梁太波，尹啟生，張艷玲，謝劍平，王寶林，蔡憲杰，過偉民，王建偉

(中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001)

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，肥料的大量投入在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質方面發(fā)揮了重要作用。然而，隨著肥料使用量的不斷增加，其負面效應不斷顯現(xiàn)，肥料利用率低、經(jīng)濟效益下降等問題日益突出。據(jù)估計，我國氮肥利用率僅為30%左右，遠低于世界發(fā)達國家［1］。提高肥料利用效率，減少肥料損失，對我國農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和人類生存環(huán)境的保護都有著重要意義［2］。納米技術是20世紀80年代興起的一項新技術，基本涵義是在納米(10-9—10-7m)尺度范圍內(nèi)對物質進行認識和改造。納米材料具有小尺寸效應、表面界面效應和量子尺寸效應等許多傳統(tǒng)材料不具備的特性［3-4］。近年來，納米材料被逐步應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，其在促進植物生長發(fā)育、提高肥料利用率方面的作用受到人們極大關注［5-7］。研究表明，納米材料能夠調節(jié)植物基因表達，刺激種子萌發(fā)和根系生長［8-9］。同時，納米材料能夠調節(jié)植物體內(nèi)多種酶的活性，改善植物光合性能，提高作物產(chǎn)量［10-12］。此外，由納米材料研制的納米增效肥料在減少肥料的流失、提高肥料利用率方面展現(xiàn)出良好效果［13-16］。

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物，在烤煙生產(chǎn)中過量施肥現(xiàn)象時有發(fā)生。提高烤煙植株對營養(yǎng)元素的吸收，減少肥料投入，對增加農(nóng)民收入和生態(tài)環(huán)境保護都有重要意義。室內(nèi)培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的碳納米管能夠促進煙草細胞生長［8］，然而關于納米材料對烤煙養(yǎng)分吸收利用的研究尚鮮見報道。為此，進行了不同納米碳施用量對烤煙生長發(fā)育和氮素吸收積累的影響試驗，以期為納米碳在烤煙生產(chǎn)中的應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011年4月至8月在鄭州煙草研究院溫室內(nèi)進行，供試土壤質地為壤土，有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為15.10 g/kg，87.16 mg/kg，44.27 mg/kg，96.37 mg/kg。土壤過篩后裝盆，每盆裝土15 kg(盆缽直徑30cm，高25 cm)，供試烤煙品種為中煙100。供試肥料:硝酸銨(含N35%)、硝酸鉀(含N13%，K2O 45%)、硫酸鉀(含 K2O 50%)、磷酸二氫鉀(含P2O552%，K2O 34%)等，納米碳由北京華龍肥料技術有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，分別為:T1，對照(不施用納米碳);T2，納米碳用量為肥料總重量的0.1%;T3，納米碳用量為肥料總重量的0.3%;T4，納米碳用量為肥料總重量的0.5%。根據(jù)烤煙需肥規(guī)律，每處理均按照氮磷鉀 N ∶P2O5∶K2O=1∶0.8∶3(純氮 2.1g/盆)的比例施用肥料。施肥方法:各處理所需氮素的70%以硝酸銨形式連同磷、鉀肥一起作為基肥在移栽前施入，剩余30%的氮素以硝酸鉀形式在移栽后30d作為追肥施入，納米碳與肥料混合均勻后隨肥料同時施入。每處理15次重復，4月28日移栽，其他管理措施同大田栽培。

結合盆栽試驗，在T1和T3處理中分別取8盆進行15N示蹤試驗。同位素肥料分別為15N雙標記的硝酸銨(豐度 10%)和15N標記的硝酸鉀(豐度10%)，由上海化工研究院提供。其中，第 1、2、3、4盆，基肥施用標記15N的硝酸銨肥料，追肥施用普通硝酸鉀肥料;第5、6、7、8盆，基肥施用普通硝酸銨肥料，追肥施用標記15N的硝酸鉀肥料。其他管理措施與盆栽試驗保持一致。

1.3 樣品采集與測定

在煙葉生長團棵期(移栽后35d)、旺長期(移栽后60d)、成熟期(移栽后85d)分別取樣，每處理取代表性植株2—3株。操作時先用水小心沖出根系，然后將煙株按根、莖、葉各器官分開并稱其鮮重，于70℃烘箱中烘至恒重后，測定干物質量。

樣品粉碎后用濃H2SO4-H2O2消化，半微量凱氏定氮法測定土壤、植株含氮量。根系活力用TTC還原法測定［17］。15N樣品采用ZHT2O2型質譜儀分析15N豐度，由河北省農(nóng)林科學院理化所分析。

計算公式:

植株從肥料中吸收的氮素百分數(shù)(NDFF)

植株從土壤中吸收的氮素百分數(shù)(NDFS)

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010程序和DPS v7.05統(tǒng)計分析軟件進行。

2 結果與分析

2.1 根系生物量和根系活力

從圖1可以看出，在烤煙生長發(fā)育的3個關鍵時期(團棵期、旺長期和成熟期)，與對照(T1)比較，施用納米碳均不同程度地增加了植株根系生物量，成熟期增加幅度分別達到 9.78%，18.53%和21.04%。3個納米碳處理比較，在煙株團棵期，以T3處理根系生物量最高;在煙株生育后期以T4處理根系生物量相對較高。說明施用納米碳有利于促進烤煙根系生長發(fā)育，增加根系生物量，但不同納米碳用量的效果存在差異。由圖1還可以看出，施用納米碳能夠不同程度提高烤煙根系活力。與對照(T1)比較，在團棵期和旺長期，3個納米碳處理根系活力均顯著增加，且以T3處理增加幅度最大。在成熟期，T3和 T4處理根系活力顯著高于 T1和 T2處理。

圖1 施用納米碳對烤煙根系生物量和根系活力的影響Fig.1 Effects of nanocarbon application on the biomass and vigor of tobacco root

2.2 干物質積累量

由表1看出，在烤煙生長發(fā)育進程中，施用納米碳均不同程度促進了烤煙植株各器官生長發(fā)育，增加干物質積累量，尤以T3和T4處理相對較好。在成熟期，與對照(T1)相比，T3處理根莖葉干物質積累量分別增加6.73%、19.17%和7.92%;T4處理分別增加9.12%、12.44%和3.89%?？梢?，適宜的納米碳用量有利于促進烤煙植株生長發(fā)育，增加干物質積累量。

表1 不同處理對烤煙干物質積累量的影響Table 1 Effect of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.3 成熟期不同器官氮素積累和分配

從表2可以看出，與對照T1相比，施用納米碳處理不同程度增加了烤煙根系和葉片氮素含量，而對莖器官氮素含量無顯著影響。由于干物質積累量增加，納米碳處理T2、T3和T4成熟期各器官氮素積累量均有所增加，尤以T3和T4處理效果顯著。氮素積累在各器官中的分配比例處理間無顯著差異?？梢?，施用納米碳能夠不同程度促進烤煙植株氮素吸收，提高根系和葉片氮素含量和積累量，但并未影響植株氮素在不同器官中的分配。

表2 成熟期烤煙植株不同器官氮素積累與分配Table 2 Effect of different treatments on nitrogen accumulation and distribution among different organs of tobacco plant at maturity stage

2.4 烤煙植株對不同來源氮素的吸收

15N示蹤試驗結果(表3)表明，在旺長期和成熟期，植株積累的氮素25.29%—34.62%來自于肥料，65.38%—74.01%來自于土壤。與旺長期相比，成熟期T1和T3處理烤煙植株對土壤氮的吸收比例增加，而肥料氮比例減少。說明隨生育期推后，肥料氮在植株氮素積累中的貢獻降低。處理間比較，在成熟期，來自肥料氮所占的比例，T1和T3無顯著差異;來自土壤氮所占比例，處理間亦無明顯差異。

表3 施用納米碳對烤煙吸收不同來源氮素的影響Table 3 Effects of nanocarbon application on tobacco nitrogen uptake from different sources

就烤煙對氮素的吸收量而言，在旺長期，施用納米碳后植株積累氮素來自土壤的氮和植株總吸氮量均顯著增加。在成熟期，來自肥料的氮、來自土壤的氮和植株總吸氮量均表現(xiàn)為T3＞T1。施用納米碳處理不僅增加了植株對肥料氮的吸收量，還增加了對土壤氮的吸收量，這與其促進了烤煙根系生長發(fā)育、提高了根系的吸收能力有密切關系。

2.5 氮肥利用率

利用15N示蹤技術可計算出不同處理的氮肥利用率(表4)?？梢钥闯觯琓1和T3處理烤煙對氮肥的利用率，基肥為35.67%和40.82%，追肥為47.50%和52.07%，兩個處理追肥利用率均明顯高于基肥。與T1相比，T3處理基施氮肥利用率提高14.44%;追施氮肥利用率提高9.62%。從器官來看，與T1相比，T3處理莖和葉片肥料利用率基肥和追肥均顯著提高，而根系肥料利用率無顯著差異。初步分析認為，施用納米碳處理的氮肥利用率提高，可能與納米碳顆粒的高表面能提高了肥料中氮素的有效性有關。

表4 施用納米碳對氮肥利用率的影響Table 4 Effects of nanocarbon application on nitrogen utilization rate

由表4還可以看出，兩個處理氮肥土壤殘留率追肥均顯著低于基肥;而氮肥的損失率基肥和追肥之間無明顯差異。處理之間比較，施用納米碳處理T3無論是基肥還是追肥，土壤殘留率和損失率均有不同程度降低，這可能與該處理根系發(fā)育好、氮肥利用率較高有關。

3 結論與討論

3.1 納米碳對烤煙生長發(fā)育的影響

納米碳作為一種具有高表面能的小尺度納米材料，在影響生物代謝、促進作物生長發(fā)育方面的良好效果已在多種作物上顯現(xiàn)［18-19］。本試驗結果表明，在普通肥料中加入納米碳能不同程度地促進烤煙植株生長發(fā)育，增加煙株干物質積累量，這與劉鍵［16］、武美燕［20］等人在水稻、小麥上的研究結果相似。同時研究發(fā)現(xiàn)，納米碳促進烤煙植株生長發(fā)育的效果在烤煙生育前期更為顯著，說明納米碳能夠促進烤煙植株早發(fā)、快長，從而有利于提高煙葉產(chǎn)量。施用納米碳明顯增加烤煙根系生物量、提高根系活力，是其促進植株生長發(fā)育的重要原因。

3.2 納米碳對烤煙氮素吸收和氮肥利用率的影響

研究表明，納米材料能夠促進植物對氮磷鉀等養(yǎng)分的吸收［21-23］。本試驗條件下，施用納米碳處理不僅增加了植株對肥料氮的吸收量，還增加了對土壤氮的吸收量，這與其促進了烤煙根系生長發(fā)育、提高了根系的吸收能力有密切關系。施用納米碳能夠不同程度促進烤煙植株氮素吸收，提高根系葉片氮素含量和積累量，但并未影響植株氮素在各器官的分配。

施入土壤中的肥料氮一般有3個去向:作物吸收、土壤殘留和損失。有報道指出，肥料施入土壤后，約有39%—53%被煙株吸收利用［24］。本試驗條件下，施入土壤的氮素35.67%—52.07%被植株吸收利用。納米碳無論做基肥還是做追肥，均顯著提高了氮肥利用率，使氮素土壤殘留率和損失率均有不同程度降低。這可能是因為納米碳作為一種小尺度、高表面能活性的納米顆粒，能夠與土壤中的養(yǎng)分離子形成聚合物，提高了營養(yǎng)元素的有效性，促進了植株對養(yǎng)分的吸收和利用。然而，僅從納米碳的吸附性能角度無法完全解釋其促進作物生長和養(yǎng)分吸收的機理。張夫道等［22］利用納米膠結包膜材料制作緩釋肥料，通過溶解或溶脹作用使膠粘劑分子與肥料分子相互擴散形成膠結接頭，在提高肥料利用率方面取得良好效果。然而，本研究中納米碳提高烤煙肥料利用率的作用機理可能與之有所不同。研究表明，納米碳具有較高的比表面能和電催化性能，遇水后能夠變成導體，可以提高土壤電動電位。植物根系對養(yǎng)分的吸收，涉及了復雜的電化學過程，納米碳可能參與并影響了這一過程。同時，在烤煙生長發(fā)育過程中，納米碳作為肥料的載體可充分吸附結合在根系表面，促進了根系對養(yǎng)分的吸收和根系生物量的增加。也有研究認為，納米材料可以改變水的結構，提高其活性，在水不斷被植物吸收的過程中可以攜帶大量營養(yǎng)元素進入植物體內(nèi)，達到營養(yǎng)植物的目的［25］。研究已證實，某些形態(tài)的納米材料如碳納米管能夠被植物吸收，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(guī)律尚不清楚［26］。因此，關于納米材料促進作物養(yǎng)分吸收的機理和在土壤環(huán)境中的行為規(guī)律，有待于進一步研究。

［1］Yan X，Jin J Y，He P，Liang M Z.Recent advances in technology of increasing fertilizer use efficiency.Scientia Agricultura Sinica，2008，41(2):450-459.

［2］Zhang F S，Wang J Q，Zhang W F，Cui Z L，Ma W Q，Chen X.Nutrient use efficiencies of major cereal crops in china and measures for improvement.Acta Pedologica Sinica，2008，45(5):915-924.

［3］Borm P J，Robbins D，Haubold S，Kuhlbusch T，F(xiàn)issan H，Donaldson K，Stone V，Kreyling W，Lademann J，Krutmann J，Warheit D，Oberdorster E.The potential risks of nanomaterials:a review carried out for ECETOC.Particle and Fibre Toxicology，2006，14(3):11-35.

［4］Zhang Z T，Lin Y H，Tang Z L，Zhang J Y.Nanometer materials＆ nanotechnology and theirapplication prospect.Material Engineering，2000，(3):42-48.

［5］Fang G D，Si Y B.Effects of nanoscale Fe3O4on microbial communities，enzyme activities and 2，4-D degradation in red soil.Scientia Agricultura Sinica，2011，44(6):1165-1172.

［6］Lin S，Reppert J，Hu Q，Hudson JAS，Reid M L，Ratnikova T A，Rao A M，Luo H，Ke P C.Uptake，translocation，and transmission of carbon nanomaterials in rice plants.Small，2009，5(10):1128-1132.

［7］Liu Q L，Chen B，Wang Q L，Shi X L，Xiao Z Y，Lin J X，F(xiàn)ang X H.Carbon nanotubes as molecular transporters for walled plant cells.Nano Letters，2009，9(3):1007-1010.

［8］Khodakovskaya M V，Silva K，Biris A S，Dervishi E，Villagarcia H.Carbon nanotubes induce growth enhancement of tobacco cells.ACS Nano，2012，6(3):2128-2135.

［9］Alia D S，Castillo-Michel H，Hernandez-Viezcas J A，Diaz B C，Jose R，Peralta-Videa J R，Gardea-Torresdey J L.Synchrotron micro-XRF and micro-XANES confirmation of the uptake and translocation of TiO2nanoparticles in cucumber(cucumis sativus)plants.Environmental Science＆ Technology，2012，46(14):7637-7643.

［10］Hong F S，Yang P，Gao F Q，Liu C，Zheng L，Yang F，Zhou J.Effect ofnano-anatase TiO2on spectralcharacterization of photosystemⅡparticles from spinach.Chemical Research in Chinese Universities，2005，21(2):196-200.

［11］Hong F S，Zhou J，Liu C，Yang F，Wu C，Zheng L，Yang Ping.Effect of nano-TiO2on photochemical reaction of chloroplasts of spinach.Biological Trace Element Research，2005，105(1/3):269-279.

［12］Lu C M，Zhang C Y，Wen J Q，Wu G R，Tao M X.Research of the effect of nanometer materials on germination and growth enhancement of Glycine max and its mechanism.Soybean Science，2002，21(3):168-171.

［13］Liu A X，Lu Q M，Cao Y J，Liao Z W，Xu Q H.Effects of composite nanomaterials on rice growth.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2007，13(2):344-347.

［14］Cao Y J，Liu A X，Liao Z W，Li Y H.Preliminary study on effects of nanomaterials on phosphor nutrition of maize.Ecology and Environment，2006，15(5):1072-1074.

［15］Xiao Q，Zhang F D，Wang Y J，Zhang J F，Zhang S Q.Effects of slow/controlled release fertilizers felted and coated by nanomaterials on crop yield and quality.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2008，14(5):951-955.

［16］Liu J，M J，Zhang Z M，Liu W Z，Guo Z D.Application effect of fertilizer added with nano carbon on rice.Phosphate＆Compound Fertilizer，2011，26(6):76-77.

［17］Zhao S J，Liu H S，Dong X C.Techniques of plant physiological experiment.Beijing:Chinese Agricultural Scientech Press，2002:47-48.

［18］Khodakovskaya M，Dervishi E，Mahmood M，Yang X，Li Z，F(xiàn)umiya W，Biris A.Carbon nanotubes are able to penetrate plant seed coat and dramatically affect seed germination and plant growth.ACS Nano，2009，3(10):3221-3227.

［19］Xie Y F，Yao X H.Effects of nano-meter TiO2on germination and growth physiology of pinus tabulaeformis.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2009，29(10):2013-2018.

［20］Wu M Y，Hao R C，Tian X H，Wang X L，Ma G H，Tang H T.Effects of adding nono-carbon in slow-released fertilizer on grain yield and nitrogen use efficiency of super hybrid rice.Hybrid Rice，2010，25(4):86-90.

［21］Fan L L，Wang Y H，Shao X W，Geng Y Q，Wang Z C，Ma Y，Liu J.Effects of combined nitrogen fertilizer and nano-carbon application on yield and nitrogen use of rice grown on saline-alkali soil.Journal of Food，Agriculture＆ Environment，2012，10(1):558-562.

［22］Zhang F D，Zhao B Q，Zhang J，He X S，Zhang J Q，Shi C Y.The progress and prospect on Nano-fertilizers research.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2002，8(2):254-255.

［23］Wang X Y，Wang Y，Tian X H，Ma G H.Effects of NMUrea on nitrogen runoff losses of surface water and nitrogen fertilizer efficiency in paddy field.Transactions of the CSAE，2011，27(1):106-111

［24］Shan D X，Yang S H，Li S Q，Xu J G.Absorption and distribution of nitrogen of flue-cured tobacco with15N tracer.Soil and Fertilizer Sciences in China，2007，(2):43-45.

［25］Liu A X，Liao Z W.Effect of nanomaterial on water clusters.JournalofAnhuiAgricultureScience， 2008， 36(36):15780-15781.

［26］Pan B，Xing B.Applications and implications of manufactured nanoparticles in soils:a review.European Journal of Soil Science，2012，(63):437-456.

參考文獻:

［1］閆湘，金繼運，何萍，梁鳴早.提高肥料利用率技術研究進展.中國農(nóng)業(yè)科學，2008，41(2):450-459.

［2］張福鎖，王激清，張衛(wèi)峰，崔振嶺，馬文奇，陳新平，江榮風.中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑.土壤學報，2008，45(5):915-924.

［4］張中太，林元華，唐子龍，張俊英.納米材料及其技術的應用前景.材料工程，2000，(3):42-48.

［5］方國東，司友斌.納米Fe3O4對紅壤微生物數(shù)量、酶活性及2，4-D降解的影響.中國農(nóng)業(yè)科學，2011，44(6):1165-1172.

［12］陸長梅，張超英，溫俊強，吳國榮，陶明煊.納米材料促進大豆萌芽、生長的影響及其機理研究.大豆科學，2002，21(3):168-171.

［13］劉安勛，盧其明，曹玉江，廖宗文，徐清輝.納米復合材料對水稻生長發(fā)育的影響.植物營養(yǎng)與肥料學報，2007，13(2):344-347.

［14］曹玉江，劉安勛，廖宗文，黎永洪.納米材料對玉米磷營養(yǎng)的影響初探.生態(tài)環(huán)境，2006，15(5):1072-1074.

［15］肖強，張夫道，王玉軍，張建鋒，張樹清.納米材料膠結包膜型緩/控釋肥料對作物產(chǎn)量和品質的影響.植物營養(yǎng)與肥料學報，2008，14(5):951-955.

［16］劉鍵，馬筠，張志明，劉維震，郭自得.肥料添加納米碳在水稻上的施用效果.磷肥與復肥，2011，26(6):76-77.

［17］趙世杰，史國安，董新純.植物生理學實驗指導.北京:中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社，2002:47-48

［19］謝寅峰，姚曉華.納米TiO2對油松種子萌發(fā)及幼苗生長生理的影響.西北植物學報，2009，29(10):2013-2018.

［20］武美燕，蒿若超，田小海，王曉玲，馬國輝，湯海濤.添加納米碳緩釋肥料對超級雜交稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響.雜交水稻，2010，25(4):86-90.

［22］張夫道，趙秉強，張駿，何緒生，張俊清，史春余.納米肥料研究進展與前景.植物營養(yǎng)與肥料學報，2002，8(2):254-255.

［23］王小燕，王燚，田小海，馬國輝.納米碳增效尿素對水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影響.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(1):106-111.

［24］單德鑫，楊書海，李淑芹，許景鋼.15N示蹤研究烤煙對氮的吸收及分配.中國土壤與肥料，2007，(2):43-45.

［25］劉安勛，廖宗文.納米材料對水團簇的影響.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(36):15780-15781.