无机复合肥料中添加聚谷氨酸对油麦菜生长及产量的影响

李东亚, 樊志磊, 韩伟豪, 张飞翔, 李 明, 杨 庆, 岳艳军

(河南心连心化学工业集团股份有限公司 河南新乡 453731)

肥料作为粮食的“粮食”,是保障粮食安全的重要物质基础。与传统肥料相比,新型功能性肥料是利用新方法、新工艺生产的复合高效、长效、对环境友好的肥料,如缓控释肥料、含腐殖酸肥料、含氨基酸肥料等[1]。大量研究已表明,新型功能性肥料具有促进作物生长、提高作物产量、改善土壤养分状况等优势[2-4]。因此,研发具有功能性的新型肥料,对农业可持续发展具有至关重要的作用。

聚谷氨酸(γ-PGA)是一种环境友好型高分子生物材料,具有良好的吸水性、缓释性,且其降解产物无毒、可食用,因此在化妆品、食品、医药卫生等领域已得到广泛应用[5-8]。近年来的研究还证实,γ-PGA在农业领域也蕴藏着巨大的潜力和应用前景。石肖肖等[9]通过一维土柱入渗试验发现,施用γ-PGA可以有效减少土壤中水分、铵态氮和硝态氮的淋失,提高水肥利用率。郝荣华等[10]的试验证明,施用不同相对分子质量的γ-PGA可不同程度提升绿豆的发芽率,提高苗期根长、株高、鲜质量等指标。Bai等[11]的研究发现,施用γ-PGA可显著提高作物对养分(氮、磷、钾等元素)的表观利用率。由此可见,研究开发具有聚谷氨酸增效功能的新型肥料,对农业减肥增效、绿色健康发展具有重要的意义。

γ-PGA在农业方面的应用研究相较于食品、医药等领域的要晚,需要有更多的研究成果为其推广提供依据。本文通过盆栽试验,分析了在无机复合肥料中添加不同量的γ-PGA对油麦菜生长发育及产量的影响,以期为新型肥料中γ-PGA适宜添加量的确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

γ-PGA,淡黄色,有淡氨味,pH为5.0～8.0,相对分子质量为1 000～1 500 kDa,武汉博润科技有限公司;尿素,w(N)为46%,河南心连心化学工业集团股份有限公司;磷酸一铵,w(N)为12.17%,w(P2O5)为61.74%,云南云天化股份有限公司;氯化钾,w(K2O)为62.67%,青海盐湖工业股份有限公司。

供试土壤取自江西心连心化学工业有限公司高效农业示范园试验田,采集深度为0～20 cm耕层土壤。采集的新鲜土壤样品置于阴凉、干燥、无污染的环境中风干,然后去除风干土样中的枯枝和残留物,再过2 mm筛后备用。该土壤的基本理化性状:w(有机质)为19.28 g/kg,w(全氮)为16 g/kg,w(有效磷)为18.43 mg/kg,w(速效钾)为143.86 mg/kg,pH为8.28。

供试作物:四季香油麦(油麦菜),生长周期为40～60 d,河北南极星种业有限公司。

1.2 试验设计

试验以尿素、磷酸一铵和氯化钾为原料,配制成15-15-15的无机复合肥料作为盆栽试验底肥,施用量为 75 kg/亩(1亩=667 m2)。试验设置6个处理,以不添加γ-PGA为对照(CK),T1～T5处理对应γ-PGA用量分别为无机复合肥料用量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%,每个处理5次重复。

试验于2021年11月15日至2022年1月15日进行。每盆装4 kg风干土,将无机复合肥料全部溶于30 L水中制成水肥溶液,γ-PGA采用二次稀释法,按照各处理分别与1 L水肥溶液同时浇施于盆中。第二天,每盆移栽1株同等大小(两叶一心)的油麦菜苗。根据土壤水分情况,每1～2 d浇水1次,保持每盆浇水量一致,并采用常规栽培管理措施(除草、防治病虫害等)。

1.3 指标测定

移栽后每隔15 d测量指标一次。用钢卷尺测量油麦菜的株高,计数法统计叶片数量,用日本生产的便携式SPAD-502型叶绿素仪测定油麦菜的叶绿素相对含量(SPAD值),用力辰TD20002A型电子天平(感量0.01 mg)称量收获时油麦菜地上部鲜质量作为产量指标。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 25.0软件进行数据分析和差异显著性检验,Microsoft Excel 2016软件进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同γ-PGA用量对油麦菜株高的影响

测量各处理的样本植株株高,以5个测量值的平均值作为各处理油麦菜的株高,并进行统计分析,见表1。

表1 不同γ-PGA用量的油麦菜株高

由表1可知:在整个生长阶段,油麦菜株高随着时间的推移不断增长,且添加γ-PGA的处理(T1～T5处理)在各生长阶段均不同程度地高于CK处理;移栽后15 d的株高表现为T2>T4>T5>T3>T1>CK,其中T2处理的株高显著高于CK处理的,其余各处理间差异不显著;移栽后30 d的油麦菜株高表现为T2>T5>T4=T3>T1>CK,其中T2处理的株高显著高于CK处理的,其余各处理间差异未达到显著水平;移栽后45 d,株高最高的是T2处理,其次是T1处理,且T1、T2处理的株高显著高于CK处理的,其余各处理间差异未达到显著水平;移栽后60 d(收获期),T1～T5处理的株高差异不显著,但添加γ-PGA的处理(T1～T5处理)均显著高于CK处理。综上所述,添加γ-PGA对油麦菜的株高有促进作用,其中生长前45 d内以T2处理的效果较好。

2.2 不同γ-PGA用量对油麦菜叶片数的影响

记录各处理的样本植株叶片数,以5个测量值的平均值作为各处理油麦菜的叶片数,并进行统计分析,见表2。

表2 不同γ-PGA用量的油麦菜叶片数

由表2可知:在整个生育期内,油麦菜的叶片数随着时间的推移而增加;移栽后30 d和45 d,除T1处理的叶片数少于CK处理的,其余添加γ-PGA处理的叶片数在各生长阶段均不少于CK处理的;首次(移栽后15 d)测定结果显示,叶片数表现为T5=T3=T4>T2=T1=CK,其中T5处理的叶片数显著多于T1、CK处理的,T3处理的叶片数显著多于CK处理的,其余各处理间差异不显著;移栽后30 d,油麦菜叶片数表现为T3=T5=T2>T4=CK>T1,其中T3、T5处理的叶片数显著多于T1处理的,其余各处理间差异均未达到显著水平;移栽后45 d的叶片数表现为T5=T3>T4=T2>CK>T1,其中T5处理的叶片数显著多于CK、T1处理的,T3处理的叶片数显著多于T1处理的,其余各处理间差异均不显著;收获期的叶片数表现为T5>T3=T2>T4>T1=CK,其中T5处理的叶片数显著多于T1、CK处理的,T3处理的叶片数显著多于CK处理的,其余各处理间差异均未达到显著水平。综上所述,添加γ-PGA可以不同程度地增加油麦菜叶片数,其中无机复合肥料中添加质量分数1.0%的γ-PGA效果较显著。

2.3 不同γ-PGA用量对油麦菜叶片SPAD值的影响

测定各处理的样本植株最长叶片的SPAD值,以5个测定值的平均值作为各处理油麦菜叶片的SPAD值,并进行统计分析,见表3。

表3 不同γ-PGA用量的油麦菜叶片SPAD值

由表3可知:添加γ-PGA对提高油麦菜叶片SPAD值具有促进作用;第一次(移栽后15 d)测定数据显示,叶片SPAD值为T5>T3>T2>T1>T4>CK,其中T5处理的叶片SPAD值显著高于T4、CK处理的,T2、T3处理的叶片SPAD值显著高于CK处理的,其余各处理间差异未达到显著水平;移栽后30 d油麦菜叶片SPAD值表现为T5>T3>T1>T4>T2>CK,其中T5处理的叶片SPAD值显著高于T4、T2、CK处理的,T3处理的叶片SPAD值显著高于CK处理的,其余各处理间差异不显著;移栽后45 d和60 d,油麦菜叶片的SPAD值仍以T5处理的最大,但各处理间的差异均未达到显著水平。综上所述,添加γ-PGA在油麦菜生长前期可以提高叶片的SPAD值,但中后期提升效果不显著;T5处理在提高油麦菜叶片SPAD值上的表现较好。

2.4 不同γ-PGA用量对油麦菜产量的影响

称取各处理的样本植株的鲜质量,以5个称量值的平均值作为各处理油麦菜的产量,并进行统计分析,见图1。

图1 不同γ-PGA用量的油麦菜产量

从图1可以看出:随着γ-PGA用量的增加,油麦菜产量表现为先增加后减小的趋势,且添加γ-PGA处理(T1～T5处理)的产量均高于CK处理的;T2处理的产量最大,达到了89.75 g/株,显著高于CK处理的(64.50 g/株);T1、T3、T4、T5处理的产量分别为81.75、81.00、84.00、80.20 g/株,也显著高于CK处理的;T1～T5处理间差异未达到显著水平。综上所述,添加γ-PGA后油麦菜产量显著增加,且以T2处理的效果较佳。

3 讨论

近年来,一种新型的、环境友好的绿色环保型高分子物质——γ-PGA受到了研究者们的高度重视。γ-PGA是谷氨酸通过聚合形成的一种阴离子聚合物,其分子主链上含有许多亲水性肽键和羧基,因此γ-PGA具有超强的吸水性、良好的吸附性以及生物可降解性,还可发生螯合、吸附、衍生、交联、离子交换等反应[12]。基于以上特性,γ-PGA已在食品、医疗、日用品等领域获得了广泛应用[6-8],且表现出极大的社会价值和商业价值。此外,γ-PGA具有的螯合和吸附作用,也得到农业领域越来越多研究者的关注,他们将γ-PGA与化肥结合施入土壤,探究γ-PGA对作物吸收水肥的影响[13-14],旨在为γ-PGA在农业生产中的推广应用提供理论基础。

本研究采用盆栽试验,在无机复合肥料施用量相同的条件下,分别添加不同量的γ-PGA,探究油麦菜生长过程中株高、叶片数、SPAD值以及产量的变化,结果表明无机化肥中外源添加γ-PGA对油麦菜的生长和产量有促进作用,这与已报道的研究结果一致[10-11,15]。分析原因可能是γ-PGA施入土壤后,改善了土壤结构[16]、增强了土壤持水能力[17]、促进了根际微生物群的生长[18]、降低了土壤养分的流失[19];此外,γ-PGA在土壤中对肥料起到很强的保肥、节肥和增效的作用[5],进而满足了作物生长对养分的需求,促进了作物生长发育。本试验研究表明,γ-PGA添加量为无机复合肥料质量的0.4%(T2处理)时,提高产量的效果较好;γ-PGA添加量为无机复合肥料质量的1.0%(T5处理)时,增加叶片数和提高SPAD值的效果较好。

4 结语

在传统无机化肥中添加γ-PGA,对油麦菜的生长及产量增加有促进作用。在本试验的条件下,结合投入成本,建议γ-PGA的添加量为无机复合肥料质量的0.4%。