羥乙基纖維素高分子緩釋肥在番茄上的應用

宋江 趙海東 向陽 趙貴哲 劉亞青

摘要：通過番茄（Solanum lycopersicum L.）盆栽試驗研究了市售肥料（有機肥和化學肥料）和兩種不同高分子緩釋肥對土壤和植株的影響。經(jīng)物理混合和化學反應將含有營養(yǎng)元素（氮、磷、鉀）的高分子緩釋肥與羥乙基纖維素吸水樹脂制備出兩種不同的高分子緩釋肥，按照相同的施肥量，將市售肥料和兩種高分子緩釋肥分別施入番茄盆栽中，觀測番茄植株生長情況（植株高度、葉片葉綠素含量、植株干物質量、番茄果實數(shù)和單果質量）、番茄果實品質（番茄紅素、維生素C、有機酸和可溶性糖含量）及土壤理化性質（水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量及過氧化氫酶和脲酶活性）的變化。結果表明，羥乙基纖維素高分子緩釋肥施入土壤中后，土壤養(yǎng)分含量和酶活性明顯增加，兩種高分子緩釋肥土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量比市售肥料分別增加了16.61%、48.06%和21.61%、84.64%;與市售肥料相比，兩種高分子緩釋肥對番茄葉片的葉綠素含量和果實品質也有明顯的改善作用，而且還提高了番茄果實數(shù)，分別增加了40.74%和33.33%。由此可知，羥乙基纖維素高分子緩釋肥可廣泛應用于農(nóng)作物生產(chǎn)中。

關鍵詞：高分子緩釋肥;番茄（Solanum lycopersicum L.）;品質;土壤理化性質

中圖分類號：S143? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）09-0025-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.006? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The effects of commercially available fertilizers （organic and chemical fertilizers） and two different polymer slow release fertilizers on soil and plants of tomato（Solanum lycopersicum L.） were studied by pot experiment. Two different polymer slow release fertilizers were prepared by physical mixing and chemical reaction of NPK-containing polymer slow release fertilizer and hydroxyethyl cellulose water-absorbing resin. According to the same fertilizer application amount， commercially available fertilizers and two kinds of polymer slow-release fertilizers were applied to tomato pots respectively to observe the growth of tomato plants（plant height， leaf chlorophyll content， plant dry weight， tomato fruit number and tomato fruit weight）， tomato fruit properties（the content of lycopene， vitamins C， organic acids and soluble sugars） and soil physical and chemical properties（moisture content， ammonium nitrogen content， nitrate nitrogen content， catalase and urease activity）. The results showed that the soil nutrient content and enzyme activity increased compared with the commercially available fertilizer control soil， and the ammonium nitrogen and nitrate nitrogen content increased by 16.61%， 48.06%， and 21.61%， 84.64%， respectively. Two kinds of polymer slow release fertilizers significantly improved the chlorophyll content and tomato fruit quality of tomato leaves， and also increased the number of tomato fruits， increasing by 40.74% and 33.33%. Consequently， hydroxyethyl cellulose polymer slow release fertilizer can be widely used in agricultural production.

Key words： polymer slow release fertilizer; tomato （Solanum lycopersicum L.）; quality; soil physical and chemical properties

限制中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的3個重要因素分別為農(nóng)田干旱缺水、水肥利用率低和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活污染。使用化肥雖然可以在一定程度上提高作物產(chǎn)量，但是隨著農(nóng)民對化肥的依賴越來越強，為促進糧食增收，化肥的施用量逐年遞增，但近幾年糧食并未明顯增產(chǎn)。同時土壤環(huán)境的生態(tài)問題日益突出，過量的化肥施加到土壤，肥料不能被農(nóng)作物全部充分吸收利用，剩余的化肥造成土壤、水體和大氣污染等問題。

隨著社會的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境管理方面，具有養(yǎng)分緩釋能力的高分子緩釋肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、涵養(yǎng)水土以及土壤污染控制方面受到了廣泛的關注。高分子緩釋肥是一種環(huán)保型肥料，具有環(huán)境污染低、養(yǎng)分利用率高、肥效長、物理化學性質穩(wěn)定的特點。一般認為，高分子緩釋肥料的應用可以改善土壤基本的理化性質和生物學性質，增強土壤肥效的保持力，提高肥料的利用率和滲透性。高分子緩釋肥對土壤的基本理化性質有不同的影響，如土壤含水量、土壤團聚體分布、pH、電導率和有機質組成。此外，它還對土壤營養(yǎng)的釋放和有效性產(chǎn)生影響。高分子緩釋肥料的施用可以維持和增加土壤中氮含量以及有效磷和有效鉀的儲存，從而提高土壤為作物提供養(yǎng)分的能力，進而提高作物產(chǎn)量，改善作物品質。楊宇等[1]的研究表明，黃腐酸能使鹽堿地的pH降低，增加土壤微生物的種類與數(shù)量，改善土壤穩(wěn)定性。黃震等[2]的研究表明，環(huán)境物質可以增加土壤有效養(yǎng)分、調(diào)節(jié)土壤酶活性，尤其是脲酶和磷酸酶活性。Xiang等[3，4]的研究表明，具有半互穿網(wǎng)絡結構的高嶺土保水肥的土壤保水性能優(yōu)異，且具有良好的緩釋性能。師巾國等[5]的研究表明，生物降解高分子材料緩釋肥料PSRFWA具有優(yōu)異的重金屬吸附性能。

然而，到目前為止，具有養(yǎng)分緩釋功能的高分子緩釋肥料對植株的生長和作物產(chǎn)量影響的報道較少。為此，本研究為解決農(nóng)田土壤中肥料利用效率較低的問題，采用番茄（Solanum lycopersicum L.）盆栽試驗研究市售肥料（OM+INF），物理反應制備的PSRF+SAP和化學反應制備的羥乙基纖維素高分子緩釋肥料（SI-PSRF/SAP）對土壤含水量、土壤養(yǎng)分含量及番茄生長的影響，為農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

山西省太原市尖草坪區(qū)上蘭村耕地土壤為盆栽供試土壤。供試土壤為粉壤土，其基本的理化性狀為38%的沙粒、50%的粉粒、12%的黏粒。

供試番茄秧苗為晉番茄1號，購自山西省太原市上蘭村商戶。

高分子緩釋肥由中北大學山西省高分子復合材料工程技術研究中心提供。尿素、KH2PO4（磷酸二氫鉀）、甲醛為制備高分子緩釋肥PSRF的原料。羥乙基纖維素、丙烯酰胺、丙烯酸等為制備具有超吸水性能羥乙基纖維素吸水樹脂的原料。為方便研究，命名物理混合的高分子緩釋肥為PSRF+SAP，化學制備合成的高分子緩釋肥為SI-PSRF/SAP。市售肥料（OM+INF，OM為有機肥，購自山西昌鑫生物農(nóng)業(yè)科技有限公司;INF為氯化銨、磷酸二氫鉀和氯化鉀的混合物）。

1.2? 試驗方法

番茄盆栽試驗于2018年5—9月在山西省太原市中北大學山西省高分子復合材料工程技術研究中心進行。將土壤裝入規(guī)格為60 cm×38 cm×28 cm的塑料箱。裝箱時需要注意，每箱裝入高25 cm的土壤（按體積和容重換算重量），再將土壤與緩釋肥料混合，將其放入箱中，使表面土壤平整。將每箱土壤澆透，選擇在光照度小的時候對番茄幼苗進行移植[5，6]。選取長勢一致的幼苗定植，每箱定植1株，以后定期并定量澆水，土壤相對含水量保持在40%～80%，澆水量均相同[5，6]。

試驗設高分子緩釋肥料PSRF+SAP、SI-PSRF/SAP、市售肥料和空白對照（CK）4個處理，每個處理重復3次。各施肥處理施相同量的N（6.15 g/盆N）、P（0.33 g/盆P2O5）和K（3.24 g/盆K2O），比例為N∶P2O5∶K2O=22.6∶1.2∶11.9。

土壤樣品采集：在番茄生長的4個時期（苗期、開花期、結果期和成熟期）避開植物根系按五點取樣法在垂直面取土。土樣風干后保存，用于測試土壤酶活性和土壤營養(yǎng)含量。

植株樣品采集：植株樣品先用去離子水去除黏附的泥土后，80 ℃烘干，稱取植株干重。

1.3? 測定方法

1.3.1? 土壤含水量的測定? 稱取100 g番茄盆栽中的土壤，將其放入烘箱，在60 ℃條件下烘干并稱重（記為M1）。土壤含水量（WH）的計算公式如下：

WH=（100-M1）/100? （1）

1.3.2? 土壤酶活性的測定? 脲酶活性采用次氯酸鈉-苯酚比色法測定[7];過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[8]。

1.3.3? 土壤養(yǎng)分含量的測定? 銨態(tài)氮（NH4+-N）含量采用氧化鎂保護半微量凱氏定氮法測定[9];硝態(tài)氮（NO3--N）含量采用酚二磺酸分光光度法測定[9]。

1.3.4? 番茄生理特性和果實品質的測定? 番茄葉片中的葉綠素采用丙酮-乙醇混合液提取[10];可溶性糖含量采用蒽酮法測定[11];維生素C（VC）含量采用C12H6Cl2NNAO2（2，6-二氯靛酚）滴定法測定[12];番茄紅素含量采用石油醚提取比色法測定[13]。

1.3.5? 番茄產(chǎn)量的測定? 根據(jù)不同的施肥處理，將成熟的果實采摘裝入編織袋中并記錄，分別采用電子天平稱重，記錄。

1.4? 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 24軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并使用Origin 8.0軟件進行制圖。

2? 結果與分析

2.1? 不同處理對土壤含水量的影響

土壤含水量反映了一個地區(qū)的降雨量、灌溉水平和作物的呼吸蒸騰作用。農(nóng)作物生長所需的水最終來自耕地土壤，因此土壤含水量是影響農(nóng)作物生長的一個重要因素。在番茄苗期，各處理的土壤含水量差異不明顯。這可能是由于番茄植株生長初期肥料缺乏的體現(xiàn)不明顯，并且植株較小，蒸騰作用不明顯，從而不同處理土壤含水量差異不明顯。隨著植株的生長，各處理差異越來越明顯。這是因為土壤中的水除被番茄植株的根系吸收和利用，還有部分水分流失，導致土壤含水量下降。大量研究表明，吸水樹脂和化學合成的高分子緩釋肥具有吸水保水性能，其吸水倍率可到自身重量的幾百倍以上[14-16]。SI-PSRF/SAP在作物生長后期的含水量高于OM+INF和CK，說明SI-PSRF/SAP可以吸附土壤中的水分，減少土壤水分的流失，改善土壤環(huán)境。

2.2? 不同處理對土壤酶活性的影響

脲酶是一種促進土壤有機物中酰胺鍵水解的酰胺酶。從圖2可以看出，各處理土壤脲酶活性隨番茄生育進程的推進先上升后下降。這是因為在開花期，番茄植株根系生長旺盛，需吸收土壤中大量的N素，加快了土壤中氮素的分解速度，導致土壤脲酶活性增加。外源施加市售肥OM+INF和高分子緩釋肥料PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP可以增加土壤有機質含量，加強脲酶底物的作用，促進土壤微生物的繁殖，加速土壤有機質中酰胺鍵的水解[17];另一方面，高分子緩釋肥的養(yǎng)分釋放具有緩釋性能，可以持續(xù)為植株生長提供有機物[18]，因此PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP處理的脲酶活性高于OM+INF和空白對照。市售有機肥料OM+INF前期釋放速度快，不易被土壤吸附固定營養(yǎng)元素。PSRF+SAP是由PSRF和羥乙基纖維素吸水樹脂（SAP）物理混合組成，當SAP吸水膨脹達到飽和后，受到周圍土壤顆粒的擠壓，水分析出，加速了PSRF養(yǎng)分的釋放，造成養(yǎng)分的流失[19];SI-PSRF/SAP形成的三維網(wǎng)絡互穿結構，可以對養(yǎng)分起到養(yǎng)分緩釋效果[3]，因此在開花期后PSRF+SAP土壤脲酶活性比SI-PSRF/SAP處理低。SI-PSRF/SAP處理在番茄結果期后，脲酶活性下降是因為這個時期番茄植株的根系對營養(yǎng)的吸收速率減緩，番茄植株生長減緩，根系與土壤之間營養(yǎng)交換能力減弱，分泌物減少，代謝能力減慢。

土壤過氧化氫酶促進過氧化氫的降解，有利于防止其對生物體的毒害作用[5，6]。過氧化氫酶活性與土壤有機質含量有關，與微生物活性也有關。從圖2可以看出，SI-PSRF/SAP處理的過氧化氫酶活性隨生育進程推進先升高后降低，且高于其他處理。

2.3? 不同處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

NH4+-N和NO3--N含量是反映土壤營養(yǎng)養(yǎng)分供應的重要指標，其含量的高低直接影響植株生長情況。從圖3可以看出，施用高分子緩釋肥土壤中NH4+-N和NO3--N的含量明顯高于OM+INF和CK處理;雖然各施肥處理均以相同施氮量施入，但由于各肥料自身性質不同，對土壤中微生物群落環(huán)境等方面造成的影響和土壤氮的礦化、釋放速率存在差異[6]，因此各施肥處理土壤NH4+-N和NO3--N存在明顯差異。OM+INF中養(yǎng)分釋放速率快，易淋失，因此土壤中的氮含量低于高分子緩釋肥處理。對于PSRF+SAP處理，SAP吸水膨脹后，受到土壤顆粒的擠壓，將水分析出，PSRF再次受到水分的影響，其降解速率加快，養(yǎng)分釋放速率快于SI-PSRF/SAP。因此，從苗期開始，PSRF+SAP處理的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量低于SI-PSRF/SAP處理。

2.4? 不同處理對番茄葉片葉綠素含量和果實品質的影響

2.4.1? 葉片葉綠素含量? 植物進行光合作用的主要色素是葉綠素，其含量是影響植物光合作用和營養(yǎng)物質積累的重要因素。從圖4可以看出，隨著生長周期的增加，不同施肥處理的葉片葉綠素含量先增加后減小。此外，在不同生長階段，SI-PSRF/SAP處理的葉片葉綠素含量高于PSRF+SAP、OM+INF和CK。說明SI-PSRF/SAP高分子緩釋肥在番茄植株整個生長周期提供充沛的營養(yǎng)元素，從而有助于成熟期的葉片中含有較高的葉綠素含量，保持較高的光合能力。PSRF+SAP雖然對養(yǎng)分釋放具有一定緩釋作用，但相比SI-PSRF/SAP較差，不能持續(xù)穩(wěn)定的為植株提供養(yǎng)分含量，OM+INF中的養(yǎng)分在早期快速釋放，僅有很少的一部分被植株、土壤吸附固定，大量養(yǎng)分被淋溶損失掉，因此造成該處理植株葉片葉綠素含量低于兩種高分子緩控釋肥料。

2.4.2? 不同施肥處理對番茄果實品質的影響? 番茄果實中可溶性糖、有機酸、維生素C（VC）和番茄紅素是衡量番茄果實整體品質的重要指標。從表1可以看出，施用PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP的處理比施用OM+INF處理的番茄果實明顯增加了可溶性糖含量，且有機酸含量也有所增加。各處理間番茄VC含量由大到小依次為SI-PSRF/SAP、PSRF+SAP、OM+INF、CK。這是因為VC是一種碳水化合物，在其合成過程中，除大氣環(huán)境中供應的碳源外，它還從土壤中吸取養(yǎng)分，OM+INF養(yǎng)分釋放速率快，在番茄植株生長后期不能提供持續(xù)穩(wěn)定的養(yǎng)分，因此果實生長受到影響;PSRF+SAP主要由兩種材料混合而成，PSRF受SAP的影響，營養(yǎng)元素釋放速率快，后期供應的碳水化合物含量少，而化學反應生成的SI-PSRF/SAP緩釋性能好，可以在番茄生長后期持續(xù)釋放出N、P和K養(yǎng)分，高分子緩釋肥料降解過程中分解釋放出的碳水化合物被番茄植株的根系吸收，從而促進VC的合成[20]。番茄果實的番茄紅素含量在不同施肥處理下的影響為CK>OM+INF>PSRF+SAP>SI-PSRF/SAP，這是因為番茄紅素含量與可溶性糖含量成反比關系，即糖含量越低，番茄紅素含量越高[5，6]。

2.5? 不同處理對番茄植株生長的影響

由表2可知，PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP處理的植株高度、植株干物質量、結果數(shù)和單果重均比OM+INF處理的高，分別提高了13.14%和30.13%、59.05%和105.41%、40.74%和33.33%、35.07%和59.56%。PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP對土壤有一定的保水功能，在番茄生長過程中能夠提供充足的水分，且二者提供的養(yǎng)分促進了番茄植株生長和果實發(fā)育。但SI-PSRF/SAP處理的番茄植株優(yōu)于PSRF+SAP，這是因為SI-PSRF/SAP在番茄植株生長周期內(nèi)都可以提供充沛的營養(yǎng)元素，尤其在番茄植株的生長末期仍可以釋放養(yǎng)分促進植株的生長及果實的發(fā)育;而PSRF+SAP的養(yǎng)分釋放速率快，易造成養(yǎng)分流失，無法被植株完全吸收利用。

3? 小結與討論

該試驗結果表明，高分子緩釋肥對土壤條件的改良、番茄果實品質以及番茄果實增產(chǎn)具有重要意義。

與OM+INF對比，PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP在番茄生長后期明顯提高了土壤含水量，這主要是因為SAP和SI-PSRF/SAP具有網(wǎng)絡結構[3]，可以通過吸附耕地土壤中的水分，減少耕地水分流失，達到保持耕地水分的效果。

酶活性是提高土壤肥力的重要因素[21]。在該研究中，與OM+INF相比，PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP的應用明顯增加了土壤過氧化氫酶和脲酶的活性，說明PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP在養(yǎng)分釋放過程中為脲酶和過氧化氫酶的產(chǎn)生提供了豐富的物質，并且還促進了微生物的繁殖，微生物可以固定耕地土壤中的微小顆粒并改善土地環(huán)境。

與市售肥料OM+INF相比，施加PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP明顯增加了土壤中NH4+-N和NO3--N含量，促進植物生長?；瘜W制備的SI-PSRF/SAP處理土壤中NH4+-N和NO3--N含量高于物理混合的PSRF+SAP。說明SI-PSRF/SAP在降解過程中釋放的營養(yǎng)元素比PSRF+SAP更容易被土壤吸附固定。這可能是因為PSRF與SAP形成的三維半互穿網(wǎng)絡結構對氮元素釋放具有緩釋作用，它的釋放速率低，釋放的營養(yǎng)成分更容易被土壤固定。

與物理混合形成的PSRF+SAP相比，化學合成的SI-PSRF/SAP更能增加番茄葉片的葉綠素含量，改善植株的光合作用。隨著番茄生長進程，各處理的葉綠素含量先增加后減少，因為在番茄生長后期，營養(yǎng)主要運輸?shù)焦麑崳~片生長受到限制，導致葉綠素含量下降。施入SI-PSRF/SAP的番茄葉片葉綠素含量在番茄生長后期也較高，表明SI-PSRF/SAP在番茄植株整個生長周期供應了充沛的營養(yǎng)元素。

本研究結果表明，PSRF+SAP和SI-PSRF/SAP高分子緩釋肥能明顯改善番茄果實的品質，促進番茄可溶性糖和VC的增加。其中，番茄中的番茄紅素含量與可溶性糖含量成反比，與前人研究結果一致[22]。

綜上可知，羥乙基纖維素高分子緩釋肥施加到土壤中后，土壤理化性質、番茄植株生長以及番茄果實品質明顯優(yōu)于市售肥料。與市售肥料相比，施加羥乙基纖維素高分子緩釋肥處理的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別增加了16.61%、48.06%和21.61%、84.64%，說明羥乙基纖維素高分子緩釋肥有利于土壤氮元素固定。高分子緩釋肥對番茄葉片的葉綠素含量、株高和番茄果實品質比市售肥料也有明顯的改善作用，而且還提高了番茄果實數(shù)，分別提高了40.74%和33.33%。因此，羥乙基纖維素高分子緩釋肥可廣泛應用于農(nóng)作物生產(chǎn)中。

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收稿日期：2019-03-19

作者簡介：宋? 江（1992-），男，山西太原人，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，（電話）13466830313（電子信箱）531591881@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（電子信箱）lyq@nuc.edu.cn。