小麥秸稈基高分子緩釋肥在番茄中的應用效果

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　　摘要：為了探究保水型高分子緩釋肥在農業生產上的實際應用效果，以不保水的含營養元素氮、磷、鉀的高分子緩釋肥（PSRF）和PSRF與吸水樹脂SAPWS物理混合（PSRF+SAPWS）處理為對照，通過盆栽試驗研究了含小麥秸稈具有半互穿網狀結構的保水功能的高分子緩釋肥（SI-PSRF/SAPWS）對土壤氮養分含量和酶活性、番茄（Lycopersicon esculentum Miller）植株生理特性和果實品質的影響。結果表明，SI-PSRF/SAPWS處理后的土壤中NO3--N、NH4+-N含量分別比PSRF增加了45.16%～75.46%、52.85%～81.80%;SI-PSRF/SAPWS處理的土壤脲酶活性要明顯高于PSRF和PSRF+SAPWS處理，但是3種施肥處理對土壤過氧化氫酶活性的影響沒有明顯差異;3種施肥處理的番茄實際產量分別是空白處理的2.5、2.8和3.5倍，且SI-PSRF/SAPWS處理的實際番茄產量分別是PSRF和PSRF+SAPWS的1.4和1.2倍;SI-PSRF/SAPWS處理的番茄紅素相比PSRF降低了15.26%。由此可知，含小麥秸稈具有半互穿網狀結構的保水型高分子緩釋肥可以明顯提高土壤氮含量、土壤酶活性、番茄產量以及品質，可廣泛應用在農業實際生產中。
　　關鍵詞：小麥秸稈;高分子緩釋肥;土壤養分;番茄（Lycopersicon esculentum Miller）;品質;產量
　　中圖分類號：S143         文獻標識碼：A
　　文章編號：0439-8114（2019）09-0052-06
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.012           開放科學（資源服務）標識碼（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農業可持續發展的兩個重要因素[1，2]。因此，提高肥料利用率和土壤保水性是中國農業可持續發展的關鍵所在。傳統速溶性肥料的水溶性高、分子質量低，造成多余養分流失，不僅肥料利用效率低于30%，而且會造成土壤和水污染等環境問題[3，4]。 　　為了更好地解決這些問題，科研工作者們進行了大量研究，研究表明緩釋肥料的應用是最有效的方法。與傳統速溶性肥料相比，緩釋肥料可以減少養分流失，控制養分釋放速度，提高肥料利用率和土壤質量[5，6]。在土壤中加入保水劑是解決中國土壤缺水的重要舉措，研究表明高吸水性保水劑（SAP）具有提高土壤的保水能力、改善土壤結構、提高水分利用率等作用[7，8]。除此之外，保水劑也能夠減少土壤養分的淋溶損失率。科研工作者們開始將它的吸水保水功能、緩釋技術和肥料復合在一起，實現水肥一體化。這樣既能起到一定的吸水保水效果，又能使肥料的養分緩慢釋放，從而達到改善土壤理化性能、增加作物產量的目的。目前，具有養分緩釋和保水功能的肥料基本上都是以SAP為殼的包膜緩釋肥料，但Chen等[9]發現其復雜的包膜工藝和包膜材料的難以降解性限制了它在農業上的推廣和應用。因此，Huang等[10]開始引入可生物降解的天然材料來解決此問題，諸如高嶺土、玉米秸稈等，將其通過接枝引入到保水劑中，可提高保水劑的生物降解性能。除此之外，Xiang等[11]證實了含高嶺土的可生物降解的高分子保水肥具有較好的緩釋性能和保水性能。但是關于含保水功能可生物降解的高分子緩釋肥在農業上的實際應用研究較少。
　　針對以上問題，通過番茄盆栽試驗研究了實驗室自主開發的含氮、磷、鉀的高分子緩釋肥料（PSRF）、PSRF和SAPWS物理混合高分子緩釋肥（PSRF+SAPWS）、含小麥秸稈具有半互穿網狀結構的吸水保水功能高分子緩釋肥料（SI-PSRF/SAPWS）對土壤養分含量和理化性能以及番茄（Lycopersicon esculentum Miller）品質和產量的影響，進一步驗證保水型高分子緩釋肥在農業上的應用效果，以期為保水型高分子緩釋肥料在農業上的實際應用提供科學依據。
　　1  材料與方法
　　1.1  試驗材料
　　1.1.1  供試土壤  土壤樣品采自山西省太原市農田耕地表層0～20 cm的土壤，自然風干后過2 mm篩備用。土壤含38%沙粒、50%粉粒、12%黏粒，NO3--N含量為31.23 mg/kg、NH4+-N含量為16.46 mg/kg。
　　1.1.2  供試材料  PSRF的制備原料為尿素、甲醛、磷酸二氫鉀等[12];PSRF+SAPWS的原料為PSRF和含小麥秸稈的吸水樹脂SAPWS;SI-PSRF/SAPWS的制備原料為尿素、甲醛、磷酸二氫鉀、小麥秸稈、丙烯酸、丙烯酰胺等。以上緩釋肥料均由山西省高分子復合材料工程技術研究中心提供。
　　1.1.3  供試作物  試驗番茄品種為晉番茄1號。
　　1.2  試驗方法
　　1.2.1  盆栽試驗設計  盆栽試驗于2018年5—9月在山西省太原市中北大學復合材料工程技術研究中心的室外進行，將45 kg的土與所施緩釋肥料混合均勻后裝入規格60 cm×38 cm×28 cm的塑料盆栽箱中，表層土壤鋪平，然后用水澆透土壤，在傍晚的時候對番茄幼苗進行移栽。每個盆栽箱選取長勢均一致的幼苗進行定植，沿盆栽箱的中心種植，定期定量澆水，并對番茄進行管理和維護。
　　盆栽試驗共設置4個處理：①不施肥對照（CK）;②PSRF處理;③PSRF+SAPWS處理;④SI-PSRF/SAPWS處理，每個處理3次重復。按照番茄的實際需肥規律N∶P2O5∶K2O=22.6∶1.2∶11.9進行施肥，保證每個處理各營養元素含量相同，具體為PSRF 11.84 g、PSRF+SAPWS 11.01 g+14.91 g、SI-PSRF/SAPWS 27.73 g。
　　1.2.2  樣品采集
　　1）土壤樣品采集。采用五點取樣法在苗期、開花期、結果期、成熟期進行取樣。土壤自然風干后過80目篩，保存于自封袋中，待測。
　　2）植株樣品采集。植株葉片隨機采摘，然后用去離子水洗去黏附在表面的泥土，用于測定葉綠素含量和硝酸還原酶活性。番茄取下，用去離子水清洗，用于果實品質的測定。烘干果實樣品直接稱重，即為實際產量。
　　1.2.3  測試項目及方法
　　1）土壤樣品檢測項目及方法。硝態氮（NO3--N）、銨態氮（NH4+-N）利用0.01 mol/L CaCl2提取并用自動分析儀對提取液進行測定[13];土壤氧化還原電位采用鉑電極直接測定;脲酶活性采用次氯酸鈉-苯酚鈉比色法[14]測定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[15]測定。
　　2）植株樣品檢測項目及方法。株高采用直尺直接測量;葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合液浸提法測定[16];葉片硝酸還原酶采用磺胺比色法測定[17];可溶性糖含量采用蒽酮法[18]測定;有機酸含量采用酸堿滴定法測定;維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法[19]測定;番茄紅素含量采用石油醚提取比色法[20]測定;硝酸鹽含量采用水楊酸消化法測定;產量為番茄果實烘干后直接稱重。
　　1.3  數據分析
　　采用Excel 2007軟件對原始數據整理計算、繪制表格，采用Origin 9.1軟件作圖，進行數據統計分析。
　　2  結果與分析
　　2.1  不同施肥處理對土壤NO3--N、NH4+-N含量的影響
　　土壤中NO3--N和NH4+-N含量的變化是直接反映氮養分供應狀況最直觀的指標，其含量的高低直接影響植株的生長。NO3--N不易被土壤膠體吸附固定，而是游離于土壤溶液中，因此可被植物直接吸收利用[21]。從圖1可以看出，施高分子緩釋肥后土壤NO3--N含量明顯增加。這是由于高分子緩釋肥在微生物的作用下會分解產生大量的無機氮。而且SI-PSRF/SAPWS處理的土壤NO3--N含量要明顯高于PSRF和PSRF+SAPWS處理，其原因在于SI-PSRF/SAPWS的氮緩釋性能要優于PSRF和PSRF+SAPWS，而SAPWS的吸水保水作用能夠大大減少NO3--N被淋溶損失的機率，因此可以保證在番茄整個生長過程中土壤維持大量的NO3--N，供番茄吸收利用。相反地，由于土壤膠體本身顯負電性，NH4+-N易被土壤顆粒吸附固定，不易被淋溶損失[22]。同樣地，施肥后土壤中NH4+-N含量明顯增加。SI-PSRF/SAPWS處理的土壤NH4+-N含量明顯高于PSRF和PSRF+SAPWS處理，這可能是因為SI-PSRF/SAPWS可減少NH3的揮發損失所致。 　　2.2  不同施肥處理對土壤氧化還原電位的影響
　　土壤氧化還原電位是反映土壤氧化還原狀況的指標，可以間接地反映土壤中微生物的活躍程度和土壤有機質礦化速率的大小。從圖2可以看出，隨生育進程的進行，生物降解高分子材料處理的土壤氧化還原電位先升高后降低，這是因為在前期材料養分釋放較快，進一步增強了微生物對土壤有機質的分解，土壤的氧化性增強。且生物降解高分子材料處理的土壤氧化還原電位要明顯高于CK，這是因為高分子材料作為外源有機物質加入土壤后會增加微生物的活性，促進番茄植株根系的代謝作用和土壤有機質的分解。而SI-PSRF/SAPWS處理的土壤氧化還原電位要高于PSRF和PSRF+SAPWS處理，說明施加化學鍵合的生物降解高分子材料可以更好地改善土壤通氣，增加土壤微生物活性，從而加速土壤有機質的礦化，增加土壤養分含量，更有利于番茄的生長發育。
　　2.3  不同施肥處理對土壤酶活性的影響
　　土壤脲酶是一種能促進土壤里有機分子中  C-N鍵水解的酶，因此脲酶活性的提高有利于高分子緩釋肥的水解，從而可以提高肥料氮養分的利用率[23]。從圖3可以看出，隨生育進程的進行，不施肥對照的土壤脲酶活性逐漸降低，而PSRF、PSRF+SAPWS、SI-PSRF/SAPWS處理的土壤脲酶活性先增加后降低，且3個處理的脲酶活性明顯高于不施肥對照。這主要是因為加入PSRF、PSRF+SAPWS、SI-PSRF/SAPWS可以增加土壤中含酰胺基團的有機物，酶促反應底物的濃度增加，促進了脲酶活性的增加。在開花期后脲酶活性明顯降低，這是因為在后期番茄根系需要不斷從土壤中吸收大量的氮養分供其生長發育，致使可用于酶促反應的底物濃度降低。SI-PSRF/SAPWS處理的脲酶活性大于PSRF和PSRF+SAPWS，這是因為化學鍵合形成的SI-PSRF/SAPWS能夠具有更好的氮緩釋性能，能夠持續為微生物提供氮源。而對于PSRF+SAPWS，可能是因為SAPWS的保水作用能夠有效地促進PSRF中氮養分的釋放，提高了脲酶的活性。
　　土壤過氧化氫酶主要用于分解有害物質過氧化氫，減少其對植物體的毒害作用[24]。從圖3可以看出，各施肥處理的土壤過氧化氫酶活性變化不明顯。但是各施肥處理在番茄開花期后土壤過氧化氫酶活性要高于CK，這說明施高分子緩釋肥在一定程度上可以提高土壤過氧化氫酶的活性，加速土壤中過氧化氫的分解，避免植株受到傷害。
　　2.4  不同施肥處理對番茄植株生理特性的影響
　　植株高度反映了植株的生長以及對養分吸收的情況。由圖4可知，施肥可以明顯提高番茄的長勢，各施肥處理的番茄從苗期到開花期植株高度增長幅度最大，這是因為在此期間肥料釋放的養分主要供番茄向縱向延伸，即營養生長。而在后期植株高度增長幅度不大，這是由于在后期養分主要用于番茄果實的生長。同時，SI-PSRF/SAPWS處理的番茄植株高度要高于PSRF和PSRF+SAPWS，說明SI-PSRF/SAPWS能夠更有效地促進植株的生長發育。
　　葉綠素用于植物的光合作用，對植物營養物質的積累起著很重要的作用。由圖4可知，施肥處理后，植株葉綠素含量明顯增加，說明施緩釋肥有助于番茄葉片光合作用的進行。各處理葉綠素含量均是先增加后降低，到開花期達到最大值。這是因為前期大部分養分主要供應于葉片的生長，后期大部分營養由葉片傳輸到果實，致使葉片葉綠素含量有所降低[25]。此外，SI-PSRF/SAPWS處理的葉綠素含量在成熟期要明顯高于PSRF和PSRF+SAPWS，表明SI-PSRF/SAPWS釋放的養分更能滿足番茄成熟期對養分的需求，有助于葉綠素的積累。
　　植物體內的硝酸還原酶活性與植株對氮養分利用能力有很大的關系[26]。從圖4可以看出，施肥可明顯提高硝酸還原酶活性，表明施高分子緩釋肥可促進番茄對氮元素的吸收和利用。而SI-PSRF/SAPWS處理的硝酸還原酶活性要較PSRF和PSRF+SAPWS的高，這是因為SI-PSRF/SAPWS能更有效地增強微生物對土壤有機氮的礦化作用，促進番茄對硝態氮的同化和吸收，進而促進番茄產量的提高，這與SI-PSRF/SAPWS的番茄實際產量最高是一致的。
　　2.5  不同施肥處理對番茄果實產量和品質的影響
　　番茄產量是番茄最重要的生理指標，其直接反映了番茄種植的最終收益。由表1可知，各施肥處理的番茄實際產量明顯高于CK，而SI-PSRF/SAPWS處理的番茄實際產量要高于PSRF和PSRF+SAPWS處理，這一方面是因為SI-PSRF/SAPWS具有吸水保水功能，能夠持續保證番茄生長過程中的需水量;另一方面是因為SI-PSRF/SAPWS養分的緩釋效果要優于PSRF和PSRF+SAPWS，緩慢釋放的養分能夠更有效地與番茄的需肥規律相匹配。
　　番茄可溶性糖含量是反映番茄品質的重要指標。由表1可知，施肥能明顯提高番茄果實可溶性糖含量。而SI-PSRF/SAPWS處理的番茄果實可溶性糖含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS，說明SI-PSRF/SAPWS的吸水保水作用可以增強番茄的持水能力，其抗旱性能增強。施肥處理可提高番茄果實有機酸含量含量，而SI-PSRF/SAPWS處理的番茄果實有機酸含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS，說明SI-PSRF/SAPWS可以有效促進番茄果實有機酸的合成。
　　番茄果實維生素C含量與土壤中碳水化合物含量多少有關。從表1可以看出，施肥可明顯增加番茄果實維生素C含量。這是因為高分子緩釋肥本身可作為外來碳源，在微生物的作用下，分解產生一些水溶性的碳水化合物，可以被植物吸收利用，進而促進番茄果實維生素C的合成[27]。而對于SI-PSRF/SAPWS生物降解后可產生更多水溶性碳水化合物，因此其番茄果實維生素C含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS。 　　施肥處理可降低番茄紅素含量。從表1可以看出，番茄果實可溶性糖含量越低，其番茄紅素含量越高，即兩者存在一定的負相關關系，進一步說明SI-PSRF/SAPWS處理的番茄的口感要優于PSRF和PSRF+SAPWS。
　　常吃硝酸鹽含量超標的蔬菜水果會嚴重危害人體健康。從1表可以看出，SI-PSRF/SAPWS處理的番茄果實硝酸鹽含量要明顯低于PSRF和PSRF+SAPWS，因此其處理的番茄可以生食。
　　3  小結與討論
　　水和化肥可以說是一對相輔相成的因子，在農業生產中均起著至關重要的作用，實現水肥一體化對提高水肥利用率以及作物產量具有重要的意義[28]，保水型生物降解高分子緩釋肥SI-PSRF/SAPWS的施入能夠更有效地改善土壤的理化性能以及作物的品質。這主要歸功于SI-PSRF/SAPWS較好的養分緩釋效果和保水功能，可以保證土壤中水肥不間斷的供應，能夠滿足作物對水肥的需求。
　　與不施肥對照土壤相比，PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS明顯提高了土壤中可被植物直接吸收利用的氮組分含量，能夠更好地滿足番茄對養分的需求，促進番茄生長發育。此外，在番茄整個生長周期，SI-PSRF/SAPWS處理的土壤中養分含量要高于PSRF和PSRF+SAPWS，一方面是因為SAPWS能夠促進PSRF的微生物降解，從而產生更多的速效養分;另一方面是因為SAPWS的保水作用可以減少養分離子NO3--N、NH4+-N隨水淋失的量。
　　酶活性可以用來評價土壤肥效的高低[29]。在本研究中，與不施肥對照土壤相比，PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS處理提高了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，說明PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS提高了土壤中微生物活性。而SI-PSRF/SAPWS處理的脲酶活性要比PSRF和PSRF+SAPWS的高，這可能是因為SI-PSRF/SAPWS更能吸引微生物促進高分子肥料中酰胺基團的降解。
　　與不施肥對照相比，PSRF、PSRF+SAPWS和SI-PSRF/SAPWS可以不同程度地提高番茄葉片葉綠素含量，改善光合作用，增強番茄根系吸收功能，提高葉片硝酸還原酶活性，促進番茄對營養元素的同化和吸收;且對番茄果實品質有明顯的改善作用，能夠顯著提高可溶性糖、維生素C和有機酸的含量，降低番茄紅素含量，改善番茄的口感。相比PSRF和PSRF+SAPWS，SI-PSRF/SAPWS處理的番茄果實品質要更優，且可以更放心的生食。
　　綜上可知，施加小麥秸稈半互穿網絡結構保水型高分子緩釋肥對提升土壤中的硝態氮、銨態氮含量以及土壤酶活性作用明顯。化學鍵合型保水型高分子緩釋肥SI-PSRF/SAPWS處理后的土壤中NO3--N、NH4+-N含量分別比PSRF增加了45.16%～75.46%、52.85%～81.80%。目前保水型生物降解高分子緩釋肥在農業上的應用研究還較少，通過將其應用在番茄盆栽試驗中，發現保水型緩釋肥不僅可以改善土壤的理化性能，還可改變當今農田缺水的局面，并且可以緩慢釋放養分，為作物持續提供養分，滿足作物對養分的需求，增加作物產量，在農業方面具有深遠意義。
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　　收稿日期：2019-03-20
　　作者簡介：趙海東（1991-），男，山西朔州人，在讀碩士研究生，研究方向為生物降解高分子材料及緩/控釋肥的研發，（電話）15503692868（電子信箱）2267423124@qq.com;通信作者，劉亞青（1970-），女，教授，博士生導師，主要從事生物降解高分子制備及應用方面的研究工作，（電子信箱）lyq@nuc.edu.cn。
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