金屬有機框架(MOF)類新型肥料在水稻上的應用初探

吳 珂，杜昌文*，申亞珍，馬 菲

（1 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學院大學現(xiàn)代農學院，北京 100049）

Robson等于1989年合成了一類由金屬離子與有機配體相連接的無機-有機材料[1]，開辟了晶體材料領域的研究，此后Li等于1999年首次報道了一種具有三維結構的金屬有機框架材料MOF-5[2]，金屬有機框架材料(metal-organic framework，MOF)由此誕生。這類材料是以金屬或金屬簇為節(jié)點，有機物為連接體，通過配位方式自組裝構成的具有一維、二維或三維周期性結構的晶體多孔材料，自2000年以來，MOF已逐漸成為化學和材料科學領域的研究熱點之一。

MOF材料是由金屬離子或離子簇與有機配體自組裝而成，因此，理論上選擇不同的金屬離子和有機配體可以構建不同結構的材料，該材料的研究已實現(xiàn)分子層面的可控設計與合成，通過預先定向設計拓撲結構，充分利用不同有機配體在配位上的特定取向，可構建具有特定結構和功能的MOF材料。作為構成MOF的金屬離子，不僅包括常見的過渡金屬離子如Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+等，還包含堿土金屬離子(Ca2+、Mg2+等)以及主族金屬的堿離子(Li+、Na+、K+等)，或是前述離子的混合物。而合成MOF的配體也有很大拓展，有單獨的含氮配體、多齒羧酸類配體、含氮雜環(huán)類配體(吡啶及咪唑)，甚至包括像磺酸和磷酸這樣具有多功能的配體。MOF的合成方法有很多，傳統(tǒng)的方法有水熱合成法、溶液揮發(fā)法及氣相擴散法等。隨后，研究人員又開發(fā)出一些新的方法，如微波合成法、固相合成法及雙相合成法等。此外，為了獲得結構更為穩(wěn)定以及孔徑更大的MOF，一般在合成過程中還會使用結構導向劑[3]。胺類化合物，特別是二胺、二氨基丙烷和哌嗪是目前較為常用的結構導向劑[4-7]。通常結構導向劑會作為客體分子鑲嵌在MOF框架內，而在某些情況下，也會完全或部分分解為更穩(wěn)定的二級結構[8]。

相較于傳統(tǒng)的無機或有機材料，MOF材料具有比表面積大[9]、孔隙率高[10]、構型多樣[11]及結構可調控[12]等優(yōu)點，已被廣泛應用于氣體儲存與分離[13-14]、催化[15]、熒光探針[16-18]及藥物載體[19]等領域。在農業(yè)領域，已有關于MOF材料應用于肥料的報道[20-21]，但僅限于室內盆栽試驗的初步嘗試，試驗處理不完善，且并未進行田間試驗研究，同時該MOF針對性不強，養(yǎng)分負載量低。基于MOF的可調控性，在設計合成MOF時，可根據作物對養(yǎng)分的需求從分子層面定向設計引入特定營養(yǎng)元素，可以是大量元素，也可以是中微量元素，甚至是大量與中微量元素混合的多元營養(yǎng)元素。因此，本研究以氯化鐵和硫酸鋅提供金屬離子，磷酸和草酸為配體以及尿素為結構導向劑，在水熱條件下合成了兩個新型MOF材料化合物(MOF1和MOF2)，并作為新型肥料初步開展了大田應用研究，以期評估MOF材料作為一類新型肥料的應用潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于中國科學院南京土壤研究所湯泉試驗基地(北緯32°04′15″，東經118°28′21″)。試驗時間為2018年6—10月。試驗地土壤類型為水稻土，土壤基礎理化性質為：pH 6.28、有機質22.3 g/kg、總氮1.31 g/kg、Olsen-P 15.4 mg/kg、NH4OAc-K 146 mg/kg。

1.2 MOF材料的合成

所用試劑為氯化鐵(FeCl3·6H2O)、硫酸鋅(ZnSO4·7H2O)、磷酸(H3PO4)、草酸(H2C2O4·2H2O)和尿素 [CO(NH2)2]，均為分析純，購自南京榮華科學器材有限公司；試驗用水為去離子水；高壓反應釜(KCF-2)購自北京世紀森郞實驗儀器有限公司。

MOF1：將0.25 mol氯化鐵、1.5 mol磷酸、0.25 mol草酸、0.625 mol尿素溶于450 mL去離子水中，用玻璃棒攪拌均勻，將混合溶液轉移到反應釜中，在100℃下水熱反應24 h。所得產物用去離子水洗滌3次，60℃下烘干，然后過3 mm篩備用。

MOF2：將0.25 mol氯化鐵、0.0625 mol硫酸鋅、1.5 mol磷酸、0.25 mol草酸、0.75 mol尿素溶于450 mL去離子水中，混合均勻后倒入反應釜中，在100℃下反應24 h。同樣，將所得產物洗滌、烘干及過篩。

MOF1和MOF2的產率及養(yǎng)分含量如表1。除MOF材料之外，試驗所需的常規(guī)肥料分別為尿素(N 46%)、硫酸鉀(K2O 52%)和過磷酸鈣(P2O512%)；水稻品種為武運粳23。

1.3 試驗設計

試驗設4個處理：不施肥(CK)、常規(guī)施肥(CF)、新型肥料1(MOF1)和新型肥料2(MOF2)。施肥處理的施肥水平為N 150 kg/hm2、P2O5200 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2；磷肥和鉀肥作為基肥一次性施用；常規(guī)施肥處理中氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3分3次施用；新型肥料處理中，用MOF材料替代部分常規(guī)肥料(以替代10%氮為基準，MOF1處理同時替代磷65%、MOF2處理替代磷82%)。每個試驗小區(qū)面積為12 m2(3 m×4 m)，每個處理3次重復。2018年6月12日人工扦插長勢均一的水稻幼苗，行距25 cm，株距20 cm，試驗過程中實施正常的田間管理。2018年10月22日收獲，并現(xiàn)場測產。

1.4 測定項目與方法

成熟期時，選擇1 m2的樣方測定水稻農藝性狀，包括千粒重、結實率、穗粒數(shù)和有效穗數(shù)；另從每個小區(qū)隨機選擇60株植株，烘干后分別測定植株莖、葉以及穗的生物量和全氮含量。植株樣品用H2SO4-H2O2進行消煮，利用SmartChem200自動分析儀(Alliance，F(xiàn)rance)測定植株全氮含量。

在水稻分蘗、拔節(jié)、孕穗及成熟期，分別從每個試驗小區(qū)多點隨機采集土樣，采樣深度為0—20 cm，混勻后自然風干，然后進行相關指標測定。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用SmartChem200自動分析儀(Alliance，F(xiàn)rance)測定；有效磷、有效鐵及有效鋅含量采用ICP-OES(ICAP 7000，Thermo Fisher，USA)測定；pH采用Orion Star A211(Thermo Fisher，USA)酸度計進行測定(土∶水=1∶5)。

植物氮累積量(N kg/hm2)=地上生物量(kg/hm2)×植物氮含量(kg/kg)；氮素利用率(%)=(處理植株氮吸收量-CK植株氮吸收量)/施氮量×100。

1.5 數(shù)據統(tǒng)計及分析

采用Excel 2010對試驗數(shù)據進行整理和統(tǒng)計，使用SPSS 19.0對數(shù)據進行單因素方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 MOF對水稻產量及相關農藝性狀的影響

如表2所示，CF、MOF1和MOF2處理的水稻產量、穗粒數(shù)、千粒重、有效穗數(shù)及結實率顯著高于對照CK，雖然CF、MOF1和MOF2處理之間的差異不明顯，但與CF處理相比，MOF1和MOF2處理的產量分別增加了7.7%和6.3%，千粒重、穗粒數(shù)、有效穗數(shù)及結實率也均有增加。

施肥顯著增加了水稻莖、葉和穗的干物質量和氮累積量(表3)。MOF1和MOF2處理水稻莖氮累積量顯著高于CK和CF處理，而CF、MOF1和MOF2處理之間的葉和穗氮累積量差異不顯著。然而，MOF1和MOF2處理的總氮累積量均顯著高于CF處理，分別增加了10.1%和8.2%。相比CF處理，MOF1和MOF2處理的總干物質量分別增加了7.11%和3.90%；此外，CF處理的當季氮素利用率為32.8%，而MOF1和MOF2處理的氮素利用率分別達到46.4%和43.0%，表明施加MOF1和MOF2兩種材料可明顯提高當季氮肥利用率，減少氮素損失。

表1 MOF1和MOF2的產率及養(yǎng)分含量(%)Table 1 Yield and elemental compositions in MOF1 and MOF2

表2 MOF肥料對水稻產量和農藝性狀的影響Table 2 Effects of MOFs on the yield and agronomic traits of rice

表3 MOF肥料對水稻干物質量、氮累積量及氮利用率的影響Table 3 Dry matter amount, N accumulation and utilization rate of rice as affected by MOF

2.2 MOF對土壤養(yǎng)分的影響

如圖1所示，在拔節(jié)期和成熟期，MOF1和MOF2處理的土壤銨態(tài)氮含量顯著高于CK和CF處理，而在孕穗期，CF處理的土壤銨態(tài)氮含量明顯高于MOF1和MOF2處理，這主要是由追肥引起。在分蘗期和拔節(jié)期，各處理之間的土壤硝態(tài)氮含量差異不顯著，而到了成熟期，MOF1和MOF2處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CF處理，表明MOF1和MOF2能持續(xù)穩(wěn)定的釋放養(yǎng)分。此外，分蘗期和拔節(jié)期各處理的土壤硝態(tài)氮含量均處于較低水平，從孕穗期開始大幅增加。這是因為在早期生長階段，稻田處于水淹狀態(tài)，硝化作用被抑制，而后期稻田水量減少，土壤硝化作用增強，因此硝態(tài)氮含量顯著增加。在拔節(jié)期和孕穗期，MOF1和MOF2處理的土壤中有效磷含量明顯高于CF處理，但成熟期3個處理之間的差異不明顯。在成熟期，MOF1和MOF2處理的土壤有效鐵含量顯著高于CF處理，而其他生育期3個處理之間的差異不顯著。另外，成熟期各處理土壤有效鐵含量明顯低于其他生育期，主要是因為成熟期土壤含水量低且通氣良好，氧化還原電位相對較高，土壤活性鐵易被氧化，進而導致有效鐵含量下降。此外，在整個生育期，各處理之間的土壤有效鋅含量和pH均差異不明顯。

圖1 MOF1和MOF2對土壤養(yǎng)分的影響Fig.1 Effects of MOF1 and MOF2 on soil nutrients

3 討論

本研究結果表明，通過施用MOF1和MOF2材料，可明顯提高氮肥利用率，這可能是水稻增產增效的主要原因。Anstoetz等[20]研究發(fā)現(xiàn)草酸鹽-磷酸-胺類MOF可顯著提高養(yǎng)分利用率和小麥產量；Abdelhameed等[22]報道了鐵基-MOF材料作為肥料的功效，發(fā)現(xiàn)該MOF能明顯提高菜豆的生物量、葉綠素含量及酶活性。這些研究結果表明MOF材料具有應用于肥料的潛力。

目前使用的緩/控釋肥料絕大多數(shù)為包膜類肥料，涂敷有機聚合物，如聚烯烴、二環(huán)戊二烯、聚苯乙烯、聚砜和甘油酯[23-24]，這些材料高昂的成本和復雜的生產工藝限制了其大規(guī)模應用[25]。此外，這類材料可能對土壤造成潛在的二次污染。相關研究表明，此類聚合材料在土壤中的累積不僅降低土壤肥力，還會在降解過程中釋放有毒氣體[26]。本研究中，我們選取的原材料環(huán)境友好，且合成反應是在較為溫和的水熱溶液中進行，工藝條件易于控制。因此，從環(huán)境友好性和合成工藝角度來看，MOF也具備應用于肥料的可行性。

MOF在小麥土壤中的降解行為表明，在整個小麥生長季MOF1降解了50.9%，且降解速率與土壤溫度呈正相關關系[27]，MOF材料在土壤中的降解直接影響其養(yǎng)分的釋放(圖2～圖5)。本研究中，合成MOF1和MOF2所用的有機配體為草酸。因而，這兩種MOF材料的降解可能是由微生物介導的草酸鹽-碳酸鹽途徑所驅動。草酸鹽-碳酸鹽途徑是地球上生化碳循環(huán)的重要組成部分，該途徑的實質是草酸鹽轉化為碳酸鹽，通常是草酸鈣經微生物作用轉化為碳酸鈣[28-29]。目前已知草酸鹽細菌可以驅動該途徑，這類細菌以草酸鹽作為唯一碳源和能源。Aragno等[30]用富集的土壤溶液接種到含有草酸鈣的瓊脂平板上，由于草酸鈣的溶解度較低，草酸鈣改性的瓊脂具有不透明的外觀，因此，草酸鈣顆粒周圍的透明區(qū)表明存在可消耗草酸鈣的細菌菌落，這意味著土壤中存在可以利用草酸鹽的細菌。而Anstoetz[31]利用培養(yǎng)試驗直接證實了草酸鹽細菌不僅可以消耗草酸鈣，還能利用草酸鹽-磷酸鹽-胺類MOF中的草酸鹽，從而導致MOF結構的坍塌降解。

圖2 MOF1和MOF2在稻田中的降解速率Fig.2 Degradation rates of MOF1 and MOF2 in paddy fields

圖3 不同降解時期MOF1和MOF2的紅外光聲光譜Fig.3 The infrared photoacoustic spectra of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

圖4 不同降解時期MOF1和MOF2的激光誘導擊穿光譜Fig.4 The laser induced breakdown spectra of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

圖5 不同降解時期MOF1和MOF2的掃描電子顯微照片F(xiàn)ig.5 The scanning electron micrographs of MOF1 and MOF2 in different degradation periods

4 結論

本研究中所合成的MOF1和MOF2可分別替代部分常規(guī)肥料應用于水稻，均可提高水稻產量和氮素利用率，改善水稻千粒重、穗粒數(shù)、有效穗數(shù)及結實率，也可不同程度增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷及有效鐵含量。MOF環(huán)境友好，可實現(xiàn)多元化養(yǎng)分設計，為新型肥料的研發(fā)提供了新的思路，具有應用于肥料的潛力，但有關應用需要通過進一步的參數(shù)優(yōu)化和試驗驗證。