃度和土壤維持這一濃度的能力。而施加納米碳的土壤對鉀的吸附作用，可以減緩鉀在土壤中的縱向遷移，顯著增加鉀在相應土層的滯留時間，保證了根系對鉀的吸收時長，同時也為冬小麥提供了較高的土壤鉀濃度的吸收環境。

2.3.2 納米碳處理對冬小麥生長性狀的影響 由表3可知，納米碳含量較高的小區(0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1)與對照組相比較，冬小麥莖粗、葉面積及生物量有所增大，但株高差異規律不明顯。說明較高質量含量的納米碳處理有助于冬小麥增加莖粗，提高水分養分向上運輸的效率；同時有助于冬小麥增大葉面積，提高光合作用，從而增加小麥的生物量。

表4反映了不同納米碳含量對冬小麥產量的影響，可以看出，納米碳含量較高處理的小區(0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1)對冬小麥穗粒數、千粒重及產量有著顯著地促進作用。0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1納米碳處理的小區與對照組相比產量分別增加了2.4%和3.5%。

表2 納米碳對冬小麥植株養分含量的影響/(g·kg-1) Table 2 The influence of nano carbon on the nutrient content of winter wheat

注：同列數值后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: different letters in same column indicate significant difference atP<0.05 levels; the same below.

表3 納米碳處理對冬小麥生長性狀的影響 Table 3 The influence of nano carbon on growth characters of winter wheat

表4 納米碳對冬小麥產量性狀及產量的影響 Table 4 The influence of nano carbon on winter wheat yield traits and yield

3 結論與討論

1) 農田土壤表層以下5～10 cm施加納米碳后，納米碳填充了土壤中的孔隙，改變了原有的水分流動通道，孔隙彎曲度增加，從而延緩了水分向深層土壤入滲的速率。因此條施納米碳的小區在冬小麥各生育期內根系層土壤水分含量增加，深層土壤含水量降低，且土壤水分分布波動減小。說明農田條施納米碳可以促進作物根系吸水，增加土壤保持水分的能力。

2) 具有極大比表面積和強吸附性的納米碳可以在土壤中延緩氮的淋溶，吸附土壤中高移動性的鉀離子，以及膠結吸附著大量磷素的土壤細顆粒，因此冬小麥農田施加納米碳可控制養分深層淋溶，有效保持土壤表層剖面養分含量，增加作物生長所必需的氮、磷、鉀在作物根系層的滯留時間，使得作物根系能夠更為充分吸收利用土壤養分。且納米碳含量較大時，其土壤對養分的吸持能力更為顯著，進一步提高了冬小麥在各生育期內的養分利用率。

3) 在光照、溫度、空氣、土壤類型相同的條件下，對作物干生物量的累積及各生育期內作物各項生育指標產生影響最大的就是水分和養分，而納米碳在土壤中對水分及氮、磷、鉀等養分具有顯著的保持作用，對照本文試驗結果，較大質量含量的納米碳處理在冬小麥生育期內可促進冬小麥的莖葉發育，增大冬小麥的莖粗和葉面積，并提高小麥植株的生物量。且質量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1的納米碳處理小區，冬小麥產量與對照組相比分別增加了2.4%和3.5%。

綜上所述，冬小麥農田中條施納米碳可以提高土壤含水率，保持土壤肥力，特別是在降水量較少且時空不均勻，土壤養分流失較為嚴重的陜西關中地區，通過納米碳改善土壤的理化性質，提高小麥對水肥的利用效率，促進其莖葉發育，從而增加小麥植株生物量和最終產量。土壤中添加不同的改良劑對土壤理化性質變化及作物生長過程和產量有著不同的效果。一些國內學者通過在土壤中添加PAM和生物炭實現增加土壤養分、水分及作物產量的目的[20-21]，與納米碳相比，PAM屬于純化學大分子物質，未能全面考慮土壤有機質及有機碳的積累，目前仍處于試驗研究階段，未能進行大面積實施[22]；同時生物碳由于顆粒較大，其調控效果依靠極大的施用量，較難用于實際應用，且極易隨降雨徑流進入河流，人為造成水域污染[23-24]。因此，納米碳作為環境友好型的土壤改良劑，還有很大的研究利用空間。

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