新型聚氨酸增效肥料对小白菜根系活性与产量的影响

李 杰，卢宗云，石元亮，张 蕾，王玲莉，聂宏光，张 鹰，李 忠，魏占波

（中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016）

目前，为了提高肥料利用率，保护农田生态环境，人们通过在肥料中添加抑制剂，利用有机、无机物包膜技术，或者加入聚合氨基酸等物质来减少养分损失，延长肥效期，提高养分利用率［1-5］。作为一种新型肥料增效剂，聚氨酸在农业生产中显示出的增产节肥效果，使其越来越成为研究的热点。许多研究已经表明聚氨酸能明显的增加小麦、油菜、玉米等经济作物，黄瓜、生菜、茄子等蔬菜作物及草莓、柑橘、葡萄等水果类作物的产量［6-9］。同时针对含聚氨酸肥料的增效机理也进行了相关研究［10-12］。但目前关于聚氨酸提高肥料利用率和促进植株生长的作用途径和内在机制的研究还比较缺乏。植物产量的增加意味着更多的营养元素被植株吸收，营养元素被植株的吸收利用主要取决于土壤中养分的可利用性、植株养分的获取和吸收能力、植株对养分的同化能力三方面［13］。因此本研究以小白菜为供试作物，开展室内盆栽试验，研究新型聚氨酸增效肥料对土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K）养分的可利用性，植株N、P、K养分的吸收能力和植株C、N同化能力的影响，探究新型聚氨酸增效肥料增产节肥途径和机理，为其在农业上的广泛推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试蔬菜为普通白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）品种苏州青；新型聚氨酸增效肥料所使用聚氨酸发酵液是以L-谷氨酸为底物，利用枯草芽孢杆菌发酵而成。将高粘度聚氨酸发酵液高速冷冻离心（16 000 r·min-1，20 min）去除菌体，加入 2 倍体积的 95%的乙醇于上清液中，适当搅拌后收集沉淀物，用一定量去离子水溶解后再加入2倍体积的95% 酒精，然后在 16 000 r·min-1的条件下离心 10 min得到二次沉淀，将沉淀用一定量的去离子水溶解后倒入透析袋（分子量截留范围8 000～14 000）中透析脱盐，去盐溶液经冷冻干燥后得到聚氨酸粗产品（97%），分子量为 1 700 kD。

供试土壤采自中国科学院沈阳应用生态研究所生态站（41°32′N，122°23′E），试验土壤为棕壤，取表层及以下0～20 cm土壤，S型取样，样品自然风干后过2 mm筛备用。供试土壤基本理化性质为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，总磷含量 0.48 g·kg-1，有效磷含量 32.44 mg·kg-1，总钾含量 14.68 g·kg-1，速效钾含量 185.66 mg·kg-1。

1.2 试验设计

盆栽试验于2016年5～8月在中国科学院沈阳应用生态研究所试验地进行。试验设置两个处理，分别为① T1（CK），普通肥料；② T2，新型聚氨酸增效肥料，每个处理3次重复。施肥水平均为N 360 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 300 kg·hm-2，各处理养分投入量相同，均作基肥施用。首先将0.5 kg过筛风干土与化肥混匀后装盆，置于塑料花盆中（直径11 cm×高10 cm），塑料盆底部有导水口，每个塑料盆均配有一个大小合适的塑料托盘。调节土壤湿度至25%，每盆播种10粒小白菜种子。常规管理，定期浇水，保持土壤水分含量维持在20%～25%之间，3叶期定苗（播种后13 d），每盆定苗7株。

采用破坏性采样的方法采集植株和土壤样品，分别在施肥后的第 1、3、7、15、30、45、60 d采集植株和土壤样品。本试验中的小白菜地上部鲜样在0℃研磨成匀浆后，用于植株硝态氮（NO3--N）、可溶性糖、游离氨基酸和可溶性蛋白含量的测定，小白菜根系鲜样用于根系活力的测定；过0.841 mm筛的风干土壤用于土壤有效P（Olsen-P）、速效K和pH值的测定，过0.147 mm筛的风干土壤用于土壤TP和TK的测定，新鲜土样用来测定土壤微生物量C（SMBC）和微生物量N（SMBN），微生物活性指标土壤脱氢酶、土壤N转化酶（脲酶）、土壤C转化酶（蔗糖酶和纤维素酶）、土壤P转化酶（酸性、中性和碱性磷酸酶）（鲜样6 h内完成提取）。

1.3 项目测定

1.3.1 植株指标测定方法

植株NO-3-N：水杨酸比色法［12］；可溶性糖：蒽酮比色法［14］；游离氨基酸：茚三酮比色法［15］；可溶性蛋白质：考马斯亮蓝比色法［16］；根系活力：氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法［14］。

1.3.2 土壤指标测定方法

土壤含水量、pH值、铵态氮（NH4+-N）、NO3-- N、TC、TN、Olsen-P、TP、速效K、TK含量采用常规方法进行分析。微生物量碳和微生物量氮：氯仿熏蒸 -0.5 mol·L-1K2SO4浸提 -TOC 仪测定；土壤脱氢酶：氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法［14］；脲酶：苯酚钠-次氯酸钠比色法［17-18］；蔗糖酶：3，5-二硝基水杨酸比色法［19-20］；纤维素酶：3，5-二硝基水杨酸比色法［19-20］；酸性、中性和碱性磷酸酶：磷酸苯二钠比色法［15］。

1.4 数据分析与统计

采用 Excel 2010 和 SPSS 19.0 软件进行数据统计分析，其中新型聚氨酸增效肥料施用对植株同化产物和根系活力以及土壤养分和酶活性的影响，采用单因素方差分析方法（one-way ANOVA）检验，各处理之间植株和土壤各个指标的差异比较采用T检验（P=0.05水平）。植株地上部生物量与各项植株和土壤指标的相关性采用多元逐步回归分析法分析。采用Sigmaplot 13.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 新型聚氨酸增效肥料对小白菜生长的影响

由表1可知，整个试验期间，小白菜的生物量随时间逐渐增加。与普通肥料处理相比，新型聚氨酸增效肥料处理显著增加了小白菜鲜重（P＜0.05）。其中，在收获期，小白菜地上部和根系的鲜重比CK处理分别高出12.5%和27.2%。小白菜植株中的TC、TN、P、K含量也随时间的增加而逐渐增大。与普通肥料相比，新型聚氨酸增效肥料在施用后第3 d至第60 d（收获期），小白菜植株中的TC、TN、P、K含量均显著高于CK处理（P＜0.05），分别提高了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对植株地上部鲜重、根系鲜重、植株中全碳、全氮、磷、钾含量和根系活力的影响

2.2 新型聚氨酸增效肥料对植株根系活力的影响

从表1可以看出，小白菜根系活力也呈现出随时间的增加而逐渐增大的趋势，在培养30 d达到最大值后逐渐降低。在整个生长季，与CK处理相比，新型聚氨酸肥料均能够显著提高小白菜根系活力，提高幅度达到8.3%～63.3%（P＜0.05）。

2.3 新型聚氨酸增效肥料对土壤速效养分和pH值的影响

如表2所示，在整个试验时期，施用新型聚氨酸增效肥料的土壤NH4+-N含量、有效磷含量均显著低于对照处理（P＜0.05），而土壤NO3--N含量则前期呈现新型聚氨酸增效肥料处理低于对照处理，而后期则高于对照处理的变化趋势。两个处理的速效钾含量仅在施肥后第1 d有显著差异（新型聚氨酸增效肥料处理比对照处理高12.5%），而后无显著差异（表2）。同时，新型聚氨酸增效肥料使土壤pH值显著提高了0.1～0.2个单位（P＜0.05）。

表2 新型聚氨酸增效肥料对土壤铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾、pH值、微生物量碳、微生物量氮和土壤脱氢酶的影响

2.4 新型聚氨酸增效肥料对土壤微生物量和活性的影响

试验结果显示，土壤微生物量碳和微生物量氮含量均随时间的增加逐渐升高，并在肥料施用后第7 d达到最大值后逐渐下降，在第30 d左右达到平衡（表2）。新型聚氨酸增效肥料的施用可明显提高土壤微生物量和微生物量C、N。其中，在整个观测时期，与对照相比，施用新型聚氨酸增效肥料使土壤微生物量碳和氮分别显著增加了2.9%～33.3%和7.1%～7.8%。施用新型聚氨酸增效肥料能显著增加脱氢酶活性（微生物活性指标），除第30 d外，均达到显著水平，增加幅度达9.4%～ 36.3%（P＜0.05）。

2.5 新型聚氨酸增效肥料对植株碳、氮同化产物及土壤酶活性的影响

新型聚氨酸增效肥料的添加对小白菜C、N同化过程产生重要影响（表3）。试验结果显示，新型聚氨酸增效肥料处理下的NO3--N含量和游离氨基酸含量均低于对照处理，而可溶性糖含量则显著增加了13.1%～28.5%（P＜0.05），对小白菜地上部的可溶性蛋白含量没有明显的响应。

与普通肥料处理相比，施用新型聚氨酸增效肥料能显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，显著提高土壤转化酶活性（P＜0.05）。除在第7 d显著高于普通肥料处理外，其他时期对土壤纤维素酶活性没有显著的影响。新型聚氨酸增效肥料处理的中性磷酸酶的活性前30 d基本小于CK处理，而后迅速增加，在试验后30 d显著高于对照处理（P＜0.05）。

多元回归分析结果表明，小白菜地上部生物量（鲜重）与其它变量之间存在显著的线性相关关系：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是土壤脱氢酶活性。

表3 新型聚氨酸增效肥料对土壤脲酶、蔗糖酶、纤维素酶、磷酸酶活性以及小白菜植株中硝态氮、可溶性糖、游离氨基酸和可溶性蛋白含量的影响

3 讨论

3.1 新型聚氨酸增效肥料对土壤养分可利用性的影响

研究结果显示，施用新型聚氨酸增效肥料能显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（用土壤脱氢酶活性表示）（表2）。这与孙刚忠等［21］，Xu等［11-12］的研究结果一致。试验中土壤pH值的明显增加可能一方面归因于聚谷氨酸主链上的大量羧基解离出质子使增效肥料具有阴离子特性，从而吸附土壤中的阳离子，另一方面可能归因于施用于土壤中的聚谷氨酸水溶液pH值在7左右。

在本试验中，新型聚氨酸增效肥料的施用能积极的调控土壤N、P、K养分的可利用性（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%，速效钾提高25.52%，这可能与增效肥料的保肥作用有关。通过提高土壤微生物量和酶活性来促进土壤养分转化，提高植物吸收养分的效率［23］。本试验结果显示，施用新型聚氨酸增效肥料后，土壤脲酶活性显著增加（表3）。然而，相对于普通肥料处理来说，施新型聚氨酸增效肥料处理土壤中NH4+-N相对较少，这可能是由于土壤NH4+-N（1）被带负电荷的聚谷氨酸吸附；（2）被聚谷氨酸增强的土壤微生物固持；（3）被植株吸收利用。施肥前期，新型肥料处理土壤NO3--N低于对照，这与NH4+-N含量变化趋势一致，3 d后显著高于CK处理，这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逐渐释放转化成NO3--N所致。这个研究现象表明新型聚氨酸增效肥料能够通过“暂存”土壤NH4+-N而延缓土壤NO3--N的形成，从而有助于更多来源于化肥的植物可利用态N存留于土壤中，并因此提高肥料的利用率、减少环境污染。同时，这些“存储”的无机N和微生物N的慢速释放，某种程度上能协同作物的生长需求而提供作物所需的营养。在本研究中，新型聚氨酸增效肥料的施用能够显著促进土壤中性磷酸酶的活性，应该伴随着土壤含有更多的活性磷，然而试验结果显示，新型聚氨酸增效肥料处理土壤中有效磷含量低于CK处理，这可能是由于：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进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处理下土壤（棕壤）pH值的提高促进活性磷的固定（Ca-P）。整个小白菜的生育期，两个处理之间的土壤速效钾含量基本没有显著差异，这可能归因于钾元素被土壤晶格的快速固定［8］。

3.2 新型聚氨酸增效肥料对植株养分吸收能力和同化能力的影响

本试验结果表明，新型聚氨酸增效肥料的施用不仅明显的提高了小白菜的根系生物量（8.6%～27.2%），而且显著的增强了小白菜根系的活性（8.3%～63.3%）（表1）。通过小白菜根系质量和活力的双重提升，来加强小白菜的养分吸收能力从而促进小白菜的生长。尚玉洁等［9］研究结果也表明，聚氨酸肥料使四季小白菜和苏州青根长分别增加了36.8%和19.7%，有利于对土壤养分和水分的吸收，这可能与聚氨酸肥料能够快速分解和吸附土壤中养分，有效促进作物根系发育，加快了养分的吸收和转化有关［24］。

在本研究中，小白菜的生物量、C含量和N含量均明显受到施用的新型聚氨酸增效肥料的影响，显著高于普通肥料处理（表2）。除此之外，本试验结果还表明，新型聚氨酸增效肥料能显著促进小白菜对P和K营养元素的吸收。这可能是由于新型聚氨酸增效肥料能够利用其螯合性能，促使作物更能有效地吸收土壤中的有效元素，促进作物生长。同时其自身所含有的聚氨酸可能随着作物的生长而完全降解成单体氨基酸，供作物吸收利用［8］。

同时，小白菜的C和N同化过程明显地受到新型聚氨酸增效肥料施用的影响，并表现为新型聚氨酸增效肥料处理下小白菜的可溶性糖含量显著增加而NO3--N和游离氨基酸含量显著降低（表3）。Zhang 等［10］研究结果表明聚谷氨酸的初级分解产物-L-谷氨酸多肽或者分子能够完整的被植株吸收。在植株的新陈代谢过程中，谷氨酸在谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶和转氨酶的作用下发挥着极为关键的作用［25］。一些研究已经表明，经L-谷氨酸处理的根系细胞能快速的引发细胞质膜内Ca2+浓度的增加和质膜的迅速去极化，并因此导致一系列细胞质离子浓度的改变，最终影响植株的同化代谢［26-27］。Xu等［11］也发现γ-PGA能显著的提高细胞质膜内游离Ca2+并激活植株细胞内的Ca2+或钙调蛋白（CaM）信号通道活性，并因此加速植株的N同化进程。由上述研究结果，可以推断新型聚氨酸增效肥料所含有的聚谷氨酸可能呈现出与L-谷氨酸相似的生理功能。其分解产物-L-谷氨酸在被植株吸收利用后可能引发小白菜C、N同化代谢一系列的下游反应，从而调节植株生长。

通过多元回归分析结果表明，小白菜的生物量与根系生物量、根系活力、土壤微生物量C、N、脲酶活性和土壤脱氢酶活性有关。说明新型聚氨酸增效肥料是通过加强植株根系养分吸收能力和促进微生物和酶活性调节养分可利用性来促进植物生长的。

4 结论

新型聚氨酸增效肥料使小白菜产量增加15.7%，提高了植株中碳、氮、磷、钾等各养分含量。

新型聚氨酸增效肥料显著增加了小白菜根系生物量和根系活力，从而明显增强植株养分吸收能力。

新型聚氨酸增效肥料显著增加了土壤微生物量和增强土壤脱氢酶的活性，提高了土壤微生物活性；能够有效延缓肥料氮素的释放；同时通过影响土壤酶活性来促进作物生长。