納米碳與氮肥配施對水稻土壤養分和微生物群落結構的影響

李一丹 孫磊

（黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，哈爾濱150086；第一作者：liyidan2013＠163．com）

納米技術是指在微觀的尺度上來研究相關物質的結構以及性質，納米技術是一個多學科的新型技術[1]。納米碳材料作為納米材料的代表，是一種低燃點和非導性的改性碳，納米碳不同于其他金屬納米材料，在土壤及環境物質循環中廣泛存在，納米碳來源于農田，應用于農田可避免給土壤及植被帶來不良影響[2]。據資料統計，我國氮肥年生產量和耕地氮肥單位施用量均居世界首位，在1990—2000年這10年間，我國耕地的氮肥施用量增長了40.8%[3]?；试囼灳W的研究表明，化肥對我國糧食單產增長的貢獻率高達55%～57%，對總產增加的貢獻率為30%～31%。而農戶為了提高水稻產量長期大量不合理施用化肥，導致肥料利用率低、土壤生產力下降、水體污染嚴重、臭氧層破壞和溫室效應等問題[4]。而納米碳所具有的特殊性能不僅影響土壤的理化性質和生物學特性，而且在碳、氮循環中起著積極的作用，因此已被建議應用到土壤環境領域，以期改善土壤環境，提高其生產力和肥料利用率[5]。

納米材料近年來在農業生產領域得到逐步應用，尤其在植物生長發育、肥料利用率和改善土壤環境等方面的作用受到了人們的極大關注[6－7]。王艷等[8]利用納米碳添加到肥料中生產出納米增效肥料，結果發現，該肥料在減量30%～50%的情況下，能促進大豆增產10%～20%。劉鍵等[9]研究表明，施用納米增效肥料可以使蘿卜、白菜、甘藍、茄子、辣椒、西紅柿、芹菜和韭菜等增產20%～40%；并促進蔬菜作物快速生長，可提早5～7 d上市；同等產量水平下可節肥30%～50%，同時提高作物品質。張哲等[10]研究發現，納米碳能夠促進水稻生長，同時在等量磷鉀肥條件下，70%氮量加納米碳施肥的處理氮肥利用率比常規施肥提高了11.57%。錢銀飛等[11]研究發現，參試的3種肥料在添加納米碳肥料增效劑后，均能協調增加晚稻的穗數、每穗穎花數、結實率以及千粒重，進而增產。增加納米碳肥料增效劑后還能減緩肥料釋放速度，減少肥料流失，提高分蘗以后的稻株葉面積指數，提高干物質積累量，增強氮素吸收利用能力。

目前關于納米碳材料對作物影響的研究主要集中于納米碳材料對作物生理、毒理和對農業節肥增效這幾個方面，主要涉及到各類納米碳材料存在下對作物種子的萌發、幼苗根莖的生長、作物產量和品質、作物抗逆性以及養分吸收和肥效等方面的影響[12－17]，而有關納米碳的添加對農田土壤養分和微生物群落結構影響的研究較少。因此，本研究選用水稻為指示作物，通過盆栽試驗，研究了納米碳與肥料配施對土壤理化性質及其養分含量、土壤群落結構的影響，以期為納米碳在農田土壤改良上的應用提供理論依據。

圖1 添加納米碳對土壤pH值和含水量的影響

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤類型為黑土，土壤有機質含量27.7 g/kg、全氮 1.74 g/kg、速效磷 44.1 mg/kg、速效鉀 186 mg/kg、pH值7.64。試驗所用肥料種類為尿素（N 46%）、氯化鉀（K2O 60%）、重過磷酸鈣（P2O546%）和納米碳粉。納米碳粉與肥料質量以3∶1000的比例均勻混和后使用。試驗水稻品種為北稻5號。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，地點設在黑龍江省農業科學院盆栽場[18]。試驗共設4個處理：CK，不施氮肥；N2，常規施肥；N1+C，減施氮肥+納米碳粉；N2+C，常規施肥+納米碳粉。常規施肥：施純N 10 kg/667 m2；減量施肥：施純N 7 kg/667 m2。磷肥用量（P2O5）5 kg/667 m2、鉀肥用量（K2O）3 kg/667 m2，磷、鉀肥按當地施肥習慣施用；所有氮肥或納米碳粉施用按當地一般氮肥施用方法施用。每個處理3次重復，每盆添土10 kg，插秧3叢，每叢2株。塑料盆隨機排列埋入土中。試驗于2016年5月18日插秧，10月26日收獲并采取土樣。

1.3 樣品采集與測定

水稻成熟后進行破壞性取樣，即各處理取走全部地上部植株樣后，把盆中的土壤全部倒出，去除根系后把土壤混勻，過1.00 mm篩，取一部分鮮土凍干用于土壤磷脂脂肪酸的測定，另取一部分風干后分別過1.00 mm篩用于測定土壤速效養分和過0.25 mm篩用于測定土壤全量養分。

土壤pH值、含水量、有機碳、全氮、速效磷和速效鉀等指標采用土壤農化分析常規方法測定[19]。土壤磷脂脂肪酸測定：鮮土去除植物殘體和根系后，過2.00 mm篩，冷凍干燥后直接進行PLFA分析，主要參照Ai等[20-21]的方法進行提取。關鍵步驟包括：稱取冷凍干燥后的土樣3.0000 g，人工去除非土壤物質后放入聚四氟乙烯管中，依次加入4 mL檸檬酸緩沖液、5 mL氯仿、10 mL甲醇避光振蕩2 h提取，并重復提取1次。提取液離心管中加入7 mL檸檬酸緩沖液、8 mL氯仿，振蕩混勻，遠離熱源，黑暗中靜止過夜，使水相與有機相分開。過夜后取下層溶液到玻璃管中氮氣吹干，然后用甲醇、氯仿、丙酮等有機溶劑在SPE柱中洗脫分離得到磷脂，然后對磷脂用氣相色譜儀（Agilent 6890N）配合 MIDI 微生 物鑒 定 系 統 （Version 4.5、MIDI、Inc、Newark、DE）分析PLFA的組成。含量用其脂肪酸甲酯的摩爾百分比表示。

根據 WANG 等[21-22]的研究，i14：0、i15：0、i16：0、i17：0、a15：0、a17：0、cy17：0、cy19：0、16：1w9c、16:1w7c、17：1w8c、18：1w5c、18：1w7c、15：0、17：0、17：1w6 和 17：1w7 作為細菌的標記脂肪酸，其中，i14：0、i15：0、i16：0、i17：0、a15：0 和 a17：0 作為革蘭氏陽性菌的標記脂肪酸；cy17：0、cy19：0、16：1w9c、16：1w7c、17：1w8c、18：1w5c和18：1w7c作為革蘭氏陰性菌的標記脂肪酸。16：1v5c、18：3w6c（6，9，12）、18：1w9c 和 18：2w 6，9c 作為真菌的標記脂肪酸。16：0（10Me）、17：0（10Me）和 18：0（10Me）作為放線菌的標記脂肪酸。

1.4 數據處理

試驗數據采用SAS 9.1軟件進行方差分析和相關分析，用Excel 2016軟件進行數據計算和圖表制作，用Canoco 4.5作磷脂脂肪酸主成分分析。

2 結果與分析

2.1 添加納米碳對土壤pH值和含水量的影響

從圖1可以發現，添加了納米碳的處理土壤pH值和含水量均顯著高于N2處理，分別高2.89%和16.99%，而添加納米碳的2個處理間差異不顯著。氮肥的施用顯著降低了土壤pH值，所有施氮處理土壤pH值均低于未施氮處理（CK），土壤含水量CK和N2處理間差異不顯著。

2.2 添加納米碳對土壤養分含量的影響

由圖2可知，在所有施氮處理中，添加了納米碳的處理土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量均顯著高于未添加納米碳的N2處理，分別高 8.49%、7.49%和23.41%，而且其含量均以N1+C處理最高。N1+C和N2+C處理間土壤有機碳和速效磷含量差異不顯著，而土壤速效鉀含量N1+C處理顯著高于N2+C。土壤全氮含量表現為 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，N2、N1+C 和 N2+C處理均顯著高于CK，而這3個處理間差異不顯著。

圖2 添加納米碳對土壤養分含量的影響

圖3 不同處理土壤特征磷脂脂肪酸含量

2.3 土壤各菌群磷脂脂肪酸含量的變化

從圖3可見，4個不同處理間土壤總PLFA含量表現為 N2+C＞N1+C＞N2＞CK，處理間存在顯著差異；革蘭氏陽性菌/陰性菌和細菌摩爾百分比表現為N1+C＞N2+C＞N2＞CK，施肥處理較CK均有一定幅度的增加；真菌和放線菌摩爾百分比表現為CK＞N2＞N1+C＞N2+C，施肥處理較CK均有一定幅度的降低。

2.4 土壤微生物群落結構分析

利用PCA對4個不同處理的土壤微生物群落結構進行主成分分析，結果（圖4）發現，N2、N1+C和N2+C處理中微生物群落結構與CK相比均發生了改變，N2+C處理與CK之間的距離最遠，說明其對土壤微生物群落結構的影響最為顯著，PC1和PC2分別占據了總變異的90.23%和0.67%。

圖4 不同處理土壤微生物特征磷脂脂肪酸主成分分析

3 結論與討論

納米材料所具有的特殊性能已被建議應用到土壤與植物營養領域[5]，而且在土壤保水、保肥，以及作物代謝、促進作物生長發育方面都具有良好效果[16，23-24]。王飛等[13]研究認為，納米碳含有的特殊結構，具有催化性，添加到肥料中能夠增加肥料的釋放程度，同時納米碳材料的表面積極大、帶有大量負電荷、易溶于水等特點，肥料中添加納米碳可以使土壤吸附大量的陽離子，減少肥料的揮發與徑流造成的損失。同時有研究認為，納米碳通過自身小的顆粒形態填充土壤之間的大孔隙，使土壤有的大孔隙被小孔隙取代，減少水分流動和互相聯通的孔隙，改變水流彎曲度，從而增加土壤保水、保肥的能力[25-26]。馬筠等[27]研究認為，納米碳進入土壤后能溶于水，增加土壤的EC值，可直接形成HCO3－，促進作物的生長和對養分的吸收。胡梓超等[28]研究了納米碳對關中地區土壤水分養分和小麥生長的影響，發現農田土壤條施納米碳后，冬小麥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??；納米碳在冬小麥各生育期內均可以有效提高小麥田間土壤剖面吸持養分的能力，且同一生育期內，納米碳含量越高，土壤表層剖面養分濃度越大，其中納米碳質量含量為0．007 kg/kg和0．010 kg/kg的處理在灌漿期5～10 cm土壤深度內平均硝態氮、速效磷、速效鉀含量與對照組相比分別增加了 25．0%、33.6%、43.7%、51.3%、6.6%和 17.5%。

納米碳具有小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等基本特性，將納米材料應用在土壤中，勢必會對土壤結構、土壤中元素遷移及化學生物反應等方面有一定影響[29－30]。本研究發現，添加納米碳可以增加土壤全氮，并顯著提升土壤有機碳、速效鉀養分含量，同時增加土壤總PLFA量，改善土壤微生物群落結構，而且在土壤保水方面同樣具有積極作用。然而由于缺乏有效的檢測手段，納米材料在土壤中的行為和遷移規律尚不清楚[31]。