γ-聚谷氨酸磷肥增效劑對(duì)石灰性土壤有效磷的影響

付文杰，萬(wàn)亞珍，張文輝，梅丹丹，薛亞男

（鄭州大學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001）

磷素是植物生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)元素，是植物的生命元素之一［1］。由于磷素進(jìn)入土壤后會(huì)被土壤膠體吸附，移動(dòng)性差，進(jìn)而固定為無(wú)效態(tài)磷，使有效性迅速降低，導(dǎo)致我國(guó)磷肥當(dāng)季利用率只有10%～25%［2-3］。降低磷素在土壤中固定率是提高磷肥利用率最直接、最有效的途徑。

目前對(duì)于這方面的研究主要集中在向磷肥中添加有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)或高表面積活性物質(zhì)兩個(gè)方面：日本橋本雄司發(fā)現(xiàn)腐殖酸能減少土壤對(duì)磷的固定［4］；孫桂芳［5］研究發(fā)現(xiàn)改性木質(zhì)素、腐殖酸以及檸檬酸能夠提高土壤有效磷的含量；李安淮［6］研究發(fā)現(xiàn)草酸能夠提高磷肥的利用率；胡克偉［7］研究發(fā)現(xiàn)沸石及改性沸石能夠通過(guò)吸附土壤中磷素降低磷肥在土壤中的固定，提高磷有效性。

有研究表明，氨基酸類(lèi)物質(zhì)能夠影響土壤中磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化［8-9］。進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)認(rèn)為氨基酸中γ-聚谷氨酸具有良好的保水能力，可以改進(jìn)土壤團(tuán)粒、緩沖土壤酸堿值變化等［10-15］，分析認(rèn)為，其具有提高土壤有效磷的可能性。

本文擬采用γ-聚谷氨酸為磷肥增效劑，以磷酸一銨為磷源，進(jìn)行室內(nèi)埋土試驗(yàn)，研究γ-聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤中有效磷、磷形態(tài)轉(zhuǎn)化和土壤理化性質(zhì)的影響，以期闡明γ-聚谷氨酸增效劑提高磷利用效率的機(jī)制，為γ-聚谷氨酸增效劑的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。試驗(yàn)選用腐殖酸和草酸進(jìn)行效果對(duì)照試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

增效劑聚谷氨酸、腐殖酸、草酸以及磷源磷酸一銨均由河南某生產(chǎn)企業(yè)提供。本試驗(yàn)土壤采用石灰性粘土，供試土壤按照魯如坤《土壤農(nóng)化分析》土壤采集方法進(jìn)行采集，采集地點(diǎn)位于鄭州市高新區(qū)西郊農(nóng)田，一次性采集全部試驗(yàn)用土，風(fēng)干，過(guò)0.15 mm篩，貯存?zhèn)溆?。供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

培養(yǎng)方法：取500 g風(fēng)干、過(guò)篩的土樣加入塑料盆中，將磷肥增效劑與磷酸一銨混合均勻后施入土壤中，置于恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)，溫度設(shè)定為25℃，定期澆水，保持土壤水分為田間持水量的70%左右，施磷水平按照每千克土450 mg P2O5計(jì)算。本試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，處理方法如表2所示。

表2 室內(nèi)埋土試驗(yàn)處理方法

1.3 分析方法

土壤pH的測(cè)定采用電極電位法；有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化容量法；全磷的測(cè)定采用H2SO4-HClO4消煮、鉬銻抗比色法；有效磷的測(cè)定采用NaHCO3?提、鉬銻抗比色法［16］；石灰性土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)采用顧益初等［17］分級(jí)方法；磷肥固定率可以用下式表示［18］：固定率=（施入的磷含量-第N天土壤有效磷含量）/施入的磷含量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 19.0、DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；運(yùn)用Origin 2016進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種磷肥增效劑對(duì)土壤有效磷含量的影響

在磷肥增效劑與磷酸一銨的加入量均為1∶1的條件下，3種磷肥增效劑對(duì)土壤有效磷含量的影響結(jié)果見(jiàn)表3。在一定的溫度和濕度條件下，CK0中的有效磷也會(huì)有變化，但變化幅度不大；單施磷肥組則不同，磷肥施入土壤后，很容易被固定，前20 d有效磷含量降低了118.67 mg/kg，固定率達(dá)到50.1%，占到總固定率的78%；加入3種磷肥增效劑的不同處理中，盡管有效磷含量降低，但幅度明顯低于單施磷肥組，可見(jiàn)這3種磷肥增效劑對(duì)增加土壤中的磷素含量是有效的。相比較而言，γ-聚谷氨酸處理組的效果最好，在前20 d抑制效果顯著，有效磷含量只降低了37.03 mg/kg，30～90 d有效磷含量也明顯高于前兩組。進(jìn)一步分析認(rèn)為γ-聚谷氨酸是一種性能優(yōu)良的天然可食用聚合物，每一個(gè)γ-聚谷氨酸分子大概有10000～20000個(gè)羧酸基團(tuán)，當(dāng)γ-聚谷氨酸施入土壤中，這些羧酸基團(tuán)就會(huì)與石灰性土壤中的Ca、Mg、Al、Fe等堿土金屬結(jié)合，降低了這些金屬離子與有效磷結(jié)合成為無(wú)效磷的可能性，使得土壤中有效磷增加。以下就γ-聚谷氨酸加入量、在土壤中的效應(yīng)等進(jìn)行分析，進(jìn)而推斷出其在土壤中解磷的可能機(jī)理。

表3 不同增效劑對(duì)土壤有效磷含量的影響 （mg/kg）

2.2 γ-聚谷氨酸不同加入量對(duì)土壤有效磷含量的影響

圖1 γ-聚谷氨酸不同加入量對(duì)土壤有效磷含量的影響

以下進(jìn)行不同加入量的γ-聚谷氨酸室內(nèi)埋土試驗(yàn)研究。由圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，盡管有效磷在土壤中顯示出被固定的趨勢(shì)，但γ-聚谷氨酸不同加入量處理組的有效磷含量均高于單施磷肥處理組，且隨著γ-聚谷氨酸加入量增加效果更加明顯。在試驗(yàn)的第90 d，加入量從低到高（0.25∶1～1.5∶1）與單施磷肥處理組相比有效磷含量分別提高了8.35%、42.6%、57.85%和71.36%，說(shuō)明在本試驗(yàn)加入量范圍內(nèi)隨著γ-聚谷氨酸加入量的增加有效磷含量增加的越顯著；從增加趨勢(shì)來(lái)看，γ-聚谷氨酸的加入量每增加25%，土壤有效磷含量的增加率分別為410.01%、17.94%和11.67%，說(shuō)明隨著γ-聚谷氨酸量的增加，土壤有效磷含量雖然也在增加，但是增加速率放緩。因此，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素的情況下，本試驗(yàn)選取加入量為γ-聚谷氨酸∶NH4H2PO4=1∶1的處理組進(jìn)行以下研究。

2.3 γ-聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)的影響

對(duì)γ-聚谷氨酸 ∶NH4H2PO4=1∶1處理組土壤中的無(wú)機(jī)磷形態(tài)進(jìn)行分級(jí)，由表4可以看出，單施磷肥處理組和γ-聚谷氨酸處理組的Ca2-P含量都在隨時(shí)間延長(zhǎng)降低，Ca8-P含量隨時(shí)間延長(zhǎng)增加，表明土壤中有效態(tài)磷向無(wú)效態(tài)轉(zhuǎn)化。γ-聚谷氨酸處理組Ca2-P含量始終高于單施磷肥處理組，在培養(yǎng)90 d后，Ca2-P增加了27.73 mg/kg，提高了67.58%。γ-聚谷氨酸處理組和單施磷肥處理組的Ca10-P含量有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明部分的Ca2-P轉(zhuǎn)化成Ca8-P，再轉(zhuǎn)化成難溶態(tài)Ca10-P，但是轉(zhuǎn)化速率較慢。資料認(rèn)為，O-P變化不大，為穩(wěn)定態(tài)磷，實(shí)質(zhì)上是被鐵氧化物膠膜包被的還原性磷酸鐵鋁鹽，并且部分被束縛在硅酸晶格內(nèi)，在非強(qiáng)烈還原條件下，較短時(shí)間內(nèi)很難被分解而參與到土壤磷的循環(huán)中［19］。

表4 聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)的影響

2.4 γ-聚谷氨酸處理組土壤有效磷與無(wú)機(jī)磷形態(tài)的相關(guān)性及通徑分析

為進(jìn)一步探討γ-聚谷氨酸處理對(duì)土壤有效磷與無(wú)機(jī)磷形態(tài)的影響，對(duì)γ-聚谷氨酸處理組土壤有效磷與無(wú)機(jī)磷形態(tài)進(jìn)行相關(guān)性及通徑分析，結(jié)果由表5可知，經(jīng)γ-聚谷氨酸處理組的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P和Ca10-P與有效磷的相關(guān)系數(shù)分別為0.871、-0.797、-0.102、-0.414、0.347和-0.483，因此各種無(wú)機(jī)磷組分與有效磷的相關(guān)性大小為Ca2-P>Ca8-P>Ca10-P>Fe-P>Al-P>O-P，其中只有Ca2-P與有效磷呈極顯著正相關(guān)，Ca8-P與有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)，Ca10-P與有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)，Al-P、Fe-P和O-P與有效磷的相關(guān)性不顯著。

相關(guān)性分析能夠表明各種形態(tài)無(wú)機(jī)磷與有效磷的相關(guān)性，但并不能表征自變量與因變量相對(duì)重要的程度，也不能反映自變量對(duì)因變量是直接影響還是通過(guò)其他因素的間接影響，通徑分析能夠很好地解決這些問(wèn)題。決策系數(shù)可以表征各自變量對(duì)響應(yīng)變量的綜合作用，決策系數(shù)最大的為主要決策因子，而決策系數(shù)為負(fù)值且最小的為主要限制因子；直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)可以分別表征各個(gè)自變量對(duì)響應(yīng)變量直接影響及其通過(guò)其它自變量對(duì)響應(yīng)變量的間接影響。從表5中可以看出，Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P及O-P的直接通徑系數(shù)為正值，但除Ca2-P的直接通徑系數(shù)較大，其余因素的都小于0.1，這表明Ca2-P對(duì)有效磷的直接影響作用最大，Ca2-P的減少會(huì)導(dǎo)致有效磷含量的下降；Al-P和Fe-P的直接通徑系數(shù)為負(fù)值，這表明Al-P和Fe-P的增加會(huì)導(dǎo)致有效磷含量的下降。決策系數(shù)表明Ca2-P（0.759）是有效磷含量的主要決策因子；Ca8-P（-0.087）和Ca10-P（-0.057）是有效磷含量的主要限制因子。因此，要提高有效磷含量，必須提高土壤中Ca2-P的含量，限制土壤中Ca2-P向Ca8-P和Ca10-P的轉(zhuǎn)化。

2.5 γ-聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤pH的影響

pH值是土壤酸堿度的重要指標(biāo)，是影響土壤中營(yíng)養(yǎng)元素釋放和有效性的重要因素之一［20］。圖2是γ-聚谷氨酸對(duì)土壤pH的影響。從圖中可以看出聚谷氨酸處理組和單施磷肥組的pH在0～20 d均有不同程度的增加，20～90 dγ-聚谷氨酸處理組的pH顯著降低并趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)，γ-聚谷氨酸增加土壤有效磷從原理上不同于腐殖酸［21］、草酸和檸檬酸［22］等有機(jī)酸，它們是通過(guò)增加土壤酸性、酸解出難溶磷酸鹽中的磷增加土壤有效磷含量的。

2.6 γ-聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤碳酸鈣含量的影響

土壤中的碳酸鈣對(duì)土壤理化性質(zhì)以及磷在土壤中的吸附解吸有重要影響［23-24］，特別是對(duì)本試驗(yàn)所用石灰性土壤影響更加顯著。因此，研究γ-聚谷氨酸磷肥增效劑對(duì)土壤中碳酸鈣含量的影響很有必要。

圖2 土壤培養(yǎng)條件下聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤pH的影響

圖3 是γ-聚谷氨酸磷肥增效劑對(duì)土壤中碳酸鈣含量的影響。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，γ-聚谷氨酸處理組、單施磷肥處理組和CK0的碳酸鈣平均含量分別為37.42、38.36和39.23 g/kg?？梢钥闯?，γ-聚谷氨酸處理組明顯降低土壤中碳酸鈣含量，在第60 d時(shí)含量達(dá)到最低，為36.79 g/kg，與對(duì)照組相比降低了2.38 g/kg，與單施磷肥處理組相比降低了1.00 g/kg；γ-聚谷氨酸處理組比單施磷肥處理組和對(duì)照組的碳酸鈣分別降低了2.47%和4.62%。

可見(jiàn)，γ-聚谷氨酸磷是通過(guò)降低土壤中的碳酸鈣含量增加土壤有效磷。石灰性土壤碳酸鈣含量較高，形成不溶性磷酸鈣的幾率高，當(dāng)γ-聚谷氨酸磷施入土壤中，其中的鈣離子會(huì)交換到γ-聚谷氨酸中使得土壤對(duì)磷的固化能力下降。

圖3 土壤培養(yǎng)條件下聚谷氨酸增效磷肥對(duì)土壤碳酸鈣含量的影響

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，γ-聚谷氨酸可以降低磷肥的固定率，提高磷肥的有效性。通過(guò)與常用磷肥增效劑草酸和腐殖酸進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)施用γ-聚谷氨酸更能夠明顯提高磷肥在土壤中的利用率，降低磷肥在土壤中的固定，培養(yǎng)90 d后，γ-聚谷氨酸、草酸和腐殖酸處理后的土壤有效磷含量分別為122.15、101.69和81.36 mg/kg。主要原因可能是：第一，γ-聚谷氨酸主鏈上有大量游離的羧基，可以與土壤中的金屬離子絡(luò)合，降低了這些金屬離子與有效磷結(jié)合成為無(wú)效磷的可能性［25］；第二，γ-聚谷氨酸能夠降低土壤中碳酸鈣含量，減少石灰性土壤中磷的主要吸附位點(diǎn)［26］；第三，通過(guò)對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷形態(tài)進(jìn)行分析，γ-聚谷氨酸能夠更好地降低Ca2-P向Ca8-P和Ca10-P的轉(zhuǎn)化。

γ-聚谷氨酸具有無(wú)毒性、生物可降解性等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常大的應(yīng)用價(jià)值［27］。已有研究表明，γ-聚谷氨酸與氮肥配施，能夠促進(jìn)植物對(duì)氮肥的吸收，提高氮肥的利用率［28］。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，γ-聚谷氨酸的產(chǎn)量大幅度提高，此外，利用工業(yè)、食品廢水和農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)γ-聚谷氨酸已經(jīng)取得成功，降低了生產(chǎn)成本，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的雙贏［29］。因此，γ-聚谷氨酸作為一種性能優(yōu)良的磷肥增效劑，具有非常大的市場(chǎng)價(jià)值。