纳米肥料助剂与氮肥配施对白菜生长、产量、品质及土壤酶活性的影响

刘少泉， 刘智， 迟永伟， 孙权， 王锐， 周喜荣

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏永宁县农业技术推广服务中心，宁夏 永宁 750100)

在以高产为目标的现代农业体系下，化肥施用在农业增产上发挥关键性作用[1]。据相关数据显示，中国每年化肥用量达4 300万t，占全世界的1/3，氮肥利用率为30%～35%，磷肥为10%～25%，钾肥为35%～50%，远低于世界发达国家水平，肥料损失问题严重，长期施用化肥造成土壤和地下水环境污染，逐渐威胁到农业健康发展[2-3]。为实现农业部提出的“一控两减三基本”的目标[4]，选择增施环境友好型纳米肥料助剂，降低化肥施用量，提高化肥利用率，降低农业生产成本，改善土壤环境，促进农业健康发展。

纳米肥料属于纳米生物技术的一个分支，是用纳米材料技术构建形成的一种新型含纳米碳的全新肥料，包括纳米结构肥料及纳米材料包膜控释肥料等[5-6]。水润性纳米肥料颗粒与土壤接触面积大，一方面有快速吸水，增加水的溶解能力、提升水的细胞生物透性、提升植物对肥料吸收，降低施入化肥的流失和固定[7-8]；另一方面能增强作物的光合作用，提高作物根系对养分的吸收，改善土壤环境，刺激根系生长，促进作物生长发育、提升产量及改善品质[9-10]。有学者研究报道，施用纳米氢氧化镁大白菜产量较CK提升6.50%～20.98%[11]；西葫芦产量增幅达15.7%～33.3%[12]；喷施纳米微肥辣椒产量较对照增加了11.7%～18.0%[13]；施用纳米增效尿素和纳米增效碳酸氢铵的冬小麦分别较对照增产24.6%和34.2%[14]；施用纳米增效肥的处理大豆幼苗株高明显高于常规施肥处理，且叶色深绿[15]；施氮肥添加纳米碳和减氮施肥添加纳米碳处理较CK增产20.28%和14.02%，氮肥利用率均高于常规氮肥和减氮肥处理[16]。适量纳米肥料能提高肥料利用率和作物产量，但这些研究主要集中于产量和肥效上。

本研究以麦后复种“小义和秋”白菜为对象，通过增施纳米肥料助剂的同时减施氮肥进行田间试验，测定白菜生育期田间农艺性状、品质及采收期土壤酶活性，探究纳米肥料助剂和氮肥配施对白菜的综合影响，为氮肥减施增效，以及纳米肥料助剂在农业生产中应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年7月中旬至10月中旬进行，试验地位于宁夏回族自治区永宁县杨和镇南北全村(106°20′E，38°29′N)，属于中温带半干旱大陆季风气候，年度光照充足，历年平均日照时长超过2 851 h，平均日照时长为7.8～8.3 h，历年平均降雨量180～250 mm，历年平均蒸发量1 580 mm，历年平均气温8.7 ℃，历年≥10℃的有效积温约3 200 ℃，无霜期130～210 d。7—9月是银川平原的雨季，且此时期温度适宜、光照时间长，对白菜的生长发育极为有利。

1.2 试验材料

供试品种为宁夏主栽的“小义和秋”白菜；供试土壤为人为土土纲、旱耕人为土亚纲、正常旱耕人为土(灌淤土)土类，0～20 cm土壤基本化学性质为pH 8.62，全盐0.43 g·kg-1有机质16.95 g·kg-1，全氮0.98 g·kg-1，全磷0.76 g·kg-1，碱解氮40.16 mg·kg-1，有效磷24.54 mg·kg-1，速效钾139.38 mg·kg-1。供试肥料：基肥①由宁夏润禾丰生物科技有限公司生产的水溶性三元复合肥(16-18-17)，m(N)+m(P2O5)+m(K2O)≥51%，基肥②纳米肥料助剂由中科院微生物研究所提供(纳米肥料助剂由膨润土经过球磨过筛所制)追肥由宁夏润禾丰生物科技有限公司生产的粉末状尿素[CO(NH2)2]，m(N)≥46.0%。

1.3 试验设计

本试验采用单因素随机区组设计，设5个处理：345 kg·hm-2氮肥(CK，常规施肥)、37.5 kg·hm-2纳米肥料助剂+345 kg·hm-2氮肥(T1)、75 kg·hm-2纳米肥料助剂+300 kg·hm-2氮肥(T2，减氮13%)、112.5 kg·hm-2纳米肥料助剂+255 kg·hm-2氮肥(T3，减氮26%)、150 kg·hm-2纳米肥料助剂+210 kg·hm-2氮肥(T4，减氮39%)。每个处理重复3次，共15个小区，小区面积34 m×1.45 m，具体施肥量见表1。三元复合肥和纳米肥料助剂基施，氮肥追施。播前整地设区，起垄铺设滴灌带。覆膜点播，种植株间距28 cm×20 cm，每垄206株，种植密度41 715株·hm-2，整个生育期滴灌6次，单次滴灌量10～25 m3，苗期4～6片叶时喷药预防蚜虫，苗期后喷药2次预防菜青虫等。

表1 各处理具体施肥量Table 1 Specific fertilization amount of each treatment kg·hm-2

1.4 测定项目和方法

1.4.1 土壤基本化学性质的测定 试验处理前采用5点取样，取0～20 cm土层土样，自然风干、研磨、过筛、装袋备用。pH值采用电位法测定，全盐采用DDS-11电导率仪测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用钒钼黄比色法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[17]。

1.4.2 田间白菜生长农艺性状的测定 在9月4日(莲座期)、9月18日(结球前期)、10月5日(结球后期)及10月16日(成熟期)生育时期采白菜全株样品用蒸馏水冲干净，在烘箱105 ℃杀青0.5 h，然后在80 ℃下烘干，及时称干物质量。在8月18日(苗期)、9月4日(莲座期)、9月18日(结球前期)、10月5日(结球后期)及10月16日(成熟期)用0.5 m直尺分别测量白菜株高，叶绿素用SPAD-502便携式叶绿素仪测量。从9月4日(莲座期)开始测定白菜外叶、中叶及内叶叶绿素含量。从9月4日(莲座期)开始对外叶进行计数。10月16日(成熟期)测量球横径和纵径。

1.4.3 白菜产量的测定 白菜采收时，每个处理称取大小均匀的20株地上部鲜质量。根据小区种植密度，计算出小区产量，取其平均值，折算成公顷产量。

1.4.4 白菜品质的测定 白菜采收时，不同处理选取具有代表性的白菜均匀取菜叶榨汁备用，可溶性固形物采用手持折光仪测定，可溶性糖采用蒽酮比色法测定，Vc采用2，4-二硝基苯肼比色法测定，硝酸盐采用硫酸-水杨酸比色法测定[18]。

1.4.5 土壤酶活性的测定 碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶采用3.5-二硝基水杨酸显色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[19-20]。

1.5 数据处理

对所测定的数据用Excel 2010软件进行整理，SPSS 20.0软件进行统计分析，并对各处理白菜指标进行显著性检验，显著性水平为(P<0.05，n=5)Origin 2018软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 纳米肥料助剂与氮肥配施对白菜干物质量变化的影响

各生育时期不同处理干物质量变化如图1所示。在各采样周期内，白菜干物质量变化呈“S”型递增趋势，莲座期干物质量最少，在32.89～35.86 g·株-1，成熟期干物质量最大，在422.17～448.78 g·株-1，各生育时期干物质量不同，其从大到小为成熟期>结球后期>结球前期>莲座期；莲座期纳米肥料助剂处理干物质量与CK处理差异显著，干物质量均高于CK处理；结球前期T2处理干物质量最大，为49.37 g·株-1，T1和T2与T3和T4处理存在显著差异，纳米肥料助剂处理较CK处理干物质量提高14.20%～24.10%；结球后期T2处理干物质量最大，为259.84 g·株-1，与各处理存在显著差异，T1～T4处理较CK处理干物质量提高17.96%～20.94%；成熟期T2处理干物质量最大，与各处理间存在显著差异，T1～T4处理较CK处理干物质量提高1.22%～6.31%。

注：图中小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 纳米肥料助剂与氮肥配施对白菜田间农艺性状的影响

不同处理对白菜株高及外叶数如表2所示。随生育期的延长，各处理株高呈现逐渐增加趋势。莲座期以后T1～T4处理株高均高于CK，苗期的株高无显著性差异，莲座期T1～T4白菜株高较CK处理增加8.07%～20.41%，T2和T4处理白菜株高无显著性差异，T2处理株高最高；结球前期T1～T4白菜株高较CK处理增加1.72%～7.54%，T3和T4处理白菜株高无显著性差异，T2处理株高最高；结球后期T1～T4白菜株高较CK处理增加2.39%～7.92%，T1～T4处理之间无显著差异，T2处理株高最高，为41.55 cm；成熟期T1～T4白菜株高较CK增加1.67%～4.80%，T1～T4处理之间无显著差异，T2处理株高最高，为42.13 cm；莲座期T1～T4白菜外叶数无任何差异；结球前期各处理白菜外叶数差异性较小，T1和T4无显著性差异，较CK差异显著，T1和T2无显著性差异；结球后期T1～T4白菜外叶数较CK处理增加6.80%～15.18%，T1～T4较CK处理差异显著；成熟期T1～T4白菜外叶数均无显著差异，与CK处理差异显著，较CK增加6.98%～15.90%。

不同处理对白菜整个生育期SPAD值如表3所示。各处理苗期SPAD值均无显著性差异，随生育期的延长，外叶及中叶SPAD值呈现逐渐升高又降低的趋势，外叶均在结球前后期达到峰值，中叶均在结球后期达到峰值，各处理内叶SPAD值在整个生育期变化均不明显。莲座期、结球前期及结球后期叶片SPAD值外叶>中叶>内叶，莲座期T2和T4处理外叶与CK处理差异显著，T1和T3处理无显著差异，T2处理SPAD值最大，为48.96，T2～T4中叶与CK和T1差异显著，T1～T4处理均高于CK，较CK增加1.15%～13.92%，T1～T4内叶较CK差异显著，较CK增加2.80%～6.24%，T1～T4处理无显著差异；结球前期T2处理SPAD值最大，除T3处理外，各处理均高于CK处理，较CK处理增加12.90%～27.60%，T1～T4处理中叶SPAD值均高于CK，较CK增加1.55%～10.54%，T1～T4处理无显著差异，T1处理SPAD值最大，为47.50，各处理内叶均无显著差异；结球后期T1～T4处理外叶SPAD值均高于CK，较CK增加1.72%～10.18%，T1和T2处理无显著差异，T3和T4处理无显著差异，中叶SPAD值均高于CK，较CK增加3.18%～14.62%，T3和T4处理无显著差异，T1处理SPAD值最大，为50.10，内叶各处理无显著差异，但T1处理SPAD值最大；成熟期各处理外叶、中叶及内叶SPAD值均无显著性差异，T1～T4处理SPAD值大小排序为中叶>外叶>内叶。

表2 不同处理对白菜株高和外叶数的影响Table 2 Effects of different treatments on plant height and number of outer leaves of Chinese cabbage

表3 不同处理对白菜SPAD值的影响Table 3 Effects of different treatments on SPAD value of Chinese cabbage

不同处理对成熟期白菜的产量相关指标如表4所示。纳米肥料助剂处理较CK差异明显，球纵径较CK增加12.19%～56.60%，从大到小排序为T1>T2>T4>T3>CK；球横径较CK增加1.22%～25.91%，从大到小排序为T2>T4>T1>T3>CK；T3处理单株毛菜质量最大，为5.64 kg·株-1，较CK增加了27.89%，与T3和T4及CK处理差异显著，各处理单株毛菜质量从大到小排序为T2>T1>T3>T4>CK。

表4 不同处理对白菜产量相关指标的影响Table 4 Effects of different treatments on cabbage yield-related indicators of Chinese cabbage

2.3 纳米肥料助剂与氮肥配施对白菜毛产量和产值的影响

不同处理白菜毛产量和产值如表5所示。在CK处理的基础上，增施纳米肥料助剂减施氮肥毛菜产量较CK处理差异明显，T1～T4处理毛菜产量均高于CK，较CK增加3.98%～32.24%，其中减氮肥13%+75 kg·hm-2纳米肥料助剂的T2处理产量表现最为突出，为235.44 t·hm-2，产值最大，为58 859.87元·hm-2，其他排序为T1>T3>T4>CK。

2.4 纳米肥料助剂与氮肥配施对白菜品质的影响

不同处理白菜品质的影响如表6所示。增施纳米肥料与减施氮肥对白菜品质影响不明显，可溶性固形物先升高后降低，其中T1处理的可溶性固形物含量最高，为4.91%，较CK增加1.88%，T4处理的可溶性固形物含量最低，为4.70%，与CK，T1及T4处理差异显著；可溶性糖含量不同处理间差异不显著，T3处理最高，T2处理最高；VC含量不同处理间未产生明显影响，但T1处理VC含量最高，为474.3 mg·kg-1，较CK增加6.68%；硝酸盐含量随纳米肥料助剂的增加而降低，但不同处理间硝酸盐含量无显著差异，由大到小排序为CK>T1>T2>T3>T4。

表5 不同处理对白菜产量和产值的影响Table 5 Output and output value of Chinese cabbage

表6 不同处理对白菜品质的影响Table 6 The quality of Chinese cabbage

2.5 增施纳米肥料助剂与减施氮肥对土壤酶活性的影响

不同处理对土壤酶活性如表7所示。纳米肥料与氮肥配施对土壤酶活有所差异，碱性磷酸酶呈逐渐降低趋势，过氧化氢酶和脲酶及蔗糖酶呈先增加后降低趋势。从施肥量来看，施肥量越多，碱性磷酸酶活性越强，CK处理碱性磷酸酶与T1～T4差异显著，T1～T4处理较CK处理降低5.61%～18.36%，CK处理碱性磷酸酶值最大，为16.94 mg·g-1·d-1，T1～T4处理无显著差异，各处理碱性磷酸酶活性从大到小为CK>T1>T2>T3>T4；过氧化氢酶活性均高于CK处理，分别提高了1.72%，13.79%，11.21%和2.59%，其中T2处理最大与CK和T1处理无显著差异，T3和T4处理无显著差异；T1处理脲酶活性值最大，较CK提高了1.07%，其次是T2～T4处理分别降低7.37%,11.52%及25.65%；T1～T4处理蔗糖酶活性较CK处理明显增加，其中T2处理表现最为突出，提高了18.80%，其次为T1处理，提高14.98%，T3和T4处理提高最小，分别为13.89%和11.99%，T1～T3处理无显著差异。

表7 不同处理对土壤酶活性的影响Table 7 Effects of different treatments on soil enzyme activity

3 讨论与结论

纳米肥料助剂具有小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应[21-22]，能减少化肥的流失与固定，增强植物对肥料的吸收，从而调节植物生长，提高抗逆性，促进植株健康生长，稳定产量和改善品质[8-9]。纳米肥料对植物生长发育的效应已有多个相关验证。相关研究表明，在柑橘上施用纳米碳增效剂产量显著增加[23]；不同尿素用量添加纳米碳后可增加大豆干物质积累量，提升豆苗相对生长速率，使产量显著增加[24]；任巍等[25]研究发现，施用琉璃纳米肥的水稻株高和穗粒均增加，产量较常规施肥提高6.9%；HONG等[26]，ZHENG等[27]研究发现，纳米TiO2能促进叶绿素形成，减缓菠菜叶绿体衰老，促进生长发育，提升产量。施用缓释纳米肥的青椒株高和茎秆直径较空白处理增幅达12.2%和12.3%[28]。本试验通过减量氮肥配施不同用量纳米肥料助剂，发现纳米肥料助剂与氮肥配施能促进白菜生长，提升产量。较常规施肥成熟期干物质量提高1.22%～6.31%，株高增加1.67%～4.80%，外叶数增加6.98%～15.90%，SPAD值在结球前后期达到峰值，纳米肥料助剂成熟期为中叶>外叶>内叶，常规施肥为外叶>中叶>内叶，球纵径增加12.19%～56.60%、横径增加1.22%～25.91%，单株毛菜质量增加0.68%～27.89%，产量增加3.98%～32.24%。可能是纳米肥料具有的特殊结构，与水混合后变成超导体进入土壤，促进植株根系对水分吸收，添加到水溶性复合肥中，其催化性能够增加肥料的释放程度[29]。纳米肥料中纳米碳携带的大量阳离子会使氮肥和土壤中的NH4+存在于植株根系周围，降低施入肥料的损失，促进白菜对氮肥的吸收利用，有利于白菜整个生育期中生长发育，其株高、外叶数、干物质量、产量性状指标也相应增加。SPAD值可以反映白菜氮素营养的丰缺状况，苗期氮肥施用量相同，各处理无显著差异，结球前后期氮肥施用量大的处理，其SPAD相应较大。这与朱丽丽等[30]研究结果基本一致。

施用纳米肥料助剂可以提高作物产量，对改善作物品质也有一定作用。纳米肥料助剂与氮肥配施相较于单施氮肥而言，可以提升产量构成因素，提升作物群体质量，进而达到作物的增产目的，有效地降低化肥投入。但纳米肥料助剂与氮肥用量不同，对作物品质影响也各有不同。柯用春等[31]研究在甜瓜上施用纳米有机肥，结果显示,纳米肥处理甜瓜可溶性固形物含量、可溶性糖含量、VC含量、及肉质指标均好于CK处理，较CK分别增加了1.76%，2.08%及4.83%;高艳明等[32]研究发现，白菜硝酸盐含量基本随施氮量的增加而增加。而在本研究中，纳米肥料助剂处理较CK处理白菜可溶性固形物增加-2.49%～1.88%，不同处理之间可溶性糖与VC含量影响不明显，但VC含量均高于CK处理，较CK增加1.37%～6.68%。这与前人研究有不同之处，出现此差异的原因可能与白菜的品种或者试验区土壤的理化性质有关。另外，纳米肥料其特殊的小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应，进入土壤后保证了白菜对所需养分的持续有效供应，间接增强了地上部光合效率，养分运输能力加快，促进有机物稳步积累，促进白菜生长，从而改善了白菜品质。白菜随氮肥用量的增加其体内硝酸盐含量基本随之增加。这与前人研究基本一致。可能原因是氮肥用量增加土壤中的硝酸盐残留量也随之增加，白菜体内硝酸盐累积量也就增加。

土壤酶活是土壤生态系统中极为重要的组成部分，与土壤肥力的演变和形成息息相关。本研究表明，施肥量越多，碱性磷酸酶活性越强，较常规施肥减氮肥配施纳米肥料助剂碱性磷酸酶降低5.61%～18.36%，过氧化氢酶增加1.72%～13.79%，脲酶活性增加-25.65%～1.07%，蔗糖酶增加11.99%～18.80%。滕青等[28]研究发现，施纳米肥料过氧化氢酶活性增加13.3%～21.3%，脲酶活性增加12.1%～26.8%；赵鑫[33]发现，施用纳米碳肥30 d后，土壤脲酶增长4.6%～13.0%，过氧化氢酶增长27.6%～100.5%，土壤磷酸酶增长-1.1%～12.6%，蔗糖酶增长 5.4%～16.2%。本研究的碱性磷酸酶活性与前人研究结果有所不同，可能与土壤磷素转化密切相关。随施氮量的减少碱性磷酸相应降低，施用纳米肥料助剂增加了白菜根系活力、根系分泌物及土壤微生物数量，改善了土壤环境，间接增加了过氧化氢酶和蔗糖酶活性，脲酶活性与氮肥用量有关，施用量越多脲酶活性越强。这与GRIERSON等[34]和郭新送等[35]研究结果基本一致。

本研究通过当年田间试验，得出结论适量增施纳米肥料助剂，并适度减施氮肥，可促进白菜生长发育，提高白菜产量，相应改善白菜品质，提升土壤酶活性。本研究只是针对纳米肥料助剂对白菜当年相关指标进行初探，对多年影响有待进一步深入探究。