《ACS Omega》：Nickel Supplementation for Enhanced Soybean Growth: A Micrometric-to-Nanometric Investigation of Biological Nitrogen Fixation and Metabolism
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针对大豆生物固氮（BNF）效率受镍（Ni）等微量元素制约及纳米镍肥长期生理效应不明的问题，研究人员通过开展大豆种子包衣与叶面喷施的全生命周期盆栽试验，对比了纳米、微米及宏观镍源的影响。结果表明，镍处理普遍提升产量与BNF，但纳米镍效应具显著阶段依赖性（前期促长后期抑叶），为纳米肥料的农艺应用与机理研究提供了重要依据。
大豆作为全球主要的经济作物之一，不仅是植物蛋白的重要来源，也是食用油的主要原料。要想获得高产，大豆对氮（N）的需求量极大。在农业生产中，满足这一氮需求主要有两条路：一是依赖化学氮肥，二是依靠大豆与根瘤菌（如 Bradyrhizobium 属）形成的共生体系进行生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）。后者通过将大气中的氮气（N?）转化为植物可利用的氨（NH?），不仅能大幅降低对合成氮肥的依赖，还能改善植物营养状况，减少过量施肥带来的环境风险。
然而，生物固氮的效率并非总是尽如人意，它深受多种微量元素可用性的影响，其中镍（Nickel, Ni）就是一个长期被忽视的关键角色。镍是植物必需的微量元素，它是脲酶（urease）和乙二醛酶 I 等多种金属酶的辅因子，直接参与氮代谢和胁迫响应。此外，镍对于氢化酶（hydrogenase）的表达和活性至关重要，该酶能清除固氮过程中产生的游离氢自由基（H?），从而保障生物固氮过程的高效运行。特别是在热带氧化土中，因过量施用石灰常导致微量元素缺乏，进而损害固氮能力。尽管镍如此重要，但由于其需求量极低，且过去常假定土壤或灌溉水中的背景镍已足够，镍在植物营养研究和肥料管理中常被遗漏。
近年来，纳米技术在农业中的应用为提升作物生产力提供了新思路。纳米肥料（Nanofertilizers）凭借可控释放和高生物利用度的优势，似乎是解决养分短缺和环境压力的良方。具体到镍，目前仅有少数研究考察了镍基纳米颗粒对大豆生理的影响（如种子应用或土壤施肥），关于不同粒径镍源（纳米、微米、宏观）结合不同施用方式（种子处理与叶面喷施）对大豆整个生命周期内生物固氮、氮代谢及生长的长期综合影响，仍缺乏系统的表征。
为了填补这一空白，明确镍（尤其是镍纳米颗粒）在大豆氮 economy 中的作用，研究人员开展了一项细致的大豆盆栽试验。该研究评估了以种子包衣和/或 V4 期叶面喷施的方式，施用宏观（NiSO?·6H?O）、微米级（~24 μm Ni(OH)?）和纳米级（~5 nm Ni(OH)?）镍源，对大豆品种“IPRO Flecha”的氮代谢、生物固氮（BNF）及生物量积累的影响，并追踪了从 V6 vegetative 期、R2 开花期、R5 早荚期直至 R7 成熟期的整个作物生命周期。该论文发表在《ACS Omega》上。
为了开展此项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：试验在巴西圣保罗大学（USP）土壤科学系温室进行，选用低镍背景的红黄壤（Latosol）为基质；设置完全随机分组设计，包含7个处理（3种镍源 × 2种施用方式 + 无镍对照），镍施用量为种子 45 mg Ni kg?1、叶面 20 g Ni ha?1；通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定组织镍浓度；利用乙炔还原法（ARA）间接测定根瘤固氮酶活性；通过比色法测定叶片脲酶（urease）和硝酸还原酶（nitrate reductase）活性；采用 1?N 自然丰度法（δ1?N‰）估算生物固氮（BNF）贡献率；并测定了茎组织的氨、硝酸盐及尿囊素类（ureides）浓度，最终数据使用 R 语言进行混合效应模型等统计分析。
3.1. 大豆植株发育与生物量产量
研究结果显示，不同处理间的生物量随时间及组织类型变化显著，且表现出强烈的阶段依赖性。在 R2（开花期），纳米镍种子 + 叶面处理显著增加了叶干重（比仅种子处理高 28%，比对照高 49%）；但在 R5（早荚期），同一处理却使叶干重比纳米镍仅种子处理降低了 62%。到了 R7（成熟期），大多数处理的生物量无统计差异，但纳米镍仅种子处理的叶干重在早期（R2）显著优于宏观镍，后期（R7）则被反超。在产量方面，所有镍处理均显著提升了种子产量（对照 12 g pot?1，纳米镍可达 22 g pot?1），其中纳米镍整体表现最高。
3.2. 大豆组织中的镍浓度
镍处理显著提高了各组织中的镍浓度。在 R2 期，叶面 + 种子处理的叶镍浓度较对照提升了 1.39 至 1.73 倍。到了 R7 期，纳米镍种子 + 叶面处理的根镍浓度达 22 mg kg?1（对照为 14 mg kg?1），但纳米镍仅种子处理的根镍浓度（9.6 mg kg?1）却低于对照。整体来看，宏观镍处理在组织镍积累上常呈现较高且持续的结果。
3.3. 种子中的镍浓度
R7 期收获时，所有处理的种子镍浓度均高于对照（3.1 mg kg?1）。微观镍种子 + 叶面与宏观镍仅种子处理的种子镍浓度最高（约 5.2 mg kg?1），提升了约 1.68 至 1.73 倍；纳米镍仅种子处理的种子镍浓度最低（4.1 mg kg?1），暗示了短期生理增益与长期营养储存之间的权衡。
3.4. 叶片脲酶、硝酸还原酶活性及根瘤固氮酶活性的评估
镍施用普遍提升了脲酶活性，且种子 + 叶面处理在 R2 期达到峰值（12.2 μmol N-NH?? gfw?1 h?1）。在 V6 期，纳米镍处理的硝酸还原酶（NR）活性比宏观和微观镍低约 41%-43%，但在 R2 期则无显著差异，甚至纳米镍种子 + 叶面处理表现出最高值。固氮酶（氮化酶）活性在 R2 期以宏观镍仅种子处理最高（比对照高 1.85 倍），而纳米镍仅种子处理却比对照降低了约 33%；到了 R5 期，整体固氮酶活性下降约 70%，且对照反而高于处理组。
3.5. 根瘤干重与根瘤数量
根瘤参数在 R2 期响应明显，纳米镍仅种子处理的根瘤干重比宏观和微观镍分别高 2.4 和 2.2 倍。R5 期时对照的根瘤数量最多（480 个/pot），但宏观镍仅种子处理的根瘤干重最高（3.64 g）。到了 R7 期，宏观镍仅种子处理的根瘤干重优于纳米镍和对照；纳米镍处理随生长进程结瘤参数呈下降趋势，表明其在生长早期（R2, R5）对结瘤和生物固氮动力学有增强潜力。
3.6. 植株生长与叶片肉眼可见的浓绿观察
在 V4 期叶面施镍 4 天后，种子 + 叶面处理的植株较仅种子处理表现出肉眼可见的更浓绿叶片和更大的生物量积累，纳米镍种子 + 叶面处理尤为突出。
3.7. 大豆组织中的氨、硝酸盐及总尿囊素类（Ureides）浓度
镍供应总体正向调控了氨和硝酸盐浓度。R2 期种子 + 叶面微观和宏观镍提高了茎氨水平，但纳米镍种子 + 叶面却比仅种子处理低 43%。R5 期纳米镍种子 + 叶面处理的氨浓度最高。硝酸盐浓度也普遍因种子 + 叶面处理而增加（纳米镍除外）。总尿囊素类（氮转运形式）在 R7 期表现为镍处理高于对照，但种子 + 叶面处理并未一致高于仅种子处理，仅种子处理的宏观和纳米镍在成熟期积累了较高尿囊素类。
3.8. 大豆组织中的全氮浓度
全氮浓度在 R2 期以纳米镍仅种子处理最高（44.8 g kg?1），R5 和 R7 期则以纳米镍种子 + 叶面处理最高（分别为 37 和 32.4 g kg?1），微观镍种子 + 叶面处理在后期则最低。
3.9. 使用 δ1?N‰ 技术评估 BNF
R2 期 BNF 占比在 60.5%（纳米镍仅种子）到 87.4%（微观镍种子 + 叶面）之间，对照为 77.3%。R5 期各处理无显著差异。R7 期除纳米镍种子 + 叶面（67.3%）外，多数镍处理 BNF 达 85%-92%，对照为 70.4%。
3.10. 种子中源自大气的氮（BNF）
种子 δ1?N‰ 分析表明，约 60% 的种子氮源自生物固氮（对照为 53%）。镍补充无论来源或方式均促进了 BNF 和氮积累，种子 + 叶面处理尤甚。
3.11. 大豆镍处理的相关系数与主成分分析（PCA）
不同生育期的 PCA 和聚类分析显示，纳米肥料处理在早期（R2, R5）常与高氮代谢活动（脲酶、硝酸还原酶、BNF）向量聚集；但到了后期（R7），则更接近组织镍库向量，远离 BNF 和结瘤向量。这表明纳米镍的初始刺激效应并未贯穿至灌浆期，呈现“先促后缓/降”的模式，可能与纳米颗粒转化、溶解、反馈抑制或迟发性植物毒性有关。
综上，该研究表明，氢氧化镍纳米颗粒（Ni(OH)?-NPs）的应用对大豆氮代谢和生物固氮（BNF）产生的是一种瞬时刺激，而非持续协同效应。在生长早期（R2），纳米镍处理促进了镍吸收，并与较高的脲酶、硝酸还原酶活性以及氨、硝酸盐、尿囊素类水平的提升相关，BNF 指标（固氮酶活性和 δ1?N）也同步改善。然而，随着作物走向籽粒充实（R7），尽管组织镍浓度依然较高，但 BNF 及相关氮循环参数较早期和某些常规镍处理有所下降。这种具有阶段依赖性的“刺激—衰退”模式提示，虽然镍纳米颗粒能在早期暂时增强氮同化和固定，但其效益可能无法持久贯穿生殖生长后期。
研究强调了在评估纳米肥料性能时必须考虑作物发育阶段。未来工作应深入剖析导致这种时间性衰退的机制（如纳米颗粒转化、反馈抑制或迟发植物毒性），并评估长期生态和农学后果。在理解这些动态之前，Ni(OH)? 纳米肥料在大豆及其他作物系统中的部署需谨慎对待。总之，镍仍是大豆氮代谢的关键元素，但本研究表明，纳米镍至多提供暂时的优势，而非一致提升作物氮利用效率的灵丹。
