硝硫基复合肥添加纳米碳对上海青生长和植株氮、磷、钾含量的影响

Effects of Nano Carbon Added to Nitrate Sulfur Based Compound Fertilizer on Growth and Plant Nitrogen, Phosphorus and Potassium Content of <i>Brassica chinensis</i> L.

梁元振 Yuanzhen LIANG , 朱忠坤 Zhongkun ZHU , 樊志磊 Zhilei FAN , 郭景丽 Jingli GUO , 王立欣 Lixin WANG , 张梦君 Mengjun ZHANG

河南心连心化学工业集团股份有限公司河南新乡 453731 Henan Xinlianxin Chemicals Group Co., Ltd., Xinxiang, Henan 453731, China

Author notes:

Correspondence to: 朱忠坤(1991—)，男，大学本科，助理农艺师，主要从事新型肥料开发与水肥一体化技术研究；920587253@qq.com

摘要：

为探讨硝硫基复合肥与纳米碳配合施用对作物生长和植株氮、磷、钾含量的影响，以上海青为研究对象，开展了盆栽试验，共设8个处理，每个处理重复5次。结果表明：不同施肥处理的上海青叶片相对叶绿素含量(SPAD值)呈先升高后降低的趋势，前期硝硫基复合肥处理的表现较好，后期添加纳米碳处理的占优势；随生育期推移，不同施肥处理的上海青叶片数逐渐增多，收获时最多，各处理间无显著差异；硝硫基复合肥与纳米碳配合施用可促进作物叶绿素合成，增强光合作用，并提高地上部和地下部干物质质量；纳米碳可减缓养分的释放，延长肥效，促进植株体内氮、磷、钾养分的积累。

关键词：

纳米碳; 硝硫基复合肥; 缓控释; 上海青; 盆栽试验;

Abstract：

In order to explore the effects of combined application of nitrate sulfur based compound fertilizer and nano carbon on crop growth and plant nitrogen, phosphorus and potassium content, a pot experiment is carried out with Brassica chinensis L. as the research object. A total of 8 treatments are set up, and each treatment is repeated for 5 times. The results show that the relative chlorophyll content (SPAD value) of Brassica chinensis L. leaves increased first and then decreased under different fertilization treatments. The performance of nitrate sulfur based compound fertilizer treatment is better in the early stage, and the treatment with nano carbon is dominant in the later stage. With the development of growth period, the number of Brassica chinensis L. leaves in different fertilization treatments increased gradually and highest at harvest. However, there is no significant difference among the treatments. The combined application of nitrate sulfur based compound fertilizer and nano carbon can promote crop chlorophyll synthesis, enhance photosynthesis and improve the dry matter quality of aboveground and underground. Nano carbon can slow down the release of nutrients, prolong fertilizer efficiency and promote the accumulation of nitrogen, phosphorus and potassium in plants.

Keyword：

nano carbon; nitrate sulfur based compound fertilizer; slow and controlled release; Brassica chinensis L.; pot experiment;

化肥在现代农业生产中起着重要作用，有资料显示^[1-2]，化肥对全球粮食的贡献率在50%左右。但长期以来，化肥的过量施用已造成资源浪费，如氮、磷、钾元素的挥发、固定和淋溶等，导致肥料利用率低下，并出现水体污染以及土壤板结、团聚体破坏、盐碱化和酸化等不良现象^[3-5]，已引起全球的高度关注。化肥能使作物增产，主要因为化肥具有养分含量高、见效快、易运输和保存等优势，但同时也存在成分单一、营养不全面和肥效短等缺点，满足不了作物后期对养分的需求，增加了农户投入成本^[6-7]。

纳米碳具有小尺寸效应、表面与界面效应和量子尺寸效应^[8]，与传统的宏微观离子等有不同的性质，已被广泛运用到物理、化学、生物医药和农业等多个领域。赵楚等^[9]将纳米碳施入土壤，发现土壤酸度、保水性和营养元素的持留能力等均有所改变，可使作物增产。李淑敏等^[10]通过设置不同氮素水平，以玉米为试材，发现纳米碳处理的生物量较对照有一定增加，植株吸氮量和根系活力也相应提高与增强，从而促进了玉米生长。田艳飞等^[11]用盆栽方式验证了纳米碳对油菜株高和干质量等指标的影响，发现纳米碳处理较对照有不同程度的增加，同时降低了土壤总氮淋出量，减少了氮素的损失。尽管已有多项关于纳米碳研究的报道，但不同作物和土壤类型可能会有不同表现，本文旨在验证减少肥料养分施用量后，添加纳米碳对上海青各项指标的影响，并探讨纳米碳对养分的缓控释作用，为其在叶菜类的生产中应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河南心连心化学工业集团股份有限公司技术中心温室大棚进行，位于东经113°42′，北纬35°05′。供试土壤为砂壤土，选用2 mm土筛进行过筛，筛后装盆，每盆装风干土8 kg，每个处理重复5次(5盆)。试验前土壤基本理化性状见表 1。

表 1

试验前土壤基本理化性状

pH	w(有机质)/%	w(铵态氮)/(mg·kg^-1)	w(硝态氮)/(mg·kg^-1)	w(速效磷)/(mg·kg^-1)	w(速效钾)/(mg·kg^-1)
7.83	0.5	22.3	18.7	37.6	65.4

1.2 试验时间与材料

试验时间：2018年5—6月，5月27日种植移栽(三叶一心)，6月5日施肥(用量4 g/盆)，全生育期只进行一次施肥。

供试材料：种植作物为上海青，品种为德高508；肥料为河南心连心化学工业集团股份有限公司生产的硝硫基复合肥(15-15-15)及自配的硝硫基复合肥(18-5-10)；纳米碳，黑色粉末，从市场采购。

1.3 试验设计

根据试验目的，共设8个处理，见表 2。

表 2

试验设计

处理	配方及添加物
T1	15-15-15硝硫基复合肥
T2	18-5-10硝硫基复合肥
T3	18-5-10硝硫基复合肥添加1%纳米碳
T4	18-5-10硝硫基复合肥添加2%纳米碳
T5	18-5-10硝硫基复合肥添加3%纳米碳
T6	18-5-10硝硫基复合肥添加4%纳米碳
T7	18-5-10硝硫基复合肥添加5%纳米碳
T8	18-5-10硝硫基复合肥添加6%纳米碳

1.4 测定指标与测定方法

1.4.1 测定指标

分别在2018年6月9日、12日、15日、18日和26日测定各处理叶片的相对叶绿素含量(SPAD值)；分别在6月9日、15日、22日和26日测定各处理的叶片数；6月30日收获后测定各处理的单株鲜质量，地上部干质量，根干质量，植株中氮、磷、钾养分含量。

1.4.2 测定方法

SPAD值：用叶绿素仪测定。

叶片数：人工计数法。

单株鲜质量：迅速剪取植物材料，装入已知质量的容器(或塑料袋)带入室内，用百分之一天平称取鲜质量。

地上部干质量：提前打开烘箱，温度升至100~105 ℃；将已称取鲜质量的植物材料装入纸袋中，放入烘箱内，100~105 ℃杀青10 min，然后将烘箱的温度降至70~80 ℃，烘至恒质量；取出纸袋和材料，放入干燥器中冷却至室温，称取干质量。

根干质量：根系从土中取出后，清洗干净，用吸水纸吸干表面水分，放入80 ℃烘箱中10~20 h，称取干质量。

植株养分测定：首先采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法对烘干的上海青植株样品进行消煮，然后采用靛酚蓝比色法测定全氮含量，采用钒钼黄比色法测定全磷含量；待测液中钾主要以离子形式存在，用酸稀释后，采用火焰光度法测定全钾含量^[12]。

1.5 大棚管理及观察记载

盆栽试验和管理均采用当地大田的常规方法，病虫害防治、浇水、松土和除草等，同一作业当日完成。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对上海青叶片SPAD值的影响

不同施肥处理的上海青叶片SPAD值见图 1，图中同一时期不同小写字母表示处理间达5%显著水平，下同。

图 1

不同施肥处理的上海青叶片SPAD值

从图 1可以看出，从6月9日开始，8个处理的上海青叶片SPAD值均逐渐增大，12日达到最大值，到收获期缓慢降低，呈先升后降趋势，这可能是前期根系活力旺盛，对养分吸收能力强，加速了叶绿素的合成，促进了光合作用；而后期根系活力下降，叶绿素合成速率减慢。在苗期(9日)，T1处理的SPAD值最高，为44.32，稍高于其他处理的，但处理间无显著差异。随后，根系吸收养分能力逐渐增强，到12日时，各处理的SPAD值较9日有所提高，光合能力达到最大；处理间虽无显著差异，但T3、T4、T5、T6、T8处理的SPAD值分别较T1和T2的提高了0.35%、3.44%、2.25%、0.53%、3.31%和1.74%、4.88%、3.67%、1.92%、4.74%，表明硝硫基复合肥添加纳米碳后，能不同程度提高SPAD值。此后，SPAD值逐渐降低，15日时，处理间差异不显著，但T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8处理的SPAD值分别较T1处理的提高了0.24%、2.21%、3.12%、3.05%、1.39%、3.93%和3.02%，仍表现出一定肥效优势。18日时，除T2处理的稍低外，其他处理间差异不显著，T3、T4、T5、T6、T7和T8处理的SPAD值分别较T2处理的提高了2.75%、2.76%、2.77%、2.75%、2.77%和2.78%，表明添加纳米碳后有优越性。随时间推移，土壤由疏松变密实，通气量和根活性降低等均可影响叶绿素的合成。26日时，T4、T5、T6、T7、T8处理的SPAD值分别较T2处理的提高0.51%、0.51%、0.52%、0.52%、0.52%，依然能体现出添加纳米碳后的优越性。综合整个生育期来看，不同时期内比较各处理，15-15-15平衡型硝硫基复合肥降低12个养分为18-5-10后，对上海青叶片的SPAD值影响不大，并且18-5-10硝硫基复合肥与不同量的纳米碳配合施用能增强光合作用，不同程度地提高SPAD值。

2.2 不同施肥处理对上海青叶片数的影响

不同施肥处理的上海青叶片数见图 2。

图 2

不同施肥处理的上海青叶片数

由图 2可知：6月9日—26日，各处理的叶片数均逐渐增多。移栽后的上海青处于苗期，根系尚不发达，对养分吸收能力不强，各处理的叶片数均在8~9片，处理间无显著差异；到15日，T2处理的叶片数较少，而T1处理的叶片数与其他处理的差异不显著，叶片数在12片左右。22日时，处理间差异不显著，叶片数基本为14片，T3~T8处理较T2和T1处理无明显优势。26日时，叶片数达最多，处理间差异不显著，表现与22日相似。总体来看，随生育期变化各处理的叶片数在增多。施肥4 d和10 d时，T1处理稍占优势，而在施肥17 d和21 d后，处理间无显著差异，表明添加纳米碳能弥补养分施用量减少带来的不利影响^{[11, 13]}。

2.3 不同施肥处理对上海青生长及氮、磷、钾养分积累的影响

不同施肥处理的上海青植株生长及氮、磷、钾积累测定结果见表 3。

表 3

不同施肥处理的上海青生长及氮、磷、钾积累测定结果

处理	单株鲜质量/g	地上部干质量/g	根干质量/g	植株养分w/%
处理	单株鲜质量/g	地上部干质量/g	根干质量/g	全氮	全磷	全钾
T1	202.6	49.53	0.43	3.49	0.53	7.21
T2	183.0	42.85	0.38	3.33	0.33	6.72
T3	183.0	40.35	0.38	3.39	0.41	7.51
T4	176.0	42.12	0.45	3.52	0.33	7.05
T5	172.6	43.04	0.46	3.38	0.44	7.19
T6	160.2	39.59	0.55	3.57	0.40	7.09
T7	171.0	42.78	0.39	3.40	0.40	7.48
T8	176.8	43.32	0.51	3.57	0.42	7.54

由表 3可知，处理间单株鲜质量有一定差异，T1处理较其他处理稍占优势，而T2~T8处理单株鲜质量稍低。处理间地上部干质量与单株鲜质量表现相似，即T1处理较其他处理稍占优势，其原因是15-15-15硝硫基复合肥养分含量高，养分供给快；T3~T8处理虽然养分施用量减少，但添加纳米碳后可能起到了缓慢释放养分的作用^{[11, 14-15]}，在上海青收获后，多余的养分还未释放，没达到完全被吸收的效果。T4、T5、T6、T7、T8处理的根干质量分别较T2处理的提高了18.42%、21.05%、44.74%、2.63%、34.21%，而T4、T5、T6、T8较T1提高了4.65%、6.98%、27.91%、18.60%，T7处理的稍有降低，显示了添加纳米碳后的优势。

植株养分的含量在一定程度上反映了土壤养分供给的状态。就植株全氮含量而言，T1处理的高于T2处理的，而T3~T8处理的较T2处理的分别提高了1.80%、5.71%、1.50%、7.21%、2.10%和7.21%，T4、T6和T8处理的也不同程度高于T1处理的；植株全磷含量中，T3~T8处理的较T2处理的分别提高了24.24%、0、33.33%、21.21%、21.21%和27.27%，T1处理的稍高；与T2处理的相比，T3~T8处理的植株全钾含量分别提高了11.76%、4.91%、6.99%、5.51%、11.31%和12.20%，T3、T7和T8处理的也不同程度高于T1处理的。综合上述几个指标发现，T8处理的效果最好。从养分角度分析，纳米碳通过增强土壤对水分吸持能力，抑制硝态氮向下淋洗，并通过扩散作用增加活化能，增大了上海青根系与土壤的接触面积，提高了对氮肥的利用^{[10-11, 13]}；磷易被土壤固定，纳米碳降低土壤pH使其接近中性，减少磷固定，提高了磷的有效性^[16]；纳米碳较强的吸附性使游离钾元素暂时变为非有效状态，降低浇水等对钾元素的淋洗程度，提高了根系吸收效率。试验中个别纳米碳处理出现植株中氮、磷、钾含量稍低于T1处理的，可能与上海青为短期生长作物而养分释放较慢有关。

3 讨论

硝硫基复合肥养分供给速率较快，但是肥效短，在考察SPAD值指标时有所体现；施肥4 d后，养分充足的处理占据优势，这也是前期T1处理表现较好的原因。随时间推移，尽管处理间差异不明显，但T3~T8处理的优势逐渐体现，主要原因是纳米碳可减少氮素的挥发和淋溶，能使氮素等养分缓慢释放^{[11, 13, 17]}，满足上海青生育期用肥，促进叶绿素的合成与后期氮素的大量积累。此外，有研究表明^{[8, 14-15]}，纳米碳作为高表面能小尺寸材料，具有较强的吸附功能，可吸附作物生长所需的离子并协助运输至根系附近，提高了根系对养分的吸收效率。纳米碳施入土壤，可实现土壤微团聚体重组，增大土壤孔隙，提高透气性，在释放土壤营养的同时缓冲pH为中性^{[9-10, 16-17]}，为根系营造了良好的生长环境。试验中，根干质量和植株氮、磷、钾含量均说明纳米碳对根系养分吸收和干物质的积累有很大的促进作用，与王国栋等^[18]在桃幼树上的研究结果相符，而处理的单株鲜质量与预期结果稍有不同，可能与收获、洗根、烘干和称重等测定误差有一定关系。纳米碳作为复合肥新型添加材料，对土壤和作物更深层次的作用机制将是今后研究的重点。

4 结语

硝硫基复合肥添加纳米碳能有效促进上海青叶绿素含量的增加，提高地上和地下部干质量；纳米碳具有缓控释养分作用，可延长肥效，对作物氮、磷、钾养分积累具有积极作用。

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