施用羽毛生物降解液对白菜生长和基质养分的影响

魏启舜 赵荷娟 周影 黄莹 文蔚明 王琳

摘要：为了研究羽毛生物降解液对白菜生长的影响，在含氮量均为0.16 g/L氮肥水平下，以清水作为对照，比较羽毛生物降解液（YA）、商品氨基酸肥（SA）、三元素水溶复合肥（FH）处理后白菜的SPAD值、株高、地上部分生物量、氮肥利用率及栽培基质养分含量。结果表明，YA、SA和FH处理白菜的SPAD值、株高、地上部分生物量均显著大于CK处理，YA处理白菜的SPAD值、株高、单株鲜质量和氮肥利用率均显著大于SA处理，YA处理白菜的SPAD值显著大于FH处理，而株高、地上部分生物量和氮肥利用率与FH处理没有显著差异。YA处理的基质全氮、速效磷含量提高，而速效钾含量下降。综合分析表明，羽毛生物降解液对白菜的肥效显著，可进一步研究开发成商品肥。

关键词：羽毛生物降解液;白菜;生长;基质养分;氮肥利用率

中图分类号： S634.36+1 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0156-04

随着我国农业经济的飞速发展，畜禽的规模化养殖与日俱增，因此也产生了大量的废弃物，其中家禽的羽毛仅有20%用于羽绒服、体育用品和工艺品上，近80%以上被作为废弃物处理，而禽类羽毛中含有高达90%的角蛋白，而角蛋白由丰富的赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、色氨酸等18种氨基酸组成，倘若进行妥善的加工处理，能使羽毛转化为非常有价值的可再生资源，因此羽毛降解的方法一直是研究热点。目前，废弃角蛋白一般通过化学处理和热处理的方法进行降解，利用高温、高压和强酸、强碱将角蛋白分解成氨基酸，但这种传统方法不够经济、环保，而利用微生物处理角蛋白的方法具有高效、经济、生态安全的优点，成为目前角蛋白类废弃物资源化利用的最佳途径[1-5]。

近来江苏丘陵地区南京农业科学研究所经试验筛选后获得一批高效降解羽毛角蛋白的常温菌和嗜热菌，通过发酵条件优化，进一步提高羽毛的降解效率和氨基酸转化率，这些微生物具有很高的实用价值。羽毛降解后的溶液中含有丰富的氨基酸，施用氨基酸肥在土壤中不累积无机氮，氮循环的效益更显著，并且能避免化肥带来的潜在环境隐患[6]，生态效益十分明显。因此，氨基酸肥作为一种新型肥料已经逐渐得到认可，但国家标准要求氨基酸必须螯合多种微量元素后才能成为商品肥料进入市场流通，许多研究报道中的试验材料基本为螯合了微量元素后的商品氨基酸肥，而羽毛降解后的氨基酸混合溶液作为肥料直接使用对植物生长的影响鲜有报道。本试验是在等氮素水平下，以上述微生物降解羽毛后的氨基酸混合液和商品氨基酸肥、三元素水溶复合肥进行的肥效试验，用白菜作为载体，初步探索羽毛生物降解液对白菜SPAD值、株高、地上部分生物量及栽培基质中养分含量的影响，以期为羽毛生物降解液的肥料化利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验栽培白菜品种为暑优，采购于南京金盛达种子有限公司。栽培基质为丹麦品氏育苗基质，粒径为0～10 mm，采购于京东商城，基质的主要理化性质为：全氮含量 36.01 mg/kg、速效磷含量218.80 mg/kg、速效钾含量 1 280.11 mg/kg、pH值6.04、EC值0.41 mS/cm、容重 0.114 g/cm3、总孔隙度81.66%、大小孔隙比0.252。试验用肥料分别为：自制羽毛生物降解液，游离氨基酸含量 4.03 g/L，全氮含量0.65 g/L;市场采购的商品氨基酸肥，游离氨基酸含量495 g/L，全氮含量79.20 g/L;市场采购的常用三元素水溶复合肥，氮、磷、钾的含量比例为20% ∶20% ∶20%。

1.2 羽毛生物降解液制备

在羽毛发酵培养基中接入1%高温放线菌（Thermoactinomyces sp.）YT06种子液，55 ℃、180 r/min摇床培养3 d后，离心收集上清液，测定上清液中游离氨基酸含量，根据用量适度稀释，详细方法参照文献[7]。

1.3 处理设计

试验共设4个处理，分别以YA代表羽毛生物降解液、SA代表商品氨基酸肥、FH代表三元素水溶复合肥、CK代表对照。各肥料处理设计为等氮素含量，以商品氨基酸肥建议使用浓度500倍所含的氮素含量为标准进行配制，即各处理浇施的肥料含氮量均为0.16 g/L，CK为浇施清水，除试验处理肥料外，白菜生长过程中不施基肥及其他肥料，各处理采用完全随机排列，每个处理重复10次。

1.4 试验方法

试验于2017年8—9月在江苏丘陵地区南京农业科学研究所栽培实验室进行，栽培基质经高压灭菌2次，每次为 121 ℃、30 min，然后烘干备用。白菜选用规格为10 cm×8 cm（盆高×口径）的塑料盆进行栽培，播种前将基质装入塑料盆中，每盆用量45 g，用纯水充分浸润放置3 d，白菜种子用0.1% KMnO4溶液浸泡15 min[8]，用纯水清洗干净，然后选择大小相当的种子均匀地播种到准备好的盆中，每盆播种15粒，种子萌发后待長出2～3张真叶时保留5株/盆长势一致的幼苗进行培养，以宸华牌蔬菜类生长LED红蓝补光灯为光源，设定光照时长为15 h/d[9]。7 d后开始进行肥料处理，每盆浇施量为45 mL，CK浇施等量清水，以后每7 d浇施1次，共浇施4次，播种40 d后各处理随机选取3盆测定白菜各项指标，并测定基质的养分含量。

1.5 测定指标与方法

SPAD值测定[10-11]：采用日本Konica Minolta公司SPAD-502 Plus型叶绿素仪测定，每株测定顶端3张完全展开的叶片，每个处理测量3盆共15株，取平均值。

植株株高测定[12]：白菜小心拔出，然后直接以直尺测量根茎部以上的长度，每个处理测量3盆共15株，取平均值。

植株鲜质量与干质量[12]：将拔出的白菜切除根部，擦拭干净后用天平测定鲜质量;以烘干法测定干质量，即将植株在105 ℃的烘箱中杀青30 min，然后以80 ℃烘干至恒质量，每个处理测量3盆共15株，取平均值。

基质pH值、EC值以1 ∶5法测定;容重、孔隙度以环刀法测定[13];全氮含量采用半微量开氏法测定;速效磷含量采用醋酸铵（NaHCO3）浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[14]。

养分利用率[15-16]计算：氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮后作物产量-不施氮作物产量）/施氮量;

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮后作物产量/施氮量。

1.6 数据处理

数据采用SPSS 19.0软件进行统计分析，Duncan's多重比较，显著水平均α=0.05，采用Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 不同肥料处理对白菜生长和产量的影响

2.1.1 对SPAD值的影响

植物叶片的SPAD值与叶绿素含量具有显著的正相关性，与含氮量也具有密切正相关性，生产上可以利用SPAD值来进行植物氮素营养是否缺少的快速诊断[17-20]。由图1可以看出，不同肥料处理后白菜的SPAD值存在显著差异，表现为YA处理>SA处理>FH处理>CK。YA处理的SPAD值为70.10，比CK和FH处理分别提高173.29%和81.14%，说明YA处理可以显著提高白菜叶片的叶绿素含量，植株氮素营养表现最充足[17]。而YA处理比SA处理的SPAD值高49.15%，处理间也达到显著水平（P<0.05），这应该跟2个处理氨基酸组分差异有关，有研究表明影响叶绿素合成的主要为谷氨酸[21]和5-氨基乙酰丙酸[22-23]，试验中虽然YA处理和SA处理浇施的含氮量相等，但2个处理均为复合氨基酸，可能羽毛生物降解液中含有更多有利于叶绿素合成的谷氨酸、5-氨基乙酰丙酸等物质。

2.1.2 对株高的影响

株高是植物长势的直接表征。由图2可以看出，不同肥料处理后白菜的株高总体存在显著差异，表现为FH处理>YA处理>SA处理>CK。YA处理的株高为15.00 cm，比CK高70.26%，FH处理的株高为15.79 cm，在所有处理中最大，但与YA处理没有显著差异，说明浇施羽毛生物降解液可以显著促进白菜的生长。SA处理的株高为 13.45 cm，虽然显著大于CK，但也显著小于YA处理，这与SPAD值规律相似，同样可能是因为不同种类氨基酸对白菜吸收利用率和影响效应差异引起的[24-25]。

2.1.3 对地上部分生物量和含水率的影响

由表1可以看出，YA处理的白菜单株鲜质量和干质量分别为5.67、0.34 g，均为各处理中最高的，分别比CK增加342.97%、41.67%，说明浇施羽毛生物降解液可以显著提高白菜地上部分生物量。YA处理的白菜单株鲜质量比SA处理高27.99%，处理间差异达到显著水平（P<0.05），这可能是2个处理的混合氨基酸组成种类不同导致的，而本试验白菜品种更易吸收利用YA处理的氨基酸，从而造成植株生物量积累的显著差异[10，26]，2个处理虽然施氮量相等，但YA处理中含有的混合氨基酸养分更容易被供试白菜吸收和利用。YA、SA和FH处理之间白菜单株干质量与植株含水率没有差异，但均显著高于CK。CK由于没有追施过肥料，白菜只能吸收利用基质中含有的少量养分，长势十分衰弱，营养物质的缺乏严重制约了植株的水分利用率和干物质的积累[27]，导致白菜地上部分生物量和植株含水率均显著低于其他处理。

2.2 不同肥料处理对白菜氮肥利用率的影响

由表2可以看出，YA处理的白菜氮肥利用效率显著大于SA处理，但与FH处理差异不显著。氮肥农学效率和氮肥偏生产力分别能够反映单位施氮量下作物产量的增加情况和施氮量对产量的贡献情况[15]，各处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力均表现为YA处理>FH处理>SA处理，YA处理比FH处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力分别高10.85%、8.20%，但处理间差异不显著，说明试验氮素水平下，羽毛生物降解氨基酸比三元素复合肥氮肥利用率更高。YA处理显著高于SA处理，说明羽毛生物降解的混合氨基酸比试验选用的商品氨基酸肥更适合供试白菜吸收利用。

2.3 不同肥料处理对基质养分的影响

由表3可以看出不同处理后基质的养分情况，除了CK基质的全氮、速效磷含量有所降低，其他处理基质全氮含量均为增加，其中含氨基酸成分的YA、SA处理的全氮含量分别增加28.83%、17.97%，可能跟白菜和微生物对氮的反馈作用不同使得基质中氮的利用率和损失率不同有关[27]。YA、SA处理的速效磷分别增加56.63%、51.63%，可能是氨基酸肥中含有部分速效磷，加上氨基酸促进了基质富集大量微生物从而将基質中的磷元素转化和释放后形成[28]。FH处理浇施的三元素水溶复合肥中含有足量的磷肥，白菜吸收利用后残留较高，使得基质速效磷的含量最高，比栽培前增加了183.33%。

不同处理后基质的速效钾均为减少，其中浇施含氨基酸成分的YA、SA处理分别减少61.56%、63.87%，这应该是白菜吸收利用形成的，而FH处理浇施的三元素水溶肥中含有钾肥，补充了基质中的钾养分，栽培白菜后基质的速效钾仅减少35.32%。

CK白菜生长过程除了吸收利用栽培基质中的养分外，没有施用肥料，栽培后基质的全氮、速效磷、速效钾含量分别下降1.14%、12.48%、38.56%。由于缺少肥料，植株生长严重不良，只在前期吸收利用了基质中的部分肥料元素，后期基本停止生长，养分利用量均不大。

3 结论与讨论

大量报道表明，植物外源施用氨基酸，可促进植物的生理活性，增加叶片的叶绿素含量，促进作物对养分的吸收利用，有利于植物干物质的积累，从而提高植物生物量[6，29-32]。本试验结果与这些报道一致，含有氨基酸成分的YA处理与SA处理白菜的SPAD值、株高、地上部分生物量均显著高于CK。但植物对氨基酸吸收和利用跟植物的品种和氨基酸的种类、浓度等均有密切的关系[10，21-27，33-34]，这应是造成YA处理与SA处理的白菜在SPAD值、株高、单株鲜质量和氮肥利用率均存在显著差异的主要因素，从本试验结果来看，羽毛生物降解液比商品氨基酸肥更适合作为供试白菜追肥使用。

羽毛生物降解液含有丰富的有机氮，同时含有多种生物活性物质和微生物代谢产物等，在土壤中可以快速代谢或被植物和微生物直接吸收，还能够促进栽培基质中有机物的分解和难溶性矿物质养分的释放，最终可以改变土壤的理化性质[28]。试验中YA处理4次后基质的全氮、速效磷含量分别比栽培前的基质增加28.83%和56.63%，可见施用羽毛生物降解液在提高白菜产量的同时，还提升了栽培基质的养分含量，氨基酸肥作为新型的功能性肥料今后可以加强推广应用，这将对我国生态农业的发展具有重要意义[6]。

在本试验中，在含氮量为0.16 g/L的肥料水平下，羽毛生物降解液浇施的白菜氮肥利用率最高，由于氮肥更有效地吸收与利用，使得该处理白菜的SPAD值、地上部分生物量比其他处理更高，综合分析表明，羽毛生物降解液的肥效比供试的三元素复合肥、商品氨基酸肥更好。作为实验室产品直接利用便表现出良好的肥效作用，若再通过提纯、螯合等技术开发成商品氨基酸肥料，未来很可能会拥有广阔的市场前景，而通过微生物降解角蛋白来生产氨基酸肥料，比传统的化学分解提取更经济、环保，值得进一步研究与推广。

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