纳米生物技术促进蔬菜作物增产应用研究 摘要：2007年第一次将纳米生物技术用于农作物上，选用5-50纳米碳添加到肥料中，称为纳米增效肥料。两年来先后在萝卜、白菜、甘蓝、茄子、辣椒、西红柿、芹菜和韭菜等十几种蔬菜作物上进行了肥效试验，结果显示有20％～40％ 的增产效果；纳米增效肥料能促进蔬菜作物快速生长，可提早5～7d上市，如白萝卜施肥后38d长到83cm，茄子施肥后20d长到1.2kg等；纳米增效肥料有节肥功能，同等产量水平可节肥30％～50％，如芹菜施用纳米增效碳铵比同等重量的尿素增产12％；纳米增效肥料能提高蔬菜的品质．如在辣椒维生素C含量上，纳米增效肥料比尿素提高1.5倍。经中国疾病预防控制中心检验，纳米碳属于实际无毒级物料。
中国是世界上少数几个从20世纪9O年代就开始重视纳米材料研究的国家之一，除了在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究等方面与发达国家有明显差距外，中国在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子操纵等方面的研究已与国际水平相接近，在某些领域还达到了世界先进水平。中国纳米技术政策的核心是增加纳米科学和技术的基础研究与应用研究能力，从而提高创新能力并形成长期的创新系统；近期目标是用纳米技术提升传统的纳米材料和纳米复合物的产出；战略目标是在国家层面上为纳米技术寻找新的工农业领域应用的落脚点，使中国纳米科技的整体水平进入国际先进行列，争取在若干技术领域具有国际竞争优势。同时，推动一批纳米科技成果实用化或产业化，并建立一批纳米科技研究与开发中心。
纳米碳在肥料中的应用，是在多学科交叉的基础上进行的新探索，是利用纳米碳材料的变异特性研究开发出的一种增效肥料，开拓了纳米材料在肥料应用方面的新领域。我们在2007年将纳米生物技术首次应用于农作物生产上，利用纳米碳与肥料相结合研制出了纳米增效肥料，通过蔬菜作物多点的田问试验，产生了明显的增产效果，与常规肥料相比，可使蔬菜增产20％～40％，在同等产量水平下可节肥30％～50％，有促进蔬菜提早成熟和提高某些营养成分的功能。该项研究成果已引起国家纳米材料学科专家和农业科学专家们的极大兴趣与高度重视，并被列入国家“863”重点科研项目 这将为我国走新型、高效、现代农业的发展之路提供技术支撑，是我国纳米生物技术在农业上应用的良好开端。下面将该项技术在蔬菜试验方面的研究报告如下。
1 材料与方法
1.1 纳米碳的特性和制备
纳米碳的尺度一般可定义为5～80个纳米，纳米碳是一种低燃点和非导电的改性碳，可全部溶于水并有快速吸水功能。纳米碳的制备原料为石墨，纳米碳的生产工艺方法是：将固态碳制成电极，放入电解质溶液中，在交流脉冲电流的作用下，碳原子在电极上获得能量，当碳原子获得的能量超过化学键能并同时获得具有形成纳米碳尺度范围碳颗粒所需要的表面能量时，这部分碳原子将与固体碳电极脱离，形成的纳米碳颗粒游离在电解液中。由于纳米尺度范围的纳米碳颗粒具有强烈的选择吸附性，它们会选择电解质中的某些负离子吸附而使其带负电荷从而相互排斥，即形成“双电层”，使纳米碳溶胶得以稳定生成。再加热蒸发，除去水和其他挥发性物质而制得纳米碳材料。
1.2 供试肥料
试验所用肥料分别是尿素(UFea)、纳米增效尿素(NmUrea)、碳酸氢铵(ABC)、纳米增效碳酸氢铵(NmABC)。
1.3 施肥量与施肥方法
每公顷施用纯氮(N)量150～240kg；纯磷(P2O5)量60～120kg；纯钾(K2O)量60120kg。蔬菜作物施肥方法是基肥加追肥．基肥用量30％，追肥用量70％。
1.4 检测仪器测试方法
蔬菜维生素C含量测定用高效液相色谱仪，蔬菜氨基酸测定用高速氨基酸分析仪，蔬菜蛋白质含量测定用定氮仪；中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所检验了纳米碳的用品毒理。
2 结果与分析
2.1 白萝卜施用纳米增效肥料的增产试验
露地白萝卜试验地点位于北京市大兴区青云店镇。供试土壤为褐土：基础养分含有机质16.1g·kg-1、全氮1.03g·kg-1、碱解氮82.36mg·kg-1、有效磷48.8mg·kg-1、有效钾93.7mg·kg-1，pH值7.9。试验设置5个处理，每处理3次重复。施肥量方面，每公顷施纯氮(N)150kg、纯钾(K2O)45kg、纯磷(P2O5)120kg。小区面积为3Om2 各施肥处理条件一致，于白萝卜定苗10d后，将肥料全部溶解。一次性做追肥施入。38d后测量萝卜全株重、根茎重、根茎长和根茎粗。测产结果表明(表1略)，施用纳米增效肥料的白萝卜比普通肥料增产幅度为19％～60％。表1还反映，白萝卜施用纳米增效尿素c剂型好于纳米增效尿素b剂型，比尿素处理白萝卜的增产37.4％～60.0％。白萝卜施用纳米增效碳铵b剂型的好于纳米增效碳铵a剂型和纳米增效碳铵c剂型，比碳铵处理的白萝卜增产18.97％～42.72％，达到了极显著差异。在白萝b种植试验上，纳米增效碳铵肥料好于纳米增效尿素肥料。纳米增效碳铵有快速促进白萝卜根茎增长作用，施肥38d后，白萝卜根茎最长达到了83cm，且开始收获上市，比施用普通肥料的可提前7～10d白萝b生长期间，施用纳米增效肥料的白萝卜，在秋旱期间叶片没有出现萎蔫，表现出明显的抗旱作用。
白萝卜营养指标的测定结果表明(表2略)，胱氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的含量增加率为11.11％～140％，上述5种氨基酸在稳定某些蛋白质的三维结构和有利于蛋白质的合成中起着重要的作用。而酪氨酸、精氨酸、组氨酸、缬氨酸和赖氨酸的含量减少率为11.11％～30.00％，这5种氨基酸在生理pH值时，有3种是带正电荷的碱性氨基酸。维生素C的含量测定(表2略)结果表明，施用普通碳铵肥料的白萝卜维生素C的含量为0.512mg·100g-1，施用纳米增效碳铵肥料的白萝卜维生素C的含量为0.497mg·100g-1，前者比后者增加了2.93％，说明白萝卜维生素C的含量基本没有变化。
2.2 茄子纳米碳改性氮肥试验和营养检测结果
露地试验地点在北京市大兴区青云店镇，供试土壤情况与白萝卜地相近。供试品种为紫圆茄，栽培密度为33000株·hm-2，种植株行距为60cmx50cm。各施肥管理条件一致，在茄子移栽缓苗后7d，每公顷按150kg氮、45kg钾、120kg磷的施肥量，全部溶于水后，一次性浇灌于茄子根部且覆土，小区面积为30m2在施肥20d后，施用纳米增效肥料的茄果增大，开始采摘，测量茄果重量的结果见(表3略)。茄子施肥在70d的生育时间内，纳米增效碳铵比碳铵处理的茄果重增加率为41.9l％～44.53％，纳米增效尿素比尿素处理的茄果重增加率为20.00％～26.79％，增产效果具有显著差异。该肥料能促进茄子提早开花。提早结果，在施肥20d后，纳米增效尿素和纳米增效碳铵处理最大的茄果重达到了1.2kg，而普通肥料还处于花期和初果期。
纳米增效肥料对茄子营养指标的测试结果见(表4略)。从表4中可见，施用纳米增效肥料的茄子除了胱氨酸减少16.67％外，其他氨基酸的含量均有所增加，增加幅度为11.54％～42.86％，而增加幅度在20％以上的有蛋氨酸、酪氨酸、精氨酸、甘氨酸、组氨酸、脯氨酸、丙氨酸等7种氨基酸，上述茄子氨基酸有5种在生理pH值时，为具有带正电荷的碱性氨基酸。说明茄子的营养指标有所提高 茄子维生素C的测定结果表明，纳米增效肥料的施人使茄子的维生素C含量降低了19.37％，说明茄子酸度减少，故含糖量增加，使口味改善。
2.3 辣椒纳米碳改性磷钾肥试验和营养检测结果
大棚辣椒肥效试验地位于农业部优质中心示范园，辣椒品种为郎力富贵，栽培密度为每公顷49500～52500株，株行距为45cm~40cm土壤理化性质是全氮1.34g·kg-l，有效磷163.6mg·kg-l，速效钾258mg·kg-l，pH值7.9。试验设计重点针对纳米碳增效钾磷元素的作用，分为6个处理(表5略)，即对照、尿素、纳米碳改氮肥、纳米碳改磷肥、纳米碳改钾肥、纳米碳同混肥。每处理3次重复。各施肥处理管理条件一致。此试验为纳米碳先改钾的试验效果分析。(表6略)测产结果表明，纳米碳不仅对氮肥起到增效作用，而且对磷、钾肥也同样起到了增效作用。纳米碳先加入钾肥后，再加入等量的其他肥料比尿素增产35.21％，纳米碳先加入磷肥后，再加入等量的其他肥料比尿素增产28.2％，均好于纳米碳先加入氮素肥料。说明纳米碳能激活土壤的磷、钾元素的营养水平，减少土壤磷素的固定。促进土壤层问钾的释放，能增加土壤磷钾的潜在肥力。
纳米增效钾肥能增加辣椒的维生素C营养指标。不同纳米增效肥料处理对辣椒营养指标的测定结果表明(表7略)，与普通肥料相比，纳米增效钾肥处理的辣椒氨基酸含量均有所降低，降低幅度为42.86％～72.73％，说明纳米碳与钾肥结合后有强烈的活化钾功能．能增加辣椒作物对钾的吸收，除了促进作物的钾代谢功能以外，还可以增加辣椒糖分的转化功能，所以使各种氨基酸的含量均有所下降。施用纳米增效钾肥的辣椒维生素C含量为46.1mg·100g-l，施用普通尿素的辣椒维生素C含量为18.03mg·100g-l，前者比后者辣椒维生素C含量增加了155.68％ 维生素C的增加可以提高蔬菜的品质，增强蔬菜的耐贮性。维生素C除了具有抗坏血病功能以外，还可使体内各种含巯基的酶保持活性以及清除自由基、阻断致癌物N-亚硝基化合物的合成，从而预防癌症。
2.4 芹菜纳米碳改性氮肥节肥试验
芹菜节肥试验是在农业部优质中心示范园大棚试验地上做的，芹菜品种为文图拉。该品种植株高大，生长旺盛，株高80cm左右。土壤理化性质为含全氮1.34g·kg-l、有效磷163.6mg·kg-l、速效钾258mg·kg-l，pH值7.9。试验设3个处理，即对照、尿素、纳米增效碳铵，每个处理3次重复，具体施肥方案见(表8略)。生长期测定芹菜的株高、叶片数，在收获时测定芹菜产量．测定结果见(表9略)在不等量施肥情况下．纳米增效碳铵每公顷少施104.4kg纯氮，纳米增效碳铵比尿素增产幅度为12.12％；每公顷增产芹菜14007kg，按每公斤芹菜1.2元计，可增加收人16808.4元。说明纳米增效碳铵对芹菜等叶菜类作物有明显的增产节肥效果。所以在蔬菜上推广纳米增效肥料，这对减少施肥量、增加蔬菜产量和品质、保护土壤环境和地下水环境、阻断致癌物N一亚硝基化合物合成以预防癌症都具有非常重大的意义。
不同施肥处理对芹菜营养指标的影响见(表l0略)，表中反映，纳米增效碳铵与尿素相比，纳米增效碳铵处理的芹菜，其氨基酸含量均有所增加，增加幅度为15.38％～70.00％，氨基酸总体水平的提高，说明纳米增效肥料能改善芹菜的品质、提高营养水平。纳米增效碳铵的施用使芹菜的维生素C含量降低了57.77％，说明芹菜酸度降低，糖分含量增加，口感性变好，改善了芹菜的品质。
2.5 纳米增效肥料的毒理试验
经中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所检验，用纳米碳对小白鼠进行急性经口毒性试验，分组试验剂量为5000mg·kg-l，试验过程将小白鼠清水喂15d，然后加入纳米碳饲料喂食3个月，动物试验数为20只，雌雄各半，结果未见一只死亡，且健康状况良好。因此得出结论，纳米碳对雌、雄性小白鼠急性经口LD50均大于5000mg·kg-l体重，属于实际无毒级物料。
3 小结
1)纳米增效肥料在蔬菜作物上也表现出明显的增产效果，如白萝卜增产25％～102％；茄子增产13.3％～44.6％；辣椒增产25.11％～38.00％；芹菜增产12.12％等。
2)纳米增效肥料能促进蔬菜提早发育，促进蔬菜的提早上市．如茄子幼苗期施人纳米增效肥料，20d后单果重可达到1.2kg，比普通肥料提前12d上市；白萝卜苗期施肥38d后最长可长到83cm，比一般肥料可提前20 d上市。
3)纳米增效肥料在蔬菜上有明显的节肥作用，在不等量施肥情况下，纳米增效碳铵每公顷少施104.55kg纯氮．纳米增效碳铵比尿素的增产幅度为12.12％；说明纳米增效碳铵对芹菜等叶菜类作物有明显的节肥效果，节肥量可达到3O％～50％。
4)纳米增效肥料能改善蔬菜的品质。不同蔬菜的营养指标测定结果表明，① 纳米增效肥料可增加白萝卜的胱氨酸、脯氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的含量，幅度在11.11％～140.00％，而酪氨酸、精氨酸、组氨酸、缬氨酸和赖氨酸的含量减少幅度为11.11％～30.00％，氨基酸含量增加和减少的幅度变化不大。②施用纳米增效肥料的茄子除了胱氨酸减少16.67％外，其他氨基酸的含量均有所增加．增加幅度为11.54％～42.86％，氨基酸含量增加的幅度较大。③ 纳米增效钾肥使辣椒氨基酸的含量降低了42.86％～72.73％，说明纳米碳有强烈的活化钾的功能；纳米增效钾肥使维生素C含量增加了155.68％，提高了辣椒的品质，增强了其的耐贮性；④纳米增效碳铵处理的芹菜其氨基酸含量比尿素均有所增加，增加幅度为15.38％～70.00％，氨基酸总体水平的提高，说明纳米增效肥料能改善芹菜的品质、增加了营养价值。
5)纳米增效肥料属于实际无毒级物料。经中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所检验，用纳米碳对小白鼠进行急性经口毒性试验，分组试验剂量为5000mg·kg-l，结论得出纳米碳对雌、雄性小白鼠急性经口LD50均大于5000mg·kg-l体重，属于实际无毒级物料。
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