γ-聚谷氨酸磷肥增效剂对石灰性土壤有效磷的影响

付文杰，万亚珍，张文辉，梅丹丹，薛亚男

（郑州大学化工学院，河南 郑州 450001）

磷素是植物生长必需的矿质元素，是植物的生命元素之一［1］。由于磷素进入土壤后会被土壤胶体吸附，移动性差，进而固定为无效态磷，使有效性迅速降低，导致我国磷肥当季利用率只有10%～25%［2-3］。降低磷素在土壤中固定率是提高磷肥利用率最直接、最有效的途径。

目前对于这方面的研究主要集中在向磷肥中添加有机酸类物质或高表面积活性物质两个方面：日本桥本雄司发现腐殖酸能减少土壤对磷的固定［4］；孙桂芳［5］研究发现改性木质素、腐殖酸以及柠檬酸能够提高土壤有效磷的含量；李安淮［6］研究发现草酸能够提高磷肥的利用率；胡克伟［7］研究发现沸石及改性沸石能够通过吸附土壤中磷素降低磷肥在土壤中的固定，提高磷有效性。

有研究表明，氨基酸类物质能够影响土壤中磷素形态的转化［8-9］。进一步查阅文献认为氨基酸中γ-聚谷氨酸具有良好的保水能力，可以改进土壤团粒、缓冲土壤酸碱值变化等［10-15］，分析认为，其具有提高土壤有效磷的可能性。

本文拟采用γ-聚谷氨酸为磷肥增效剂，以磷酸一铵为磷源，进行室内埋土试验，研究γ-聚谷氨酸增效磷肥对土壤中有效磷、磷形态转化和土壤理化性质的影响，以期阐明γ-聚谷氨酸增效剂提高磷利用效率的机制，为γ-聚谷氨酸增效剂的推广应用提供理论依据。试验选用腐殖酸和草酸进行效果对照试验。

1 材料与方法

1.1 试验材料

增效剂聚谷氨酸、腐殖酸、草酸以及磷源磷酸一铵均由河南某生产企业提供。本试验土壤采用石灰性粘土，供试土壤按照鲁如坤《土壤农化分析》土壤采集方法进行采集，采集地点位于郑州市高新区西郊农田，一次性采集全部试验用土，风干，过0.15 mm筛，贮存备用。供试土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 土壤的基本理化性质

1.2 试验方法

培养方法：取500 g风干、过筛的土样加入塑料盆中，将磷肥增效剂与磷酸一铵混合均匀后施入土壤中，置于恒温箱内培养，温度设定为25℃，定期浇水，保持土壤水分为田间持水量的70%左右，施磷水平按照每千克土450 mg P2O5计算。本试验共设置8个处理，每个处理3次重复，处理方法如表2所示。

表2 室内埋土试验处理方法

1.3 分析方法

土壤pH的测定采用电极电位法；有机质的测定采用重铬酸钾氧化容量法；全磷的测定采用H2SO4-HClO4消煮、钼锑抗比色法；有效磷的测定采用NaHCO3㓎提、钼锑抗比色法［16］；石灰性土壤无机磷形态采用顾益初等［17］分级方法；磷肥固定率可以用下式表示［18］：固定率=（施入的磷含量-第N天土壤有效磷含量）/施入的磷含量×100%。

1.4 数据处理

运用SPSS 19.0、DPS 7.05软件进行数据处理；运用Origin 2016进行作图。

2 结果与分析

2.1 3种磷肥增效剂对土壤有效磷含量的影响

在磷肥增效剂与磷酸一铵的加入量均为1∶1的条件下，3种磷肥增效剂对土壤有效磷含量的影响结果见表3。在一定的温度和湿度条件下，CK0中的有效磷也会有变化，但变化幅度不大；单施磷肥组则不同，磷肥施入土壤后，很容易被固定，前20 d有效磷含量降低了118.67 mg/kg，固定率达到50.1%，占到总固定率的78%；加入3种磷肥增效剂的不同处理中，尽管有效磷含量降低，但幅度明显低于单施磷肥组，可见这3种磷肥增效剂对增加土壤中的磷素含量是有效的。相比较而言，γ-聚谷氨酸处理组的效果最好，在前20 d抑制效果显著，有效磷含量只降低了37.03 mg/kg，30～90 d有效磷含量也明显高于前两组。进一步分析认为γ-聚谷氨酸是一种性能优良的天然可食用聚合物，每一个γ-聚谷氨酸分子大概有10000～20000个羧酸基团，当γ-聚谷氨酸施入土壤中，这些羧酸基团就会与石灰性土壤中的Ca、Mg、Al、Fe等碱土金属结合，降低了这些金属离子与有效磷结合成为无效磷的可能性，使得土壤中有效磷增加。以下就γ-聚谷氨酸加入量、在土壤中的效应等进行分析，进而推断出其在土壤中解磷的可能机理。

表3 不同增效剂对土壤有效磷含量的影响 （mg/kg）

2.2 γ-聚谷氨酸不同加入量对土壤有效磷含量的影响

图1 γ-聚谷氨酸不同加入量对土壤有效磷含量的影响

以下进行不同加入量的γ-聚谷氨酸室内埋土试验研究。由图1试验结果可以看出，尽管有效磷在土壤中显示出被固定的趋势，但γ-聚谷氨酸不同加入量处理组的有效磷含量均高于单施磷肥处理组，且随着γ-聚谷氨酸加入量增加效果更加明显。在试验的第90 d，加入量从低到高（0.25∶1～1.5∶1）与单施磷肥处理组相比有效磷含量分别提高了8.35%、42.6%、57.85%和71.36%，说明在本试验加入量范围内随着γ-聚谷氨酸加入量的增加有效磷含量增加的越显著；从增加趋势来看，γ-聚谷氨酸的加入量每增加25%，土壤有效磷含量的增加率分别为410.01%、17.94%和11.67%，说明随着γ-聚谷氨酸量的增加，土壤有效磷含量虽然也在增加，但是增加速率放缓。因此，在综合考虑经济因素的情况下，本试验选取加入量为γ-聚谷氨酸∶NH4H2PO4=1∶1的处理组进行以下研究。

2.3 γ-聚谷氨酸增效磷肥对土壤无机磷形态的影响

对γ-聚谷氨酸 ∶NH4H2PO4=1∶1处理组土壤中的无机磷形态进行分级，由表4可以看出，单施磷肥处理组和γ-聚谷氨酸处理组的Ca2-P含量都在随时间延长降低，Ca8-P含量随时间延长增加，表明土壤中有效态磷向无效态转化。γ-聚谷氨酸处理组Ca2-P含量始终高于单施磷肥处理组，在培养90 d后，Ca2-P增加了27.73 mg/kg，提高了67.58%。γ-聚谷氨酸处理组和单施磷肥处理组的Ca10-P含量有增大的趋势，说明部分的Ca2-P转化成Ca8-P，再转化成难溶态Ca10-P，但是转化速率较慢。资料认为，O-P变化不大，为稳定态磷，实质上是被铁氧化物胶膜包被的还原性磷酸铁铝盐，并且部分被束缚在硅酸晶格内，在非强烈还原条件下，较短时间内很难被分解而参与到土壤磷的循环中［19］。

表4 聚谷氨酸增效磷肥对土壤无机磷形态的影响

2.4 γ-聚谷氨酸处理组土壤有效磷与无机磷形态的相关性及通径分析

为进一步探讨γ-聚谷氨酸处理对土壤有效磷与无机磷形态的影响，对γ-聚谷氨酸处理组土壤有效磷与无机磷形态进行相关性及通径分析，结果由表5可知，经γ-聚谷氨酸处理组的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P与有效磷的相关系数分别为0.871、-0.797、-0.102、-0.414、0.347和-0.483，因此各种无机磷组分与有效磷的相关性大小为Ca2-P>Ca8-P>Ca10-P>Fe-P>Al-P>O-P，其中只有Ca2-P与有效磷呈极显著正相关，Ca8-P与有效磷呈极显著负相关，Ca10-P与有效磷呈显著负相关，Al-P、Fe-P和O-P与有效磷的相关性不显著。

相关性分析能够表明各种形态无机磷与有效磷的相关性，但并不能表征自变量与因变量相对重要的程度，也不能反映自变量对因变量是直接影响还是通过其他因素的间接影响，通径分析能够很好地解决这些问题。决策系数可以表征各自变量对响应变量的综合作用，决策系数最大的为主要决策因子，而决策系数为负值且最小的为主要限制因子；直接通径系数和间接通径系数可以分别表征各个自变量对响应变量直接影响及其通过其它自变量对响应变量的间接影响。从表5中可以看出，Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P及O-P的直接通径系数为正值，但除Ca2-P的直接通径系数较大，其余因素的都小于0.1，这表明Ca2-P对有效磷的直接影响作用最大，Ca2-P的减少会导致有效磷含量的下降；Al-P和Fe-P的直接通径系数为负值，这表明Al-P和Fe-P的增加会导致有效磷含量的下降。决策系数表明Ca2-P（0.759）是有效磷含量的主要决策因子；Ca8-P（-0.087）和Ca10-P（-0.057）是有效磷含量的主要限制因子。因此，要提高有效磷含量，必须提高土壤中Ca2-P的含量，限制土壤中Ca2-P向Ca8-P和Ca10-P的转化。

2.5 γ-聚谷氨酸增效磷肥对土壤pH的影响

pH值是土壤酸碱度的重要指标，是影响土壤中营养元素释放和有效性的重要因素之一［20］。图2是γ-聚谷氨酸对土壤pH的影响。从图中可以看出聚谷氨酸处理组和单施磷肥组的pH在0～20 d均有不同程度的增加，20～90 dγ-聚谷氨酸处理组的pH显著降低并趋于稳定。可见，γ-聚谷氨酸增加土壤有效磷从原理上不同于腐殖酸［21］、草酸和柠檬酸［22］等有机酸，它们是通过增加土壤酸性、酸解出难溶磷酸盐中的磷增加土壤有效磷含量的。

2.6 γ-聚谷氨酸增效磷肥对土壤碳酸钙含量的影响

土壤中的碳酸钙对土壤理化性质以及磷在土壤中的吸附解吸有重要影响［23-24］，特别是对本试验所用石灰性土壤影响更加显著。因此，研究γ-聚谷氨酸磷肥增效剂对土壤中碳酸钙含量的影响很有必要。

图2 土壤培养条件下聚谷氨酸增效磷肥对土壤pH的影响

图3 是γ-聚谷氨酸磷肥增效剂对土壤中碳酸钙含量的影响。在整个试验周期内，γ-聚谷氨酸处理组、单施磷肥处理组和CK0的碳酸钙平均含量分别为37.42、38.36和39.23 g/kg。可以看出，γ-聚谷氨酸处理组明显降低土壤中碳酸钙含量，在第60 d时含量达到最低，为36.79 g/kg，与对照组相比降低了2.38 g/kg，与单施磷肥处理组相比降低了1.00 g/kg；γ-聚谷氨酸处理组比单施磷肥处理组和对照组的碳酸钙分别降低了2.47%和4.62%。

可见，γ-聚谷氨酸磷是通过降低土壤中的碳酸钙含量增加土壤有效磷。石灰性土壤碳酸钙含量较高，形成不溶性磷酸钙的几率高，当γ-聚谷氨酸磷施入土壤中，其中的钙离子会交换到γ-聚谷氨酸中使得土壤对磷的固化能力下降。

图3 土壤培养条件下聚谷氨酸增效磷肥对土壤碳酸钙含量的影响

3 讨论与结论

本研究结果显示，γ-聚谷氨酸可以降低磷肥的固定率，提高磷肥的有效性。通过与常用磷肥增效剂草酸和腐殖酸进行对比，发现施用γ-聚谷氨酸更能够明显提高磷肥在土壤中的利用率，降低磷肥在土壤中的固定，培养90 d后，γ-聚谷氨酸、草酸和腐殖酸处理后的土壤有效磷含量分别为122.15、101.69和81.36 mg/kg。主要原因可能是：第一，γ-聚谷氨酸主链上有大量游离的羧基，可以与土壤中的金属离子络合，降低了这些金属离子与有效磷结合成为无效磷的可能性［25］；第二，γ-聚谷氨酸能够降低土壤中碳酸钙含量，减少石灰性土壤中磷的主要吸附位点［26］；第三，通过对土壤无机磷形态进行分析，γ-聚谷氨酸能够更好地降低Ca2-P向Ca8-P和Ca10-P的转化。

γ-聚谷氨酸具有无毒性、生物可降解性等优点，在农业生产中具有非常大的应用价值［27］。已有研究表明，γ-聚谷氨酸与氮肥配施，能够促进植物对氮肥的吸收，提高氮肥的利用率［28］。近年来，随着分子生物学技术的不断发展，γ-聚谷氨酸的产量大幅度提高，此外，利用工业、食品废水和农业废弃物发酵生产γ-聚谷氨酸已经取得成功，降低了生产成本，变废为宝，实现了经济与环境效益的双赢［29］。因此，γ-聚谷氨酸作为一种性能优良的磷肥增效剂，具有非常大的市场价值。