胡梓超，周蓓蓓，陳曉鵬，彭 遙，王全九,2

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

陜西關(guān)中地處暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，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(yōu)質(zhì)小麥的優(yōu)勢生產(chǎn)區(qū)[1]。然而近年來，隨著人口的增長及社會經(jīng)濟的發(fā)展，各部門、各行業(yè)對土地資源的需求大幅增加，使得關(guān)中地區(qū)產(chǎn)生耕地面積連年銳減，耕地資源破壞和浪費嚴(yán)重，人地矛盾嚴(yán)峻[2]。這些問題嚴(yán)重制約著陜西省糧食生產(chǎn)的發(fā)展和糧食儲備的穩(wěn)定，科學(xué)合理利用有限的耕地資源來提高單位面積糧食產(chǎn)量，已成為糧食生產(chǎn)發(fā)展的必由之路。

提高田間肥料施用量是近年來提高關(guān)中地區(qū)糧食單產(chǎn)的主要方式，但化肥的大量投入在增加糧食單產(chǎn)的同時，大量化肥流失到土壤環(huán)境中，引起土壤產(chǎn)生酸化板結(jié)、硝酸鹽污染和土壤次生鹽漬化，從而導(dǎo)致土壤肥力下降，并造成水體富營養(yǎng)化，淋溶污染地下水[3-5]。近年來隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)納米材料作為一種具有特殊性質(zhì)的新型材料,在植物營養(yǎng)與土壤領(lǐng)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(yīng)的特點，極易與土壤中營養(yǎng)元素和微量元素發(fā)生吸附或耦合成為高效復(fù)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(jìn)養(yǎng)分釋放；學(xué)者提出利用納米碳提高肥料利用效率，促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收[6-8]。Lin等[9]研究發(fā)現(xiàn)納米碳材料不僅對水稻生長無污染，且能夠被水稻吸收、轉(zhuǎn)運并可以轉(zhuǎn)移到下一代。李一丹[10]在東北單季稻種植區(qū)研究不同施氮水平下納米碳對水稻產(chǎn)量、肥料利用率的影響，結(jié)果表明納米碳可提高水稻產(chǎn)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(yǎng)分吸收及淋失的影響，試驗結(jié)果表明納米碳能夠促進(jìn)玉米苗期的生長，減少養(yǎng)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(xué)研究的經(jīng)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(yǎng)分含量的影響，以期對納米碳應(yīng)用于提高冬小麥水肥利用率及產(chǎn)量提供經(jīng)驗與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

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

1.2 試驗設(shè)計

在試驗農(nóng)用耕地布設(shè)2 m×2 m的試驗小區(qū)，隔壟條施不同含量納米碳(納米碳購置于上海海諾炭業(yè)有限公司，質(zhì)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(zhì)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(nóng)家禽畜及野外動物破壞小區(qū)，利用1 m高的鐵絲網(wǎng)在每塊試驗小區(qū)外圍圍成3 m×3 m的防護(hù)區(qū)。每個處理兩個重復(fù)，共計10個試驗小區(qū)。

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(zhuǎn)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(qū)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(jìn)行灌水，使底墑充足；越冬期時對大田進(jìn)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(jìn)行春灌，促進(jìn)麥苗早返青，灌水量為90 mm左右。

試驗監(jiān)測期間，在冬小麥幼苗期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期內(nèi)，于各個小區(qū)內(nèi)按照S形選取5個采樣點，進(jìn)行土壤樣品采樣，用于測定土壤含水量及土壤養(yǎng)分，并在每個小區(qū)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(nèi)土壤水分養(yǎng)分含量變化較大，因此在0～10 cm深度范圍內(nèi)每2 cm取一份樣本，土壤剖面10～30 cm內(nèi)每5 cm取一份樣本。土壤含水量樣本裝至標(biāo)有序號的鋁盒，土壤養(yǎng)分樣本密封至標(biāo)有序號的塑封袋內(nèi)。同一小區(qū)同層土壤樣本經(jīng)測定后，取平均值進(jìn)行后續(xù)分析。

1.3 分析項目與測定方法

(1) 土壤含水量及土壤養(yǎng)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(tài)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(biāo)：使用游標(biāo)卡尺和直尺分別測小麥莖粗和株高，根據(jù)小麥葉片長寬與葉面積系數(shù)計算得小麥葉面積，將整株小麥裝于標(biāo)有序號的信封中，放入烘箱內(nèi)。溫度調(diào)整為105℃殺青30 min，之后調(diào)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(qū)脫粒記產(chǎn)。

(3) 植株養(yǎng)分：樣品經(jīng)烘干粉碎后用H2SO4—H2O2法消解，采用連續(xù)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(jié)果與分析

2.1 納米碳對農(nóng)田土壤剖面含水量的影響

從冬小麥整個生育期內(nèi)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(nóng)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(xiàn)出先增加而后減少的趨勢，在5～10 cm土層土壤內(nèi)達(dá)到最大值。進(jìn)一步分析納米碳對其影響可以看出，施加納米碳的小區(qū)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(nèi)波動，其中納米碳質(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區(qū)從冬小麥幼苗期到灌漿期，5～10 cm土壤深度內(nèi)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(xiàn)在冬小麥返青期，灌水后，表層土壤水分在短時間內(nèi)受蒸散作用較小，因此在一段時間內(nèi)保持較大土壤含水量。楊靜敬等[14]針對楊凌區(qū)淺層土壤水分進(jìn)行研究可得農(nóng)田土壤含水量最大值出現(xiàn)在20～40 cm處，而本研究中各小區(qū)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(nèi)，在圖中表現(xiàn)為最大土壤水量深度上移的現(xiàn)象。林祥等[16]對小麥出苗率與土壤含水量關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，土壤添加納米碳后，土壤中大孔隙數(shù)量降低，中小孔隙數(shù)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(nóng)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(yǎng)分含量的影響

2.2.1 納米碳對土壤硝態(tài)氮的影響 硝態(tài)氮是土壤氮素的主要形態(tài)之一，也是土壤速效氮的重要組成部分，在土壤養(yǎng)分方面常作為氮素供應(yīng)指標(biāo)之一。硝態(tài)氮也反映了土壤氮素的轉(zhuǎn)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(tài)氮差值較小，含量較大；拔節(jié)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(tài)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(fā)育趨近完全，干物質(zhì)累積速率大幅度減緩，因此在這兩個生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮差值變化較小。進(jìn)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(nóng)田土壤硝態(tài)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(qū)表層土壤硝態(tài)氮差值明顯小于對照小區(qū)，且隨冬小麥生育期推移，土壤剖面硝態(tài)氮差值隨著納米碳含量的增大而減小。其中納米碳質(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區(qū)灌漿期5～10 cm土層土壤內(nèi)平均硝態(tài)氮含量與對照組相比分別增加了25%和33.6%。

由于硝態(tài)氮不易被土壤顆粒吸附，主要以溶質(zhì)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(nèi)的土壤水分吸持能力，同時抑制了硝態(tài)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(tài)氮變化規(guī)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(wěn)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(nèi)，施加納米碳的小區(qū)土壤速效鉀高于對照組，其中納米碳質(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區(qū)在灌漿期5～10 cm土壤深度內(nèi)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(fā)生物理化學(xué)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(nèi)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(nóng)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(fā)育的必需營養(yǎng)元素，是作物體內(nèi)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(qū)在冬小麥各生育期內(nèi)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(qū)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(nèi)差值均較為穩(wěn)定。其中在0～10 cm土層深度，經(jīng)過條施納米碳處理的小區(qū)，速效磷的差值要小于對照組，且差值變化隨著納米碳質(zhì)量含量的增加而減小，其中納米碳質(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區(qū)在灌漿期5～10 cm土壤深度內(nèi)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(jié)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(tài)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(fā)育進(jìn)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(nèi)。而在本研究中，納米碳質(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1處理的小區(qū)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(nèi)均出現(xiàn)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(jié)了大量吸附著磷素的土壤細(xì)顆粒，進(jìn)一步穩(wěn)固了磷素在相應(yīng)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(nóng)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(fā)育的影響

2.3.1 納米碳對冬小麥植株養(yǎng)分的影響 對表2內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，隨冬小麥生育期的延長，由于植株干物質(zhì)的累積速率大于養(yǎng)分吸收速率，作物體內(nèi)養(yǎng)分含量呈降低趨勢。冬小麥在生育初期，植株內(nèi)硝態(tài)氮階段累積量緩慢增加，在返青期后迅速增大，拔節(jié)期時達(dá)到最大，之后硝態(tài)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(qū)域的存留時間。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可知，冬小麥在拔節(jié)期對養(yǎng)分需求量最大，施加納米碳的小區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)，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(nèi)，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(yīng)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(huán)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(qū)(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(guī)律不明顯。說明較高質(zhì)量含量的納米碳處理有助于冬小麥增加莖粗，提高水分養(yǎng)分向上運輸?shù)男剩煌瑫r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(chǎn)量的影響，可以看出，納米碳含量較高處理的小區(qū)(0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1)對冬小麥穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量有著顯著地促進(jìn)作用。0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1納米碳處理的小區(qū)與對照組相比產(chǎn)量分別增加了2.4%和3.5%。

表2 納米碳對冬小麥植株養(yǎng)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(shù)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(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響 Table 4 The influence of nano carbon on winter wheat yield traits and yield

3 結(jié)論與討論

1) 農(nóng)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(qū)在冬小麥各生育期內(nèi)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(nóng)田條施納米碳可以促進(jìn)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(jié)吸附著大量磷素的土壤細(xì)顆粒，因此冬小麥農(nóng)田施加納米碳可控制養(yǎng)分深層淋溶，有效保持土壤表層剖面養(yǎng)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(yǎng)分。且納米碳含量較大時，其土壤對養(yǎng)分的吸持能力更為顯著，進(jìn)一步提高了冬小麥在各生育期內(nèi)的養(yǎng)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(nèi)作物各項生育指標(biāo)產(chǎn)生影響最大的就是水分和養(yǎng)分，而納米碳在土壤中對水分及氮、磷、鉀等養(yǎng)分具有顯著的保持作用，對照本文試驗結(jié)果，較大質(zhì)量含量的納米碳處理在冬小麥生育期內(nèi)可促進(jìn)冬小麥的莖葉發(fā)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(zhì)量含量為0.007 kg·kg-1和0.010 kg·kg-1的納米碳處理小區(qū)，冬小麥產(chǎn)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(nóng)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(yǎng)分流失較為嚴(yán)重的陜西關(guān)中地區(qū)，通過納米碳改善土壤的理化性質(zhì)，提高小麥對水肥的利用效率，促進(jìn)其莖葉發(fā)育，從而增加小麥植株生物量和最終產(chǎn)量。土壤中添加不同的改良劑對土壤理化性質(zhì)變化及作物生長過程和產(chǎn)量有著不同的效果。一些國內(nèi)學(xué)者通過在土壤中添加PAM和生物炭實現(xiàn)增加土壤養(yǎng)分、水分及作物產(chǎn)量的目的[20-21]，與納米碳相比，PAM屬于純化學(xué)大分子物質(zhì)，未能全面考慮土壤有機質(zhì)及有機碳的積累，目前仍處于試驗研究階段，未能進(jìn)行大面積實施[22]；同時生物碳由于顆粒較大，其調(diào)控效果依靠極大的施用量，較難用于實際應(yīng)用，且極易隨降雨徑流進(jìn)入河流，人為造成水域污染[23-24]。因此，納米碳作為環(huán)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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