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小麦秸秆基高分子缓释肥在番茄中的应用效果

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  摘要:为了探究保水型高分子缓释肥在农业生产上的实际应用效果,以不保水的含营养元素氮、磷、钾的高分子缓释肥(PSRF)和PSRF与吸水树脂SAPWS物理混合(PSRF+SAPWS)处理为对照,通过盆栽试验研究了含小麦秸秆具有半互穿网状结构的保水功能的高分子缓释肥(SI-PSRF/SAPWS)对土壤氮养分含量和酶活性、番茄(Lycopersicon esculentum Miller)植株生理特性和果实品质的影响。结果表明,SI-PSRF/SAPWS处理后的土壤中NO3--N、NH4+-N含量分别比PSRF增加了45.16%~75.46%、52.85%~81.80%;SI-PSRF/SAPWS处理的土壤脲酶活性要明显高于PSRF和PSRF+SAPWS处理,但是3种施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响没有明显差异;3种施肥处理的番茄实际产量分别是空白处理的2.5、2.8和3.5倍,且SI-PSRF/SAPWS处理的实际番茄产量分别是PSRF和PSRF+SAPWS的1.4和1.2倍;SI-PSRF/SAPWS处理的番茄红素相比PSRF降低了15.26%。由此可知,含小麦秸秆具有半互穿网状结构的保水型高分子缓释肥可以明显提高土壤氮含量、土壤酶活性、番茄产量以及品质,可广泛应用在农业实际生产中。
  关键词:小麦秸秆;高分子缓释肥;土壤养分;番茄(Lycopersicon esculentum Miller);品质;产量
  中图分类号:S143         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)09-0052-06
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.012           开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  Abstract: In order to explore the practical application effect of water-retaining polymer slow release fertilizer in agriculture, taking the non-water-retaining polymer slow release fertilizer containing nutrient element NPK(PSRF) and PSRF and water absorbing resin SAPWS physical mixing (PSRF+SAPWS) as control, the effects of polymer-release slow-release fertilizer with semi-interpenetrating network structure (SI-PSRF/SAPWS) on soil nitrogen nutrient content, soil enzyme activity, tomato plant physiological characteristics and tomato quality were studied by pot experiment. The results showed that, compared with PSRF, the contents of NO3--N and NH4+-N in the soil treated by SI-PSRF/SAPWS were increased by 45.16% to 75.46%, 52.85% to 81.80%, respectively. Soil urease activity treated by SI-PSRF/SAPWS was significantly higher than PSRF and PSRF+SAPWS treatment, but there was no significant difference in the effects of three fertilizations on soil catalase activity. Compared with no fertilization control, the actual yield of tomato applied fertilization was 2.5 times, 2.8 times and 3.5 times, respectively, and the actual tomato yield of SI-PSRF/SAPWS treatment was 1.4 times and 1.2 times that of PSRF and PSRF+SAPWS, respectively. Lycopene of tomato treated by SI-PSRF/SAPWS was 15.26% lower than PSRF. In conclusion, SI-PSRF/SAPWS can significantly improve soil nitrogen nutrient content, soil enzyme activity, tomato yield and quality, and can be widely used in agricultural actual production.
  Key words: wheat straw; slow-release polymeric fertilizer; soil nutrients; tomato (Lycopersicon esculentum Miller); quality yield
  肥料利用率低和缺水是限制中國农业可持续发展的两个重要因素[1,2]。因此,提高肥料利用率和土壤保水性是中国农业可持续发展的关键所在。传统速溶性肥料的水溶性高、分子质量低,造成多余养分流失,不仅肥料利用效率低于30%,而且会造成土壤和水污染等环境问题[3,4]。   为了更好地解决这些问题,科研工作者们进行了大量研究,研究表明缓释肥料的应用是最有效的方法。与传统速溶性肥料相比,缓释肥料可以减少养分流失,控制养分释放速度,提高肥料利用率和土壤质量[5,6]。在土壤中加入保水剂是解决中国土壤缺水的重要举措,研究表明高吸水性保水剂(SAP)具有提高土壤的保水能力、改善土壤结构、提高水分利用率等作用[7,8]。除此之外,保水剂也能够减少土壤养分的淋溶损失率。科研工作者们开始将它的吸水保水功能、缓释技术和肥料复合在一起,实现水肥一体化。这样既能起到一定的吸水保水效果,又能使肥料的养分缓慢释放,从而达到改善土壤理化性能、增加作物产量的目的。目前,具有养分缓释和保水功能的肥料基本上都是以SAP为壳的包膜缓释肥料,但Chen等[9]发现其复杂的包膜工艺和包膜材料的难以降解性限制了它在农业上的推广和应用。因此,Huang等[10]开始引入可生物降解的天然材料来解决此问题,诸如高岭土、玉米秸秆等,将其通过接枝引入到保水剂中,可提高保水剂的生物降解性能。除此之外,Xiang等[11]证实了含高岭土的可生物降解的高分子保水肥具有较好的缓释性能和保水性能。但是关于含保水功能可生物降解的高分子缓释肥在农业上的实际应用研究较少。
  针对以上问题,通过番茄盆栽试验研究了实验室自主开发的含氮、磷、钾的高分子缓释肥料(PSRF)、PSRF和SAPWS物理混合高分子缓释肥(PSRF+SAPWS)、含小麦秸秆具有半互穿网状结构的吸水保水功能高分子缓释肥料(SI-PSRF/SAPWS)对土壤养分含量和理化性能以及番茄(Lycopersicon esculentum Miller)品质和产量的影响,进一步验证保水型高分子缓释肥在农业上的应用效果,以期为保水型高分子缓释肥料在农业上的实际应用提供科学依据。
  1  材料与方法
  1.1  试验材料
  1.1.1  供试土壤  土壤样品采自山西省太原市农田耕地表层0~20 cm的土壤,自然风干后过2 mm筛备用。土壤含38%沙粒、50%粉粒、12%黏粒,NO3--N含量为31.23 mg/kg、NH4+-N含量为16.46 mg/kg。
  1.1.2  供试材料  PSRF的制备原料为尿素、甲醛、磷酸二氢钾等[12];PSRF+SAPWS的原料为PSRF和含小麦秸秆的吸水树脂SAPWS;SI-PSRF/SAPWS的制备原料为尿素、甲醛、磷酸二氢钾、小麦秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺等。以上缓释肥料均由山西省高分子复合材料工程技术研究中心提供。
  1.1.3  供试作物  试验番茄品种为晋番茄1号。
  1.2  试验方法
  1.2.1  盆栽试验设计  盆栽试验于2018年5—9月在山西省太原市中北大学复合材料工程技术研究中心的室外进行,将45 kg的土与所施缓释肥料混合均匀后装入规格60 cm×38 cm×28 cm的塑料盆栽箱中,表层土壤铺平,然后用水浇透土壤,在傍晚的时候对番茄幼苗进行移栽。每个盆栽箱选取长势均一致的幼苗进行定植,沿盆栽箱的中心种植,定期定量浇水,并对番茄进行管理和维护。
  盆栽试验共设置4个处理:①不施肥对照(CK);②PSRF处理;③PSRF+SAPWS处理;④SI-PSRF/SAPWS处理,每个处理3次重复。按照番茄的实际需肥规律N∶P2O5∶K2O=22.6∶1.2∶11.9进行施肥,保证每个处理各营养元素含量相同,具体为PSRF 11.84 g、PSRF+SAPWS 11.01 g+14.91 g、SI-PSRF/SAPWS 27.73 g。
  1.2.2  样品采集
  1)土壤样品采集。采用五点取样法在苗期、开花期、结果期、成熟期进行取样。土壤自然风干后过80目筛,保存于自封袋中,待测。
  2)植株样品采集。植株叶片随机采摘,然后用去离子水洗去黏附在表面的泥土,用于测定叶绿素含量和硝酸还原酶活性。番茄取下,用去离子水清洗,用于果实品质的测定。烘干果实样品直接称重,即为实际产量。
  1.2.3  测试项目及方法
  1)土壤样品检测项目及方法。硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)利用0.01 mol/L CaCl2提取并用自动分析仪对提取液进行测定[13];土壤氧化还原电位采用铂电极直接测定;脲酶活性采用次氯酸钠-苯酚钠比色法[14]测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法[15]测定。
  2)植株样品检测项目及方法。株高采用直尺直接测量;叶绿素含量采用丙酮-乙醇混合液浸提法测定[16];叶片硝酸还原酶采用磺胺比色法测定[17];可溶性糖含量采用蒽酮法[18]测定;有机酸含量采用酸碱滴定法测定;维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法[19]测定;番茄红素含量采用石油醚提取比色法[20]测定;硝酸盐含量采用水杨酸消化法测定;产量为番茄果实烘干后直接称重。
  1.3  数据分析
  采用Excel 2007软件对原始数据整理计算、绘制表格,采用Origin 9.1软件作图,进行数据统计分析。
  2  结果与分析
  2.1  不同施肥处理对土壤NO3--N、NH4+-N含量的影响
  土壤中NO3--N和NH4+-N含量的变化是直接反映氮养分供应状况最直观的指标,其含量的高低直接影响植株的生长。NO3--N不易被土壤胶体吸附固定,而是游离于土壤溶液中,因此可被植物直接吸收利用[21]。从图1可以看出,施高分子缓释肥后土壤NO3--N含量明显增加。这是由于高分子缓释肥在微生物的作用下会分解产生大量的无机氮。而且SI-PSRF/SAPWS处理的土壤NO3--N含量要明显高于PSRF和PSRF+SAPWS处理,其原因在于SI-PSRF/SAPWS的氮缓释性能要优于PSRF和PSRF+SAPWS,而SAPWS的吸水保水作用能够大大减少NO3--N被淋溶损失的机率,因此可以保证在番茄整个生长过程中土壤维持大量的NO3--N,供番茄吸收利用。相反地,由于土壤胶体本身显负电性,NH4+-N易被土壤颗粒吸附固定,不易被淋溶损失[22]。同样地,施肥后土壤中NH4+-N含量明显增加。SI-PSRF/SAPWS处理的土壤NH4+-N含量明显高于PSRF和PSRF+SAPWS處理,这可能是因为SI-PSRF/SAPWS可减少NH3的挥发损失所致。   2.2  不同施肥处理对土壤氧化还原电位的影响
  土壤氧化还原电位是反映土壤氧化还原状况的指标,可以间接地反映土壤中微生物的活跃程度和土壤有机质矿化速率的大小。从图2可以看出,随生育进程的进行,生物降解高分子材料处理的土壤氧化还原电位先升高后降低,这是因为在前期材料养分释放较快,进一步增强了微生物对土壤有机质的分解,土壤的氧化性增强。且生物降解高分子材料处理的土壤氧化还原电位要明显高于CK,这是因为高分子材料作为外源有机物质加入土壤后会增加微生物的活性,促进番茄植株根系的代谢作用和土壤有机质的分解。而SI-PSRF/SAPWS处理的土壤氧化还原电位要高于PSRF和PSRF+SAPWS处理,说明施加化学键合的生物降解高分子材料可以更好地改善土壤通气,增加土壤微生物活性,从而加速土壤有机质的矿化,增加土壤养分含量,更有利于番茄的生长发育。
  2.3  不同施肥处理对土壤酶活性的影响
  土壤脲酶是一种能促进土壤里有机分子中  C-N键水解的酶,因此脲酶活性的提高有利于高分子缓释肥的水解,从而可以提高肥料氮养分的利用率[23]。从图3可以看出,随生育进程的进行,不施肥对照的土壤脲酶活性逐渐降低,而PSRF、PSRF+SAPWS、SI-PSRF/SAPWS处理的土壤脲酶活性先增加后降低,且3个处理的脲酶活性明显高于不施肥对照。这主要是因为加入PSRF、PSRF+SAPWS、SI-PSRF/SAPWS可以增加土壤中含酰胺基团的有机物,酶促反应底物的浓度增加,促进了脲酶活性的增加。在开花期后脲酶活性明显降低,这是因为在后期番茄根系需要不断从土壤中吸收大量的氮养分供其生长发育,致使可用于酶促反应的底物浓度降低。SI-PSRF/SAPWS处理的脲酶活性大于PSRF和PSRF+SAPWS,这是因为化学键合形成的SI-PSRF/SAPWS能够具有更好的氮缓释性能,能够持续为微生物提供氮源。而对于PSRF+SAPWS,可能是因为SAPWS的保水作用能够有效地促进PSRF中氮养分的释放,提高了脲酶的活性。
  土壤过氧化氢酶主要用于分解有害物质过氧化氢,减少其对植物体的毒害作用[24]。从图3可以看出,各施肥处理的土壤过氧化氢酶活性变化不明显。但是各施肥处理在番茄开花期后土壤过氧化氢酶活性要高于CK,这说明施高分子缓释肥在一定程度上可以提高土壤过氧化氢酶的活性,加速土壤中过氧化氢的分解,避免植株受到伤害。
  2.4  不同施肥处理对番茄植株生理特性的影响
  植株高度反映了植株的生长以及对养分吸收的情况。由图4可知,施肥可以明显提高番茄的长势,各施肥处理的番茄从苗期到开花期植株高度增长幅度最大,这是因为在此期间肥料释放的养分主要供番茄向纵向延伸,即营养生长。而在后期植株高度增长幅度不大,这是由于在后期养分主要用于番茄果实的生长。同时,SI-PSRF/SAPWS处理的番茄植株高度要高于PSRF和PSRF+SAPWS,说明SI-PSRF/SAPWS能够更有效地促进植株的生长发育。
  叶绿素用于植物的光合作用,对植物营养物质的积累起着很重要的作用。由图4可知,施肥处理后,植株叶绿素含量明显增加,说明施缓释肥有助于番茄叶片光合作用的进行。各处理叶绿素含量均是先增加后降低,到开花期达到最大值。这是因为前期大部分养分主要供应于叶片的生长,后期大部分营养由叶片传输到果实,致使叶片叶绿素含量有所降低[25]。此外,SI-PSRF/SAPWS处理的叶绿素含量在成熟期要明显高于PSRF和PSRF+SAPWS,表明SI-PSRF/SAPWS释放的养分更能满足番茄成熟期对养分的需求,有助于叶绿素的积累。
  植物体内的硝酸还原酶活性与植株对氮养分利用能力有很大的关系[26]。从图4可以看出,施肥可明显提高硝酸还原酶活性,表明施高分子缓释肥可促进番茄对氮元素的吸收和利用。而SI-PSRF/SAPWS处理的硝酸还原酶活性要较PSRF和PSRF+SAPWS的高,这是因为SI-PSRF/SAPWS能更有效地增强微生物对土壤有机氮的矿化作用,促进番茄对硝态氮的同化和吸收,进而促进番茄产量的提高,这与SI-PSRF/SAPWS的番茄实际产量最高是一致的。
  2.5  不同施肥处理对番茄果实产量和品质的影响
  番茄产量是番茄最重要的生理指标,其直接反映了番茄种植的最终收益。由表1可知,各施肥处理的番茄实际产量明显高于CK,而SI-PSRF/SAPWS处理的番茄实际产量要高于PSRF和PSRF+SAPWS处理,这一方面是因为SI-PSRF/SAPWS具有吸水保水功能,能够持续保证番茄生长过程中的需水量;另一方面是因为SI-PSRF/SAPWS养分的缓释效果要优于PSRF和PSRF+SAPWS,缓慢释放的养分能够更有效地与番茄的需肥规律相匹配。
  番茄可溶性糖含量是反映番茄品质的重要指标。由表1可知,施肥能明显提高番茄果实可溶性糖含量。而SI-PSRF/SAPWS处理的番茄果实可溶性糖含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS,说明SI-PSRF/SAPWS的吸水保水作用可以增强番茄的持水能力,其抗旱性能增强。施肥处理可提高番茄果实有机酸含量含量,而SI-PSRF/SAPWS处理的番茄果实有机酸含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS,说明SI-PSRF/SAPWS可以有效促进番茄果实有机酸的合成。
  番茄果实维生素C含量与土壤中碳水化合物含量多少有关。从表1可以看出,施肥可明显增加番茄果实维生素C含量。这是因为高分子缓释肥本身可作为外来碳源,在微生物的作用下,分解产生一些水溶性的碳水化合物,可以被植物吸收利用,进而促进番茄果实维生素C的合成[27]。而对于SI-PSRF/SAPWS生物降解后可產生更多水溶性碳水化合物,因此其番茄果实维生素C含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS。   施肥處理可降低番茄红素含量。从表1可以看出,番茄果实可溶性糖含量越低,其番茄红素含量越高,即两者存在一定的负相关关系,进一步说明SI-PSRF/SAPWS处理的番茄的口感要优于PSRF和PSRF+SAPWS。
  常吃硝酸盐含量超标的蔬菜水果会严重危害人体健康。从1表可以看出,SI-PSRF/SAPWS处理的番茄果实硝酸盐含量要明显低于PSRF和PSRF+SAPWS,因此其处理的番茄可以生食。
  3  小结与讨论
  水和化肥可以说是一对相辅相成的因子,在农业生产中均起着至关重要的作用,实现水肥一体化对提高水肥利用率以及作物产量具有重要的意义[28],保水型生物降解高分子缓释肥SI-PSRF/SAPWS的施入能够更有效地改善土壤的理化性能以及作物的品质。这主要归功于SI-PSRF/SAPWS较好的养分缓释效果和保水功能,可以保证土壤中水肥不间断的供应,能够满足作物对水肥的需求。
  与不施肥对照土壤相比,PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS明显提高了土壤中可被植物直接吸收利用的氮组分含量,能够更好地满足番茄对养分的需求,促进番茄生长发育。此外,在番茄整个生长周期,SI-PSRF/SAPWS处理的土壤中养分含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS,一方面是因为SAPWS能够促进PSRF的微生物降解,从而产生更多的速效养分;另一方面是因为SAPWS的保水作用可以减少养分离子NO3--N、NH4+-N随水淋失的量。
  酶活性可以用来评价土壤肥效的高低[29]。在本研究中,与不施肥对照土壤相比,PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS处理提高了土壤脲酶和过氧化氢酶的活性,说明PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS提高了土壤中微生物活性。而SI-PSRF/SAPWS处理的脲酶活性要比PSRF和PSRF+SAPWS的高,这可能是因为SI-PSRF/SAPWS更能吸引微生物促进高分子肥料中酰胺基团的降解。
  与不施肥对照相比,PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS可以不同程度地提高番茄叶片叶绿素含量,改善光合作用,增强番茄根系吸收功能,提高叶片硝酸还原酶活性,促进番茄对营养元素的同化和吸收;且对番茄果实品质有明显的改善作用,能够显著提高可溶性糖、维生素C和有机酸的含量,降低番茄红素含量,改善番茄的口感。相比PSRF和PSRF+SAPWS,SI-PSRF/SAPWS处理的番茄果实品质要更优,且可以更放心的生食。
  综上可知,施加小麦秸秆半互穿网络结构保水型高分子缓释肥对提升土壤中的硝态氮、铵态氮含量以及土壤酶活性作用明显。化学键合型保水型高分子缓释肥SI-PSRF/SAPWS处理后的土壤中NO3--N、NH4+-N含量分别比PSRF增加了45.16%~75.46%、52.85%~81.80%。目前保水型生物降解高分子缓释肥在农业上的应用研究还较少,通过将其应用在番茄盆栽试验中,发现保水型缓释肥不仅可以改善土壤的理化性能,还可改变当今农田缺水的局面,并且可以缓慢释放养分,为作物持续提供养分,满足作物对养分的需求,增加作物产量,在农业方面具有深远意义。
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  收稿日期:2019-03-20
  作者简介:赵海东(1991-),男,山西朔州人,在读硕士研究生,研究方向为生物降解高分子材料及缓/控释肥的研发,(电话)15503692868(电子信箱)2267423124@qq.com;通信作者,刘亚青(1970-),女,教授,博士生导师,主要从事生物降解高分子制备及应用方面的研究工作,(电子信箱)lyq@nuc.edu.cn。
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