植物营养与肥料学报   2018, Vol. 24  Issue (1): 114-121 
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氨基酸发酵尾液可促进樱桃番茄对水溶肥料氮素的吸收利用
张健1, 李燕婷2, 袁亮2, 赵秉强2, 李伟2, 张水勤2, 李絮花1    
1. 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018;
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
摘要: 【目的】 氨基酸发酵尾液因富含多种有机营养成分,近年来被作为增效材料在肥料生产领域广泛应用。本文利用15N标记技术,研究了氨基酸发酵尾液对水溶肥料氮素利用效果的影响。【方法】 以樱桃番茄为供试作物进行盆栽试验。试验共设置8个肥料处理,分别为:焦磷酸钾和氯化钾为材料配制水溶肥料 (F,N–P2O5–K2O比例为0–14–24);15N尿素 (15N丰度为10.46%)、焦磷酸钾和氯化钾为材料配制水溶肥料 (P,N–P2O5–K2O比例为18–14–24);在两个肥料基础上分别添加谷氨酸发酵尾液 (H)、赖氨酸和苏氨酸混合尾液 (B) 和聚合谷氨酸尾液 (S) 配制水溶肥料FH、FB、FS、PH、PB和PS(发酵尾液添加量为200 g/L)。每个处理重复6次,随机区组排列。供试肥料于番茄定植、坐果、膨果、初果和盛果五个时期等量施入,其中,肥料P、PH、PB和PS按等尿素氮量施入,每次施入量为纯氮60 mg/kg风干土,肥料F、FH、FB和FS保持相同施入量。植株保留三穗果实打顶,收获后测量番茄株高、茎粗、生物量和产量,并对植株各部和收获后土壤中全氮含量和15N丰度进行测定。【结果】 1) 水溶肥料添加氨基酸发酵尾液可以明显优化肥料氮素在促生、增产方面的作用效果。与P处理相比,PH、PB和PS处理的番茄株高、茎粗、地上部干重、根干重和果实产量分别平均增加17.7%、3.8%、8.5%、12.5%和4.8%。2) 水溶肥料添加氨基酸发酵尾液可以显著提高植株对肥料氮素的吸收量,增加叶片、果实等主要功能部位的肥料氮累积量,提高氮素利用率。较P处理,施用水溶肥料PH、PB和PS处理的番茄植株总氮吸收量、肥料氮吸收量分别平均增加8.1%和9.9%,叶片、果实等主要功能部位肥料氮累积量分别平均增加18.2%和8.0%,肥料氮素利用率平均提高9.9%。【结论】 水溶肥料中添加氨基酸发酵尾液,可以显著促进作物生长,增加作物产量,促进作物对肥料氮的吸收累积,从而有效地提高作物对水溶肥料中氮素的吸收利用。
关键词: 氨基酸发酵尾液     水溶肥料     15N     氮素利用    
Tail liquid from amino acid fermentation could improve the uptake and utilization of water soluble fertilizer nitrogen by cherry tomato
ZHANG Jian1, LI Yan-ting2, YUAN Liang2, ZHAO Bing-qiang2, LI Wei2, ZHANG Shui-qin2, LI Xu-hua1    
1. National Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources/College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China;
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
Abstract: 【Objectives】 Tail liquid from amino acid fermentation is rich in organic nutrients, and has been added into fertilizers as a kind of synergistic material in recent years. In this paper, the effects of amino acid fermentation tail liquid on fertilizer nitrogen utilization were studied using the 15N tracing technique. 【Methods】 Cherry tomato was selected as test materials in a pot experiment. Base water soluble fertilizer (F) was prepared by mixing potassium pyrophosphate and potassium chloride (N-P2O5-K2O ratio is 0-14-24); fertilizer (P) was made by adding 15N urea (15N abundance was 10.5%, N-P2O5-K2O ratio is 18-14-24); the fermentation tail liquids of glutamic acid (H), lysine and threonine acids (B) and polyglutamic acid (S) were added with 200 g/L into fertilizer F and P, to form fertilizer FH, FB, FS, PH, PB and PS. For F based fertilizer experiment, all the fertilizer was applied at the same amount of urea, which was urea N 60 mg/kg soil. For the P based fertilizer experiment, all the fertilizer was applied in the same fertilizer amount. All the fertilizers were applied evenly at five growing stages of tomato. Tomato was harvested with three ear fruit, and the height, stem diameter, biomass, yield of cherry tomato were investigated. The total nitrogen content and 15N abundance in each part of plants and soils were analyzed. 【Results】 1) Addition of amino acid fermentation tail liquids could significantly improve the effect of fertilizer. Compared with base fertilizer P, fertilizer PH, PB and PS increased the plant height, stem diameter, above-ground weight, dry root weight and yields by 17.7%, 3.8%, 8.5%, 12.5% and 4.8%, respectively. 2) Addition of amino acid fermentation tail liquids could enhance the fertilizer nitrogen uptake, increase the accumulation of fertilizer nitrogen in leaf and fruit significantly, which ensured the apparent increase of the utilization of fertilizer nitrogen. Compared with fertilizer P, the averaged plant total nitrogen uptake, fertilizer nitrogen uptake, fertilizer nitrogen accumulation in leaf and fruit, and the utilization rate of fertilizer nitrogen under the new fertilizers PH, PB and PS, were increased by 8.1%, 9.9%, 18.2%, 8.0% and 9.9%, respectively. 【Conclusions】 Water soluble fertilizer mixed with amino acid fermentation tail liquid could promote crop growth, yield and the uptake of fertilizer nitrogen. Therefore, the amino acid fermentation tail liquid could efficiently improve the uptake and utilization of water soluble fertilizer nitrogen by crop.
Key words: amino acid fermentation tail liquid     water soluble fertilizer     15N     nitrogen utilization    

水溶肥料 (water soluble fertilizer,简称WSF),是一种可以完全溶于水的多元复合肥料,与传统单质肥料和复合肥料相比,具有易吸收、利用率高等优势[13]。水溶肥料的这一特性使它能够与喷灌、滴灌等新型农业技术结合起来,实现以水带肥,水肥一体化。在当前农业生产肥料过度投入的严峻形势下,水溶肥料成为实现节水、减肥目标的有效途径之一。近年来,国内水溶肥料产业发展迅猛,但相关产品有效性低、稳定性差、功能单一,缺乏对螯合剂、增效助剂以及功能性新材料的开发应用[46],因此,高效化、多效化的新型肥料研制迫在眉睫[710]

氨基酸发酵尾液是氨基酸工业化生产过程中提取产品后剩余的发酵液体,大约每生产一吨氨基酸纯品会带来40余吨发酵尾液,这些液体中仍含有大量的游离氨基酸 (如谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸、胱氨酸、聚天冬氨酸等)、糖分等有机物质,处理难度较大,一直以来成为众多生产企业难以解决的问题[1112]。近年来,一些研究者及肥料生产企业尝试通过浓缩或喷浆造粒等手段,将氨基酸发酵尾液制成肥料有机添加剂或功能增效材料,用于生产有机无机复混肥和新型水溶肥料[1316]。目前,该类肥料已在不同区域、不同作物上进行了大面积肥效验证试验,在提升作物产量和品质、改善土壤生物环境、提高肥料利用效率等方面取得了良好效果[1724]

本研究选取3种不同类型的氨基酸发酵尾液作为材料制备新型水溶肥料,利用15N同位素技术,对肥料氮素去向进行示踪,旨在探明氨基酸发酵尾液对肥料氮素植物吸收利用的影响,为发酵尾液的增效应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验条件

试验于2016年3月7日至7月25日在中国农业科学院农业资源与农业区划研究所日光温室中进行。供试作物为樱桃番茄,品种为美樱一号 (由中国农业科学院蔬菜花卉研究所提供)。供试土壤取自中国农业科学院廊坊试验基地,土壤类型为潮土,土壤基本理化性质为有机质 10.31 g/kg、全氮 0.51 g/kg、速效磷 (P) 21.37 mg/kg、速效钾 (K) 91.90 mg/kg、pH为7.25。

1.2 试验设计 1.2.1 供试氨基酸发酵尾液

本研究以氨基酸发酵工业尾液为材料,选取谷氨酸尾液 (H),赖氨酸、苏氨酸混合尾液 (B) 和聚合谷氨酸尾液 (S) 进行了试验。3种尾液的基本性质见表1

表1 供试氨基酸发酵尾液主要成分含量 Table 1 Main components of the tested amino acid fermentation liquids
1.2.2 供试肥料

所需15N尿素购自上海化工研究院 (15N丰度10.46%),焦磷酸钾、氯化钾为分析纯试剂。以3种不同氨基酸发酵尾液为材料配制了8种水溶肥料,其基本配方见表2

表2 供试肥料配方及15N丰度 Table 2 Formula and 15N abundance of the fertilizers for the experiments
1.2.3 试验处理

试验共设置8个水溶肥料处理,代码为:F、FH、FB、FS、P、PH、PB、PS (原料配方见表2)。每个处理重复6次,随机区组排列。为了便于看出氨基酸发酵尾液对水溶肥料氮素利用效果的影响,排除发酵尾液中所含养分对试验结果的干扰,本研究设置的F、FH、FB和FS为4个对照处理。

将供试土壤风干后过2 mm筛混匀,装入内径为24 cm、高30 cm的塑料花盆中,每盆装土6 kg。番茄种子于2016年3月7日播种育苗盘中,待幼苗长至3~4片真叶展开后,选取长势一致的健壮幼苗移栽定植,每盆一株。供试肥料分别在番茄定植、坐果、膨果、初果、盛果5个时期等量施入;其中,处理P、PH、PB和PS按等尿素氮量投入原则,每次施入量为纯氮60 mg/kg;处理F、FH、FB和FS保持相同施用量。由于氨基酸发酵尾液中所含磷钾较少,各处理磷钾施入量视为一致,均为充足供应。

试验过程中,各盆间保持适当距离利于生长和通风,定期浇水保持土壤湿润,各处理间保持浇水量一致。待植株高度为30~45 cm时进行搭架绕蔓, 以便茎叶攀爬生长,番茄保留3穗果实后进行打顶摘心。其他日常管理按农户操作习惯进行。

1.3 样品采集与测定方法 1.3.1 植物样品

番茄生长期间,每周将各处理打掉的侧枝和老叶收集带回实验室,待采收后计入各处理总生物量;7月25日,采收果实进行计产。随后将花盆中植株沿土面全部切下,依次测量植株株高、茎粗;将植株根、茎、叶、果分开采收烘干,于105℃杀青30 min,70℃下烘干至恒重,并分别计入生长期间收集的侧枝和老叶,统计生物量。最后将植株样品进行粉碎,以测定各部位全氮含量和15N丰度。

1.3.2 土壤样品

将各处理盆中土依次全部倒出,混匀,采集各处理土壤样品(混土过程在塑料布上进行,以防与其他土壤相互污染),风干、研磨并过筛,测定土壤全氮含量和15N丰度。

1.3.3 测定方法

植株株高、茎粗、生物量及果实产量等指标通过直接测量得到。植株样品全氮含量采用H2SO4–H2O2联合消煮后,利用凯氏定氮仪蒸馏,0.02 mol/L H2SO4滴定,土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定[25]。样品15N丰度用Finnigan-MAT-251超精度气体同位素质谱仪测定,供试土壤基本理化性质采用常规方法测定[26]

1.4 数据计算与分析

文中指标的计算方法如下:

15N原子百分超 (Ndff,%) = 实测 15N丰度值 – 自然              15N丰度值

$\text{样品肥料氮含量} \!\!=\!\! \frac{{\text{样品全氮含量}\!\! \times \!\! {\text{样品}^{15}}{\rm{N}}\text{原子百分超}}}{{{\text{肥料}^{15}}{\rm{N}}\text{原子百分超}}}$
$\text{肥料氮素利用率}\!\!=\!\! \frac{{\text{植株各部位肥料氮吸收总量} }}{\text{肥料氮施用量}}\!\! \times\!\! 100{{\%}}$
$\!\!\!\!\!{\text{肥料氮素土壤残留率}} = \frac{{\text{土壤肥料氮累积量} }}{\text{肥料氮施用量}}\times 100{{\%}}$

肥料氮素总回收率 = 肥料氮素利用率 + 肥料氮素土          壤残留率

肥料氮素损失率 = 100% – 肥料氮素利用率 – 肥料氮         素土壤残留率

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SAS 8.0软件进行作图和统计分析。

2 结果与分析 2.1 不同肥料处理对樱桃番茄生长和产量的影响

表3所示,与常规水溶肥料肥料P相比,添加氨基酸发酵尾液的新型水溶肥料PH、PB和PS处理的番茄株高、茎粗、地上部干重、根干重以及果实产量均明显提高,各指标平均增加6.4%、1.2%、5.8%、5.8%和4.2%,其中,株高、地上部干重、根干重和果实产量差异达到显著性水平 (P < 0.05)。为了排除发酵尾液中所含养分对试验结果的干扰,对试验处理进行了对比分析,由 表3还可以得到,常规水溶肥料处理P较对照处理F的株高、茎粗、地上部干重、根干重和果实产量的增加值依次为26.16 cm、1.58 mm、16.27 g、0.16 g和159.08 g,而水溶肥料处理PH、PB和PS的平均株高、茎粗、地上部干重、根干重和果实产量较对照处理FH、FB和FS分别增加30.80 cm、1.64 mm、17.66 g、0.18 g和166.71 g,各指标增加幅度分别达17.7%、3.8%、8.5%、12.5%和4.8%。由此可见,水溶肥料中添加氨基酸发酵尾液,可以明显优化肥料氮素在促进生长、增加产量方面的效果。

表3 不同肥料处理对番茄生长和产量的影响 Table 3 Effects of different fertilizer treatments on growth and yields of tomato
2.2 番茄吸收氮素的来源

表4可知,与常规水溶肥料P相比,含氨基酸发酵尾液的3种水溶肥料PH、PB和PS均可以显著提高植株对氮素的吸收,平均增加8.1%;其中,肥料氮素和非肥料氮素的吸收量平均分别增加9.9%和4.4%,差异都达到了显著水平。通过表4还可以看出,番茄生长季吸收的氮素主要以肥料氮为主,P、PH、PB和PS 4个肥料处理间没有显著差异,肥料氮均占到总氮吸收量的60%左右。

表4 不同肥料处理下番茄吸收的氮素来源 Table 4 Sources of nitrogen uptakes of tomato
2.3 肥料氮在番茄植株各部位的分配

肥料氮被植物根系吸收后,会通过体内运输累积于各部位中。由表5可知,在水溶肥料中添加氨基酸发酵尾液可明显提高植株各部位肥料氮素的累积量,与常规水溶肥料P相比,添加氨基酸发酵尾液的3种水溶肥料PH、PB和PS处理的植株茎秆、叶片、果实和根部肥料氮累积量平均增加6.6%、18.2%、8.0% 和17.9%,且在叶片、果实和根部均表现出显著差异。对这3种水溶肥料而言,肥料PB对提升植株各部位肥料氮素的吸收效果最为突出,与肥料P相比,茎秆、叶片、果实和根部肥料氮累积量依次增加10.9%、20.8%、12.2%和24.1%。

表5 番茄植株各部位尿素氮的累积量及分配比例 Table 5 Uptake and allocation of N from urea in organs of tomato plants
2.4 番茄生长季肥料氮素的去向

表6可以算出,与水溶肥料P相比,添加氨基酸发酵尾液的3种水溶肥料PH、PB和PS的作物氮素吸收率平均提高9.9%,氮素损失率平均降低14.4%。PB的氮素吸收率最高,达到35.2%,且与肥料PH和PS达到了显著性差异 (P < 0.05);肥料氮素土壤残留和损失方面,三者差异不显著。

表6 不同肥料处理下肥料氮素去向 Table 6 Fate of the fertilizer nitrogen
3 讨论 3.1 氨基酸发酵尾液对作物生长及产量的影响

本研究发现,水溶肥料添加氨基酸发酵尾液后,可以明显优化肥料氮素在促进生长、提高产量方面的作用效果,与常规水溶肥料处理相比,番茄株高、茎粗、地上部干重及果实产量均得到明显提升。其原因,一方面是由于氨基酸发酵尾液中富含多种小分子有机营养物质,施入土壤后可被作物直接吸收利用,节约正常生理代谢所需要的能量,从而强化新陈代谢过程,促进植株生长,提高作物产量[2734]。另一方面,氨基酸发酵尾液中含有多种有机成分,与化学氮肥进行混配后可能会发生络合、螯合或物理–化学吸附作用,减缓氮素化肥的溶解和转化时间,使氮素释放表现出一定缓释性,增加了作物中后期的氮素供应,从而提高了养分供应与作物生长的吻合度,优化了氮素的作用效果[3538]

3.2 氨基酸发酵尾液对作物养分吸收及转运的影响

氨基酸发酵尾液中有机质含量较高,施入土壤后能够增加有机碳源,调节土壤C/N比值,有利于改善土壤理化性质,提升土壤生物活性,刺激根系生长[3942];同时发酵尾液中游离的氨基酸、糖分等小分子物质能够直接或间接参与代谢过程,影响根部还原酶活性和代谢物质的分泌,从而增强根系吸收和转运养分的能力,促进作物对养分的吸收利用[4345]。本研究结果表明,施用添加氨基酸发酵尾液的新型水溶肥料,可以显著增加番茄植株的根系干重,提升植株的总氮吸收量和肥料氮吸收量,这与前人的研究结果一致。

土壤有机氮是土壤微生物重要的营养源,微生物能在自身代谢过程中利用多种氨基酸产生或合成植物生长调节剂 (例如乙烯、生长素、苯乙酸等),显著影响作物体内激素平衡,调节作物生理代谢过程,促进养分向主要功能器官转运,从而提高养分的有效积累[4651]。在本研究发现,添加氨基酸发酵尾液的水溶肥料,能够增加番茄植株各部位的肥料氮素吸收量,显著提升叶片、果实等部位的肥料氮累积量,这对于增强植株光合作用、提升作物产量、提高肥料农学效益具有积极意义。

4 结论

水溶肥料添加氨基酸发酵尾液可以明显优化肥料氮素的利用效果,显著增加作物总氮吸收量和肥料氮吸收量,提升叶片、果实等主要功能部位的肥料氮累积量,从而促进作物生长,提高作物产量和肥料利用效率。

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