石墨烯溶膠配施化肥對土壤養分的影響范文

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摘要：通過土柱淋溶試驗研究了石墨烯溶膠配施化肥后對土壤中養分流失的影響，以探究石墨烯溶膠的保肥作用。試驗共設計5個石墨烯溶膠濃度，進行4次淋溶，測定每次淋溶液以及4次淋溶后的土壤的電導率、氮、磷、鉀含量。結果表明：（1）石墨烯溶膠與化肥配施于土壤中后對淋溶液的電導率、氮、磷及鉀的含量均有影響，且添加的石墨烯溶膠濃度越大影響越明顯。添加石墨烯溶膠處理后的淋溶液中，硝態氮、總氮、磷的含量最大可分別降低88．2％，80．9％和84．7％。（2）4次淋溶后，添加石墨烯溶膠處理的土壤中氮、磷、鉀的含量及電導率與對照相比均有增加，其中對總氮、總磷的持留效果最大可提高175．0％和59．3％，但對銨態氮的持留無明顯效果。（3）石墨烯溶膠對淋洗液和土壤的pH影響不明顯。石墨烯溶膠與肥料施入土壤中，可明顯減少土壤中養分的淋溶損失，對土壤中的養分有明顯的持留效果，具有保肥的作用。

關鍵詞：石墨烯；柱淋溶；養分流失 

中國是人口大國，糧食安全問題關系著國家經濟的持續快速增長，切實保障糧食穩定高產是中國農業工作中的重中之重。施用化肥是近代農業維持高產的重要手段之一，為了保證糧食產量，中國已是世界上化肥生產和施用量最多的國家。然而，中國的化肥利用率較低，被作物吸收利用的肥料僅為施入量的30％～35％，大多數化肥隨著徑流、滲漏和揮發等途徑白白流失，增加糧食生產成本的同時，也帶來了環境污染，并最終嚴重影響農業生產效率和農產品的質量［1－2］。因此，在保證糧食產量的前提下，如何減少化肥施用量、提高化肥利用率，是促進農業可持續發展亟待解決的問題。近年來利用碳納米材料作為添加劑研究其對土壤保肥、肥料利用效率等方面的影響逐漸受到關注［3］。胡梓超等［4］研究發現，納米碳的施加，可有效保持黃土坡面土壤養分含量，降低徑流中氮磷鉀等養分的流失；梁太波等［5］研究發現，施用納米碳后可以提高烤煙植株中鉀素含量并且能夠促進烤煙植株對鉀肥的吸收；王小燕等［6］證實，將納米碳以3‰的比例添加到尿素中，可顯著降低水稻田氮素的徑流流失，提高氮肥的利用效率；田艷飛等［7］研究發現，納米碳及其復合材料混施可顯著提高油菜株高，改善土壤結構，并實現氮素的保肥增效；高榮廣等［8］研究表明，納米碳可改善桃園的土壤環境，促進桃樹對氮、鉀等肥料的利用率。多數研究［4－8］認為，納米碳等材料具有的大的比表面積可增強土壤對養分離子的持留性，從而能夠起到保肥效果并提高植物對化肥的利用率。石墨烯是一種新型的碳納米材料，是由碳原子以sp2雜化彼此連接構成的二維結構材料，具有較高的比表面積和優異的導電、導熱及力學性能。目前，將石墨烯應用到農業領域的研究還比較有限，多數研究［9－13］主要關注石墨烯對植物生理、毒理等方面的影響，而對將石墨烯用做化肥添加劑，考察其對土壤養分流失方面的影響還鮮見報道。本研究擬將石墨烯溶膠與傳統化肥混合施入土壤中，采用土柱淋溶試驗方法考察石墨烯溶膠對土壤中各類養分流失的影響，為石墨烯應用在農業生產活動中提供思路和依據。

1材料與方法

1．1試驗材料石墨烯溶膠：石墨烯溶膠由山西大同大學炭材料研究所提供，采用電化學方法制備，石墨烯固含量為0．5％。供試土壤：供試土壤為山西北部的砂土，于2018年4月采于山西大同大學周邊農田。土壤自然風干，剔除細根和石塊后過2mm篩備用，于當月進行分析并開展試驗。供試土樣的基本理化性質為：土壤pH7．8，有機質含量3．68g／kg，堿解氮含量20．0mg／kg，速效鉀含量5．20mg／kg，有效磷含量9．10mg／kg，銨態氮含量7．06mg／kg，硝態氮含量9．14mg／kg，全氮含量26．0mg／kg，全鉀含量16．5mg／kg，全磷含量10．3mg／kg。供試土壤顆粒組成為：黏粒含量3．7％，粉粒含量9．8％，砂粒含量86．5％，土壤類型為砂土，土壤容重1．43g／cm3。

1．2試驗方法1．2．1試驗處理試驗共設5個處理，石墨烯溶膠濃度分別為0，50，100，250，500mg／L，其中石墨烯溶膠濃度為0的處理為對照組，用CK表示。將不同濃度的石墨烯溶膠與一定量的傳統化肥進行充分溶解混合后，施加到土柱中。施肥量參考一般農田施肥水平［14］，施加的肥料為0．106g尿素（相當于施氮量240kg／hm2）和0．094g磷酸二氫鉀（相當于施磷量105kg／hm2、施鉀量132kg／hm2）。每個處理設3次重復。1．2．2土柱裝置土柱淋溶裝置設計為3個部分，上層為進水系統，中層為土柱，下層為淋溶液接收裝置。進水系統由流量可調的進水裝置構成；土柱為PC質地的透明圓柱體，高50cm，內徑5．1cm，底部用橡膠塞塞住，并在塞子中心上打一個2cm的孔；土柱頂部鋪一層厚度5mm的砂石，并在砂石表面墊一層濾紙，起到保護土壤不被淋溶液破壞和防止水分淋溶對表層土壤的擾動作用；土柱內壁用凡士林涂抹以減小邊緣效應；土柱底部置有200目的尼龍網、濾紙和脫脂棉，以防止土壤在淋溶過程中隨水流失。按土壤容重將土樣裝入柱中，每個土柱的土壤分4次裝入，每次裝填高度約10cm，一邊填裝土壤一邊輕敲柱子使土壤分布均勻，將土柱壁邊緣的土壤壓實，以確保無貼壁水流入滲，盡量減少邊緣效應。1．2．3淋溶試驗淋溶試驗于2018年4—6月開展，試驗在室溫條件下進行。淋溶試驗開始前，根據預試驗得到的結果，將一定量的尿素和磷酸二氫鉀充分溶解到250mL濃度不同的石墨烯溶膠中并混合均勻，得到不同處理的肥料與石墨烯溶膠的配施液。由土柱頂部分別將250mL不同處理的配施液緩慢均勻加入到土柱中以飽和土柱，平衡穩定48h后，利用進水系統將蒸餾水均勻淋溶到土柱中，進行淋溶試驗。每次淋溶量為250mL，折合降雨量為122．4mm，歷時2．5h，每次淋溶完后收集淋溶液并在24h內測定淋溶液中的各項指標。每隔4天淋溶1次，共淋溶4次。4次淋溶結束后，將土柱中全部土壤取出，經風干，混勻并過2mm篩后，測定土壤中4次淋溶之后的各項指標。

1．3測定指標及方法淋溶液的pH、電導率、銨態氮、硝態氮、全氮、磷和鉀參考《水和廢水監測分析方法》（第4版）［15］中的 相應方法進行測定。淋溶前受試土壤的各項理化參數以及淋溶后土壤的pH、電導率、銨態氮、硝態氮、全氮、全磷和全鉀，參照《土壤農化分析》［16］中的分析方法測定。

1．4數據處理與分析試驗數據采用Excel2007軟件統計分析，用Origin8．0軟件分析作圖，利用SPSS19．0軟件的單因素方差分析（one－wayANONA）進行各處理間的顯著性差異分析，差異顯著性檢驗水平為p＜0．05。

2結果與分析

2．1石墨烯溶膠對淋溶液的理化性質影響2．1．1石墨烯溶膠對淋溶液電導率和pH的影響由圖1可知，隨著淋洗次數的增加，各處理淋溶液的電導率總體呈下降趨勢，這與土壤中易被淋洗出的電解質含量逐漸減少有關。首次淋洗時各處理電導率與對照差異較明顯，隨著淋溶試驗的進行，各處理電導率與對照的差異逐漸變小，在第4次淋溶后，各處理淋溶液的電導率值與對照幾乎一致，說明淋洗4次后各處理土柱中易被淋洗的電解質含量已比較接近，無必要再次進行土柱淋洗試驗。對圖1結果進行分析，首次淋溶時添加50，100，250，500mg／L石墨烯溶膠的處理，其淋溶液電導率值與對照相比分別降低14．6％，17．0％，22．2％，29．3％。這表明添加石墨烯溶膠后的處理能夠明顯降低淋溶液的電導率，且隨著石墨烯溶膠濃度的增大，電導率降低也越明顯。電導率是反映鹽分含量狀況的指標［17］，溶液的電導率越低，表明溶液中電解質的含量越少。本研究中添加石墨烯溶膠后土柱淋溶液的電導率顯著低于對照，說明石墨烯溶膠能夠減少土柱中電解質隨淋洗過程的損失。此外，在整個淋溶試驗過程中，不同處理淋溶液的pH無顯著性差異，這可能是由于本試驗各處理添加的石墨烯溶膠的量總體較少，還不足以改變土壤的pH。圖1不同處理土柱淋溶液電導率的變化2．1．2石墨烯溶膠對淋溶液氮素的影響由圖2可知，不同處理淋溶液中總氮含量隨著淋洗次數的增加呈現先升高再降低的趨勢，這與淋溶液中硝態氮含量變化的結果比較一致，但與淋溶液中銨態氮含量變化的情況不同。這是由于在本研究中，硝態氮的流失占總氮流失的絕大部分（約70％～80％），而銨態氮流失的比例較小（約5％）。土壤氮素流失過程中，硝態氮占絕大多數的情況，其他研究［18］也有報道。淋溶液中硝態氮的含量出現升高的現象，主要原因是當尿素施入土壤中后，由于砂質土壤通氣透氣性好，硝化作用強，所以一段時間后，部分銨態氮由硝化作用轉化為硝態氮，從而造成土壤中硝態氮含量升高［19－21］。在整個淋洗過程中，添加石墨烯溶膠的各組處理，其淋溶液中總氮與硝態氮的含量顯著低于對照，且石墨烯溶膠濃度越高，現象越明顯。特別在第3次淋洗后，各處理（石墨烯溶膠含量依次為50，100，250，500mg／L）淋溶液中總氮的含量與對照相比，分別減少16．2％，50．3％，76．7％，80．9％；硝態氮含量則分別減少29．4％，60．5，79．8％，88．2％。這表明土壤中加入石墨烯溶膠可顯著降低總氮和硝態氮的淋溶損失，且隨著石墨烯溶膠用量的增加，淋溶損失也越小。有研究［22－23］表明，在土壤中加入納米碳或生物炭等物質，可加強土壤對氮素等養分的持留作用，原因是納米碳和生物炭的比表面積大，對土壤中的NO3－有較強的吸附作用。本研究結果發現，石墨烯溶膠可降低土壤中總氮和硝態氮的淋溶損失，其原因也可能是石墨烯具有大的比表面積，其吸附性導致了硝態氮在土壤中的持留性得到增強。從圖2可以看出，與總氮和硝態氮含量變化趨勢不同，淋溶液中銨態氮含量隨著淋溶次數增加而迅速降低，這與楊放等［24］的研究結果一致。各處理淋溶液中銨態氮的含量迅速降低除了與淋洗作用有關外，也與土壤中部分銨態氮由于硝化反應轉化為硝態氮有關。總體上，添加石墨烯溶膠的各處理對銨態氮的淋溶損失降低程度比硝態氮弱，表現在首次淋洗各處理（石墨烯溶膠含量依次為50，100，250，500mg／L）與對照的淋溶液中銨態氮含量略有差異，銨態氮淋溶損失分別減少4．6％，8．5％，16．5％，23．5％，而隨后的2～4次淋溶液中各處理與對照銨態氮的含量差別不大。有研究［21，23－24］表明，在土壤中添加生物炭或納米碳對于銨態氮的持留影響并不大。本研究中，石墨烯溶膠對銨態氮的持留作用比硝態氮差，其原因可能是土壤膠體本身帶負電荷，對帶正電荷的NH＋4吸附作用要比帶負電荷的NO－3強［25］，土壤中的銨態氮不易被淋溶流失，石墨烯溶膠添加到土壤后，其對養分的持留能力在容易流失的硝態氮上體現較為明顯，而對不易流失的銨態氮則體現的不太突出；另一方面由于發生硝化作用使得銨態氮被消耗，所以土壤中銨態氮含量減少，石墨烯溶膠對其作用并不明顯。2．1．3石墨烯溶膠對淋溶液磷和鉀的影響從圖3可以看出，隨著淋溶次數增加淋溶液中磷的含量逐漸降低，之后趨于穩定。首次淋洗后，各處理淋溶液中磷含量的差異比較明顯；之后數次淋洗過程中，各處理淋溶液中磷的含量差別不大。與對照相比，石墨烯溶膠添加量分別為50，100，250，500mg／L時，首次得到的淋溶液中磷的流失分別減少了49．4％，66．6％，74．9％，84．7％。這表明添加石墨烯溶膠可明顯增強土壤對磷的持留作用，且隨著石墨烯溶膠濃度的增大，持留效果越明顯，胡梓超等［4］在研究納米碳對黃土坡面養分流失的影響時也得到類似的結果。在淋洗過程中，淋溶液中鉀的含量隨著淋溶次數的增加而逐漸降低，這與淋溶液中EC得到的結果相一致。進一步分析可以發現，在淋洗初期，與對照相比，添加石墨烯溶膠50，100，250，500mg／L以后，對鉀的流失損失分別減少16．3％，24．3％，31．3％，39．0％，差異顯著，這與淋溶液中銨態氮得到的結果略有不同，是因為銨態氮會發生硝化作用。這表明添加石墨烯溶膠后可減少鉀的流失，對土壤中的可溶性鉀有明顯持留作用，而且隨著石墨烯溶膠濃度的增加，減少鉀淋洗流失的效果越好，這與胡梓超等［4］研究結果相一致。

2．2淋溶后各處理土壤的理化性質變化2．2．1淋溶后土壤的電導率和pH由圖4可知，與對照相比，石墨烯溶膠處理后土壤的電導率有顯著提高，且提高的幅度隨石墨烯溶膠濃度的增加而增大。各處理土壤的電導率顯著高于對照，說明各處理土壤中可溶性離子的含量顯著增加，即經過4次淋洗后土壤中保留的離子含量得到顯著提高。各處理淋溶后土壤的pH與對照相比相差不大，這與前文提到的各處理淋溶液pH相差不大的結果相一致，說明本研究中石墨烯溶膠的添加量不會對土壤的pH造成較大改變。2．2．2淋溶后土壤中氮素含量的變化由圖5可知，添加石墨烯溶膠的各處理，經4次淋溶后，土壤中總氮含量明顯高于對照；石墨烯溶膠用量越高，土壤中保留的總氮含量也越高。淋溶后各處理土壤中硝態氮的保留情況與總氮的情況較為一致，而各處理土壤中銨態氮的保留情況與對照無顯著性差異。淋溶后土壤中氮素養分的保留情況與前文淋溶液中氮素養分含量研究結果相互印證，這進一步說明添加石墨烯溶膠可增強土壤對氮素養分的持留能力，尤其可增強對硝態氮的持留。土壤中總氮的含量變化趨勢與硝態氮含量變化趨勢一致，而與銨態氮含量變化不一致，這說明在土壤對氮素的持留方面，土壤對硝態氮的持留占主要部分，而對銨態氮的持留只占一小部分，這與淋溶液中得到的結果相一致。另外，與對照組相比，添加50，100，250，500mg／L的石墨烯溶膠以后，土壤中總氮和硝態氮含量分別提高62．5％，100％，131．2％，175％和24．2％，38．3％，54．2％，91．9％，差異性顯著，而土壤中銨態氮含量分別提高1．3％，1．5％，2．6％，4．9％，與對照相比沒有顯著性差異。這說明加入石墨烯溶膠以后明顯加強了土壤對硝態氮和總氮的持留能力，這與梁太波等［26］、鄧霞［27］的研究結果一致，而對銨態氮的持留作用并不明顯。2．2．3淋溶后土壤中全磷和全鉀含量的變化由圖6可知，添加石墨烯溶膠的各處理（石墨烯溶膠用量分別為50，100，250，500mg／L），經4次淋洗后土壤中全磷的含量顯著高于對照，分別提高了16．5％，31．9％，45．1％，59．3％。這與前文淋溶液得到的結果相一致，表明石墨烯溶膠可抑制土壤中磷養分的流失，從而使磷能夠更多地保留在土壤中，丁倩等［28］也得到了類似的研究結果。添加石墨烯溶膠也可增強土壤對鉀養分的持留能力，與對照相比，添加石墨烯溶膠的各處理經淋溶后，土壤中全鉀含量分別提高了13．5％，23．7％，34．6％，55．1％，這說明石墨烯溶膠添加后可增強土壤對鉀的持留。可見，大比表面積的石墨烯材料添加到土壤中，由于石墨烯的吸附作用，可增強土壤對磷、鉀等營養元素的持留性，減少其隨灌溉、降雨等的徑流損失。

3結論

（1）土壤中添加石墨烯溶膠可減少總氮、硝態氮、磷和鉀等養分的淋溶損失，且石墨烯溶膠添加量越大，效果越明顯。各處理淋溶液中銨態氮、磷和鉀的含量在首次淋洗后與對照相比差異顯著；添加500mg／L石墨烯溶膠處理的土柱，淋溶液中銨態氮、磷和鉀的含量與對照相比分別降低了23．5％，84．7％和39．0％；各處理淋溶液中硝態氮和總氮的含量在第3次淋洗后與對照相比差異顯著；添加500mg／L石墨烯溶膠處理的土柱，淋溶液中硝態氮和總氮含量比對照相比降低了88．2％和80．9％。所有處理淋溶液的pH無顯著差異。（2）添加石墨烯溶膠處理的土壤經過4次淋洗后，土壤的電導率、硝態氮、總氮、全磷和全鉀等含量顯著高于對照，且石墨烯溶膠添加量越大，差異越明顯。添加500mg／L石墨烯溶膠處理的土柱，4次淋洗后土壤中硝態氮、總氮、全磷、全鉀的含量與對照相比分別提高了91．9％，175％，59．3％和55．1％；石墨烯溶膠的添加對土壤的銨態氮及pH的影響不大。（3）石墨烯作為一種碳納米材料，具有較大的比表面積，對養分離子有較強的吸附作用，能夠增強土壤對養分的持留作用，減少養分隨灌溉、降水等的淋溶損失。在土壤中添加少量石墨烯可達到保肥的效果，為石墨烯在農業生產的應用開辟新的途徑。

作者：隋祺祺 焦晨旭 喬俊 趙建國 王海雁 李經緯 邢寶巖 單位：中北大學理學院