生物降解高分子緩控釋肥在番茄上的應(yīng)用研究

馬琳娜，向 陽，趙貴哲，劉亞青

（1.中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

生物降解高分子緩控釋肥在番茄上的應(yīng)用研究

馬琳娜1，2，向 陽1，3，趙貴哲1，3，劉亞青1，3

（1.中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

以番茄為試材，與番茄專用肥及有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥對(duì)比，系統(tǒng)研究了兩種不同溶解度的生物降解高分子緩控釋肥對(duì)盆栽番茄生理特性、果實(shí)品質(zhì)及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：不同種類的生物降解高分子緩控釋肥可以不同程度地提高番茄葉片葉綠素含量、葉片硝酸還原酶活性以及根系活力；生物降解高分子緩控釋肥不僅對(duì)番茄的品質(zhì)有明顯的改善作用，而且還可以提高番茄的產(chǎn)量，生物降解高分子緩控釋氮磷鉀肥和生物降解高分子緩控釋微肥效果可以分別增產(chǎn)75.39%和64.72%。

生物降解高分子緩控釋肥；番茄；生理特性；果實(shí)品質(zhì)；產(chǎn)量

馬琳娜，向陽，趙貴哲，等.生物降解高分子緩控釋肥在番茄上的應(yīng)用研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（4）：84-88.

農(nóng)業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的基礎(chǔ)地位，但其發(fā)展受到來自人口增長(zhǎng)、耕地面積銳減和人力資源短缺等的制約［1-2］，由此帶來的糧食問題日益突出，增加糧食產(chǎn)量已經(jīng)刻不容緩［3］。肥料是糧食增產(chǎn)的關(guān)鍵，但普通肥料存在的營(yíng)養(yǎng)元素?fù)]發(fā)、淋溶等造成肥料利用率低，不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及經(jīng)濟(jì)損失，而且還造成土壤板結(jié)、臭氧層破壞、水體污染等環(huán)境問題［4-6］。因此，提高肥料利用率對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。

國(guó)內(nèi)外肥料研究者們研發(fā)了大量的新型肥料，以期提高養(yǎng)分利用率、減輕環(huán)境污染，其中緩控釋肥因能使肥料養(yǎng)分緩慢釋放或控制養(yǎng)分釋放速度，使養(yǎng)分釋放與作物需求同步而成為解決上述問題的理想途徑［7］。早在20世紀(jì)初，緩控釋肥料就已經(jīng)問世，目前的主要品種有脲醛肥料、硫包衣尿素以及樹脂包膜肥料，其中樹脂包膜肥料在水稻、花卉、蔬菜作物上得到應(yīng)用。但是，樹脂包膜肥料養(yǎng)分釋放后殘留在土壤中的膜難于在短期內(nèi)降解，這勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤造成污染［8］。有機(jī)高分子緩控釋肥是一種新型可降解高分子材料，它在土壤中能夠完全降解，并具有良好的養(yǎng)分緩控釋性能且養(yǎng)分全面，為進(jìn)一步明確其在蔬菜上的應(yīng)用效果，本試驗(yàn)以山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心提供的幾種生物降解高分子緩控釋肥為試材，研究比較了它們?cè)诜言耘嗌系膽?yīng)用效果。

1 　材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄幼苗品種為華農(nóng)種苗，由山西省太原市上蘭村商戶提供。

供試土壤為粉壤土，其基本理化性狀為砂粒38%、粉粒50%、粘粒12%，pH 8.2，有機(jī)質(zhì)10.3 g/kg ，土壤全氮含量104 mg/kg、有效磷4.3 mg/kg、速效鉀132.7 mg/kg。

供試肥料：番茄專用肥（N33.4%、P2O530.5%、K2O 64.2%），由山東邁金農(nóng)生態(tài)肥業(yè)有限公司提供；有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)91.4%、N2.6%、P2O53.4 %、K2O 2.5%），由臨汾市匯進(jìn)鑫肥業(yè)有限公司提供；低溶解度生物降解高分子緩控釋氮磷鉀肥（冷水溶解度25%，N 21.5%、P2O522.9%、K2O 7.8%），高溶解度生物降解高分子緩控釋氮磷鉀肥（冷水溶解度42%，N 21.5%、P2O522.9%、K2O11.8%），低溶解度生物降解高分子緩控釋微肥（冷水溶解度28%，N 35.9%、P2O51.9%、Te0.9%），高溶解度生物降解高分子緩控釋微肥（冷水溶解度44%，N 39.3%、P2O51.6 %、Te0.8%），由中北大學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心提供。尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀均為分析純，有天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

選取生長(zhǎng)一致的五葉一心幼苗定植，將土壤和肥料充分混勻后，裝入規(guī)格為120 cm×38 cm×28 cm的栽培箱中，每箱裝入高為25 cm的土，每箱定植3株，株距30 cm，定植時(shí)沿箱子中心種植。土壤裝箱時(shí)，首先裝入高度為5 cm的土壤（按照體積和容重?fù)Q算重量，然后稱重裝入），再將20 cm的土壤稱出（按體積和容重?fù)Q算）與所施肥料混合均勻，再裝入箱中，表層土壤鋪平，然后澆入相當(dāng)于25 cm土壤的最大持水量（即澆透），24 h后在日照強(qiáng)度小時(shí)進(jìn)行番茄幼苗移栽，以后定期并定量澆水，使土壤相對(duì)含水量保持在40%～80%，每個(gè)處理澆水量均相同。

試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理：CK為不施肥，CCF為番茄專用肥，50%OM+50%INF為有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥，PRFL和PRFH分別為低、高溶解度生物降解高分子緩控釋NPK肥，WRFL和WRFH分別為低、高溶解度生物降解高分子緩控釋微肥，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)中7個(gè)處理所施氮、磷、鉀量相同，氮、磷、鉀的需求比例N∶P2O5∶K2O=1∶1∶2，最佳配施方案為每667 m2施N 16 kg、P2O514.6 kg、K2O 30.7 kg。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤基本理化性狀 土壤砂粒、粉粒、粘粒、pH、有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量、有效磷、速效鉀按一般方法測(cè)定［9］。

1.3.2 番茄生理特性 葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合液浸提法［10］、葉片硝酸還原酶活性采用磺胺比色法［11］、根系活力采用TTC法［11］測(cè)定。

1.3.3 番茄果實(shí)品質(zhì) 可溶性糖含量采用蒽酮法［12］、維生素C（Vc）含量采用2，6-二氯靛酚滴定法［11］、可滴定酸（TA）含量采用酸堿滴定法［11］、番茄紅素含量采用石油醚提取比色法［13］、硝酸鹽含量采用水楊酸消化法［14］、甲醛含量采用蒸餾法［15］測(cè)定。

1.3.4 番茄產(chǎn)量 番茄果實(shí)收獲后按照處理收集入塑封袋中并標(biāo)記，分別用電子天平稱重，記錄產(chǎn)量，并記錄結(jié)果數(shù)。番茄多批收獲，每收獲一批立即測(cè)定其產(chǎn)量和結(jié)果數(shù)，直到拉秧后再對(duì)各處理的產(chǎn)量和結(jié)果數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算番茄平均重量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)番茄生理特性的影響

2.1.1 葉片葉綠素含量 葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，較高的葉綠素含量有利于植物進(jìn)行光合作用，從而有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。從圖1可以看出，隨著生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，各施肥處理的葉綠素含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。此外，在各個(gè)時(shí)期，生物降解高分子緩控釋肥處理對(duì)應(yīng)的葉片葉綠素含量均高于CK，尤其在成熟期差距較為顯著，且PRF及WRF兩種處理的葉綠素含量高于CCF 及OM+INF，表明生物降解高分子緩控釋肥在后期也能提供足夠的養(yǎng)分，從而有助于生育后期葉片維持較高的光合能力。

圖1 不同施肥處理對(duì)番茄不同時(shí)期葉綠素含量的影響

2.1.2 葉片硝酸還原酶活性和根系活力 由圖2可知，番茄成熟期各處理的硝酸還原酶含量均高于CK，且以PRF和OM+ INF處理的最高，其次是WRF，再次是CCF，其中PRFL和WRFL分別比CK提高了115.02%和58.67%?？梢姡┯蒙锝到庥袡C(jī)高分子緩控釋PNK肥和微肥可以提高番茄葉片的硝酸還原酶含量，促進(jìn)硝態(tài)氮的同化和吸收，進(jìn)而有利于提高作物產(chǎn)量，與2.3所述PRF和WRF施肥處理的番茄產(chǎn)量最高相一致。

圖2 不同施肥處理對(duì)番茄葉片硝酸還原酶活性的影響

根系活力用琥珀酸脫氫酶的活性表示。土壤的理化性質(zhì)和肥力不同，會(huì)導(dǎo)致根際環(huán)境的較大差異，進(jìn)而影響植物的根系活力。由圖3可知，PRFL處理的根系活力顯著高于其他處理，且PRFL＞PRFH＞W(wǎng)RFL＞W(wǎng)RFH，這是因?yàn)樵谕寥赖臐穸取囟?、有毒物質(zhì)含量和緊實(shí)度等條件相同的情況下，養(yǎng)分含量是植物根系活力的主要因素［16］。因?yàn)槿芙舛鹊偷姆柿系酿B(yǎng)分釋放緩慢，能夠?yàn)樯L(zhǎng)后期的番茄根系提供充足養(yǎng)分，因此較高溶解度肥料處理的番茄具有更強(qiáng)的根系活力。

圖3 不同施肥處理對(duì)番茄根系活力的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

可溶性糖、有機(jī)酸、Vc、番茄紅素、硝酸鹽含量等指標(biāo)是番茄果實(shí)食用及風(fēng)味優(yōu)劣的重要依據(jù)，因而也是衡量番茄果實(shí)綜合品質(zhì)的重要指標(biāo)。從表1可以看出，生物降解有機(jī)高分子緩控釋PNK肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥、生物降解有機(jī)高分子緩控釋微肥有效提高了番茄的可溶性糖含量；有機(jī)酸含量與糖含量趨勢(shì)相似；糖酸比是評(píng)價(jià)番茄口感的重要指標(biāo)，由測(cè)得的糖、酸含量可計(jì)算得到各處理的糖酸比次序：PRFL＞W(wǎng)RFL＞OM+INF≈PRFH≈WRFH＞CCF＞CK，表明生物降解有機(jī)高分子緩控釋PNK肥與微肥處理的口感最好。

各處理間番茄Vc含量依次為：PRFH＞W(wǎng)RFH＞W(wǎng)RFL＞PRFL＞OM+INF＞CK≈CCF；生物降解有機(jī)高分子緩控釋PNK肥和微肥處理中番茄Vc含量最高，有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥配施其次，普通肥與空白處理接近。這可能是因?yàn)閂c為碳水化合物，在其合成過程中除需要空氣提供的碳源外，還需要來自土壤的供給，普通肥主要由無機(jī)鹽組成，無法提供小分子碳水化合物，而生物降解高分子緩控釋肥在N、P、K釋放過程中分解出部分水溶性碳水化合物被根系吸收，從而促進(jìn)了Vc的合成［17］。

各處理對(duì)番茄紅素含量的影響順序依次為CK＞CCF＞W(wǎng)RFH＞OM+INF＞PRFL＞W(wǎng)RFL＞PRFH，與對(duì)其他品質(zhì)的影響不一致。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，番茄紅素含量與可溶性糖含量整體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即含糖量越低的番茄，其番茄紅素含量越高。

硝酸鹽在人體胃腸中經(jīng)微生物作用可被還原成有毒的亞硝酸鹽，它可與人體血紅蛋白反應(yīng)使之失去載氧功能，造成高鐵血紅蛋白癥，導(dǎo)致智力遲鈍，因此經(jīng)常食用硝酸鹽含量過多的蔬菜會(huì)危害身體健康［18］。由表1可知，生物降解有機(jī)高分子緩控釋處理的硝酸鹽含量最高為187.78（±9.96）μg/g，硝酸鹽含量最高的處理為CCF、達(dá)252.72 （±12.26）μg/g。

合成的生物降解高分子緩控釋肥在降解過程中可能會(huì)釋放出甲醛，這是否會(huì)對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)造成一定影響值得探究。本試驗(yàn)結(jié)果表明，上述處理中番茄甲醛含量最大值為1.04 mg/kg。

2.3 不同施肥處理對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

由表2可知，PRF和WRF處理的產(chǎn)量最高，其次為OM+INF和CCF處理，CK的產(chǎn)量最低。番茄均重在一定程度上可以說明果實(shí)大小，CCF處理的番茄比其他處理大，但產(chǎn)量并不高，而PRF和WRF處理在提高番茄大小的基礎(chǔ)上，顯著提高了番茄產(chǎn)量（分別提高75.39%和64.72%）。番茄是連續(xù)開花結(jié)果的蔬菜，生長(zhǎng)期長(zhǎng)，需肥量大，且結(jié)果期需肥量更大。CCF處理的番茄結(jié)果主要集中在結(jié)果期內(nèi)，后期不再結(jié)新果，即結(jié)果數(shù)相對(duì)少，而PRF和WRF處理在整個(gè)番茄生長(zhǎng)期都可以提供充足的養(yǎng)分，尤其在生長(zhǎng)后期仍能繼續(xù)釋放養(yǎng)分促進(jìn)番茄植株的生殖生長(zhǎng)及果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育，而且在各生物降解高分子緩控釋肥處理中，低溶解度肥料處理的產(chǎn)量比高溶解度肥料高（WRFL＞W(wǎng)RFH，PRFL＞PRFH），進(jìn)一步說明養(yǎng)分緩釋對(duì)番茄生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。WRF處理中除了含有N、P、K養(yǎng)分外，還含有微量元素（如Fe、Mn、Cu、Zn），在一定程度上有助于番茄的生長(zhǎng)。

表1 不同施肥處理對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

表2 不同施肥處理的番茄產(chǎn)量

3 結(jié)論與討論

通過化學(xué)合成法制備生物降解高分子緩控釋肥，本試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于速效肥而言，生物降解高分子緩控釋肥對(duì)改善番茄生理性狀和果實(shí)品質(zhì)、提高番茄產(chǎn)量均有具有重要的意義。

與番茄專用肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥相比，生物降解高分子緩控釋肥可以提高番茄葉片葉綠素含量，改善光合作用。隨著番茄生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，各施肥處理的葉綠素含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)閺慕Y(jié)果期開始，番茄生長(zhǎng)旺盛，營(yíng)養(yǎng)主要向果實(shí)運(yùn)輸，使葉片生長(zhǎng)受到限制［19］。結(jié)果期之后，葉片葉綠素含量的下降主要受到養(yǎng)分的影響，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)供給不足時(shí)，葉綠素含量下降較快，可以看出，與其他處理相比，PRF與WRF處理的葉片葉綠素含量較高，表明生物降解高分子緩控釋肥后期較高的營(yíng)養(yǎng)供給對(duì)番茄葉片葉綠素的含量維持有明顯的促進(jìn)作用。

硝酸還原酶是植物氮素代謝的關(guān)鍵酶，能將進(jìn)入植物體內(nèi)的NO3-還原為NO2-，并進(jìn)一步在亞硝酸還原酶的作用下還原為氨，因此硝酸還原酶與作物吸收和氮肥利用有關(guān)，其活性大小在一定程度上影響植物對(duì)土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和利用，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［20-21］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物降解高分子緩控釋肥處理的葉片硝酸還原酶活性高于專用肥處理，可有效地促進(jìn)植物對(duì)硝態(tài)氮的吸收和利用。

根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響植物地上部的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平［22］。PRFL和PRFH能顯著增強(qiáng)番茄根系吸收功能，而WRFL和WRFH效果并不顯著，其具體原因需進(jìn)一步研究。

在本研究中，生物降解高分子緩控釋肥能顯著提高番茄可溶性糖、Vc、以及糖酸比值；硝酸鹽含量未超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）在1973年制訂了食品中硝酸鹽的限量標(biāo)準(zhǔn)［23］，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，以上處理的硝酸鹽含量都低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可生食；果實(shí)中甲醛含量也未超過正常值，WHO曾公布過番茄中甲醛含量為6 mg/kg［24］，而本試驗(yàn)中番茄甲醛含量最大為1.04 mg/kg、遠(yuǎn)低于6 mg/kg，可見生物降解高分子緩控釋肥不會(huì)造成番茄甲醛含量升高?？傮w而言，生物降解高分子緩控釋肥能改善番茄果實(shí)的各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)。其中，番茄紅素含量與可溶性糖含量整體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與其他文獻(xiàn)的結(jié)果［25］一致。

相對(duì)于番茄專用肥、有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥而言，PRF和WRF在提高番茄大小的基礎(chǔ)上，能顯著提高番茄產(chǎn)量?？傮w而言，生物降解高分子緩控釋肥在番茄栽培方面具有一定的可行性，這與生物降解高分子緩控釋肥料養(yǎng)分的緩慢釋放特性有關(guān)，但是截至目前，有關(guān)其養(yǎng)分釋放機(jī)理尚不清楚，其中不僅與肥料本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與肥料在養(yǎng)分緩釋過程中溫度、水分、微生物的作用有關(guān)［26］，因此關(guān)于生物降解高分子緩控釋肥的養(yǎng)分釋放機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入研究。

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（責(zé)任編輯 楊賢智）

Application of biodegradable slow and controlledrelease polymeric fertilizer in tomato

MA Lin-na1，2，XIANG Yang1，3，ZHAO Gui-zhe1，3，LIU Ya-qing1，3
（1.Research Center for Engineering Technology of Polymeric Composites of Shanxi Province，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.College of Science，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.College of Material Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Taking tomato as material，compared with common compound fertilizer and organ-inorganic compound fertilizer，the effects of two kinds of biodegradable slow and controlled-release polymeric fertilizer with different solubility on physiological characteristics，quality of vegetables and yield were studied.Results showed that different kinds of biodegradable slow and controlled-release polymeric fertilizer could improve tomato leaf chlorophyll content，root activity and nitrate reductase activity.And they could not only improve the quality of fruit，but also promote the yield of tomato，in the treatments of biodegradable slow and controlled-release polymeric NPK fertilizer and biodegradable slow and controlled-release polymeric micronutrient fertilizer，yield increased by 75.39% and 64.72%，respectively.

biodegradable slow and controlled-release polymeric fertilizer；tomato； physiological characteristics；quality；yield

S641.2；S145.6

A

1004-874X（2016）04-0084-05

10.16768/j.issn.1004-874X.2016.04.017

2016-02-26

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130311009-6）

馬琳娜（1991-），女，在讀碩士生，E-mail：mln0316@163.com

劉亞青（1970-），女，博士，教授，E-mail：lyq@nuc.edu.cn