Carbon nanoparticles improve corn (Zea mays L.) growth and soil quality: Comparison of foliar spray and soil drench application

Resumo

O uso de nanopartículas de carbono (NPCs) na agricultura para aumentar a produção de culturas fornece soluções alternativas para atender à crescente demanda por alimentos. No entanto, a documentação insuficiente dos métodos de aplicação ideais das NPCs apresenta obstáculos significativos para sua aplicação na agricultura. Para esclarecer como a pulverização foliar e via drench no solo de NPCs afetam o crescimento do milho e a absorção de nutrientes, os parâmetros de crescimento das plantas e os atributos de qualidade do solo foram medidos. A aplicação de NPCs aumentou significativamente a altura da planta (21,4%), a biomassa seca da parte aérea (27,1%) e das raízes (56,6%), a absorção de N (133%), P (41%), K (192%), Ca (209%), Mg (106%), Fe (59,6%), Mn (155%), Cu (105%), Zn (117%) pelas plantas, e alterou os parâmetros fotossintéticos e as propriedades químicas e bioquímicas do solo. No geral, os efeitos estimulantes das NPCs variaram com as taxas e métodos de aplicação, e a pulverização foliar de NPCs a 400 mg L⁻¹ e via drench no solo a 200 mg kg⁻¹ foram mais eficientes na melhoria do crescimento do milho e da qualidade do solo. A análise de componentes principais (PCA) indicou que os parâmetros de crescimento do milho foram positivamente influenciados pelas NPCs, independentemente dos métodos de aplicação, enquanto os atributos de qualidade do solo foram afetados positivamente principalmente apenas pelo drench no solo. O crescimento estimulado do milho pode ser atribuído à maior absorção de nutrientes, fotossíntese elevada e qualidade do solo melhorada. Este estudo forneceu uma avaliação comparativa das NPCs na melhoria do crescimento das plantas e da qualidade do solo e gerou diretrizes para otimizar a utilização das NPCs para uso agrícola.

Abstract

The use of carbon nanoparticles (CNPs) in agriculture to boost crop production provides alternative solutions to meet ever-increasing food demand. However, insufficient documentation of optimal application methods of CNPs present significant hurdles to its application in agriculture. To clarify how foliar spray and soil drench of CNPs affect corn growth and nutrient uptake, plant growth parameters and soil quality attributes were measured. The application of CNPs significantly increased plant height (21.4%), dry biomass of shoots (27.1%) and roots (56.6%), plant uptake of N (133%), P (41%), K (192%), Ca (209%), Mg (106%), Fe (59.6%), Mn (155%), Cu (105%), Zn (117%), and altered photosynthetic parameters and soil chemical and biochemical properties. Overall, the stimulatory effects of CNPs varied with application rates and methods, and foliar spray of CNPs at 400 mg L−1 and soil drench at 200 mg kg−1 were most efficient in improving corn growth and soil quality. Principal component analysis (PCA) indicated corn growth parameters were positively influenced by CNPs regardless of application methods, while soil quality attributes were mainly positively affected only by soil drench. The stimulated corn growth could be attributed to enhanced nutrient uptake, elevated photosynthesis, and improved soil quality. This study provided a comparative evaluation of CNPs on plant growth and soil quality improvement and generated guidelines for optimizing utilization of CNPs for agricultural use.