摘要:水溶性氨基酸肥料是一种新型的植物功能性有机肥料。为探究水溶氨基酸肥对植物生长的影响,本文以鱼产品下脚料为原料,通过合理优化料水比、蛋白酶种类和酶量以及水解条件制备水溶性氨基酸肥料。进而通过水培试验以不同稀释倍数的鱼蛋白水溶肥对小麦百农矮抗58进行施肥,确定最适稀释倍数,并分别采取喷施与浇施两种方法对番茄新中蔬四号进行施肥,研究水溶性氨基酸肥不同施肥处理对农作物生长发育的影响。结果表明:以1∶3料液比、添加0.1%碱性蛋白酶、50℃酶解4 h条件下,利用鱼蛋白下脚料可以制备可溶氨基酸总量为16.925 mg·g−1,且植物易利用氨基酸比例高(约50%)的鱼蛋白水溶肥。水培试验表明鱼蛋白氨基酸水溶肥的最适施用浓度为稀释100倍(DB100)。DB100显著提高了小麦种子萌发率和种子活力指数,促进了小麦幼苗的根长和根冠比(P<0.05)。以DB100作为稀释标准,盆栽番茄喷施氨基酸肥显著提高了番茄幼苗的株高(22.9%)、叶面积(38%)和叶片叶绿素含量(33.3%)(P<0.05),且降低了番茄叶片丙二醛含量(26.7%,P<0.05)。而水溶肥浇施与对照CK相比无显著差异(P>0.05)。盆栽试验说明叶面喷施水溶肥能够直接为植物提供营养物质,植物易吸收和利用,从而促进番茄的生长发育,增强植物叶光合作用效率,提高植物抗氧化能力。综上所述,合理使用水溶氨基酸肥可以显著促进植物种子萌发和幼苗生长,而叶面喷施水溶氨基酸肥显著促进了植物叶片的光合效率和植株的生长。
关键词:鱼产品加工下脚料;水溶氨基酸肥制备;稀释倍数;施肥方式;促进植物生长中图分类号:S145.2文献标志码:A文章编号:0253−2301(2024)10−0021−08 DOI:10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.10.004
林湘雪,何咏梅,辛恺达,等.鱼蛋白水溶氨基酸肥的制备及其对植物生长发育的影响[J].福建农业科技,2024,55(10):21−28.
Preparation of Fish Protein Water-soluble Animo Acid Fertilizer and Its Uitilization Effect onCrop Growth and Development
LIN Xiang-xue,HE Yong-mei,XIN Kai-da,ZHANG Ting,LI Xin,TIAN Bao-yu*
(Fujian University Key Laboratory of Cellular Stress Response and Metabolic Regulation,College of Life Science,Fujian Normal University,Fuzhou,Fujian 350108,China)
Abstract:The water-soluble amino acid fertilizers are a novel type of functional organic fertilizers for plants.In order to explore the influence of water-soluble amino acid fertilizers on plant growth,in this paper,the fish product waste was utilized as the raw material,and the water-soluble amino acid fertilizers were prepared by reasonably optimizing the ratio of feed to water,the types and amounts of proteases,and the hydrolysis conditions.Subsequently,throughhydroponic experiments,the fish protein water-soluble fertilizers with different dilution multiples were applied to the wheat Bainong Aikang 58 to determine the optimal dilution multiple.Moreover,the two fertilization methods of spraying and pouring were respectively used to fertilize the tomato Xinzhongshu No.4,thus to investigate the effects of different fertilization treatments of water-soluble amino acid fertilizers on the growth and development of crops.The results indicated that under the condition of 1∶3 liquid-solid ratio,with the addition of 0.1%alkaline protease and enzymatic hydrolysis at 50℃for 4 hours,the fish protein waste could be used to prepared the fish protein water-soluble fertilizer with a total soluble amino acid content of 16.925 mg·g−1 and a high proportion of amino acids(about 50%)that could be easily used by plants.The hydroponic experiments indicated that the optimal application concentration of the fish protein amino acid water-soluble fertilizer was diluted 100 times(DB100).DB100 significantly enhanced the germination rate and vitality indexof wheat seeds,and promoted the root length and root-shoot ratio of wheat seedlings(r<0.05).With DB100 as the dilution standard,the foliar spraying of amino acid fertilizer on the potted tomato seedlings significantly increased the plant height(22.9%),leaf area(38%),and leaf chlorophyll content(33.3%)of tomato seedlings(r<0.05),and decreased the malondialdehyde content in tomato leaves by 26.7%(r<0.05).However,there was no significant difference between the application of water-soluble fertilizer through irrigation and the control CK(r>0.05).The pot experiment demonstrated that foliar spraying of water-soluble fertilizer could directly provide nutrients to plants,which were readily absorbed and utilized,thereby promoting the growth and development of tomatoes,enhancing the photosynthetic efficiency of plant leaves,and improving the antioxidant capacity of plants.In conclusion,the rational use of water-soluble amino acid fertilizer could significantly promote plant seed germination and seedling growth,while the foliar spraying of water-soluble amino acid fertilizer significantly promoted the photosynthetic efficiency of plant leaves and the growth of plants.
Key words:Fish product processing scraps;Preparation of water-soluble amino acid fertilizer;Dilution ratio;Fertilizer utilization method;Plant growth promotion
随着人们生活水平的提高,对蔬菜和水果等高经济价值的农产品的需求不断增加。为追求更高的产量与更优的品质,长期且过量施用无机化肥的现象日益严重[1]。这一做法不仅导致土壤理化性质退化[2],阻碍植物对营养元素的有效吸收,且对环境与食品安全构成潜在威胁[3]。对于大多数蔬菜类经济作物来说,其生长周期短,要求化肥经济无害、环境友好、低残留且见效快。原农业部在《到2020年化肥使用量零增长行动方案》中积极倡导推进有机肥资源的开发利用,并鼓励积极探索有机养分资源利用的有效模式[4]。我国有机肥种类丰富,其中畜禽粪尿是目前国内传统农业的主要有机肥来源[5]。然而,畜禽粪尿用作有机肥时氮损失率高、携带病原微生物、寄生虫等,不仅会造成环境污染,也对食品安全与人畜健康造成一定威胁[6]。因此,寻找一种既能提供充足养分又安全环保的有机肥料替代品显得尤为重要[7]。
我国水产资源十分丰富,福建省凭借得天独厚的海洋环境和海洋资源,拥有13.6万km2的海域面积、3 752 km的大陆海岸线和2 214个的海岛,其海洋资源总量位居全国第2。2021年,福建省渔业产值达到1 675.42亿元,位居全国第4[8]。然而,在水产品的加工过程中会产生大量难以高值化利用的有机废料,如鱼头、鱼骨、内脏、鳞片、鳍等。这些有机下脚料主要用于低值动物饲料或丢弃到海洋中,造成严重的环境污染[9]。将废弃鱼料进行资源化利用,是改善这一状况的有效手段。废弃鱼料的蛋白质含量很高,可经过酶解降解生成富含低分子短肽和氨基酸等营养物质的水溶性氨基酸肥料(WAAF)。水溶性氨基酸肥料(WAAF)是一种新型的功能性有机肥料,为植物提供了易于吸收的氮源,促进蛋白质合成和光合作用[10],增强植物的抗压性和营养吸收效率[11]。郑伟[12]研究发现鱼蛋白液肥可促进白菜生长,提高其产量,也可促进茶叶萌发,提高总萌芽数。李方勇等[13]在常规施肥的基础上喷施鱼蛋白水溶肥,提升了松花菜品质和产量。谷旭琳[14]通过在草莓温室中冲施鱼蛋白肥,增加草莓产量,提高果实品质。
由于氨基酸肥料完全溶于水,可以方便地通过喷雾器、灌溉系统等方式施用,且不会在土壤中产生盐堆积或化学残留,对植物无毒,符合发展环境友好的可持续农业要求[15]。此外,氨基酸肥料有助于改善土壤结构,提升土壤有机质的分解和养分的循环利用效率,减缓土壤酸化[16],促进有益微生物的活动,从而提高作物的产量和品质[17],同时减少农药使用,降低农业生产成本。研究表明,氨基酸肥料在提高植物生长和光合性能方面,比传统肥料更有效,并能够减少氮的浸出损失,提高土壤中的氮吸收效率[18]。总体而言,氨基酸水溶性肥料不仅能有效促进作物的健康生长和优质高产,还能改善土壤质量,具有重要的农业和环境保护意义。
番茄是一种兼具一年生与多年生特性的草本植物[19]。据粮农组织(FAO)统计,中国是全球最大的番茄生产国,2020年种植面积和产量分别占世界总量的22%和34.72%[3]。小麦作为世界第一大粮食作物,全球约有2/5的人口以小麦为主要粮食[20−21]。本研究分别以小麦和番茄作为材料,以制备的鱼蛋白水溶氨基酸肥作供试肥料,首先通过水培试验探究不同稀释倍数的水溶肥对小麦百农矮抗58种子萌发和幼苗生长的影响,并确定最适的氨基酸水溶肥稀释倍数。随后,分别采取喷施与浇施两种方法对番茄新中蔬四号进行施肥,研究水溶性氨基酸肥施肥方式对植物光合作用效率和生长发育的影响。本研究将为开发安全且环境友好的新型氮源肥料及其在蔬菜和重要农作物的科学合理施用提供参考依据。
1材料与方法
1.1试验材料
鱼下脚料(主要为鱼内脏、鳞以及鱼头鱼鳃等加工下脚料)来自福建省福州市仓山程埔头市场。蛋白酶购于沧州夏盛酶生物技术有限公司。平板水培试验测试种子萌发和根促生效果选用小麦百农矮抗58种子;盆栽试验测试叶面喷施施肥效果选用番茄新中蔬四号品种。
1.2鱼蛋白水溶肥的制备
称取适量鱼产品下脚料于烧杯中,分别按料液比1∶1,1∶3和1∶5(m/v)加入蒸馏水,用S18-LA180型碎肉机搅拌直至料液为匀浆状。分别按0.1%的添加量加入碱性蛋白酶、复合蛋白酶、风味蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶,在相应的最适pH和最适反应温度条件下水浴酶解4 h,双层纱布过滤于−20℃保存备用[22]。原液和水解上清液根据凯氏定氮法(GB 5009.5−2016《食品中蛋白质的测定》)测定总含氮量,根据GB 5009.124−2016《食品中氨基酸的测定》[23]对样品中的氨基酸种类和含量进行测定。
1.3施肥方案设计
1.3.1水培试验制备的鱼蛋白水溶肥分别稀释10倍(DB10)、100倍(DB100)、1 000倍(DB1000)3个不同浓度用于平板水培实验,以蒸馏水处理为对照组(CK)。小麦种子按董淑琦等[24]的方法进行消毒处理。用镊子将消毒后的小麦种子均匀摆放在铺有两层滤纸的无菌培养皿中,并在培养皿中加入1 mL无菌水润湿滤纸。小麦种子在暗处培养12h吸水膨大后,分别加入1 mL不同浓度的鱼蛋白肥,并转至室温光照条件下培养。如有必要中间用无菌水或相应稀释水溶肥补充损失水分,保持滤纸湿润状态,培养至第3 d、第8 d后分别测量和计算种子萌发率和植物生长指标。每种处理设5次重复。
1.3.2盆栽试验以上述制备的水溶氨基酸肥和确定的稀释倍数为基础,以番茄作为试验材料,通过盆栽试验比较叶面喷施和地面浇施两种不同施肥方式(以不施肥仅浇水的处理作对照)对植物生长的影响。盆的规格为口径20 cm,高13 cm。叶面喷施每隔1周喷施1次,用喷壶加压均匀将氨基酸肥喷洒在叶面上(约20 mL);地面浇施氨基酸肥每隔1个月施加1次,每盆施加20 mL[25]。待番茄长至8叶1心采样测定生理指标。
1.4植物生长指标和理化项目的测定
1.4.1植物生长指标按Zhang等[26]的方法测定种子的发芽势和发芽率,按梁晶等[27]的方法计算发芽指数、根冠比以及种子活力指数,按郭琳琳等[28]的方法计算幼苗含水量。按《番茄种质资源描述规范和数据标准》测定株高茎粗[29]。叶面积计算按照龚雪文等[30]的方法执行,选取顶端前3张完全展开的功能叶,用直尺测量其叶长、叶宽,求平均数。采取新鲜叶片用精密电子天平称量植株鲜重,然后于110℃杀青,60℃烘干至恒重后测定干重[31]。
1.4.2叶片叶绿素含量的测定按照李合生[32]的办法计算叶片的叶绿素含量。
1.4.3叶片丙二醛含量的测定收集50 mg新鲜番茄叶剪碎,加入500 mL 80%乙醇,在4℃条件下孵育1 h后,于4℃以20 000 r·min−1离心10 min,收集上清液并等分为两份,分别与等量下列两种溶液混合:(1)含有20%(质量体积比)三氯乙酸(TCA)及0.5%(质量体积比)硫代巴比妥酸(TBA)的混合液;(2)纯20%(质量体积比)三氯乙酸溶液。
两份混合液充分混匀后,分别在95℃条件下孵育40 min。孵育后将样品冷却并在4℃条件下以2 000 r·min−1离心5 min。收集上清液分别在440、532以及600 nm波长下读取吸光度值,并按式(1)、(2)、(3)计算MDA含量[33],结果以nmol·mg−1的形式表示。
A=Abs532i一Abs600i一(Abs532ii一Abs600ii)(1)
B=0:0571x(Abs440i一Abs600i)(2)
MDA equivalents(nmol·ml一1)=157 0(A一)00(B)x 106(3)
1.5数据的统计和分析
数据利用Microsoft Excel 2016进行统计、整理、分析,使用SPSS 16.0软件对数据进行显著性差异分析,并用Prism 9软件绘图。
2结果与分析
2.1鱼蛋白水溶氨基酸肥的制备和氨基酸含量测定
通过对料水比、蛋白酶种类、酶量以及反应条件优化,最终得到合适的鱼蛋白水解氨基酸工艺。将鱼产品下脚料按料液比1∶3(m/v)加入蒸馏水,搅拌至料液为匀浆状后按0.1%的添加量添加碱性蛋白酶,在50℃水浴条件下酶解4 h,双层纱布过滤后即制备得到水溶性氨基酸肥。
鱼蛋白水溶肥是以氨基酸为主要营养成分,植物可直接吸收利用的液体氮源肥。对鱼下脚料酶解所得的水溶氨基酸肥进行氨基酸检测,可以发现水溶肥中氨基酸总量为16.925 mg·g−1,且含有种类丰富的氨基酸种类(表1)。其中,谷氨酸、甘氨酸、天门冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸和精氨酸等植物易吸收的氨基酸[34]在总氨基酸量中占比约50%,作物吸收效果较差的脯氨酸、撷氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸[35]占总氨基酸量的25.9%。而对植物生长起抑制作用的蛋氨酸[36]仅占2.9%。鱼蛋白水溶肥中氨基酸不仅为土壤提供了必要的有机氮源,还通过螯合作用和改善土壤结构,促进植物对营养元素的吸收,从而提高作物的生长速度和产量[37]。
2.2鱼蛋白水溶肥不同浓度处理对小麦种子萌发特性的影响
由图1可知,与CK(蒸馏水)相比,DB100
处理对小麦种子的发芽势、发芽率、发芽指数和种子活力指数均有显著提高,分别提高了36.7%、21.1%、27.8%、61.4%;而DB10处理抑制了小麦种子的发芽势、发芽率,降低种子发芽指数与活力指数,DB1000处理与CK相比无显著差异。结果表明,DB100(氨基酸水溶肥稀释100倍)处理最有利与小麦种子萌发。
2.3鱼蛋白水溶肥不同浓度处理对小麦萌发期幼苗形态指标的影响
由图2可知,与CK(蒸馏水)相比,DB100处理对小麦幼苗根长、根冠比、鲜重均有显著提升,分别提升了39.9%、29.3%、32.7%;而DB10处理显著降低了小麦幼苗的根长、根冠比、鲜重,DB1000处理与CK无显著差异。结果表明,DB-100处理(氨基酸水溶肥稀释100倍)有利于小麦幼苗生长。
2.4鱼蛋白水溶肥对番茄生长状况的影响
根据鱼蛋白水溶肥不同稀释倍数处理组对小麦种子萌发与幼苗生长的影响结果,选用DB100(氨基酸水溶肥稀释100倍)对番茄进行喷施和浇施两种方式,来探究鱼蛋白水溶肥对番茄生长状况的影响。由图3可知,喷施处理组番茄的株高、叶面积较对照组显著提升,分别增加了22.9%(r<0.05)、38%(r<0.05)。浇施处理组与对照组无显著差异。结果表明水溶肥采用喷施的方式对番茄生长状况有显著的促进作用。
2.5鱼蛋白水溶肥对番茄叶片叶绿素含量的影响
叶绿素含量是反映植物光合能力的重要指标之一,且与植物净光合强度呈显著正相关[38]。由图4可知,与对照组相比,喷施组对叶绿素含量具有显著提升的效果,提升了33.3%;而浇施组与对照组无显著差异。结果表明,叶面喷施鱼蛋白水溶肥更有利于番茄叶绿素合成。
2.6鱼蛋白水溶肥对番茄叶片丙二醛含量的影响
丙二醛常被用作脂质过氧化的指标,以表示细胞膜脂过氧化的程度以及植物对逆境条件反应的强弱[39]。由图5可知,与对照组相比,喷施处理组可显著降低番茄叶片丙二醛含量,降低了26.7%;浇施处理组与对照组无显著差异,表明叶面喷施鱼蛋白水溶肥可以提高番茄的抗逆性,减轻作物在逆境环境中的脂质过氧化作用。
3讨论与结论
鱼蛋白水溶肥作为一种氨基酸水溶肥,不仅富含氨基酸、生物活性物质,营养价值高且对环境十分友好[40],适应当今农业发展的方向,体现了现代农业可持续发展的新型理念。本研究选用鱼下脚料为原料制备氨基酸水溶肥,不仅可以充分利用当地丰富的渔业加工废弃物,减少环境污染,而且对制备的水溶肥的氨基酸成分分析表明,鱼蛋白下脚料制备得氨基酸水溶肥氨基酸种类丰富,植物易吸收利用氨基酸比例高。通过对不同水解蛋白酶的对比发现,复合蛋白酶和碱性蛋白酶对鱼蛋白下脚料水解效果更好,最终工艺选用价格相对便宜的碱性蛋白酶,这与先前报道的水产品加工蛋白酶结果筛选结果基本一致[41−42]。按料液比1∶3(m/v)混匀搅拌至匀浆状,添加碱性蛋白酶酶解,不仅可以有效提高鱼蛋白的水解效率,而且更易获得氨基酸含量高且易储存使用的水溶肥。通过水培试验筛选出鱼蛋白水溶肥的最适浓度为稀释100倍,DB100在促进种子萌发和提高种子活力方面具有显著效果,并且促进小麦幼苗的生长发育。
本研究用DB100对番茄进行喷施和浇施两种施肥方式,结果表明水溶肥喷施对番茄的株高、叶面积、叶片叶绿素含量和叶片丙二醛含量均有显著提升,而浇施组与对照组差异不显著。先前郭兰等[43]研究发现喷施鱼蛋白水溶肥可促进水稻生长,提高其产量。王立平等[44]在大白菜施用水溶肥的研究发现叶面喷施氨基酸水溶肥可以显著促进大白菜生长发育,提高大白菜产量、单株质量和Vc含量。叶面喷施氨基酸水溶肥能够更为显著地促进蔬菜和作物的生长发育,改善植物产品质量,原因可能是喷施为植物直接提供营养物质,使水溶氨基酸肥通过叶面的气孔和表皮细胞快速被植物吸收和利用,更为有效的增强植物叶面光合作用效率。而浇施鱼蛋白肥需要通过土壤传递营养,植物的根系从土壤中吸收营养成分,该过程相对较慢且利用效率较低,容易被土壤中的微生物分解。
普通化学氮肥通常只提供氮元素,而鱼蛋白氨基酸水溶肥不仅含有丰富的氨基酸和氮源,后续还可以作为有机肥溶液基质,配合磷、钾等大量元素,以及钙、镁、硫等中量元素和锌、铜、铁、锰等微量元素形成高值的氨基酸复合肥[45]。其中的养分以有机形式存在,分解缓慢,能够长时间持续供给作物养分[46],避免了化学氮肥快速释放带来的养分流失问题,减少了施肥频次和肥料浪费。从长远来看,施加有机肥具有长期改良土壤和提高肥力的效益[47]。
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(责任编辑:陈文静)