納米碳對土壤的影響及其應用

楊自超 楊博蘭 鐘雯瑾 張斌強

（河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南 新鄉 453700）

納米碳是由植物殘體經過人為高溫厭氧條件加工制成的碳材料，屬于多孔材料，具有不規則的外表面和復雜的內表面，含有微孔結構，具有較大的比表面積。納米碳的主要組成元素為碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）等有機元素，以及鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等以灰分形式存在的無機元素，而且含碳量豐富（30.0%～77.4%），pH值大于7。納米碳通過根系吸收的方式進入植物體內，是一種新型農田土壤改良劑。不僅如此，納米碳對土壤理化性質、土壤微生物環境均有一定的影響。利用納米碳材料特性開發出的增效肥料稱為納米碳肥，在農業領域具有十分廣闊的應用前景。

1 納米碳對土壤的影響

1.1 納米碳對土壤環境的影響

隨著社會的發展，人們對食品安全的關注度越來越高，而食物質量與土壤環境密不可分，土壤環境會間接影響食物品質，因此，關注土壤環境顯得尤為重要。有關研究表明，土壤微生物及酶的活性被認為是最能反映土壤活力的兩大數值，同時是評價土壤環境的重要指標［1］。有報道指出，納米碳是一種無機物質，可以調節土壤微環境，對土壤酶活性及土壤微生物活性具有一定的激活作用。金立夏等研究發現土壤內單壁納米碳管的濃度與細菌的相對豐度在一定范圍內呈正相關關系［2］。張晶研究發現施用納米碳粉后土壤脫氫酶活性顯著降低，土壤微生物總量有所增加并保持在穩定水平［3］。這說明納米碳通過增強植株根系活動或土壤微生物的活性，間接改變了土壤酶活性，從而改良了土壤環境。

1.2 納米碳對土壤理化性狀的影響

1.2.1 納米碳對土壤保水性的影響。土壤水是土壤中物質與能量運輸和轉換的重要介質，土壤水分條件直接影響作物長勢，因此，在農業生產中農戶通常使用水分吸附劑以優化土壤的保水性。納米碳材料因具有較大的表面積、體積比，而逐漸被應用于土壤保水，并以其優良特性正逐漸取代傳統的水分吸附劑［4］。胡梓超研究發現，在粒級＞2μm的土壤中施用較多納米碳材料時，其土壤水穩定性團聚體數量隨之增加，而土壤團聚體數量的增加在一定程度上增大了土壤容重，減少了土壤中大孔隙的數量，增加了中小孔隙的數量，降低了外界吸力對水分的影響，從而提高了土壤保水性［5］。

1.2.2 納米碳對土壤氮、鉀含量的影響。氮作為植物生長需求量最多的元素之一，在土壤中主要以銨態氮和硝態氮的形式存在。銨態氮在堿性土壤中極易揮發而造成損失，硝態氮由于帶負電荷不能被土壤膠體吸附而極易隨水流失。有關研究發現，在土壤中施用納米碳后由于其對水分的吸持作用，從而減少了硝態氮的淋失。同時，由于納米碳自身的結構特點，納米碳對土壤銨態氮也有一定的吸附作用，從而減少土壤中銨態氮的揮發。胡梓超將納米碳施于土壤中，得到了類似結果［5］。

鉀元素不僅能提高作物品質，而且能增強植物的抗病蟲害及抗逆能力。作物對土壤中鉀元素的吸收主要以速效鉀形式進行，但速效鉀吸附性差、移動性強，從而導致作物對鉀元素的利用率較低。納米碳材料以其較大的比表面積和強吸附性，可以與鉀元素進行復合反應，從而有效提高作物對鉀元素的利用率。溫善菊等研究發現，在土壤中施入納米碳后進行土壤淋溶試驗，土壤中鉀元素含量與對照相比顯著提高［6］。這也進一步驗證了納米碳對土壤中鉀元素的增效作用。

2 納米碳的應用

2.1 在減輕環境污染中的應用

不合理施用化學肥料，會造成嚴重生態環境污染。如何利用納米碳材料減輕環境污染，國內外學者均進行了相關研究。徐磊等研究發現，納米碳具有超強的吸附性，將其施入土壤后能有效吸附土壤中的污染物，從而降低了污染物向外擴散的風險，減輕了環境污染［7］；YUAN C和MANNING B A等研究發現，在土壤中施加納米碳材料可以有效改善土壤環境，降低砷對土壤和地下水的污染［8-9］；胡梓超在人工模擬降雨條件下，研究不同納米碳含量對黃土坡面養分流失影響，結果發現在土壤中施加納米碳可顯著緩解土壤侵蝕，對土壤養分具有較好的保護作用［5］。

2.2 在肥料中的應用

納米碳在肥料中具有廣闊的應用前景，許多專家學者對其均有研究。馬筠等以冬小麥為研究對象，將納米碳添加到肥料中制作成納米碳肥，以納米碳肥為研究材料，發現納米碳可以促進小麥植株新陳代謝，從而促進小麥生長［10］；王佳奇等在瓊脂培養基中添加納米碳以研究玉米幼苗根系的變化，結果表明添加一定濃度的納米碳不僅可以促進玉米種子發芽和根系生長，而且可以顯著提高玉米對氮肥的利用率［11］。納米碳具有節肥增效作用。李淑敏等得到了類似的試驗結果，在化肥中添加納米碳可以顯著提高玉米根系活力，促進玉米地下根系生長發育［12］。王飛等研究表明，在同一施肥條件下添加納米碳可以有效提高作物對肥料的利用率，從而實現作物穩產、高產［13］。劉健等在玉米肥效試驗中發現，添加納米碳可使玉米增產10.93%～16.74%［14］，進一步驗證了納米碳在肥料中的應用效果。劉健等研究發現納米碳增效尿素處理的水稻產量三要素顯著高于對照處理，對水稻產量具有極為顯著的影響［15］。

3 納米碳在肥料中的應用特點

第一，納米碳肥料能在光合作用下使土壤中養分增加，促進植物根系活性化，提高植物生命力。

第二，納米碳的高吸附性和緩釋放性使納米碳肥料進入土壤后能溶于水，增加植物根系吸收水分和養分的能力。

第三，植物可以通過根系吸收納米碳粒附著的養分，進入植物根、莖、葉，縮短植物生長周期并達到增產效果。

第四，納米碳肥料可以使土壤中有益微生物大量繁殖，逐漸改善土壤狀況，帶動減少肥料施用量。

4 結語

在農業生產中，將納米碳添加到肥料中制成納米碳肥，不僅可以提高作物產量，而且可以起到節肥增效的作用，并減輕環境污染。因此，將納米碳應用到農業生產中具有重要意義。