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羟乙基纤维素高分子缓释肥在番茄上的应用

作者:未知

  摘要:通过番茄(Solanum lycopersicum L.)盆栽试验研究了市售肥料(有机肥和化学肥料)和两种不同高分子缓释肥对土壤和植株的影响。经物理混合和化学反应将含有营养元素(氮、磷、钾)的高分子缓释肥与羟乙基纤维素吸水树脂制备出两种不同的高分子缓释肥,按照相同的施肥量,将市售肥料和两种高分子缓释肥分别施入番茄盆栽中,观测番茄植株生长情况(植株高度、叶片叶绿素含量、植株干物质量、番茄果实数和单果质量)、番茄果实品质(番茄红素、维生素C、有机酸和可溶性糖含量)及土壤理化性质(水分、铵态氮、硝态氮含量及过氧化氢酶和脲酶活性)的变化。结果表明,羟乙基纤维素高分子缓释肥施入土壤中后,土壤养分含量和酶活性明显增加,两种高分子缓释肥土壤铵态氮和硝态氮含量比市售肥料分别增加了16.61%、48.06%和21.61%、84.64%;与市售肥料相比,两种高分子缓释肥对番茄叶片的叶绿素含量和果实品质也有明显的改善作用,而且还提高了番茄果实数,分别增加了40.74%和33.33%。由此可知,羟乙基纤维素高分子缓释肥可广泛应用于农作物生产中。
  关键词:高分子缓释肥;番茄(Solanum lycopersicum L.);品质;土壤理化性质
  中图分类号:S143         文献标识码:A
  文章编号:0439-8114(2019)09-0025-05
  DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.006           开放科学(资源服务)标识码(OSID):
  Abstract: The effects of commercially available fertilizers (organic and chemical fertilizers) and two different polymer slow release fertilizers on soil and plants of tomato(Solanum lycopersicum L.) were studied by pot experiment. Two different polymer slow release fertilizers were prepared by physical mixing and chemical reaction of NPK-containing polymer slow release fertilizer and hydroxyethyl cellulose water-absorbing resin. According to the same fertilizer application amount, commercially available fertilizers and two kinds of polymer slow-release fertilizers were applied to tomato pots respectively to observe the growth of tomato plants(plant height, leaf chlorophyll content, plant dry weight, tomato fruit number and tomato fruit weight), tomato fruit properties(the content of lycopene, vitamins C, organic acids and soluble sugars) and soil physical and chemical properties(moisture content, ammonium nitrogen content, nitrate nitrogen content, catalase and urease activity). The results showed that the soil nutrient content and enzyme activity increased compared with the commercially available fertilizer control soil, and the ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content increased by 16.61%, 48.06%, and 21.61%, 84.64%, respectively. Two kinds of polymer slow release fertilizers significantly improved the chlorophyll content and tomato fruit quality of tomato leaves, and also increased the number of tomato fruits, increasing by 40.74% and 33.33%. Consequently, hydroxyethyl cellulose polymer slow release fertilizer can be widely used in agricultural production.
  Key words: polymer slow release fertilizer; tomato (Solanum lycopersicum L.); quality; soil physical and chemical properties
  限制中國农业可持续发展的3个重要因素分别为农田干旱缺水、水肥利用率低和农业生产生活污染。使用化肥虽然可以在一定程度上提高作物产量,但是随着农民对化肥的依赖越来越强,为促进粮食增收,化肥的施用量逐年递增,但近几年粮食并未明显增产。同时土壤环境的生态问题日益突出,过量的化肥施加到土壤,肥料不能被农作物全部充分吸收利用,剩余的化肥造成土壤、水体和大气污染等问题。   随着社会的发展,在农业生产和环境管理方面,具有养分缓释能力的高分子缓释肥料在农业生产、涵养水土以及土壤污染控制方面受到了广泛的关注。高分子缓释肥是一种环保型肥料,具有环境污染低、养分利用率高、肥效长、物理化学性质稳定的特点。一般认为,高分子缓释肥料的应用可以改善土壤基本的理化性质和生物学性质,增强土壤肥效的保持力,提高肥料的利用率和渗透性。高分子缓释肥对土壤的基本理化性质有不同的影响,如土壤含水量、土壤团聚体分布、pH、电导率和有机质组成。此外,它还对土壤营养的释放和有效性产生影响。高分子缓释肥料的施用可以维持和增加土壤中氮含量以及有效磷和有效钾的储存,从而提高土壤为作物提供养分的能力,进而提高作物产量,改善作物品质。杨宇等[1]的研究表明,黄腐酸能使盐碱地的pH降低,增加土壤微生物的种类与数量,改善土壤稳定性。黄震等[2]的研究表明,环境物质可以增加土壤有效养分、调节土壤酶活性,尤其是脲酶和磷酸酶活性。Xiang等[3,4]的研究表明,具有半互穿网络结构的高岭土保水肥的土壤保水性能优异,且具有良好的缓释性能。师巾国等[5]的研究表明,生物降解高分子材料缓释肥料PSRFWA具有优异的重金属吸附性能。
  然而,到目前为止,具有养分缓释功能的高分子缓释肥料对植株的生长和作物产量影响的报道较少。为此,本研究为解决农田土壤中肥料利用效率较低的问题,采用番茄(Solanum lycopersicum L.)盆栽试验研究市售肥料(OM+INF),物理反应制备的PSRF+SAP和化学反应制备的羟乙基纤维素高分子缓释肥料(SI-PSRF/SAP)对土壤含水量、土壤养分含量及番茄生长的影响,为农业持续发展提供参考。
  1  材料与方法
  1.1  试验材料
  山西省太原市尖草坪区上兰村耕地土壤为盆栽供试土壤。供试土壤为粉壤土,其基本的理化性状为38%的沙粒、50%的粉粒、12%的黏粒。
  供试番茄秧苗为晋番茄1号,购自山西省太原市上兰村商户。
  高分子缓释肥由中北大学山西省高分子复合材料工程技术研究中心提供。尿素、KH2PO4(磷酸二氢钾)、甲醛为制备高分子缓释肥PSRF的原料。羟乙基纤维素、丙烯酰胺、丙烯酸等为制备具有超吸水性能羟乙基纤维素吸水树脂的原料。为方便研究,命名物理混合的高分子缓释肥为PSRF+SAP,化学制备合成的高分子缓释肥为SI-PSRF/SAP。市售肥料(OM+INF,OM为有机肥,购自山西昌鑫生物农业科技有限公司;INF为氯化铵、磷酸二氢钾和氯化钾的混合物)。
  1.2  试验方法
  番茄盆栽试验于2018年5—9月在山西省太原市中北大学山西省高分子复合材料工程技术研究中心进行。将土壤装入规格为60 cm×38 cm×28 cm的塑料箱。装箱时需要注意,每箱装入高25 cm的土壤(按体积和容重换算重量),再将土壤与缓释肥料混合,将其放入箱中,使表面土壤平整。将每箱土壤浇透,选择在光照度小的时候对番茄幼苗进行移植[5,6]。选取长势一致的幼苗定植,每箱定植1株,以后定期并定量浇水,土壤相对含水量保持在40%~80%,浇水量均相同[5,6]。
  试验设高分子缓释肥料PSRF+SAP、SI-PSRF/SAP、市售肥料和空白对照(CK)4个处理,每个处理重复3次。各施肥处理施相同量的N(6.15 g/盆N)、P(0.33 g/盆P2O5)和K(3.24 g/盆K2O),比例为N∶P2O5∶K2O=22.6∶1.2∶11.9。
  土壤样品采集:在番茄生长的4个时期(苗期、开花期、结果期和成熟期)避开植物根系按五点取样法在垂直面取土。土样风干后保存,用于测试土壤酶活性和土壤营养含量。
  植株样品采集:植株样品先用去离子水去除黏附的泥土后,80 ℃烘干,称取植株干重。
  1.3  测定方法
  1.3.1  土壤含水量的测定  称取100 g番茄盆栽中的土壤,将其放入烘箱,在60 ℃条件下烘干并称重(记为M1)。土壤含水量(WH)的计算公式如下:
  WH=(100-M1)/100  (1)
  1.3.2  土壤酶活性的测定  脲酶活性采用次氯酸钠-苯酚比色法测定[7];过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[8]。
  1.3.3  土壤养分含量的测定  铵态氮(NH4+-N)含量采用氧化镁保护半微量凯氏定氮法测定[9];硝态氮(NO3--N)含量采用酚二磺酸分光光度法测定[9]。
  1.3.4  番茄生理特性和果实品质的测定  番茄叶片中的叶绿素采用丙酮-乙醇混合液提取[10];可溶性糖含量采用蒽酮法测定[11];维生素C(VC)含量采用C12H6Cl2NNAO2(2,6-二氯靛酚)滴定法测定[12];番茄红素含量采用石油醚提取比色法测定[13]。
  1.3.5  番茄产量的测定  根据不同的施肥处理,将成熟的果实采摘装入编织袋中并记录,分别采用电子天平称重,记录。
  1.4  数据分析
  使用SPSS 24软件进行数据统计分析,并使用Origin 8.0软件进行制图。
  2  结果与分析
  2.1  不同处理对土壤含水量的影响
  土壤含水量反映了一个地区的降雨量、灌溉水平和作物的呼吸蒸腾作用。农作物生长所需的水最终来自耕地土壤,因此土壤含水量是影响农作物生长的一个重要因素。在番茄苗期,各处理的土壤含水量差异不明显。这可能是由于番茄植株生长初期肥料缺乏的体现不明显,并且植株较小,蒸腾作用不明显,从而不同处理土壤含水量差異不明显。随着植株的生长,各处理差异越来越明显。这是因为土壤中的水除被番茄植株的根系吸收和利用,还有部分水分流失,导致土壤含水量下降。大量研究表明,吸水树脂和化学合成的高分子缓释肥具有吸水保水性能,其吸水倍率可到自身重量的几百倍以上[14-16]。SI-PSRF/SAP在作物生长后期的含水量高于OM+INF和CK,说明SI-PSRF/SAP可以吸附土壤中的水分,减少土壤水分的流失,改善土壤环境。   2.2  不同处理对土壤酶活性的影响
  脲酶是一种促进土壤有机物中酰胺键水解的酰胺酶。从图2可以看出,各处理土壤脲酶活性随番茄生育进程的推进先上升后下降。这是因为在开花期,番茄植株根系生长旺盛,需吸收土壤中大量的N素,加快了土壤中氮素的分解速度,导致土壤脲酶活性增加。外源施加市售肥OM+INF和高分子缓释肥料PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP可以增加土壤有机质含量,加强脲酶底物的作用,促进土壤微生物的繁殖,加速土壤有机质中酰胺键的水解[17];另一方面,高分子缓释肥的养分释放具有缓释性能,可以持续为植株生长提供有机物[18],因此PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP处理的脲酶活性高于OM+INF和空白对照。市售有机肥料OM+INF前期释放速度快,不易被土壤吸附固定营养元素。PSRF+SAP是由PSRF和羟乙基纤维素吸水树脂(SAP)物理混合组成,当SAP吸水膨胀达到饱和后,受到周围土壤颗粒的挤压,水分析出,加速了PSRF养分的释放,造成养分的流失[19];SI-PSRF/SAP形成的三维网络互穿结构,可以对养分起到养分缓释效果[3],因此在开花期后PSRF+SAP土壤脲酶活性比SI-PSRF/SAP处理低。SI-PSRF/SAP处理在番茄结果期后,脲酶活性下降是因为这个时期番茄植株的根系对营养的吸收速率减缓,番茄植株生长减缓,根系与土壤之间营养交换能力减弱,分泌物减少,代谢能力减慢。
  土壤过氧化氢酶促进过氧化氢的降解,有利于防止其对生物体的毒害作用[5,6]。过氧化氢酶活性与土壤有机质含量有关,与微生物活性也有关。从图2可以看出,SI-PSRF/SAP处理的过氧化氢酶活性随生育进程推进先升高后降低,且高于其他处理。
  2.3  不同处理对土壤养分含量的影响
  NH4+-N和NO3--N含量是反映土壤营养养分供应的重要指标,其含量的高低直接影响植株生长情况。从图3可以看出,施用高分子缓释肥土壤中NH4+-N和NO3--N的含量明显高于OM+INF和CK处理;虽然各施肥处理均以相同施氮量施入,但由于各肥料自身性质不同,对土壤中微生物群落环境等方面造成的影响和土壤氮的矿化、释放速率存在差异[6],因此各施肥处理土壤NH4+-N和NO3--N存在明显差异。OM+INF中养分释放速率快,易淋失,因此土壤中的氮含量低于高分子缓释肥处理。对于PSRF+SAP处理,SAP吸水膨胀后,受到土壤颗粒的挤压,将水分析出,PSRF再次受到水分的影响,其降解速率加快,养分释放速率快于SI-PSRF/SAP。因此,从苗期开始,PSRF+SAP处理的铵态氮和硝态氮含量低于SI-PSRF/SAP处理。
  2.4  不同处理对番茄叶片叶绿素含量和果实品质的影响
  2.4.1  叶片叶绿素含量  植物进行光合作用的主要色素是叶绿素,其含量是影响植物光合作用和营养物质积累的重要因素。从图4可以看出,随着生长周期的增加,不同施肥处理的叶片叶绿素含量先增加后减小。此外,在不同生长阶段,SI-PSRF/SAP处理的叶片叶绿素含量高于PSRF+SAP、OM+INF和CK。说明SI-PSRF/SAP高分子缓释肥在番茄植株整个生长周期提供充沛的营养元素,从而有助于成熟期的叶片中含有较高的叶绿素含量,保持较高的光合能力。PSRF+SAP虽然对养分释放具有一定缓释作用,但相比SI-PSRF/SAP较差,不能持续稳定的为植株提供养分含量,OM+INF中的养分在早期快速释放,仅有很少的一部分被植株、土壤吸附固定,大量养分被淋溶损失掉,因此造成该处理植株叶片叶绿素含量低于两种高分子缓控释肥料。
  2.4.2  不同施肥处理对番茄果实品质的影响  番茄果实中可溶性糖、有机酸、维生素C(VC)和番茄红素是衡量番茄果实整体品质的重要指标。从表1可以看出,施用PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP的处理比施用OM+INF处理的番茄果实明显增加了可溶性糖含量,且有机酸含量也有所增加。各处理间番茄VC含量由大到小依次为SI-PSRF/SAP、PSRF+SAP、OM+INF、CK。这是因为VC是一种碳水化合物,在其合成过程中,除大气环境中供应的碳源外,它还从土壤中吸取养分,OM+INF养分释放速率快,在番茄植株生长后期不能提供持续稳定的养分,因此果实生长受到影响;PSRF+SAP主要由两种材料混合而成,PSRF受SAP的影响,营养元素释放速率快,后期供应的碳水化合物含量少,而化学反应生成的SI-PSRF/SAP缓释性能好,可以在番茄生长后期持续释放出N、P和K养分,高分子缓释肥料降解过程中分解释放出的碳水化合物被番茄植株的根系吸收,从而促进VC的合成[20]。番茄果实的番茄红素含量在不同施肥处理下的影响为CK>OM+INF>PSRF+SAP>SI-PSRF/SAP,这是因为番茄红素含量与可溶性糖含量成反比关系,即糖含量越低,番茄红素含量越高[5,6]。
  2.5  不同处理对番茄植株生长的影响
  由表2可知,PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP处理的植株高度、植株干物质量、结果数和单果重均比OM+INF处理的高,分别提高了13.14%和30.13%、59.05%和105.41%、40.74%和33.33%、35.07%和59.56%。PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP对土壤有一定的保水功能,在番茄生長过程中能够提供充足的水分,且二者提供的养分促进了番茄植株生长和果实发育。但SI-PSRF/SAP处理的番茄植株优于PSRF+SAP,这是因为SI-PSRF/SAP在番茄植株生长周期内都可以提供充沛的营养元素,尤其在番茄植株的生长末期仍可以释放养分促进植株的生长及果实的发育;而PSRF+SAP的养分释放速率快,易造成养分流失,无法被植株完全吸收利用。   3  小结与讨论
  该试验结果表明,高分子缓释肥对土壤条件的改良、番茄果实品质以及番茄果实增产具有重要意义。
  与OM+INF对比,PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP在番茄生长后期明显提高了土壤含水量,这主要是因为SAP和SI-PSRF/SAP具有网络结构[3],可以通过吸附耕地土壤中的水分,减少耕地水分流失,达到保持耕地水分的效果。
  酶活性是提高土壤肥力的重要因素[21]。在该研究中,与OM+INF相比,PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP的应用明显增加了土壤过氧化氢酶和脲酶的活性,说明PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP在养分释放过程中为脲酶和过氧化氢酶的产生提供了丰富的物质,并且还促进了微生物的繁殖,微生物可以固定耕地土壤中的微小颗粒并改善土地环境。
  与市售肥料OM+INF相比,施加PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP明显增加了土壤中NH4+-N和NO3--N含量,促进植物生长。化学制备的SI-PSRF/SAP处理土壤中NH4+-N和NO3--N含量高于物理混合的PSRF+SAP。说明SI-PSRF/SAP在降解过程中释放的营养元素比PSRF+SAP更容易被土壤吸附固定。这可能是因为PSRF与SAP形成的三维半互穿网络结构对氮元素释放具有缓释作用,它的释放速率低,释放的营养成分更容易被土壤固定。
  与物理混合形成的PSRF+SAP相比,化学合成的SI-PSRF/SAP更能增加番茄叶片的叶绿素含量,改善植株的光合作用。随着番茄生长进程,各处理的叶绿素含量先增加后减少,因为在番茄生长后期,营养主要运输到果实,叶片生长受到限制,导致叶绿素含量下降。施入SI-PSRF/SAP的番茄叶片叶绿素含量在番茄生长后期也较高,表明SI-PSRF/SAP在番茄植株整个生长周期供应了充沛的营养元素。
  本研究结果表明,PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP高分子缓释肥能明显改善番茄果实的品质,促进番茄可溶性糖和VC的增加。其中,番茄中的番茄红素含量与可溶性糖含量成反比,与前人研究结果一致[22]。
  综上可知,羟乙基纤维素高分子缓释肥施加到土壤中后,土壤理化性质、番茄植株生长以及番茄果实品质明显优于市售肥料。与市售肥料相比,施加羟乙基纤维素高分子缓释肥处理的土壤铵态氮和硝态氮含量分别增加了16.61%、48.06%和21.61%、84.64%,说明羟乙基纤维素高分子缓释肥有利于土壤氮元素固定。高分子缓释肥对番茄叶片的叶绿素含量、株高和番茄果实品质比市售肥料也有明显的改善作用,而且还提高了番茄果实数,分别提高了40.74%和33.33%。因此,羟乙基纤维素高分子缓释肥可广泛应用于农作物生产中。
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  收稿日期:2019-03-19
  作者簡介:宋  江(1992-),男,山西太原人,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,(电话)13466830313(电子信箱)531591881@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(电子信箱)lyq@nuc.edu.cn。
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