一种提高玉米生长、产量和品质的纳米生物调控方法

1.本发明涉及一种提高玉米生长、产量和品质的纳米生物调控方法，属于纳米农业调控技 术领域。


背景技术：

2.现有促进玉米产量的方法主要是通过增加化学肥料施用或者大量使用有机肥来实现，存 在操作程序复杂、运用繁琐，也不能满足生态环保的迫切需求。
3.而且，目前我国大量农田土壤缓慢释放的可溶性硅已无法满足作物(如水稻、玉米等喜 硅植物)对硅的需求，严重制约了农田作物的高产、稳产。为了提高作物增产和抗逆，在农 业生产中不断加大传统硅酸盐肥料的施用量，这又进一步加剧了土壤板结、土壤结构破坏以 及肥力下降等。
4.因此，如何在保护土壤质量的情况下实现作物的增产是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.[技术问题]
[0006]
传统硅肥的大量施加加剧了土壤板结、土壤结构破坏以及肥力下降。
[0007]
[技术方案]
[0008]
为了解决上述问题，本发明将纳米二氧化硅联合蚯蚓应用在玉米生产中，建立了纳米二 氧化硅协同蚯蚓促进玉米生长并提高里籽粒产量和品质的最优种植体系。而且，本发明的应 用过程简单，易操作。
[0009]
本发明的第一个目的是提供一种土施纳米二氧化硅联合蚯蚓提高玉米生长、产量和品质 的方法，所述的方法是在根部土壤接种蚯蚓和施加纳米二氧化硅溶液。
[0010]
在本发明的一种实施方式中，所述纳米二氧化硅的粒径为8～60nm。
[0011]
在本发明的一种实施方式中，所述的纳米二氧化硅溶液为纳米二氧化硅水溶液，浓度为 10～100mg/l。
[0012]
在本发明的一种实施方式中，所述的纳米二氧化硅溶液的施加量为50～200ml/株，进一 步优选为100ml/株。
[0013]
在本发明的一种实施方式中，所述蚯蚓包括内-深栖型蚯蚓——威廉环腔蚓(metaphireguillelmi)、表栖型蚯蚓——赤子爱胜蚓(eisenia foetida)；其中，威廉环腔蚓(metaphire guillelmi) 个体大小为1～2g/条；表栖型蚯蚓——赤子爱胜蚓(eisenia foetida)的个体大小为0.1～0.5g/条。
[0014]
在本发明的一种实施方式中，所述蚯蚓接种密度为1～4条/株。
[0015]
在本发明的一种实施方式中，所述施加的时期为玉米出苗期。
[0016]
在本发明的一种实施方式中，所述的接种蚯蚓和施加纳米二氧化硅溶液的顺序包括先接 种蚯蚓，间隔0～10天(不为0)施加纳米二氧化硅溶液；先施加纳米二氧化硅溶液，间隔0～10 天(不为0)接种蚯蚓；同时接种蚯蚓和施加纳米二氧化硅溶液。
[0017]
本发明的第二个目的是本发明所述的方法在农业领域的应用。
[0018]
[有益效果]
[0019]
(1)本发明采用纳米二氧化硅，不仅提升传统硅肥的作物利用效率，特别是在纳米二氧 化硅和蚯蚓同时施用后显著提高了玉米的光合作用、生长、产量和品质；通过施用不同浓度 的纳米二氧化硅和不同接种密度的蚯蚓对玉米生长实验，确立了纳米二氧化硅和蚯蚓的最优 施加量，相较于传统栽培管理，该方法操作简便、且高效、生态安全，不造成环境污染。
[0020]
(2)本发明将50mg/l纳米二氧化硅溶液和2条内-深栖型蚯蚓(威廉环腔蚓)施加在 玉米上，有效提高了幼苗期玉米地上部生物量、地下部生物量、叶片硅含量、根系硅含量和 净光合作用分别为22.5％、30.7％、47.7％、46.9％和24.4％，并最终提高了玉米单株产量、百 粒重、籽粒淀粉和可溶性糖含量分别为18.1％、17.2％、7.7％和35.4％。
[0021]
(3)相较于传统大颗粒硅肥(硅酸钠)，本发明采用的纳米二氧化硅具有更小尺寸、更 优的表面积、生物兼容性等，使其农业生产应用上具有明显的优势；蚯蚓作为陆地生态系统 的“工程师”，其通过取食、消化、排泄和掘穴等活动在其体内外形成众多的反应圈，可有效 调控土壤的理化性质，并促进土壤中纳米二氧化硅肥的生物有效性。
[0022]
(4)本发明的方法有利于促进硅基纳米材料及其调控技术在农业生产上应用，从而减少 农田化学品的用量，以促进我国农业持续性发展。
附图说明
[0023]
图1为纳米二氧化硅的tem图。
具体实施方式
[0024]
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用 于限制本发明。
[0025]
玉米出苗期是指种子播入后，在温度、水分、土壤条件适宜的情况下，种子从萌发到子 叶出土的时间段；出苗期玉米苗期株高5cm。
[0026]
测试方法：
[0027]
tem表征：采用jem-2100型透射电子显微镜对纳米二氧化硅进行尺寸和形貌表征。
[0028]
地上部鲜重：从玉米植株茎基部剪断，再用电子天平测定地上部的植株组织质量。
[0029]
净光合作用速率：选择玉米植株的倒二叶，采用光合仪(ciras-3,pp-systems，美国) 测定其净光合速率。
[0030]
植物组织硅含量：采用三重四极杆电感耦合等离子体质谱(icp-ms)叶片和根系中硅含 量。
[0031]
籽粒淀粉和可溶性糖：采用蒽酮法测定籽粒中淀粉和可溶性糖的含量。
[0032]
计算方法：
[0033]
提升百分比＝(处理之后的植株-未处理的植株)/未处理的植株
×
100％
[0034]
实施例1
[0035]
一种土施纳米二氧化硅联合蚯蚓提高玉米生长、产量和品质的方法，包括如下步骤：
[0036]
(1)将来自江苏省农业科学院的玉米种子(苏玉29)在5％次氯酸钠溶液中消毒10分 钟，然后用去离子水冲洗3次，进行消毒；
[0037]
(2)消毒完成后将玉米种子在去离子水中浸泡4小时，然后将玉米种子放进垫有潮湿滤 纸的培养皿中，在温室黑暗条件下培养，每天定时喷水；
[0038]
(3)培养5天后，挑选出芽均匀的玉米种子，转移到装有8kg土的盆钵中生长，每盆 保留一株；
[0039]
(4)当玉米出苗期，接种蚯蚓，以每盆钵(植株)中加入两条成年内-深栖型蚯蚓—— 威廉腔环蚓(metaphire guillelmi)，每条的个体大小为1.25g；
[0040]
(5)同时在玉米植株根部灌溉100ml浓度为50mg/l且颗粒尺寸为8nm纳米二氧化硅 (图1)水溶液，在玉米苗期和成熟期分别评估玉米生长、产量和籽粒营养品质状况。
[0041]
实施例2
[0042]
调整实施例1中纳米二氧化硅水溶液(实施例1)的浓度为10和100mg/l，其他和实施 例1保持一致。
[0043]
实施例3
[0044]
调整实施例1中蚯蚓接种密度为1和4条/株，其他和实施例1保持一致。
[0045]
对照例1
[0046]
调整实施例1中纳米二氧化硅水溶液为水，且不接种蚯蚓，其他和实施例1保持一致。
[0047]
将实施例1、2和对照例1在玉米苗期和成熟期分别评估玉米生长、产量和籽粒营养品质 状况，结果如下：
[0048]
从表1和表2可以看出：
[0049]
实施例1和对照例1相比：喷施50mg/l纳米二氧化硅并添加2条威廉环腔蚓时，提高 了苗期玉米地上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用分别为22.5％、 30.8％、47.7％、46.9％和24.4％(表1)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分 别为18.1％、17.2％、7.7％和35.4％(表2)。
[0050]
实施例1和实施例2相比：土壤添加2条威廉环腔蚓时，相较于喷施10mg/l纳米二氧 化硅，喷施50mg/l纳米二氧化硅提高了苗期玉米地上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、 根系硅含量和净光合作用分别为13.5％、21.1％、45.4％、14.4％和20.9％(表1)，并提高玉 米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为13.6％、18.4％、5.6％和33.7％(表2)。此外， 土壤添加2条威廉环腔蚓时，相较于喷施100mg/l纳米二氧化硅，喷施50mg/l纳米二氧化 硅提高了苗期玉米地上部生物量、根系生物量和净光合作用分别为8.7％、10.9％和12.2％(表 1)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为7.7％、11.0％、3.0％和27.0％(表 2)，但降低了叶片和根系硅含量分别为13.0％和0.8％(表1)。
[0051]
实施例1和实施例3相比：喷施50mg/l纳米二氧化硅时，相较于添加1条威廉环腔蚓 时，添加2条威廉环腔蚓提高了苗期玉米地上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅 含量和净光合作用分别为7.9％、16.9％、33.4％、4.4％和20.2％(表1)，并提高玉米籽粒产 量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为10.7％、16.3％、4.7％和29.3％(表2)。此外，喷施50mg/l 纳米二氧化硅时，相较于添加4条威廉环腔蚓时，添加2条威廉环腔蚓则提高了苗期玉米地 上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用分别为5.5％、11.0％、
31.4％、 2.7％和16.7％(表1)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为10.3％、12.7％、 3.7％和21.6％(表2)。
[0052]
表1苗期的测试结果
[0053][0054]
表2成熟期的测试结果
[0055][0056]
对照例2
[0057]
调整实施例1中纳米二氧化硅水溶液为水，其他和实施例1保持一致。
[0058]
对照例3
[0059]
省略实施例1中的蚯蚓接种，其他和实施例1保持一致。
[0060]
对照例4
[0061]
调整实施例1中的纳米二氧化硅水溶液为传统硅肥硅酸钠水溶液，其他和实施例1保持 一致。
[0062]
将对照例2～4在玉米苗期和成熟期分别评估玉米生长、产量和籽粒营养品质状况，结果 如下：
[0063]
从表3和表4可以看出：
[0064]
对照例1和对照例2相比：仅添加2条威廉环腔蚓，提高了苗期玉米地上部生物量、根 系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用分别为4.8％、8.5％、6.6％、7.2％和3.5％ (表3)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为3.4％、3.6％、1.7％和17.5％ (表4)。
[0065]
对照例1和对照例3相比：仅喷施50mg/l纳米二氧化硅时，提高了苗期玉米地上部生 物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用分别为9.9％、13.8％、16.8％、24.1％ 和7.4％(表3)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分别为
5.8％、5.0％、2.6％ 和9.9％(表4)。
[0066]
实施例1和对照例1相比：喷施50mg/l纳米二氧化硅并添加2条威廉环腔蚓时，提高 了苗期玉米地上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用分别为22.5％、 30.8％、47.7％、46.9％和24.4％(表3)，并提高玉米籽粒产量、百粒重、淀粉和可溶性糖分 别为18.1％、17.2％、7.7％和35.4％(表4)。
[0067]
实施例1和对照例4相比：在添加2条威廉环腔蚓时，喷施50mg/l纳米二氧化硅对玉 米生长、产量和品质的促进效果最明显。相较于50mg/l的传统硅肥(硅酸钠)，喷施50mg/l 纳米二氧化硅，提高了苗期玉米地上部生物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净 光合作用分别为14.2％、19.4％、45.8％、21.3％和20.3％(表3)，并提高玉米籽粒产量、百 粒重、淀粉和可溶性糖分别为13.6％、18.3％、5.4％和27.0％(表4)。此外，在添加2条威廉 环腔蚓时，喷施10mg/l纳米二氧化硅对玉米生长、产量和品质的促进效果几乎和喷施50mg /l传统硅肥(硅酸钠)相当。
[0068]
综上，当同时喷施50mg/l纳米二氧化硅并添加2条威廉环腔蚓时，苗期玉米地上部生 物量、根系生物量、叶片硅含量、根系硅含量和净光合作用和成熟期的玉米籽粒产量、百粒 重、淀粉和可溶性糖均大于单独添加二氧化硅或蚯蚓的效果。说明了纳米二氧化硅和蚯蚓具 有协同效果。此外，土壤喷施纳米二氧化硅(50mg/l)联合添加威廉环腔蚓(2条/株)对玉 米生长、产量和品质的促进效应最佳，且促进效果明显优于传统硅酸钠肥料。
[0069]
表3苗期的测试结果
[0070][0071]
表4成熟期的测试结果
[0072]
[0073]
实施例4
[0074]
调整实施例1中纳米二氧化硅的粒径为25和60nm，其他和实施例1保持一致。
[0075]
对比实施例1和实施例4结果为：
[0076]
不同粒径的纳米二氧化硅联合蚯蚓处理对玉米生长、产量和品质的促进效果差异不明显， 其中8nm的纳米二氧化硅的对玉米生长、产量及品质的促进效果最好(表5)。
[0077]
表5实施例4的测试结果
[0078][0079]
实施例5
[0080]
调整实施例1中内栖型蚯蚓——威廉环腔蚓为表栖型蚯蚓——赤子爱胜蚓(eiseniafoetida)，其他和实施例1保持一致。
[0081]
对比实施例1和实施例5结果为：
[0082]
相较于表栖型蚯蚓赤子爱胜蚓，纳米二氧化硅联合内栖型蚯蚓——威廉环腔蚓对玉米生 长、产量和品质的促进效果更加明显(表6)。
[0083]
表6实施例5的测试结果
[0084][0085]
实施例6
[0086]
调整实施例1中的纳米二氧化硅水溶液处理顺序，在土壤接种蚯蚓前10天后，在玉米根 部喷施纳米二氧化硅水溶液，其他和实施例1保持一致。
[0087]
实施例7
[0088]
调整实施例1中土壤接种蚯蚓后10天，在玉米根部喷施纳米二氧化硅水溶液，其他和实 施例1保持一致。
[0089]
对比实施例1和实施例6、7测试结果为：
[0090]
土壤同时添加蚯蚓和纳米硅溶液处理对玉米生物量、净光合作用以及营养品质(淀粉、 可溶性糖)的作用效果，与两处理先后间隔10天的作用效果相近(表7)。
[0091]
表7实施例6和7的测试结果
[0092][0093]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人， 在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以 权利要求书所界定的为准。