石墨烯對土壤養分轉化及玉米苗期根系生長的影響

王詩雅， 王欣怡， 劉瑩， 胡慧穎， 孫海燕， 郭偉

（黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319）

玉米（Zea maysL.）是世界上最具潛力的糧飼兼用型作物，在保障糧食安全的同時可以緩解飼料短缺，因此占有重要地位[1]。土壤養分對提高玉米產量起著關鍵作用，但以往高施用量、高消耗的方式使玉米生產過度依賴化肥投入?；实拇罅渴┯靡环矫嬖斐赏寥鲤B分結構失衡，物理性狀變差；另一方面水溶性養分等物質通過雨水和農田灌水滲入到地下水及河流中，造成環境污染[2]。玉米是旱作區主要種植作物，地力瘠薄和干旱脅迫是其生產的主要限制因子，由于長期不合理耕種以及化學肥料的過量施用，導致土壤表層結構惡化、養分供應失衡等土壤肥力退化日益突出，嚴重影響了玉米產量的提高，并制約玉米產業的健康發展。因此，通過提高肥料利用率、施用緩/控釋肥等方式是解決當前問題的主要途徑之一，也是保障玉米產量和農田可持續發展的關鍵。

研究表明，在原有肥料基礎上通過添加某種肥料增效劑促進作物生長是提高肥料利用率的新途徑[3]。近年來，隨著科技的發展，發現納米碳材料作為一種高效、經濟的材料，對土壤結構、元素遷移等方面具有一定影響，并在促進植物生長方面顯示出巨大潛力[4]。研究表明，納米碳具有體積小、表面積大、反應活性強等特性，施入土壤后不僅能增加土壤孔隙度和土壤持水性、提高土壤保肥性、減小土壤容重等[5]，還能促進植物對氮、磷、鉀等元素的吸收，促進作物生長發育。石墨烯作為一種由碳原子以sp2雜化軌道構成的二維層狀的新型納米碳材料，具有極其優異的理化特性，在各領域具有廣闊的應用前景[6]。石墨烯中的碳（C）原子間有大量的疏水性sp2團簇，而碳氧鍵（CO）間存在大量的親水性sp3團簇，sp3和C-O 鍵可將水分子聚集在其表面，而sp2團簇會進一步排斥水分子使其向根系或種子遷移，從而促進種子萌發[7]。而石墨烯對種子萌發的影響與石墨烯類型、含量水平和植物種類有關。王曉靜等[8]研究指出，20%氧化石墨烯處理高羊茅（Festuca elataKengexE. Alexeev）種子，其萌發率提高6.3%。氧化石墨烯用量在50～150 mg·L-1時，紫穗槐（Amorpha fruticoseLinn.）種子的萌發率分別提高14.0%～23.3%；而當用量為250 mg·L-1時，則抑制種子萌發[9]。姚建忠等[10]研究表明，適宜水平石墨烯溶液能夠促進歐洲山楊（Populus tremulaL.）組培苗植株的不定根伸長、主根形成及不定根數量的增加。胡曉飛等[11]研究表明，2 mg·L-1的石墨烯溶液可促進樹莓（Rubus corchorifoliusL.）組培苗幼苗的根長、比表面積、根尖數與分叉數顯著增加。

目前，關于石墨烯對土壤養分轉化、植物養分吸收及生長發育影響的研究鮮有報道。玉米是一種根系形態屬性極強的植物，當其根系遇到養分斑塊后往往能在短時間內成倍地增生側根，從而有效促進地上部的生長，而土壤肥力低的地塊則會限制玉米生長[12]。因此，本研究以石墨烯為主要材料，探究石墨烯對土壤及玉米的養分轉化、吸收利用及對玉米根系生長發育的影響，以期為石墨烯在農業上的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用玉米品種為鄭單958。石墨烯材料購于鄭州市二七區順誠化工產品商行，為黑色蓬松粉末。其中單層石墨烯片層直徑為0.5～10 μm；少層石墨烯片層直徑為10～20 μm，平均厚度均為1～3 nm。試驗用土壤取自黑龍江省密山市黑龍江八一農墾大學農業科研所（131.8754°N，46.5936°E）。

1.2 試驗設計

試驗分別于2021 年6—8 月和10—12 月在黑龍江八一農墾大學農學院溫室內進行，采用上口徑15 cm、高13 cm 的塑料育苗缽進行盆栽試驗，每盆裝土1.5 kg。分別添加單層石墨烯（TS）和少層石墨烯（TF），并設置0（CK）、25（TS1和TF1）、50（TS2 和TF2）、100（TS3 和TF3）和150 g·kg-1（TS4和TF4）共5 種不同用量水平，共計9 個處理，將石墨烯與土壤均勻混合。挑選飽滿、健康的玉米種子，用10% NaClO 消毒15 min 后，蒸餾水沖洗3 遍，將殘留的NaClO 徹底洗凈，于30 ℃、黑暗條件下用清水浸種、催芽24 h。于播種前1 d用清水將盆內基質澆透，取長勢一致的種子點播于盆中，每盆均勻播種4 粒，出苗后定苗2 株。4 盆為1 個處理。待玉米生長至3葉1心期，進行植株和土壤的取樣，植株葉片樣品用液氮速凍30 min后，置于-40 ℃冰箱保存待測。

1.3 測定項目及方法

用直徑3 cm 土鉆距植株5 cm 處取0—10 cm土層土壤樣品，每盆取3 點，將其混勻后自然風干，過1 mm篩室內常溫保存。土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用中性NH4Ac 浸提-火焰光度比色法測定[13]。土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[14]。

每處理取3 株完整的植株，將地上部與根系分開，測量根長和根系鮮重、地上部鮮重，并采用排水法測定根系體積。測量后將地上部和根系裝入紙袋，置于烘箱中，105 ℃殺青30 min，在80 ℃烘干至恒重，測定其干物質量。

采用羥胺氧化法[15]測定超氧陰離子（superoxide anion production rate，O·-2）產生速率，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量，采用氮藍四唑（nitrotetrazolium blue chloride，NBT）法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，采用愈創木酚法測定過氧化物酶（peroxidase，POD）活性，采用分解過氧化氫含量速率法測定過氧化氫酶（catalase，CAT）活性，具體操作規程按李合生[16]的方法進行。參考Yun 等[17]方法測定抗壞血酸過氧化物酶（aseorbateperoxidase，APX）活性。參考Tan等[18]方法測定還原型抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）和還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法[19]測定可溶性蛋白含量，采用茚三酮比色法[16]測定脯氨酸含量。

1.4 數據處理

采用Excel 2013 整理數據，通過SPSS 25.0 軟件進行數據的統計分析，采用GraphPad Prism 8和Origin 2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 施用石墨烯對土壤養分和土壤酶活性的影響

隨石墨烯施入量的增加，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量逐漸增加（圖1），且均高于對照，其中土壤有效磷的增幅最大；同時，相同用量下，少層石墨烯處理的土壤速效養分含量高于單層石墨烯。TS1 和TF1 處理與CK 差異不顯著。TS4 處理的堿解氮、有效磷和速效鉀含量較CK 分別顯著增加21.85%、76.56%和30.69%；TF4處理較CK 分別顯著增加23.05%、82.16%和47.20%。TS4 與TS3 處理、TF4 與TF3 處理間養分含量差異不顯著。因此，在本研究條件下TF4 處理的土壤速效養分含量較高。

圖1 不同處理下的土壤速效養分含量Fig. 1 Contents of available nutrients under soil under different treatments

施用石墨烯對土壤酶活性的影響如圖2 所示。添加單層石墨烯后土壤蔗糖酶活性降低，并隨施用量增加呈逐漸降低趨勢，TS2、TS3 和TS4處理較CK 分別顯著降低4.29%、5.34%和7.51%。低水平少層石墨烯TF1 和TF2 處理可增加土壤蔗糖酶活性，分別較CK 增加3.73%和6.67%，但差異不顯著；隨少層石墨烯用量的增加，土壤蔗糖酶活性逐漸降低，TF3 和TF4 處理較CK 分別顯著降低5.14%和5.78%，但降幅小于單層石墨烯處理。石墨烯顯著增強了土壤脲酶活性，隨石墨烯施入量的增加土壤脲酶活性先升高后降低，且少層石墨烯處理的效果優于單層石墨烯，其中，TF2 處理的酶活性最高，較CK顯著增加21.26%。

2.2 石墨烯對根系生長的影響

由表1 可知，施用石墨烯促進了根系生長，隨著石墨烯用量的增加，根系鮮重和干重均先增加后降低，但均高于CK。單層石墨烯TS2 處理的根系質量最大，而少層石墨烯為TF3處理最大；高水平的少層石墨烯對根系的促生作用大于單層石墨烯。各石墨烯處理中，TS1和TS2處理的根系鮮重較CK 分別顯著增加16.19%和26.48%；TF1～TF4處理的根系鮮重較CK 顯著增加12.89%～42.18%；而TS1、TS2 和TS3 處理的根系干重較CK分別顯著增加32.62%、59.26%和14.70%；TF1、TF2 和TF3 處理的根系干重較CK 分別顯著增加33.81%、42.17%和15.89%。綜合分析，TF2 處理更有利于根系發育，其次為TS2處理。

表1 不同處理下的玉米根系鮮重、干重簽和根長Table 1 Fresh weight， dry weight and root length of maize root under different treatments

施用石墨烯促進了玉米幼苗根系的伸長，且隨著石墨烯施用量的增加根長呈單峰曲線，少層石墨烯對根長的影響大于單層石墨烯，其中TS2和TF2 處理的根長最長，分別較CK 顯著增加6.61%和8.79%。同時，石墨烯處理還增加了玉米的根體積，與CK 相比，TS1、TS2 和TS3 處理分別增加20.50%、41.58%和20.06%，其中，TS2 處理與CK 差異顯著；TF2、TF3 和TF4 處理較CK 分別顯著增加19.03%、25.92%和15.23%。

與CK 相比，TS1 和TS2 處理顯著增加了玉米植株部地上的鮮重和干重，說明施入低水平的單層石墨烯對植株的生長發育具有促進作用；而TS3和TS4處理的鮮重和干重略有降低，但未達到顯著水平。少層石墨烯處理的植株鮮重、干重均高于CK，且均隨石墨烯用量的增加呈先增后降的趨勢，在TF3處理時最高?？傮w來說，高水平時少層石墨烯處理對植株的促生作用大于單層石墨烯。

2.3 石墨烯對根系抗氧化的影響

由圖3 可知，低水平的石墨烯對玉米根系O·-2產生速率無顯著影響；隨著施入量的增加，根系O·-2產生速率逐漸增加。其中，單層石墨烯TS3和TS4處理較CK 分別顯著增加44.75%和58.20%；少層石墨烯TF4 處理顯著增加了29.54%。由此表明，少層石墨烯對根系O·-2產生速率的影響小于單層石墨烯。

圖3 不同處理下的根系O· -2 產生速率Fig. 3 Root O· -2 production rates under different treatments

圖4 不同處理下的根系MDA含量Fig. 4 MDA content of roots under different treatments

石墨烯對根系MDA 含量的影響與對O·-2產生速率的影響相似，即低水平石墨烯處理根系的MDA 含量與CK 無顯著差異；高水平石墨烯處理導致MDA 含量顯著增加。其中，單層石墨烯TS3、TS4處理和少層石墨烯TF4處理的MDA含量較CK 分別顯著增加26.86%、54.87%和32.45%。由此可見，單層石墨烯引起的膜脂過氧化程度更加強烈。

石墨烯的施用提高了玉米幼苗抗氧化酶活性，但當施用量超過100 g·kg-1時抗氧化酶活性出現不同程度的降低，酶活性最高的分別為單層石墨烯TS2 處理和少層石墨烯TF2 處理（圖5）。單層石墨烯TS3 和TS4 處理的SOD 活性較CK 分別顯著降低11.03%和23.54%；少層石墨烯TF4處理顯著降低了12.94%。TS1～TS3處理的POD和CAT活性較CK 分別顯著提高10.53%~32.09% 和60.91%~142.95%；TS2 處理的APX 活性較CK 顯著增加27.98%；TF1～TF3處理的POD、CAT和APX活性則分別顯著提高10.53%～32.09%、125.50%～414.58%和25.20%～64.44%；TS4 和TF4 處理的抗氧化酶活性顯著低于CK，且相同水平下少層石墨烯處理的酶活性均高于單層石墨烯。

圖5 不同處理下的根系抗氧化酶活性Fig. 5 Antioxidant enzyme activities of roots under different treatments

2.4 石墨烯對根系非酶抗氧化物質的影響

由圖6 可知，隨著石墨烯施入量的增加，玉米根系AsA 含量呈先升高后降低趨勢；且相同水平下，少層石墨烯處理的AsA含量大于單層石墨烯。其中，單層石墨烯TS1~TS3 處理的AsA 含量與CK間無顯著差異；TS4 處理較CK 顯著降低15.69%；TF2 和TF3 處理較CK 分別顯著增加33.52%和20.59%。玉米根系GSH 含量隨石墨烯施用量的增加呈單峰曲線變化，分別在TS3 和TF2 處理達到峰值。單層石墨烯處理中僅TS3處理的GSH含量較CK 顯著增加28.39%，其他處理與CK 差異不顯著；少層石墨烯TF2 處理的GSH 含量較CK 顯著增加21.17%。由此可知，少層石墨烯處理較單層石墨烯處理更有利于根系非酶抗氧化物質的積累。

圖6 不同處理下根系的非酶抗氧化物質含量Fig. 6 Non-enzymatic antioxidant content of roots under different treatments

2.5 石墨烯對根系滲透調節物質的影響

由圖7 可知，施用石墨烯增加了根系可溶性蛋白和脯氨酸含量；且隨著石墨烯施入量的增加，可溶性蛋白和脯氨酸含量先增加后降低。其中，TS2 和TS3 處理的可溶性蛋白含量較CK 分別顯著增加27.40%和39.98%；TS1、TS2 和TS3 處理的脯氨酸含量較CK 分別顯著增加41.45%、54.53%和13.74%。少層石墨烯TF2處理的可溶性糖和脯氨酸含量較CK 分別顯著增加43.17%和68.11%。同時，TF1、TF2處理的可溶性糖和脯氨酸含量則分別顯著增加22.04%、15.63%和20.02%、27.47%?？傮w而言，少層石墨烯處理的滲透調節物質含量高于單層石墨烯處理。

圖7 不同處理下的根系碳水化合物含量Fig. 7 Carbohydrate content of roots under different treatments

2.6 相關性分析

分析各指標間的相關性，結果如圖8 所示。石墨烯與土壤速效養分含量呈顯著正相關（相關系數均大于0.9），與土壤酶活性間相關不顯著；土壤脲酶活性與土壤堿解氮含量呈顯著正相關?？梢?，施用石墨烯活化了土壤養分，進而誘導脲酶活性提高。石墨烯用量與O·-2產生速率和MDA 含量呈顯著正相關，與抗氧化酶活性呈顯著負相關；且O·-2產生速率、MDA 含量與抗氧化酶活性、非酶抗氧化物質含量、滲透調節物質含量呈顯著負相關。由此表明，高水平石墨烯導致根系O·-2積累、抗氧化酶失活，最終使膜脂過氧化程度加??；而低水平石墨烯對根系質膜透性的影響不明顯。

圖8 石墨烯處理下各指標間相關性分析Fig. 8 Correlation analysis among the indicators of graphene treatments

石墨烯與根系生長間無顯著相關性；根長、根干重、根體積、地上部鮮重和干重、抗氧化系統、滲透調節物質顯著正相關，與O·-2產生速率、MDA含量呈顯著負相關；根鮮重與土壤速效養分含量、抗氧化活性、滲透調節物質含量呈顯著正相關，與O·-2產生速率、MDA 含量相關不顯著。由此表明，施用石墨烯加強了地上部光合產物的合成及向根系的分配，增強了根系抗氧化能力和滲透調節能力，進而間接促進了根系的生長與物質積累。

3 討論

3.1 石墨烯對土壤性狀的影響

石墨烯是一種新型納米碳材料，因其具有特殊的理化性質，作為土壤改良劑配施肥料后對土壤養分會產生一定的影響。石墨烯表面積大，對養分離子有較強的吸附作用，能增強土壤對養分的持留作用，減少養分隨灌溉、降水等的淋溶損失[20]。趙楚等[21]研究表明，納米碳施入土壤中可增強土壤對水分的吸持能力，進而抑制硝態氮隨水淋失，同時，納米碳還會因其自身表面積大等特點吸附NH+4，減少肥料中氮素的揮發。范立春等[3]研究指出，與常規施肥相比，施用納米碳處理的鉀肥利用率均高于常規施肥處理。胡梓超[22]研究指出，納米碳施入土壤中可吸附土壤中的有效磷，同時還膠結大量吸附著磷素的土壤顆粒，進一步穩固磷素在相應土層深度的留存。本研究也得出相似結論，隨石墨烯施入量的增加，土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈上升趨勢，說明土壤中施入單層或少層石墨烯均可提高土壤對養分的固持能力。這可能是由于土壤中施入納米碳后其遇水可變成超導體，進而提高土壤的點位差和離子游離動力，加速土壤溶液中離子的傳導。納米碳在土壤中吸附陽離子[23]，形成以納米碳為膠核的新膠體顆粒[22]，促進土壤微團聚體重組并釋放土壤養分，進一步增強植株對土壤養分吸收的激發或誘導效應，從而提高養分利用效率[3]。本研究還發現，少層石墨烯對速效養分的增幅大于單層石墨烯，因此，推測少層石墨烯相對于單層石墨烯可能具有較大的表面效應，可吸附更多的養分，并形成更多的膠核結構，提高對養分的固持能力，進而減少養分的流失。

土壤酶活性是土壤生態系統中極為重要的組成部分，與土壤肥力的演變和形成息息相關[5]。同時，土壤酶作為土壤代謝的主要動力，反映了土壤中生化反應的強度和方向，是衡量土壤質量變化的敏感性指標[24]。納米碳材料是一種無機物質，可通過調節土壤微環境進而起到激活土壤酶活性的作用[25-26]。本試驗結果表明，隨著單層石墨烯用量增加，土壤蔗糖酶活性呈逐漸降低趨勢，這可能是由于納米碳對土壤養分和土壤酶均有較強的吸附能力，兩者產生競爭，進而降低土壤酶活性在納米碳材料上的吸附量，導致蔗糖酶活性降低[27]。而低水平少層石墨烯能促進蔗糖酶活性，這可能是由于少層石墨烯是以堆垛形式構成，較單層石墨烯有更多孔隙，可以吸附較多的土壤酶，進而提高蔗糖酶活性；而隨著石墨烯施用量的增加酶活性逐漸降低，這也說明土壤養分可能占據了更多的孔隙，導致酶活性降低，與前人研究結果一致。土壤脲酶對提高土壤氮素利用率及促進土壤氮素循環具有重要作用[5,28]。研究表明，土壤中添加納米碳對脲酶活性表現為低水平促進、高水平抑制，且脲酶活性與土壤微生物數量、有機物質含量等呈正相關，碳源的加入可增加土壤的生物活性，繼而提高脲酶活性[29]。本研究發現，施入石墨烯能有效增強土壤脲酶活性，且少層石墨烯的效果優于單層石墨烯。土壤酶活性的高低取決于土壤養分含量[30]。相關性分析表明，石墨烯與土壤速效養分間呈顯著正相關，與土壤酶活相關不顯著，說明石墨烯可直接影響土壤中速效養分的轉化，改善土壤質量，其多孔特性也為微生物創造了良好的棲息環境；同時，土壤脲酶活性與土壤速效養分含量呈顯著正相關，而蔗糖酶活性與堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈顯著負相關，表明土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等肥力因素主要影響脲酶活性，由此證明脲酶活性的大小可反映土壤肥力水平的高低；脲酶活性與堿解氮含量呈極顯著正相關，與有效磷和速效鉀含量呈顯著正相關，說明堿解氮含量是影響脲酶活性的主要因素。

3.2 石墨烯對玉米植株生長發育的影響

根系作為作物吸收養分、水分和合成某些內源激素的重要器官，其發育狀況與地上部器官的形態建成和產量密切相關[31]。目前，石墨烯材料與植物的相互作用已經被廣泛研究，但不同石墨烯材料的物理化學性質存在差異，因此對植物生長的效應也有所不同[32-33]。石墨烯材料對植物生長具有抑制作用，且隨石墨烯施用量和暴露時間的增加毒性也隨之增強[34]。趙琳等[33]研究表明，氧化石墨烯能抑制玉米幼苗根系生長，并降低根冠比；隨著施用量的增加，根部形態發生變化，且出現明顯的結構性損傷。本研究與上述結論不同，單層和少層石墨烯均能夠明顯促進玉米根系生長，且根鮮重、干重和根長均有所增加，這與常海偉等[35]研究磺化石墨烯對小麥根系生長影響的結果一致，適量施用磺化石墨烯能顯著促進小麥根系生長，增加根冠比，但隨著施用量的增加促進作用逐漸減弱。Liu 等[36]也發現，低水平石墨烯能促進水稻地下部分鮮重和干重的積累。低水平石墨烯對根系生長具有促進作用，這可能是因為少量石墨烯可以富集在根系表面，充當離子傳輸通道，被富集的養分可以傳輸至根部并被根系吸收，提高根系對養分的吸收速率[37]；而當石墨烯水平過高時，過量的石墨烯包覆于根系表面，反而阻擋了養分傳輸，抑制了根系的生長，因此出現根系鮮、干重和根長降低的現象。根生物量和根體積是表征根系生長發育的重要指標。本研究中根體積的變化趨勢與根系鮮、干重一致，由于本研究中未測定根粗和根條數等指標，但根據前人試驗結果推測，根體積的增加與根條數有關，這可能是由于添加石墨烯改善了土壤中速效養分的轉化，增加了玉米的根條數，側根的大量發生可以增加根表面積和根體積，從而有利于植物對水分和營養元素的吸收[38]，進而提高根系的鮮、干重。低水平石墨烯促進植株地上部生長，高水平石墨烯則抑制植株地上部生長，這與劉頓等[9]研究結果相似。這可能是因為石墨烯增加了株高，并加強葉片的光合作用，從而促進植株生長；另外石墨烯施入土壤后，其含氧官能團以電荷吸引方式吸附土壤中的陽離子，間接為植物提供了營養物質，從而促進植物生長發育[7]。相關性分析表明，玉米根系鮮、干重與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈正相關；而玉米根長與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈負相關，說明土壤養分直接影響根系的鮮、干重；玉米地上部鮮重和干重與根系鮮重和干重、根長、根體積呈顯著正相關，說明根系的生長直接影響地上部生長發育。

3.3 石墨烯對玉米根系生理指標的影響

研究表明，當石墨烯水平較低時，可通過根毛運輸至根毛細胞和根薄壁組織細胞中；當石墨烯水平過高時，納米材料會對植物產生毒性效應，導致根細胞受損[39-40]，表現為誘導植物產生過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），引起氧化脅迫和膜脂過氧化、蛋白質和核糖核酸等氧化損傷，使細胞膜受損，最終導致細胞死亡[33,41-42]。本研究結果表明，低水平的石墨烯未影響O·-2產生速率和MDA 含量；而隨著石墨烯施用量的增加，單層石墨烯TS3、TS4 處理和少層石墨烯TF4 處理的O·-2產生速率和MDA 含量均顯著增加，說明單層石墨烯用量在100 和150 g·kg-1、少層石墨烯用量在150 g·kg-1（TF4）時對玉米根系生長有抑制作用。這可能是由于石墨烯具有較鋒利的邊緣，過多的石墨烯聚集在根系表面會對植物根部產生物理切割損傷，導致生物體內氧自由基過量積累，產生過量的ROS、O·-2和H2O2等[34]。植物自身具有解毒能力，產生的ROS、MDA 可通抗氧化酶進行清除。植物中主要的抗氧化酶包括SOD、POD、CAT和APX 等。其中，SOD 是清除ROS 的第一道防線，催化O·-2生成H2O2和H2O，以減少損害細胞的自由基水平[43]。POD 在植物生長發育、體內代謝以及植物對外部環境的適應性方面發揮重要作用。CAT 是去除H2O2的主要酶之一，可維持ROS代謝平衡，減輕氧化損傷[44]。APX 可與其他抗氧化物質共同作用清除ROS，維持細胞膜穩定性[45]。本研究表明，與CK 相比，石墨烯施用量為25 和50 g·kg-1時，可提高SOD、POD、CAT 和APX 活性；隨著石墨烯施用量的增加，當施用量為150 g·kg-1時，上述酶活性顯著降低。這可能是由于在高水平石墨烯條件下，根系表面富集過多的石墨烯，導致細胞膜受損，并產生應激反應，而隨著O·-2、MDA含量的增加，抗氧化系統被破壞，酶活性逐漸降低，這與Li等[40]研究結果相符。AsA 和GSH 是重要的非酶抗氧化劑，是清除氧自由基的重要組成物質[46]。本研究表明，單層石墨烯TS2（50 g·kg-1）處理提高了AsA 含量，TS2（50 g·kg-1）和TS3（100 g·kg-1）處理提高了GSH 含量；少層石墨烯TF2（50 g·kg-1）和TF3（100 g·kg-1）處理均提高了AsA 和GSH 含量；而當石墨烯施用量為150 g·kg-1（TS4 和TF4）時，AsA 和GSH 含量均有所降低，進一步說明，適量石墨烯處理可促進根系非酶抗氧化劑含量的提高，進而抑制O·-2和MDA 的積累；而進一步增加石墨烯施用量，會使膜系統受損，O·-2和MDA 的過量積累，導致非酶抗氧化劑含量降低。根系中可溶性蛋白含量的增加是根系活力增強的基礎[47]，脯氨酸是蛋白質的組分之一，以游離態廣泛存在于植物體中，可溶性蛋白和脯氨酸可作為植物細胞質內滲透調節物質，在穩定生物大分子結構、維持細胞內外滲透平衡、保障植物組織酶系統和膜結構的正常功能上起重要作用[48-49]。研究表明，適宜水平的納米碳溶膠使根系可溶性蛋白含量增加，但隨其水平的增加可溶性蛋白含量呈降低趨勢[50]，這與本研究結果一致。本研究中，可溶性蛋白含量隨單層和少層石墨烯施用量的增加呈先升高后降低趨勢，脯氨酸變化趨勢與可溶性蛋白含量趨勢相同，說明低水平石墨烯有助于維持根系細胞正常狀態，進而保證根系生理生化代謝活動的正常進行，隨石墨烯施用量的進一步增加，膜脂過氧化物過量積累，滲透調節物質含量的增加不足以維持細胞膜的穩定性，使細胞生長受到抑制、酶活性降低，進而導致根系生長受到抑制。

綜上，適量施用石墨烯能活化土壤養分，提高了土壤速效養分含量，進而增強植物根系抗氧化能力和滲透調節能力，促進根系生長與干物質積累；但施用量超過100 g·kg-1時會引起根系不同程度的氧化損傷和質膜透性加劇。相同施用量時，少層石墨烯對玉米苗期土壤養分轉化及幼苗生長的正向效應優于單層石墨烯，且單層石墨烯較少層石墨烯成本更高，因此，在常規施肥基礎上添加50 g·kg-1少層石墨烯有利于玉米壯苗的形成。