石墨烯添加对干旱区牧草生长及土壤养分的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00119

石墨烯添加对干旱区牧草生长及土壤养分的影响

牧仁^,¹^,², 乔俊², 徐光甫¹, 韩进夫¹, 俞潇¹, 孔垂玖¹, 李新乐^,¹

1.中国林业科学研究院沙漠林业实验中心/内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站，内蒙古巴彦淖尔 015200

2.山西大同大学煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心，山西大同 037009

The effect of graphene addition on the growth of different types of grass and soil nutrients in arid areas

Mu Ren^,¹^,², Qiao Jun², Xu Guangfu¹, Han Jingfu¹, Yu Xiao¹, Kong Chuijiu¹, Li Xinle^,¹

1.Experimental Center of Desert Forestry / Inner Mongolia Dengkou Desert Ecosystem Observation Research Station，Chinese Academy of Forestry，Bayannaoer 015200，Inner Mongolia，China

2.Engineering Research Center of Coal-based Ecological Carbon Sequestration Technology of the Ministry of Education，Shanxi Datong University，Datong 037009，Shanxi，China

通讯作者: 李新乐（E-mail： nxylxl@126.com）

收稿日期: 2024-07-09 修回日期: 2024-12-12

基金资助:

中央引导地方科技发展资金项目. 2022ZY0177
内蒙古自治区自然科学基金项目. 2024MS03067

Received: 2024-07-09 Revised: 2024-12-12

作者简介 About authors

牧仁（1995—），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为草地生态学E-mail：1974447781@qq.com , E-mail：1974447781@qq.com

摘要

石墨烯能够有效吸附土壤水分和养分离子，对干旱区土壤改良具有积极作用。为探究石墨烯对干旱区牧草生长和土壤养分的影响，对盆栽沙打旺（Astragalus adsurgens）、老芒麦（Elymus sibiricus）和披碱草（Elymus dahuricus）分别添加0（C₀）、25（C₁）、50（C₂）、100（C₃）、200 mg·L^-1（C₄）石墨烯，并测定牧草种子萌发、生长指标及土壤理化性质。结果表明：（1）石墨烯添加牧草种子萌发及生长表现为C₁、C₂促进，C₄抑制，C₁下老芒麦株高和叶长较C₀分别增加38.81%和31.55%（P<0.05），C₂下沙打旺总鲜重较C₀显著增加51.94%（P<0.05），而披碱草发芽势C₄较C₀减少45.46%。（2）石墨烯添加可以提高土壤含水量，并对土壤养分具有一定调节作用，C₄下老芒麦土壤有机质和全氮含量较C₀分别增加22.51%和17.82%（P<0.05）；沙打旺土壤碱解氮和速效钾含量在C₄下较C₀分别增加52.56%和14.99%（P<0.05）；披碱草土壤碱解氮和有效磷在C₄、C₁下分别较C₀增加48.37%和19.58%（P<0.05）。（3）沙打旺、老芒麦和披碱草石墨烯最适添加量分别为50、25、25 mg·L^-1。适度石墨烯添加可以促进牧草生长，提高土壤养分利用效率，但高浓度石墨烯添加将产生抑制作用。

关键词： 石墨烯 ; 干旱区 ; 牧草 ; 土壤理化性质 ; 养分利用率

Abstract

Graphene is a new type of carbon material. Its unique material properties enable it to effectively adsorb soil moisture and nutrient ions， which has a positive effect on soil improvement in arid areas. However， there are few studies on the application of graphene in arid areas. To investigate the effects of graphene on grass growth and soil nutrients in arid areas. Using Astragalus adsurgens， Elymus sibiricus， and Elymus dahuricus as materials， five addition levels of graphene were set （C₀：0 mg·L^-1， C₁：25 mg·L^-1， C₂：50 mg·L^-1， C₃：100 mg·L^-1， C₄：200 mg·L^-1）.Conduct seed germination experiments and pot experiments， and determine grass growth indicators and soil physicochemical properties.The results showed that：（1） The germination and growth of grass seeds with graphene addition showed promotion at concentrations of 25 and 50 mg·L^-1， and inhibition at a concentration of 200 mg·L^-1.Under C₁ treatment， the plant height and leaf length of Elymus sibiricus increased by 38.81% and 31.55%， respectively， compared to C₀ treatment （P<0.05）， under C₂ treatment， the total fresh weight of Astragalus adsurgens significantly increased by 51.94% （P<0.05） compared to C₀ treatment， while under C₄ treatment， the germination potential of Elymus dahuricus decreased by 45.46% compared to C₀ treatment. （2） Graphene can increase soil water content and regulate soil nutrients. Under C₄ treatment， the soil organic matter and total nitrogen content of Elymus sibiricus increased by 22.51% and 17.82% （P<0.05）， respectively， compared to C₀ treatment； The content of alkali hydrolyzed nitrogen and available potassium in the soil of Astragalus adsurgens increased by 52.56% and 14.99% （P<0.05） in C₄ treatment compared to C₀ treatment， respectively； The alkaline nitrogen and available phosphorus in the soil of Elymus dahuricus increased by 48.37% and 19.58% （P<0.05） in C₄ and C₁ treatments compared to C₀ treatments， respectively. （3） The optimal addition amounts of graphene for Astragalus adsurgens， Elymus sibiricus， and Elymus dahuricus are 50， 25， and 25 mg·L^-1， respectively. In general， the moderation of the graphene addition can promote grass growth and improve soil nutrient utilization efficiency， but high concentration graphene addition will have an inhibitory effect on grass growth.

Keywords： graphene ; arid areas ; grass ; soil physical and chemical properties ; nutrient utilization rate

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本文引用格式

牧仁, 乔俊, 徐光甫, 韩进夫, 俞潇, 孔垂玖, 李新乐. 石墨烯添加对干旱区牧草生长及土壤养分的影响. 中国沙漠[J], 2025, 45(2): 155-165 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00119

Mu Ren, Qiao Jun, Xu Guangfu, Han Jingfu, Yu Xiao, Kong Chuijiu, Li Xinle. The effect of graphene addition on the growth of different types of grass and soil nutrients in arid areas. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(2): 155-165 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00119

0 引言

降水资源是限制植被生长的重要因子，中国干旱半干旱地区降水不足严重影响农业生产和生态环境。近年来，中国加强水资源管理，推广节水灌溉技术，取得一定效果^［1］。但除提高水资源利用效率外，改善土壤保肥保墒能力也是促进干旱区植物生长的关键措施。目前常见的土壤改良剂（生物炭、秸秆和石墨烯等）处理可以有效地实现土壤养分的转化和作物利用^［2-4］。

石墨烯属于纳米碳材料，由碳原子组成，表面具有一层二维晶体，片层上含有许多有氧元素的有机基团，表面的诸多含氧元素的官能团使其具有较高的水分疏散性和导电能力，能有效吸附养分离子和水分^［5］。石墨烯添加可以显著促进种子萌发，提升种子活力^［6-7］。通过透射电镜可观察到，石墨烯可以穿透种子外壳，促进种子对水分的吸收，使种子壳内的微生物获得更多的氧气和营养物质，有利于种子发芽^［8］。石墨烯对植物种子萌发并不是只有积极作用，也会抑制种子的萌发。Cakir等^［9］发现，2 g·L^-1的石墨烯处理下大麦种子几乎无发芽迹象，白豆种子的发芽率则降低88%。石墨烯添加不仅可以提高种子萌发速率，还可以有效促进植物的幼苗发育，而且与种子萌发相比，石墨烯对植物幼苗生长的影响更显著。姚建忠等^［10］发现，适宜浓度的石墨烯能够促进欧洲山杨组培苗植株分芽和苗高增长。特定浓度的石墨烯能促进植物形态发育，对植物幼苗干物质积累具有明显的促进作用^［11］。但不同植物幼苗生长对石墨烯的耐受性存在差异，基本表现为低浓度无显著效应或促进幼苗生长，高浓度抑制幼苗生长^［12-13］。

已有学者将石墨烯作为肥料载体，提高肥料在土壤中利用效率，减少对土壤环境影响^［14］。除作为肥料载体研究外，石墨烯对土壤影响研究主要在土壤养分迁移和毒性作用方面^［15］。石墨烯具有较大的比表面积，可以有效吸附土壤中团聚体，提高土壤速效养分含量^［16］，但受土壤淋溶作用影响，石墨烯对土壤养分吸附作用随时间逐渐减弱。此外，石墨烯碳分子结构与植物碳分子相似，可直接被植物吸收，对土壤健康基本无影响。Ren等^［17］发现石墨烯对土壤细菌群落影响并不显著，只对一些自生固氮细菌具有一定影响。Zhang等^［18］发现，石墨烯对细菌群落结构没有明显影响，但石墨烯显著影响细菌群落组成和代谢功能，并随其浓度变化而变化。对于石墨烯能否当作“肥料”直接加入土壤仍存在一定争议，主要由于石墨烯进入土壤后受到多方面因素的影响，其毒性作用受到一定限制。

内蒙古磴口县地处黄河“几字弯”弯头，西临乌兰布和沙漠，年降水量143 mm，年蒸发量高达2 493 mm，如何有效改善该地土壤保肥保墒能力，是亟需解决的问题。本研究利用石墨烯可以有效吸附土壤养分和水分的特性，在混合育苗基质的土壤基础上，开展不同牧草人工添加石墨烯试验，探讨石墨烯对牧草生长及土壤养分利用的影响，并筛选不同牧草适宜的石墨烯浓度，为改善干旱区土壤保肥保墒能力提供理论参考。

1 材料和方法

1.1　试验材料

石墨烯由山西大同大学煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心提供。石墨烯溶液浓度为5 g·L^-1，溶液中石墨烯片层平均直径为40 nm，片层厚度约为3 nm，层数约为5。

沙打旺（Astragalus adsurgens）、老芒麦（Elymus sibiricus）和披碱草（Elymus dahuricus）种子购自宁夏绿地草业股份有限公司。

将土壤过70目筛网后，与基质按照7∶3比例混合，用于盆栽试验，基质选自宁夏中青农业科技有限公司中青农育苗基质。混合后土壤基础养分如下：有机质94.06 g·kg^-1、全氮3.11 g·kg^-1、全磷0.67 g·kg^-1、全钾14.84 g·kg^-1、速效氮458.11 mg·kg^-1、速效磷50.01 mg·kg^-1和速效钾1 519.38 mg·kg^-1。

1.2　试验设计

采用外口径20 cm、地径14.2 cm、高17.3 cm的无孔塑料花盆，每盆中加入2 kg土壤。设置5个石墨烯处理浓度，即0（C₀）、25（C₁）、50（C₂）、100（C₃）、200 mg·L^-1（C₄），以处理浓度0 mg·L^-1设为CK，每个处理重复10次，共150个花盆。2023年6月1日，各取15粒种子均匀分散埋入花盆中。配置200 mL不同浓度的石墨烯溶液进行浇灌，移至室外遮雨培养。待牧草生长稳定后间苗，每盆保留生长状况基本一致的幼苗5株。培养期间定期定量浇水，每周浇水一次，浇水量为每盆200 mL。

选择沙打旺、披碱草和老芒麦种子各30粒，2% NaClO溶液消毒5 min，用水冲洗5次后，均匀撒在9 cm直径培养皿中，种子下方放置2层滤纸，并用不同浓度石墨烯溶液浸透，每个处理重复3次。将其放置于恒温黑暗培养箱内（25 ℃）发芽。试验期间每24 h记录发芽种子数量，胚根从种皮伸出2 mm即为萌发，连续3 d无种子萌发时结束试验。

1.3　指标测定及方法

1.3.1　牧草种子萌发测定

评价种子萌发情况参数为发芽率（G）、发芽势（GE）、发芽指数（GI）。

G = \frac{n}{N} \times 100 %

（1）

式中：n和N分别为萌发种子数和试验过程中所用种子总数。

G E = n_{m a x} / N \times 100 %

（2）

式中：n_max为高峰时发芽种子数；N为试验过程中所用种子总数。

G I = \sum_{t = 1}^{m} (G_{t} / D_{t})

（3）

式中：G_t 为第t天的发芽数；D_t 为第t天的天数。

1.3.2　牧草生长指标测定

每个处理选择3盆牧草，分别于出苗后第45、75、100天测定牧草株高、叶长、叶宽和茎粗。用卷尺测定每盆牧草自然高度。随机选择3株牧草，且随机选择3片叶子，用卷尺测定叶长，用游标卡尺测定叶宽。随机选择3株牧草用游标卡尺测定茎粗。

1.3.3　牧草生物量测定

于出苗后第100天测定牧草生物量，每个处理选择3盆，其中，沙打旺每盆选择1株，老芒麦和披碱草盆内全部牧草。将牧草冲洗干净后在根部剪开，测定牧草地上部分和地下部分鲜重，测完鲜重后，将牧草置于烘箱，65 ℃下烘干至恒重。总生物量（鲜重或干重）=地上生物量±地下生物量。根冠比（干重）=地下干重/地上干重

1.3.4　土壤指标测定

于第100天测定土壤理化性质，参考《土壤农化分析》中土壤指标测定方法进行测定^［19］，每个处理选择3盆牧草，测定土壤含水量及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量。

1.3.5　牧草生长综合评价

采用隶属函数分析法对3种牧草种子萌发与植物生长进行综合评价^［20］。

μ (X_{i j}) = \frac{X_{i j} - X_{j m i n}}{X_{j m a x} - X_{j m i n}}

（4）

式中：μ（X_ij ）为i种牧草的j测定指标的具体隶属值；X_ij 为i品种牧草的j指标测定值；X_j_min为j指标测定值中的最小值；X_j_max为j指标测定值中的最大值。

1.4　数据分析

采用Excel 2010进行数据基础处理表格制作，图片采用Origin软件绘制，采用SPSS 20.0分析软件对数据进行方差分析、双因素分析和主成分分析，文中图表数据均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1　石墨烯添加对牧草种子萌发的影响

石墨烯添加可以促进牧草种子发芽。沙打旺种子发芽率C₂处理下较对照C₀处理大12.75%（P<0.05，图1），但不同牧草对石墨烯响应存在异质性，沙打旺和老芒麦种子发芽率C₂处理最大，而披碱草在C₁处理达到最大值。高浓度石墨烯处理会抑制牧草种子发芽，C₄处理下老芒麦发芽率和发芽指数较C₂处理少21.65%和26.66%（P<0.05），而披碱草发芽势C₄处理下较C₀处理少45.46%。

图1

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图1 石墨烯添加对牧草发芽的影响

注：不同小写字母表示相同牧草内不同处理间差异显著（P<0.05）

Fig.1 Effect of graphene addition on germination of forage

2.2　石墨烯添加对牧草生物量的影响

不同牧草生物量对石墨烯添加变化趋势基本相同，其中，沙打旺地上鲜重、地下干重和总鲜重C₂处理下较C₀处理分别大63.76%、21.74%和51.94%（P<0.05，表1），而披碱草和老芒麦地下干重分别在C₁和C₂处理下较C₀处理大30.00%和57.14%（P<0.05）。除沙打旺地上鲜重外，高浓度的石墨烯添加对牧草生物量均产生抑制作用。沙打旺、老芒麦和披碱草根冠比分别在C₃、C₄和C₁处理下达到最大值，分别较C₀处理大24.49%、22.22%和11.11%。

表1 石墨烯添加对牧草生物量和根冠比的影响

Table 1 Effects of graphene addition on forage biomass and root shoot ratio

品种	处理	地上生物量/g		地下生物量/g		总生物量/g		根冠比（干重）
品种	处理	鲜重	干重	鲜重	干重	鲜重	干重	根冠比（干重）
沙打旺	C₀	1.49±0.02^b	0.48±0.02^a	0.57±0.08^a	0.23±0.01^b	2.06±0.10^b	0.71±0.01^a	0.49±0.03^a
	C₁	1.96±0.13^ab	0.51±0.03^a	0.62±0.09^a	0.30±0.04^a	2.58±0.21^ab	0.80±0.05^a	0.58±0.09^a
	C₂	2.44±0.21^a	0.54±0.01^a	0.69±0.07^a	0.28±0.01^a	3.13±0.24^a	0.82±0.01^a	0.52±0.02^a
	C₃	1.79±0.27^ab	0.47±0.09^a	0.61±0.02^a	0.27±0.01^a	2.40±0.28^b	0.74±0.10^a	0.61±0.09^a
	C₄	1.58±0.13^ab	0.40±0.01^a	0.45±0.08^a	0.21±0.01^b	2.03±0.10^b	0.51±0.02^b	0.27±0.02^b
老芒麦	C₀	1.05±0.08^a	0.26±0.12^a	0.31±0.03^a	0.07±0.01^b	1.36±0.06^a	0.33±0.13^a	0.36±0.12^ab
	C₁	1.17±0.23^a	0.36±0.01^a	0.50±0.13^a	0.05±0.00^b	1.68±0.35^a	0.43±0.04^a	0.25±0.01^b
	C₂	1.04±0.08^a	0.30±0.03^a	0.51±0.03^a	0.11±0.00^a	1.55±0.09^a	0.40±0.02^a	0.36±0.05^ab
	C₃	1.07±0.09^a	0.32±0.02^a	0.43±0.09^a	0.11±0.02^a	1.50±0.17^a	0.41±0.01^a	0.34±0.05^ab
	C₄	1.00±0.11^a	0.20±0.03^a	0.30±0.07^a	0.08±0.00^b	1.30±0.09^a	0.28±0.03^a	0.44±0.06^a
披碱草	C₀	1.28±0.08^a	0.40±0.05^ab	0.21±0.01^a	0.10±0.01^b	1.50±0.07^ab	0.50±0.05^ab	0.27±0.04^ab
	C₁	1.33±0.06^a	0.44±0.04^ab	0.21±0.06^a	0.13±0.00^a	1.54±0.11^ab	0.56±0.03^a	0.30±0.03^a
	C₂	1.35±0.07^a	0.44±0.01^a	0.22±0.06^a	0.09±0.01^b	1.57±0.11^a	0.53±0.01^a	0.20±0.03^ab
	C₃	1.20±0.10^a	0.34±0.01^bc	0.14±0.01^ab	0.07±0.00^cd	1.34±0.09^ab	0.41±0.01^bc	0.21±0.01^ab
	C₄	0.89±0.33^a	0.30±0.01^c	0.06±0.02^b	0.05±0.01^d	0.95±0.35^b	0.35±0.01^c	0.18±0.03^b

注：不同小写字母表示相同牧草内不同处理间差异显著（P<0.05）。

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2.3　石墨烯添加对牧草生长的影响

生长时间对牧草生长性状均产生极显著影响（P<0.01，表2），石墨烯浓度只对牧草株高和叶长产生极显著影响（P<0.01）。而生长时间和石墨烯浓度交互作用未对牧草生长指标产生显著影响。

表2 石墨烯添加对牧草生长指标双因素分析（ F 值）

Table 2 Two factor analysis of graphene addition on forage growth indicators

因素	自由度	株高	基径	叶宽	叶长
时间	3	60.145^**	43.688^**	33.613^**	99.724^**
浓度	5	7.395^**	1.656^ns	1.431^ns	11.229^**
时间×浓度	15	0.601^ns	1.230^ns	0.768^ns	0.531^ns

注：*、**分别表示变量效应达到P<0.05和P<0.01显著水平，ns表示无显著效应。

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第45天，C₂处理下沙打旺株高、叶宽和叶长显著高于C₀处理，分别大60.63%、22.49%和35.96%（P<0.05，表3）。而C₁处理下老芒麦株高和叶长达到最大值，较C₀处理分别大38.81%和31.55%（P<0.05）。

表3 石墨烯添加对牧草生长指标的影响

Table 3 Effects of graphene addition on forage growth indicators

时间 /d	处理	株高/cm			基径/mm			叶宽/mm			叶长/cm
时间 /d	处理	沙打旺	老芒麦	披碱草	沙打旺	老芒麦	披碱草	沙打旺	老芒麦	披碱草	沙打旺	老芒麦	披碱草
45	C₀	6.63±1.06^c	17.29±0.81^b	22.10±1.22^a	0.65±0.04^a	0.51±0.03^ab	0.61±0.04^a	6.98±0.28^c	1.25±0.07^a	0.97±0.04^ab	0.89±0.05^b	14.74±1.12^b	15.73±1.61^ab
	C₁	9.84±0.67^ab	24.00±1.43^a	22.10±1.05^a	0.71±0.04^a	0.47±0.03^abc	0.56±0.03^a	7.60±0.31^bc	1.26±0.08^a	1.10±0.05^a	1.15±0.10^a	19.39±1.73^a	15.63±1.67^ab
	C₂	10.65±1.29^a	20.47±0.93^b	23.73±1.70^a	0.77±0.05^a	0.53±0.03^a	0.59±0.03^a	8.55±0.33^a	1.22±0.07^a	0.95±0.05^ab	1.21±0.05^a	15.33±0.74^b	17.79±1.04^a
	C₃	6.99±0.64^c	17.29±0.81^b	25.13±1.61^a	0.69±0.06^a	0.44±0.02^bc	0.61±0.04^a	8.21±0.24^ab	1.08±0.05^a	0.97±0.06^ab	1.19±0.07^a	13.23±0.59^b	15.36±1.10^ab
	C₄	7.46±0.71^bc	18.75±0.57^b	17.47±0.74^b	0.69±0.04^a	0.40±0.03^c	0.60±0.02^a	8.39±0.29^ab	1.11±0.09^a	0.82±0.06^b	1.03±0.07^ab	14.25±0.58^b	12.42±0.64^b
75	C₀	14.22±1.51^bc	25.75±1.49^ab	25.89±1.39^bc	0.72±0.08^b	0.62±0.06^b	0.78±0.05^a	7.92±0.41^c	1.43±0.11^a	1.68±0.11^c	1.27±0.09^a	19.28±0.93^b	21.22±0.73^bc
	C₁	18.11±2.30^a	28.56±2.08^a	28.63±1.93^ab	0.83±0.09^ab	0.82±0.09^a	0.84±0.04^a	9.32±0.25^ab	1.52±0.14^a	2.12±0.15^ab	1.45±0.10^a	23.87±1.33^a	23.56±1.25^a
	C₂	17.22±1.94^ab	25.68±1.65^ab	30.09±1.92^a	0.97±0.11^a	0.60±0.02^b	0.86±0.07^a	9.90±0.85^a	1.45±0.13^a	2.20±0.18^a	1.50±0.05^a	19.93±1.39^b	24.29±1.37^a
	C₃	14.44±1.91^bc	24.33±1.40^ab	28.67±1.86^ab	0.92±0.10^ab	0.61±0.06^b	0.83±0.06^a	8.71±0.56^bc	1.47±0.019^a	1.85±0.23^bc	1.39±0.10^a	18.40±1.63^b	23.12±1.03^ab
	C₄	13.56±1.08^c	21.92±1.46^b	22.67±1.86^c	0.87±0.08^ab	0.67±0.06^ab	0.80±0.09^a	8.21±0.23^c	1.30±0.10^a	1.84±0.08^bc	1.30±0.11^a	17.18±1.02^b	18.08±1.11^c
100	C₀	19.18±1.40^a	26.44±1.43^ab	33.08±1.12^a	0.92±0.07^b	0.92±0.07^ab	1.06±0.08^a	9.59±0.36^ab	1.78±0.08^b	2.09±0.14^b	1.53±0.14^b	19.79±1.16^b	24.98±1.26^bc
	C₁	21.16±1.34^a	32.61±2.24^a	33.18±2.41^a	1.14±0.10^ab	1.11±0.11^a	1.02±0.08^a	9.60±0.38^ab	2.44±0.20^a	2.46±0.10^b	1.84±0.19^ab	24.71±1.46^a	28.23±1.00^ab
	C₂	22.88±2.06^a	27.00±2.59^ab	35.71±2.68^a	1.39±0.65^a	0.89±0.07^ab	1.09±0.07^a	9.96±0.47^a	2.03±0.18^ab	2.91±0.21^a	2.11±0.19^a	21.56±1.38^b	29.29±1.43^a
	C₃	19.67±1.37^a	24.39±2.19^b	33.33±1.45^a	1.01±0.11^ab	0.87±0.08^ab	0.97±0.07^a	9.26±0.38^b	1.84±0.12^b	2.40±0.16^b	1.72±0.12^b	20.21±1.44^b	25.28±2.14^b
	C₄	17.83±1.63^a	22.39±1.87^b	28.18±1.26^b	0.87±0.08^b	0.84±0.08^b	0.96±0.13^a	8.72±0.35^c	1.65±0.13^b	2.12±0.11^b	1.62±0.13^b	20.00±0.84^b	21.47±1.50^c

注：不同小写字母表示相同牧草内不同处理间差异显著（P<0.05）。

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第75天，C₁处理下沙打旺株高显著高于C₀处理，较其大27.29%（P<0.05），而C₂处理下沙打旺基径和叶宽显著高于C₀处理，较其分别高34.72%和25.00%（P<0.05）。老芒麦基径和叶长在C₁处理达到最大值，较C₀处理分别大32.26%和23.81%（P<0.05）。披碱草株高和叶长在C₂处理达到最大值，较C₀处理分别大16.22%和14.47%（P<0.05）。

第100天，C₄处理下石墨烯对不同牧草均产生抑制效应，其中，披碱草株高和沙打旺叶宽较C₀处理分别少14.81%和9.07%（P<0.05）。C₂处理下沙打旺基径和叶长显著高于C₀处理，较其分别大51.09%和37.91%（P<0.05）。老芒麦叶宽和叶长在C₁处理达到最大值，较C₀处理分别大37.08%和24.86%（P<0.05）。披碱草叶宽和叶长在C₂处理达到最大值，较C₀处理分别大39.23%和17.25%（P<0.05）。

2.4　石墨烯添加对牧草土壤含水量及养分的影响

沙打旺和披碱草土壤含水量随石墨烯添加显著增大（图2），其中，C₄处理下较对照分别大42.85%和43.67%（P<0.01）。但受牧草异质性因素影响，老芒麦土壤含水量对石墨烯添加响应不显著（P>0.05），其中，C₂处理达到最大值，较C₃大33.30%（P<0.05）。

图2

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图2 石墨烯添加对牧草土壤含水量的影响

Fig.2 Effect of graphene addition on soil water content of forage

由表4可知，不同牧草土壤有机质随石墨烯增加变化趋势基本一致，其中，C₄处理下老芒麦土壤有机质含量显著高于C₀处理，较其大22.51%（P<0.05）。除C₁处理外，石墨烯添加对沙打旺全效养分影响并不显著。C₁处理下，沙打旺土壤全氮和全磷含量显著低于C₀处理，较其少9.03%和22.08%（P<0.05）。禾本科牧草土壤全氮和全钾随着石墨烯添加水平增加，均呈先降后升趋势。其中，C₄处理下，老芒麦土壤全氮含量和披碱草全钾含量达到最大值，分别较C₀处理大17.82%和23.45%（P<0.05）。而老芒麦和披碱草土壤全磷含量分别在C₃和C₂处理达到最大值，较C₀处理大24.24%和29.03%（P<0.05）。

表4 石墨烯添加对牧草土壤养分的影响

Table 4 Effects of graphene addition on forage soil nutrients

品种	处理	有机质 /(g·kg^-1)	全氮 /(g·kg^-1)	全磷 /(g·kg^-1)	全钾 /(g·kg^-1)	碱解氮 /(mg·kg^-1)	有效磷 /(mg·kg^-1)	速效钾 /(mg·kg^-1)
沙打旺	C₀	101.45±3.46^a	3.32±0.03^a	0.77±0.03^a	13.26±0.64^a	389.62±39.09^b	62.38±4.55^a	1 822.50±72.17^ab
	C₁	98.99±1.28^a	3.02±0.15^b	0.60±0.01^b	13.12±1.30^a	421.61±5.47^b	54.88±0.51^ab	1 585.78±41.86^bc
	C₂	103.22±2.92^a	3.28±0.10^ab	0.80±0.02^a	14.59±0.87^a	372.38±12.89^b	60.13±4.84^ab	1 470.35±59.18^c
	C₃	90.51±2.52^b	3.27±0.06^ab	0.66±0.09^ab	14.17±1.83^a	539.14±11.70^a	50.50±1.30^b	1 985.68±165.99^a
	C₄	95.01±5.01^ab	3.21±0.10^ab	0.76±0.05^a	15.07±0.57^a	594.40±32.66^a	49.57±2.17^b	2 095.77±27.42^a
老芒麦	C₀	98.35±2.45^bc	3.03±0.14^b	0.66±0.10^b	15.67±0.54^a	356.16±7.41^b	46.13±0.79^b	2 498.75±517.45^a
	C₁	86.02±6.09^c	2.56±0.10^c	0.67±0.02^ab	14.85±0.71^a	261.45±10.86^c	46.50±1.01^b	1 707.59±11.55^ab
	C₂	89.39±0.60^c	2.85±0.25^bc	0.67±0.01^ab	12.03±0.18^b	284.07±8.69^bc	45.75±0.89^b	1 340.61±24.54^b
	C₃	111.46±8.07^ab	2.95±0.02^bc	0.82±0.18^a	14.22±0.33^a	484.43±5.19^a	44.79±0.14^b	1 825.87±151.55^ab
	C₄	120.49±3.46^a	3.57±0.29^a	0.71±0.08^ab	14.95±0.25^a	569.87±60.93^a	51.63±0.36^a	2 441.25±186.92^a
披碱草	C₀	105.22±6.42^a	3.16±0.05^a	0.62±0.01^c	13.09±0.43^b	494.68±87.40^bc	42.13±1.23^c	1 647.50±51.96^b
	C₁	92.51±2.39^a	3.06±0.01^a	0.65±0.03^bc	13.11±0.26^b	338.73±5.20^c	50.38±0.51^a	1 635.35±90.93^b
	C₂	104.64±6.33^a	3.33±0.39^a	0.80±0.11^a	12.61±0.30^b	353.54±9.15^c	47.63±1.08^ab	1 547.37±118.36^b
	C₃	92.17±4.09^a	3.51±0.30^a	0.67±0.02^b	15.72±0.20^a	609.02±96.49^ab	45.00±1.88^bc	1 987.50±51.96^a
	C₄	102.80±4.13^a	3.65±0.06^a	0.64±0.01^bc	16.16±0.17^a	733.96±14.24^a	44.63±2.38^bc	2 161.25±73.75^a

注：不同小写字母表示相同牧草内不同处理间差异显著（P<0.05）。

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随着石墨烯添加水平增加，沙打旺土壤速效养分变化趋势不同。其中，沙打旺土壤碱解氮和速效钾均在C₄处理达到最大值，较C₀处理大52.56%（P<0.05）和14.99%。而C₃和C₄处理下土壤有效磷含量显著低于C₀处理，较其分别少19.85%和20.54%（P<0.05）。

除土壤有效磷外，禾本科牧草土壤速效养分随石墨烯添加变化趋势相同。其中，C₄处理下，老芒麦土壤碱解氮和有效磷含量达到最大值，分别较C₀处理大59.93%和11.92%（P<0.05）。披碱草土壤碱解氮和速效钾含量随着石墨烯添加水平增加，均呈先降后升趋势，C₄处理下达到最大值，分别较C₀处理大48.37%和31.18%（P<0.05）。而披碱草土壤有效磷在C₁处理下达到最大值，较C₀处理大19.58%（P<0.05）。

2.5　石墨烯添加对牧草生长及土壤养分的影响因素

主成分中排名前7的贡献率分别为19.85%、11.37%、9.25% 、8.75%、8.53%、8.35%、7.05%，累计贡献率为73.14%，第1、2、3、4、5、6、7主成分各自的特征值分别为4.37、2.50、2.04、1.93、1.88、1.84、1.55（表5），说明这7个主成分涵盖了牧草生长和土壤养分对石墨烯添加响应的大部分信息。不同主成分最大特征向量对应指标分别为发芽率、叶宽、土壤速效钾、土壤全钾、株高、土壤全磷、基径，最大载荷数值分别是0.24、0.36、0.39、0.30、0.45、0.37、0.54，可做为石墨烯对牧草生长和土壤养分影响的关键因子。

表5 牧草生长及土壤养分主成分分析

Table 5 Principal component analysis of forage growth and soil nutrients

指标	主成份
指标	1	2	3	4	5	6	7
发芽率	0.24	0.06	0.14	0.14	0.03	-0.11	-0.11
发芽势	0.01	0.07	0.07	0.09	0.38	-0.04	-0.19
发芽指数	0.19	0.04	0.17	0.21	0.06	-0.05	-0.24
株高	-0.01	-0.08	0.03	-0.10	0.45	-0.04	0.09
基径	0.01	0.04	-0.01	0.04	0.01	-0.06	0.54
叶宽	0.07	0.36	-0.05	0.16	0.01	-0.18	0.25
叶长	-0.01	-0.08	0.01	-0.44	0.13	0.00	-0.13
地上生物量（鲜重）	-0.06	0.25	-0.01	-0.13	0.04	0.10	-0.13
地下生物量（鲜重）	0.08	0.30	0.01	-0.13	-0.08	0.11	-0.07
总生物量（鲜重）	0.17	-0.02	-0.13	-0.07	-0.05	0.03	-0.05
地上生物量（干重）	0.08	-0.23	-0.03	-0.10	0.01	0.07	-0.02
地下生物量（干重）	0.03	-0.06	0.03	-0.02	0.00	0.30	-0.12
总生物量（干重）	0.15	-0.11	-0.19	0.02	0.00	-0.04	0.04
根冠比（干重）	0.18	0.08	0.10	-0.19	-0.02	0.05	0.08
土壤含水量	-0.04	-0.04	0.30	-0.04	-0.19	0.34	-0.13
有机质	-0.08	0.01	0.20	0.10	0.16	0.20	0.17
全氮	0.07	-0.11	0.27	-0.08	0.07	-0.09	0.03
全磷	-0.03	0.01	-0.04	0.12	-0.10	0.37	-0.03
全钾	-0.09	-0.14	-0.15	0.30	0.16	0.10	-0.07
碱解氮	0.05	-0.07	0.16	0.16	-0.25	-0.35	-0.24
有效磷	0.19	0.08	-0.02	-0.04	-0.03	-0.04	0.27
速效钾	0.04	0.03	0.39	-0.01	0.03	-0.06	-0.06
特征值	4.37	2.50	2.04	1.93	1.88	1.84	1.55
贡献率/%	19.85	11.37	9.25	8.75	8.53	8.35	7.05
累计贡献率/%	19.85	31.22	40.47	49.22	57.74	66.09	73.14

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2.6　隶属函数综合评价

利用隶属函数综合分析方法对石墨烯添加对不同牧草生长和土壤养分影响进行综合评价，但考虑到外源物质添加对土壤养分存在滞后性，故只对不同牧草发芽率、生物量和生长等14项指标进行评价（表6）。不同牧草石墨烯添加影响排列顺序为沙打旺C₂>C₁>C₀>C₄>C₃，老芒麦C₁>C₃>C₂>C₀>C₄，披碱草C₁>C₂>C₀>C₃>C₄。

表6 隶属函数综合分析

Table 6 Comprehensive analysis of membership function

指标	处理	发芽率	发芽势	发芽指数	地上生物量		地下生物量		总生物量		根冠比（干重）	株高	基径	叶宽	叶长	综合评价值	排序
指标	处理	发芽率	发芽势	发芽指数	鲜重	干重	鲜重	干重	鲜重	干重	根冠比（干重）	株高	基径	叶宽	叶长	综合评价值	排序
沙打旺	C₀	0.000	0.173	0.000	0.000	0.573	0.693	1.000	0.065	0.867	1.000	0.267	0.096	0.702	0.000	0.388	3
	C₁	0.549	0.565	0.757	0.496	0.803	0.499	0.667	0.453	0.768	0.548	0.659	0.519	0.710	0.534	0.609	2
	C₂	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	0.901	1.000	1.000	0.714	1.000	1.000	1.000	1.000	0.973	1
	C₃	0.549	0.000	0.682	0.100	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.364	0.269	0.435	0.328	0.195	5
	C₄	0.226	0.173	0.402	0.317	0.541	0.658	0.870	0.333	0.774	0.984	0.000	0.000	0.000	0.155	0.388	4
老芒麦	C₀	0.575	0.675	0.381	0.263	0.379	0.052	0.051	0.147	0.172	0.134	0.396	0.296	0.165	0.000	0.263	4
	C₁	0.787	0.900	0.739	1.000	0.000	0.976	0.000	1.000	0.000	0.038	1.000	1.000	1.000	1.000	0.674	1
	C₂	1.000	1.000	1.000	0.228	0.617	1.000	0.160	0.667	0.336	0.131	0.451	0.185	0.481	0.360	0.544	3
	C₃	0.489	1.000	0.498	0.391	0.755	0.624	1.000	0.528	1.000	1.000	0.196	0.111	0.241	0.085	0.566	2
	C₄	0.000	0.000	0.000	0.000	1.000	0.000	0.096	0.000	0.425	0.000	0.000	0.000	0.000	0.043	0.112	5
披碱草	C₀	0.440	0.575	0.455	0.858	1.000	0.932	0.664	0.925	0.894	0.543	0.651	0.769	0.000	0.449	0.654	3
	C₁	1.000	1.000	1.000	0.958	0.955	0.919	1.000	1.000	1.000	1.000	0.664	0.462	0.451	0.864	0.877	1
	C₂	0.743	0.920	0.572	0.668	0.000	1.000	0.491	0.795	0.000	0.996	1.000	1.000	1.000	1.000	0.727	2
	C₃	0.545	0.804	0.372	1.000	0.694	0.507	0.269	0.920	0.473	0.257	0.684	0.077	0.378	0.487	0.533	4
	C₄	0.000	0.000	0.000	0.000	0.287	0.000	0.000	0.000	0.025	0.000	0.000	0.000	0.037	0.000	0.025	5

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3 讨论

种子萌发阶段是植物整个生长周期中保证植物适应环境的重要阶段，主要受其自身因素及环境因素影响。与大多学者研究结果相同^［21］，本研究中，石墨烯添加可以促进牧草种子发芽，这是由于石墨烯溶液能够渗透牧草种子壳，通过破坏牧草种子果壳以促进种子水分吸收，从而导致更快的发芽和更高的发芽率^［22］。种子活力程度通常用发芽指数表示，发芽指数越高，种子活力越强。有学者研究发现^［23］，高浓度石墨烯添加会抑制种子活力，主要由于高浓度石墨烯诱导会产生大量的活性氧，过量的活性氧会影响脱落酸和赤霉素的生物合成与分解代谢，从而阻止种子萌发过程中胚根的出现，种子活力降低^［24-26］。本研究结果与上述结论类似，200 mg·L^-1石墨烯添加水平会抑制禾本科牧草种子活力，但对沙打旺抑制作用不明显。目前，石墨烯材料对植物生长效应开始被广泛研究，受石墨烯材料种类和添加水平间的差异，不同植物与石墨烯相互作用也有所不同^［27］，但总体表现为低浓度促进、高浓度抑制^［28-29］。石墨烯具有较大的比表面积，吸附到植物根表面后，可充当离子传输通道，提高养分吸收速率，促进植物生长^［30］。根系是牧草吸收和利用土壤养分的主要器官，很大程度上决定牧草地上部分物质合成和积累，影响牧草生长与产量^［31］。本研究发现，不同牧草地下生物量随着石墨烯添加水平增加呈先升后降趋势，均在C₂处理达到最大值。这与郭绪虎等^［11］研究结果一致，其将石墨烯加到藜麦MS培养基中发现，石墨烯对藜麦幼苗生物量积累具有显著促进作用，但超过12 mg·L^-1石墨烯会抑制生物量增加，且随着浓度增加抑制效应更加严重。根冠比是指植物地下部分与地上部分的比值，反映了植物地下部分与地上部分的相关性。本研究中，200 mg·L^-1石墨烯添加对沙打旺和披碱草根冠比均产生抑制作用。这与赵琳等^［12］研究结果一致，随着石墨烯添加水平增加，玉米幼苗根部形态出现结构性损伤，根冠比降低，抑制玉米幼苗根系的生长。通过隶属函数综合分析发现，沙打旺石墨烯最适添加量分别为50 mg·L^-1，而禾本科牧草最适添加量为25 mg·L^-1。这表明石墨烯对植物生长发育的影响对于单独的某一种植物来说取决于植物本身^［28］。因此，研究不同植物对石墨烯添加响应需要精确细分浓度梯度。

本研究中，沙打旺和披碱草土壤含水量随着石墨烯量添加显著提升，这可能因为石墨烯表面含有许多含氧元素的官能团，能有效吸附养分离子和水分。Alessandrino等^［32］发现，石墨烯应用会降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤通气和排水条件，且细土中效果更明显。肥料中添加石墨烯，可以改善土壤理化性质，提高肥料利用效率，促进植物对土壤养分的吸收，减少肥料对土壤的化学污染^［33］。本研究中，不同牧草土壤有机质对石墨烯添加响应基本一致，呈先减少后增加趋势，这与蒋月喜等^［34］研究结果一致，适当施入石墨烯对土壤有机质具有一定的调节作用。氮元素是影响植物生长的重要成分，而土壤无机氮含量一定程度上反映土壤氮素养分供给情况^［35］。石墨烯溶液可降低土壤中总氮和速效氮的淋溶损失^［36］。本研究中，石墨烯添加会提高土壤全氮和碱解氮含量。这是因为石墨烯具有较大的比表面积，能够增加土壤养分持留作用，有效吸附土壤中养分离子，提高土壤肥力。同时，随着土壤中石墨烯形态发生改变，其对土壤中金属阳离子吸附能力提高，激活土壤磷元素活性，增加土壤中有效磷的含量^［37］。钾是作物生长的必需元素，不仅能改善作物品质，还能增强植物对病虫害的抵抗力，但由于钾离子吸附弱且移动极强，导致植物对钾离子吸收有限量^［38］。主成分分析表明，土壤全钾和速效钾是影响牧草生长和土壤养分的重要指标。本研究中，石墨烯添加可以显著提升土壤中钾元素含量，这与范立春等^［39］的研究结果相同，与常规施肥相比，施用纳米碳处理的钾肥利用率均高于常规施肥处理。此外，本研究表明，在25、50 mg·L^-1处理下，土壤速效养分含量显著低于0 mg·L^-1处理，这是因为石墨烯提高土壤养分含量的同时，促进植物对土壤养分的吸收，而对应的牧草生物量在此处理下较高，证明添加石墨烯能促进植物对土壤速效养分的吸收。

4 结论

石墨烯添加可以促进不同牧草种子萌发和幼苗生长，表现为低浓度促进、高浓度抑制。

石墨烯添加显著增加沙打旺和披碱草土壤含水量，且随石墨烯浓度增加而提升。不同牧草土壤养分含量随石墨烯浓度增加而提高，其中土壤速效养分含量提升显著，高浓度石墨烯添加虽可以提高土壤养分含量，但对牧草生长产生抑制作用。

利用主成分分析法对3种牧草对石墨烯添加响应进行分析，7个主成分因子累计贡献率为73.14%，反映了石墨烯添加对牧草生长和土壤养分影响的大部分信息。通过隶属函数综合分析可知，沙打旺、老芒麦和披碱草石墨烯最适添加量分别为50、25、25 mg·L^-1。

参考文献

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被引期刊影响因子

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中国西北五省区水资源利用的协调性分析

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