宋桂雪 马 筠 李晨光

1 山东大学海洋研究院 青岛 266237

2 中国科学院微生物研究所 北京 100101

3 新科环农（北京）生物科技有限公司 北京 100086

根据统计，三峡库区面源污染占总入库污染负荷的60%～80%，污染重点主要是种植业和畜禽养殖业[1～3]，其中农业面源输入的氮磷占本地污染源的70%以上，化肥施用量较高的现象比较突出[2，3]。增加有机肥使用，是防控面源污染的有效途径。纳米碳材料由于具有独特的结构以及优良的性能，被广泛应用到工业界的各个领域[4]。近年来，纳米材料和纳米技术在肥料和农业种植领域应用成为研究热点[5～11]。利用新型纳米石墨碳制成的长效复混化肥在粮食作物和经济作物上减肥增效效果显著[12～16]，但纳米碳增效肥的作用机制尚不清楚[4]，有研究认为纳米碳颗粒促进作物对水分和土壤中营养元素的吸收[13，17～19]，促进营养元素进入植物体内，同时促进作物根系活力和提高根际土壤酶活性[20，21]。

随着国家化肥“零增长”“负增长”等政策的推进，以及农业环保政策的趋紧，施用生物有机肥越来越受到欢迎。本文首次将纳米碳增效剂与生物有机肥结合，对4种三峡库区典型作物进行了大田示范试验，以研究其对库区典型作物的增产效果，为有机肥替代化肥提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

纳米碳产品规格：无定形纳米石墨碳颗粒，含碳量约96%，2-D微观状态结构，厚度在5～40 nm不等，平均厚度8 nm，长度在250～850 nm[22]，生产商北京华农肥料技术有限公司。

1.2 供试肥料

纳米碳增效生物有机肥是按比例将纳米碳粉和生物有机肥逐级稀释后混合制成，在本文生物有机肥中纳米碳添加量0.1‰（每吨生物有机肥中含纳米碳粉100 g）。生物有机肥由联合绿友生物技术河北有限公司生产，所用的复合菌由日本石丸微生物研究所研制，新科环农（北京）生物科技有限公司提供。生物有机肥主要指标：枯草芽孢杆菌1.643×108cfu/g，胶冻样类芽孢杆菌1.234×108cfu/g，总菌数2.88×108cfu/g，有机质（以烘干基计）40.2%，水分19.6%，pH 7.5。

1.3 种植区域

三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原。它包含因三峡水电站的修建而被淹没的湖北省宜昌市所辖秭归县、兴山县、夷陵区，重庆市所辖巫山县、开县等15个县区及重庆核心城区等地区。榨菜：重庆市涪陵区义和镇高峰村；脐橙：重庆市开县临江镇明月村脐橙种植示范区；蜜桔：湖北省宜昌市夷陵区小溪塔镇；茶树：湖北省宜昌市夷陵区乐天溪镇瓦窑坪村茶叶种植园。种植区域的土壤类型依次分别为紫色土、紫色土、黄壤土、黄壤土。

1.4 施肥方法

结合当地施肥习惯和施肥强度，在4个种植区域设置5个施肥梯度。试验以生物有机肥为对照，以纳米碳增效生物有机肥为基础，分别设置施肥减量10%、30%、50%处理。即处理1：100%生物有机肥；处理2：100%纳米碳增效生物有机肥；处理3：90%纳米碳增效生物有机肥；处理4：70%纳米碳增效生物有机肥；处理5：50%纳米碳增效生物有机肥。施肥量：100%生物有机肥、100%纳米碳增效生物有机肥均为800 kg/667 m2；90%、70%、50%纳米碳增效生物有机肥分别为720、560、400 kg/667 m2（均保持每亩纳米碳施加量80 g）。根据当地实际情况，每种施肥处理面积5～20亩不等，大田试验面积见表1。

以100%生物有机肥为例，施肥方法如下。榨菜：①基肥，移栽时每亩施生物有机肥300 kg；苗肥，移栽后每亩施尿素6 kg。②追肥1，移栽后50天左右，每亩施生物有机肥300 kg。③追肥2，移栽后80天左右，每亩施生物有机肥200 kg。收获前30天停止施肥。施肥日期为2016年10月10日、12月8日和2017年立春前后。

脐橙：对5年树龄和15～25年树龄，每株分别施用生物有机肥30 kg和50 kg。施肥日期为2016年11月20日、2017年3月9日。

蜜桔：树龄15年，每株施生物有机肥25 kg，分2次施肥，每次施一半肥。施肥日期为2017年6月4日、7月13日。

茶树：树龄10年，每亩施肥800 kg，分2次施肥，每次施一半肥。施肥日期为2016年10月25日、2017年1月9日。

表1 示范田种植面积Tab.1 Planting area of demonstration fields 亩

1.5 样品采集与指标测定

1.5.1 指标测定

（1）果重和果茎测量方法。榨菜：2017年2月15日前后，测量人员按每种处理随机选取5筐榨菜，对每颗榨菜分别进行测量，取根瘤茎平均值。脐橙：2017年1月1日—28日，测量人员按每种处理随机选1箱，对箱中的每个脐橙分别进行果重、果直径测量，取平均值。

（2）芽长、叶长、叶厚、枝长等测量方法。榨菜：2017年2月15日前，按每种处理随机选100棵，取最大鲜活叶片测量最大叶宽、最大叶长，取平均值，同时每株测株高，取平均值。脐橙：2017年3月5日，按每种处理随机选取10株同龄果树，每株果树选最下面的5根树枝，对枝上所有新枝长进行测量，取平均值，并测定每枝上的最大新叶长，取平均值。茶叶：2017年3月23日，按每种处理随机选取已采摘茶叶200克进行测量，测量指标有新芽长、新芽重、最大叶厚和最大叶长。

因为季节的关系，没有测定蜜桔的生物性状。

1.5.2 产量测定

榨菜：2017年2月15日前后，按每种处理统计每一筐榨菜的重量并相加直至收割结束。每种施肥处理地块的全部实际收获除以种植面积得平均亩产量。

脐橙及蜜桔：脐橙收获日期2017年1月1日—28日；蜜桔收获日期2017年10月28日—11月13日，脐橙和蜜桔分别随机选取4～5株果树，将所有收获统计，换算得果树亩产量。

茶叶：按5亩为统计地块，从2017年清明节（4月4日）前采茶开始一直到立夏（6月21日）采茶结束，记录每一次采茶的重量，换算得茶叶亩产量。

1.6 数据统计方法

采用SPSS Statistics 19.0对数据进行统计分析，生物性状和产量采用单因素方差分析（One-way ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对作物生物性状的影响

2.1.1 不同施肥处理对榨菜生物性状的影响

从表2可以看出，与100%生物有机肥相比，100%、90%、70%纳米碳增效生物有机肥施用后株高、根瘤茎重、叶重、最大叶宽和叶长均明显增加，而50%纳米碳增效生物有机肥与100%生物有机肥相比株高、叶重、最大叶宽和叶长均有所降低。在旺长期和成熟期，70%～100%纳米碳增效生物有机肥处理对促进株高生长和根瘤茎增重，比较显著。对株高表现按照以下趋势依次降低：100%纳米碳增效生物有机肥>90%纳米碳增效生物有机肥>70%纳米碳增效生物有机肥>100%生物有机肥>50%纳米碳增效生物有机肥；结果发现，纳米碳增效生物有机肥即使施肥量减少50%，对根瘤茎重影响依然优于100%生物有机肥。可见，施用纳米碳增效生物有机肥促进根系的生长[7]，促进叶片的增大、增重，进一步促进榨菜根瘤茎生长发育。

表2 不同施肥处理对榨菜生物性状的影响Tab.2 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of mustard

2.1.2 不同施肥处理对脐橙生物性状的影响

不同施肥处理对脐橙生物性状的影响见表3。与100%生物有机肥相比，纳米碳增效生物有机肥处理的脐橙新枝长和最大新叶长有了显著增加，说明纳米碳增效剂添加后，明显促进了果树枝条和叶片生长，收获的脐橙果重和果直径也有明显提高，100%纳米碳增效生物有机肥处理果重增重47.7%，果直径增大18.9%。随着有机肥施用量的减少，果重和果直径逐渐下降，但70%纳米碳增效生物有机肥依然可以使果重增长40.9%，果直径增大15.5%；50%纳米碳增效生物有机肥处理脐橙果重和果直径稍逊于100%生物有机肥。从表中可以看出，施用纳米碳增效生物有机肥后，可能促进了叶的光合作用效率和养分传输，进而显著促进脐橙新枝、叶的增长，最终显著增大脐橙果实。

表3 不同施肥处理对脐橙生物性状的影响Tab.3 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of navel orange

2.1.3 不同施肥处理对茶叶生物性状的影响

使用纳米碳增效生物有机肥后，相比100%生物有机肥，茶树的新芽长、新芽重、最大叶厚和最大叶长均显著增加（表4），使用100%纳米碳增效生物有机肥新芽长增加16%，新芽重增加30%，最大叶厚和叶长分别增加25.0%和40.4%。茶叶叶厚和叶长的增加，说明纳米碳增效生物有机肥的施用明显促进了茶叶的生长，提升了茶叶的质量。

2.2 不同施肥处理对作物产量和经济效益的影响

2.2.1 不同施肥处理对作物产量的影响

不同施肥处理对4种作物产量的影响见表5。

榨菜：与100%生物有机肥相比，100%纳米碳增效生物有机肥处理榨菜增产显著。与100%纳米碳增效生物有机肥相比，90%、70%、50%纳米碳增效生物有机肥处理榨菜亩产虽有不同程度的下降，但与100%生物有机肥相比，70%～100%纳米碳增效生物有机肥平均亩产2347±68 kg，平均增产71.0%；施用70%纳米碳增效生物有机肥亩产2299 kg，比仅施用100%生物有机肥增产67.4%；施用50%纳米碳增效生物有机肥依然比100%生物有机肥产量略高。

脐橙：与100%生物有机肥相比，100%纳米碳增效生物有机肥处理脐橙增产显著，70%～100%纳米碳增效生物有机肥平均亩产3139±54 kg，平均增产43.2%；50%纳米碳增效生物有机肥效果依然突出，增产31.3%。

蜜桔：与100%生物有机肥相比，70%～90%纳米碳增效生物有机肥对增产影响低于榨菜、茶叶和脐橙，增产幅度稍小，70%纳米碳增效生物有机肥增产9.1%，但50%纳米碳增效生物有机肥亩产效果依然优于100%生物有机肥。

茶叶：与100%生物有机肥相比，100%纳米碳增效生物有机肥处理茶叶增产显著，达36%。90%、70%纳米碳增效生物有机肥处理对茶叶亩产影响不大，50%纳米碳增效生物有机肥处理增产虽然只有5.3%，但节肥效果突出，依然优于100%生物有机肥。

表5 不同施肥处理对4种作物产量的影响Tab.5 Effects of different fertilization treatments on yield of four crops

表4 不同施肥处理对茶叶生物性状的影响Tab.4 Effects of different fertilization treatments on biological characteristics of tea

研究发现，纳米碳增效肥料在粮食作物小麦、水稻、杂交水稻、玉米以及蔬菜作物萝卜、白菜、甘蓝、马铃薯上有明显的减肥效果，同时均有明显或一定的增产效果[5，6，11～16，19]。比较蜜桔和脐橙数据（表5），蜜桔增产2.1%～12.0%，而脐橙增产31.3%～48.4%。同属于柑橘类的脐橙和蜜桔，开县脐橙的增产幅度优于宜昌蜜桔，可能受三峡库区不同种植地区的降雨、水质、土壤有机质含量以及温度、湿度、土壤根系微生物群落等因素影响。

2.2.2 不同施肥处理对作物经济效益的影响

不同施肥处理对4种作物经济效益的影响见表6。以脐橙为例，施用100%生物有机肥，每亩施肥800 kg，产量2192 kg，按照生物有机肥每吨2000元，脐橙每千克4元计算，即每亩肥料花费1600元，收入8768元，毛利润7168元；而施用70%纳米碳增效生物有机肥，每亩收获3165 kg，每亩施纳米碳40元，施肥560 kg，即每亩肥料花费1160元，收入12660元，毛利润11500元，相比施用100%生物有机肥，增收4332元，增收率达60.4%，而100%、90%、50%纳米碳增效生物有机肥增收率分别为58.6%、61.4%和48.9%。

综合比较其他3种作物的毛利润和增收率，使用纳米碳增效技术，施用70%纳米碳增效生物有机肥，可以达到较佳的减肥增收的效果。根据估算，使用该种纳米碳增效生物有机肥，减量有机肥料30%，种植100亩榨菜（每千克榨菜按照1.0元）、100亩脐橙、100亩蜜桔（每千克蜜桔按照1.2元）、100亩茶叶（春茶）产量（每千克春茶按照30元），可分别增收13.66、43.32、41.03、85.65万元。

表6 不同施肥处理对4种作物经济效益的影响Tab.6 Effects of different fertilization treatments on economic benefit of four crops

3 结论

对于三峡库区的农业面源污染的情况，寻找传统化学的替代产品，鼓励使用有机肥，是控制农业面源污染和三峡水库水质污染的有效途径之一，减量有机肥效果更佳。采用纳米碳增效技术提质生物有机肥对当地的4种典型作物的大田对比示范试验表明，该新型纳米碳增效生物有机肥增产、减肥效果好，该技术的推广应用将产生巨大的生态效益和经济效益。对相同的肥料减量，增产幅度依次为：榨菜＞脐橙＞茶叶＞蜜桔。从肥料减量产生的经济效益比较，茶叶表现最佳。