Use of Carbon Nanoparticles to Improve Soil Fertility, Crop Growth and Nutrient Uptake by Corn (Zea mays L.)

Resumo

O uso de nanopartículas de carbono (NPCs) como um sinergista de fertilizantes para melhorar o crescimento das culturas tem atraído interesse crescente. No entanto, o conhecimento atual sobre o crescimento das plantas e a resposta do solo às NPCs é limitado. No presente estudo, investigamos os efeitos das NPCs em diferentes taxas de aplicação nas propriedades do solo, no crescimento das plantas e na eficiência do uso de nutrientes (EUN) do milho (Zea mays L.) em dois solos agrícolas (Espodossolo e Alfissolo). Os resultados mostraram que as NPCs afetaram o crescimento do milho de uma maneira dose-dependente, aumentando e retardando o crescimento em baixas e altas concentrações, respectivamente. A aplicação na taxa ótima de 200 mg NPCs kg⁻¹ melhorou significativamente o crescimento do milho, conforme indicado pela melhoria na altura da planta, rendimento de biomassa, absorção de nutrientes e eficiência no uso de nutrientes, o que pode ser explicado pela maior disponibilidade de fósforo e nitrogênio nos solos corrigidos. A aplicação de NPCs estimulou amplamente a atividade da urease do solo, independentemente dos tipos de solo. No entanto, as respostas da desidrogenase e da fosfatase às NPCs foram dose-dependentes; sua atividade aumentou significativamente com o aumento das taxas de aplicação de NPCs até 200 mg kg⁻¹, mas declinou em taxas mais altas (>400 mg kg⁻¹). Essas descobertas têm implicações importantes na aplicação de campo de NPCs para aumentar a eficiência do uso de nutrientes e a produção agrícola em regiões tropicais/subtropicais.

Abstract

The use of carbon nanoparticles (CNPs) as a fertilizer synergist to enhance crop growth has attracted increasing interest. However, current understanding about plant growth and soil response to CNPs is limited. In the present study, we investigated the effects of CNPs at different application rates on soil properties, the plant growth and nutrient use efficiency (NUE) of corn (Zea mays L.) in two agricultural soils (Spodosol and Alfisol). The results showed that CNPs affected corn growth in a dose-dependent manner, augmenting and retarding growth at low and at high concentrations, respectively. The amendment at the optimal rate of 200 mg CNPs kg−1 significantly enhanced corn growth as indicated by improved plant height, biomass yield, nutrient uptake and nutrient use efficiency, which could be explained by the higher availability of phosphorus and nitrogen in the amended soils. The application of CNPs largely stimulated soil urease activity irrespectively of soil types. However, the responses of dehydrogenase and phosphatase to CNPs were dose dependent; their activity significantly increased with the increasing application rates of CNPs up to 200 mg kg−1 but declined at higher rates (>400 mg kg−1). These findings have important implications in the field application of CNPs for enhancing nutrient use efficiency and crop production in tropical/subtropical regions.