新型聚氨酸增效肥料對小白菜根系活性與產量的影響

李 杰，盧宗云，石元亮，張 蕾，王玲莉，聶宏光，張 鷹，李 忠，魏占波

（中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016）

目前，為了提高肥料利用率，保護農田生態環境，人們通過在肥料中添加抑制劑，利用有機、無機物包膜技術，或者加入聚合氨基酸等物質來減少養分損失，延長肥效期，提高養分利用率［1-5］。作為一種新型肥料增效劑，聚氨酸在農業生產中顯示出的增產節肥效果，使其越來越成為研究的熱點。許多研究已經表明聚氨酸能明顯的增加小麥、油菜、玉米等經濟作物，黃瓜、生菜、茄子等蔬菜作物及草莓、柑橘、葡萄等水果類作物的產量［6-9］。同時針對含聚氨酸肥料的增效機理也進行了相關研究［10-12］。但目前關于聚氨酸提高肥料利用率和促進植株生長的作用途徑和內在機制的研究還比較缺乏。植物產量的增加意味著更多的營養元素被植株吸收，營養元素被植株的吸收利用主要取決于土壤中養分的可利用性、植株養分的獲取和吸收能力、植株對養分的同化能力三方面［13］。因此本研究以小白菜為供試作物，開展室內盆栽試驗，研究新型聚氨酸增效肥料對土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）養分的可利用性，植株N、P、K養分的吸收能力和植株C、N同化能力的影響，探究新型聚氨酸增效肥料增產節肥途徑和機理，為其在農業上的廣泛推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蔬菜為普通白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）品種蘇州青；新型聚氨酸增效肥料所使用聚氨酸發酵液是以L-谷氨酸為底物，利用枯草芽孢桿菌發酵而成。將高粘度聚氨酸發酵液高速冷凍離心（16 000 r·min-1，20 min）去除菌體，加入 2 倍體積的 95%的乙醇于上清液中，適當攪拌后收集沉淀物，用一定量去離子水溶解后再加入2倍體積的95% 酒精，然后在 16 000 r·min-1的條件下離心 10 min得到二次沉淀，將沉淀用一定量的去離子水溶解后倒入透析袋（分子量截留范圍8 000～14 000）中透析脫鹽，去鹽溶液經冷凍干燥后得到聚氨酸粗產品（97%），分子量為 1 700 kD。

供試土壤采自中國科學院沈陽應用生態研究所生態站（41°32′N，122°23′E），試驗土壤為棕壤，取表層及以下0～20 cm土壤，S型取樣，樣品自然風干后過2 mm篩備用。供試土壤基本理化性質為pH值7.03，全碳含量17.32 g·kg-1，全氮含量1.45 g·kg-1，NO3--N 含量 72.23 mg·kg-1，NH4+-N含量 3.25 mg·kg-1，總磷含量 0.48 g·kg-1，有效磷含量 32.44 mg·kg-1，總鉀含量 14.68 g·kg-1，速效鉀含量 185.66 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2016年5～8月在中國科學院沈陽應用生態研究所試驗地進行。試驗設置兩個處理，分別為① T1（CK），普通肥料；② T2，新型聚氨酸增效肥料，每個處理3次重復。施肥水平均為N 360 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 300 kg·hm-2，各處理養分投入量相同，均作基肥施用。首先將0.5 kg過篩風干土與化肥混勻后裝盆，置于塑料花盆中（直徑11 cm×高10 cm），塑料盆底部有導水口，每個塑料盆均配有一個大小合適的塑料托盤。調節土壤濕度至25%，每盆播種10粒小白菜種子。常規管理，定期澆水，保持土壤水分含量維持在20%～25%之間，3葉期定苗（播種后13 d），每盆定苗7株。

采用破壞性采樣的方法采集植株和土壤樣品，分別在施肥后的第 1、3、7、15、30、45、60 d采集植株和土壤樣品。本試驗中的小白菜地上部鮮樣在0℃研磨成勻漿后，用于植株硝態氮（NO3--N）、可溶性糖、游離氨基酸和可溶性蛋白含量的測定，小白菜根系鮮樣用于根系活力的測定；過0.841 mm篩的風干土壤用于土壤有效P（Olsen-P）、速效K和pH值的測定，過0.147 mm篩的風干土壤用于土壤TP和TK的測定，新鮮土樣用來測定土壤微生物量C（SMBC）和微生物量N（SMBN），微生物活性指標土壤脫氫酶、土壤N轉化酶（脲酶）、土壤C轉化酶（蔗糖酶和纖維素酶）、土壤P轉化酶（酸性、中性和堿性磷酸酶）（鮮樣6 h內完成提取）。

1.3 項目測定

1.3.1 植株指標測定方法

植株NO-3-N：水楊酸比色法［12］；可溶性糖：蒽酮比色法［14］；游離氨基酸：茚三酮比色法［15］；可溶性蛋白質：考馬斯亮藍比色法［16］；根系活力：氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法［14］。

1.3.2 土壤指標測定方法

土壤含水量、pH值、銨態氮（NH4+-N）、NO3-- N、TC、TN、Olsen-P、TP、速效K、TK含量采用常規方法進行分析。微生物量碳和微生物量氮：氯仿熏蒸 -0.5 mol·L-1K2SO4浸提 -TOC 儀測定；土壤脫氫酶：氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法［14］；脲酶：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法［17-18］；蔗糖酶：3，5-二硝基水楊酸比色法［19-20］；纖維素酶：3，5-二硝基水楊酸比色法［19-20］；酸性、中性和堿性磷酸酶：磷酸苯二鈉比色法［15］。

1.4 數據分析與統計

采用 Excel 2010 和 SPSS 19.0 軟件進行數據統計分析，其中新型聚氨酸增效肥料施用對植株同化產物和根系活力以及土壤養分和酶活性的影響，采用單因素方差分析方法（one-way ANOVA）檢驗，各處理之間植株和土壤各個指標的差異比較采用T檢驗（P=0.05水平）。植株地上部生物量與各項植株和土壤指標的相關性采用多元逐步回歸分析法分析。采用Sigmaplot 13.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 新型聚氨酸增效肥料對小白菜生長的影響

由表1可知，整個試驗期間，小白菜的生物量隨時間逐漸增加。與普通肥料處理相比，新型聚氨酸增效肥料處理顯著增加了小白菜鮮重（P＜0.05）。其中，在收獲期，小白菜地上部和根系的鮮重比CK處理分別高出12.5%和27.2%。小白菜植株中的TC、TN、P、K含量也隨時間的增加而逐漸增大。與普通肥料相比，新型聚氨酸增效肥料在施用后第3 d至第60 d（收獲期），小白菜植株中的TC、TN、P、K含量均顯著高于CK處理（P＜0.05），分別提高了4.7%～47.6%、4.5%～22.5%、11.7%～50.1%和16.6%～31.3%。

表1 新型聚氨酸增效肥料對植株地上部鮮重、根系鮮重、植株中全碳、全氮、磷、鉀含量和根系活力的影響

2.2 新型聚氨酸增效肥料對植株根系活力的影響

從表1可以看出，小白菜根系活力也呈現出隨時間的增加而逐漸增大的趨勢，在培養30 d達到最大值后逐漸降低。在整個生長季，與CK處理相比，新型聚氨酸肥料均能夠顯著提高小白菜根系活力，提高幅度達到8.3%～63.3%（P＜0.05）。

2.3 新型聚氨酸增效肥料對土壤速效養分和pH值的影響

如表2所示，在整個試驗時期，施用新型聚氨酸增效肥料的土壤NH4+-N含量、有效磷含量均顯著低于對照處理（P＜0.05），而土壤NO3--N含量則前期呈現新型聚氨酸增效肥料處理低于對照處理，而后期則高于對照處理的變化趨勢。兩個處理的速效鉀含量僅在施肥后第1 d有顯著差異（新型聚氨酸增效肥料處理比對照處理高12.5%），而后無顯著差異（表2）。同時，新型聚氨酸增效肥料使土壤pH值顯著提高了0.1～0.2個單位（P＜0.05）。

表2 新型聚氨酸增效肥料對土壤銨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀、pH值、微生物量碳、微生物量氮和土壤脫氫酶的影響

2.4 新型聚氨酸增效肥料對土壤微生物量和活性的影響

試驗結果顯示，土壤微生物量碳和微生物量氮含量均隨時間的增加逐漸升高，并在肥料施用后第7 d達到最大值后逐漸下降，在第30 d左右達到平衡（表2）。新型聚氨酸增效肥料的施用可明顯提高土壤微生物量和微生物量C、N。其中，在整個觀測時期，與對照相比，施用新型聚氨酸增效肥料使土壤微生物量碳和氮分別顯著增加了2.9%～33.3%和7.1%～7.8%。施用新型聚氨酸增效肥料能顯著增加脫氫酶活性（微生物活性指標），除第30 d外，均達到顯著水平，增加幅度達9.4%～ 36.3%（P＜0.05）。

2.5 新型聚氨酸增效肥料對植株碳、氮同化產物及土壤酶活性的影響

新型聚氨酸增效肥料的添加對小白菜C、N同化過程產生重要影響（表3）。試驗結果顯示，新型聚氨酸增效肥料處理下的NO3--N含量和游離氨基酸含量均低于對照處理，而可溶性糖含量則顯著增加了13.1%～28.5%（P＜0.05），對小白菜地上部的可溶性蛋白含量沒有明顯的響應。

與普通肥料處理相比，施用新型聚氨酸增效肥料能顯著提升土壤脲酶的活性（9.4%～21.2%）（P＜0.05，表 3）。在肥料施用后的第45和第60 d，顯著提高土壤轉化酶活性（P＜0.05）。除在第7 d顯著高于普通肥料處理外，其他時期對土壤纖維素酶活性沒有顯著的影響。新型聚氨酸增效肥料處理的中性磷酸酶的活性前30 d基本小于CK處理，而后迅速增加，在試驗后30 d顯著高于對照處理（P＜0.05）。

多元回歸分析結果表明，小白菜地上部生物量（鮮重）與其它變量之間存在顯著的線性相關關系：Y=7.25X1-0.12X2+2.56X3+32.47X4-2.09X5（R2=0.91，P＜0.001），Y是小白菜地上部生物量，X1是根系生物量，X2是根系活力，X3是微生物量碳/微生物量氮，X4是脲酶活性，X5是土壤脫氫酶活性。

表3 新型聚氨酸增效肥料對土壤脲酶、蔗糖酶、纖維素酶、磷酸酶活性以及小白菜植株中硝態氮、可溶性糖、游離氨基酸和可溶性蛋白含量的影響

3 討論

3.1 新型聚氨酸增效肥料對土壤養分可利用性的影響

研究結果顯示，施用新型聚氨酸增效肥料能顯著增加土壤微生物量碳、微生物量氮含量和土壤微生物活性（用土壤脫氫酶活性表示）（表2）。這與孫剛忠等［21］，Xu等［11-12］的研究結果一致。試驗中土壤pH值的明顯增加可能一方面歸因于聚谷氨酸主鏈上的大量羧基解離出質子使增效肥料具有陰離子特性，從而吸附土壤中的陽離子，另一方面可能歸因于施用于土壤中的聚谷氨酸水溶液pH值在7左右。

在本試驗中，新型聚氨酸增效肥料的施用能積極的調控土壤N、P、K養分的可利用性（表2）。雷全奎等［22］研究也表明，施用聚氨酸肥料的土壤全氮提高6.87%，有效磷提高11.76%，速效鉀提高25.52%，這可能與增效肥料的保肥作用有關。通過提高土壤微生物量和酶活性來促進土壤養分轉化，提高植物吸收養分的效率［23］。本試驗結果顯示，施用新型聚氨酸增效肥料后，土壤脲酶活性顯著增加（表3）。然而，相對于普通肥料處理來說，施新型聚氨酸增效肥料處理土壤中NH4+-N相對較少，這可能是由于土壤NH4+-N（1）被帶負電荷的聚谷氨酸吸附；（2）被聚谷氨酸增強的土壤微生物固持；（3）被植株吸收利用。施肥前期，新型肥料處理土壤NO3--N低于對照，這與NH4+-N含量變化趨勢一致，3 d后顯著高于CK處理，這可能是由被新型聚氨酸增效肥料吸附的NH4+-N或者被微生物固持的土壤NH4+-N逐漸釋放轉化成NO3--N所致。這個研究現象表明新型聚氨酸增效肥料能夠通過“暫存”土壤NH4+-N而延緩土壤NO3--N的形成，從而有助于更多來源于化肥的植物可利用態N存留于土壤中，并因此提高肥料的利用率、減少環境污染。同時，這些“存儲”的無機N和微生物N的慢速釋放，某種程度上能協同作物的生長需求而提供作物所需的營養。在本研究中，新型聚氨酸增效肥料的施用能夠顯著促進土壤中性磷酸酶的活性，應該伴隨著土壤含有更多的活性磷，然而試驗結果顯示，新型聚氨酸增效肥料處理土壤中有效磷含量低于CK處理，這可能是由于：1）被新型聚氨酸增效肥料激活的土壤微生物固持了一部分土壤活性磷；2）增加的植株生物量促進了更多的土壤活性磷被植株吸收利用；3）新型聚氨酸增效肥料處理下土壤（棕壤）pH值的提高促進活性磷的固定（Ca-P）。整個小白菜的生育期，兩個處理之間的土壤速效鉀含量基本沒有顯著差異，這可能歸因于鉀元素被土壤晶格的快速固定［8］。

3.2 新型聚氨酸增效肥料對植株養分吸收能力和同化能力的影響

本試驗結果表明，新型聚氨酸增效肥料的施用不僅明顯的提高了小白菜的根系生物量（8.6%～27.2%），而且顯著的增強了小白菜根系的活性（8.3%～63.3%）（表1）。通過小白菜根系質量和活力的雙重提升，來加強小白菜的養分吸收能力從而促進小白菜的生長。尚玉潔等［9］研究結果也表明，聚氨酸肥料使四季小白菜和蘇州青根長分別增加了36.8%和19.7%，有利于對土壤養分和水分的吸收，這可能與聚氨酸肥料能夠快速分解和吸附土壤中養分，有效促進作物根系發育，加快了養分的吸收和轉化有關［24］。

在本研究中，小白菜的生物量、C含量和N含量均明顯受到施用的新型聚氨酸增效肥料的影響，顯著高于普通肥料處理（表2）。除此之外，本試驗結果還表明，新型聚氨酸增效肥料能顯著促進小白菜對P和K營養元素的吸收。這可能是由于新型聚氨酸增效肥料能夠利用其螯合性能，促使作物更能有效地吸收土壤中的有效元素，促進作物生長。同時其自身所含有的聚氨酸可能隨著作物的生長而完全降解成單體氨基酸，供作物吸收利用［8］。

同時，小白菜的C和N同化過程明顯地受到新型聚氨酸增效肥料施用的影響，并表現為新型聚氨酸增效肥料處理下小白菜的可溶性糖含量顯著增加而NO3--N和游離氨基酸含量顯著降低（表3）。Zhang 等［10］研究結果表明聚谷氨酸的初級分解產物-L-谷氨酸多肽或者分子能夠完整的被植株吸收。在植株的新陳代謝過程中，谷氨酸在谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶和轉氨酶的作用下發揮著極為關鍵的作用［25］。一些研究已經表明，經L-谷氨酸處理的根系細胞能快速的引發細胞質膜內Ca2+濃度的增加和質膜的迅速去極化，并因此導致一系列細胞質離子濃度的改變，最終影響植株的同化代謝［26-27］。Xu等［11］也發現γ-PGA能顯著的提高細胞質膜內游離Ca2+并激活植株細胞內的Ca2+或鈣調蛋白（CaM）信號通道活性，并因此加速植株的N同化進程。由上述研究結果，可以推斷新型聚氨酸增效肥料所含有的聚谷氨酸可能呈現出與L-谷氨酸相似的生理功能。其分解產物-L-谷氨酸在被植株吸收利用后可能引發小白菜C、N同化代謝一系列的下游反應，從而調節植株生長。

通過多元回歸分析結果表明，小白菜的生物量與根系生物量、根系活力、土壤微生物量C、N、脲酶活性和土壤脫氫酶活性有關。說明新型聚氨酸增效肥料是通過加強植株根系養分吸收能力和促進微生物和酶活性調節養分可利用性來促進植物生長的。

4 結論

新型聚氨酸增效肥料使小白菜產量增加15.7%，提高了植株中碳、氮、磷、鉀等各養分含量。

新型聚氨酸增效肥料顯著增加了小白菜根系生物量和根系活力，從而明顯增強植株養分吸收能力。

新型聚氨酸增效肥料顯著增加了土壤微生物量和增強土壤脫氫酶的活性，提高了土壤微生物活性；能夠有效延緩肥料氮素的釋放；同時通過影響土壤酶活性來促進作物生長。