硫酸根硫和單質(zhì)硫?qū)η嗖肆蛩貭I養(yǎng)的影響

杜小平 劉廣平 蒲 鵬 呂金印 李文娟 許雪瑩

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

硫(S)是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一,屬中量元素,是僅次于氮磷鉀元素,對植物第四重要的元素[1-2]。研究表明,植物體內(nèi)約90%的硫存在于含硫氨基酸中,硫與葉綠素及一些酶的合成有關(guān),參與植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成、呼吸與光合作用、固氮和糖代謝等生理活動[3]。近年來,硫化氫(H2S)作為半胱氨酸(Cys)的降解產(chǎn)物,是僅次于一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)的植物內(nèi)源信號分子[4],通過與植物激素、其他信號分子、活性氧等相互作用以及蛋白質(zhì)巰基化修飾等方式,參與植物生長發(fā)育調(diào)控和逆境脅迫響應(yīng)等諸多生理過程[5]。上述表明,硫素在植物生長發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)中起著舉足輕重的作用。

中國是亞洲耕地缺硫面積最大的國家之一,其缺硫地區(qū)主要分布在長江以南,該地區(qū)高溫多雨,土壤硫易分解淋失[6],在北方和西南地區(qū)也有缺硫的報道[7]。近年來,隨著種植模式的改進(jìn)以及高產(chǎn)品種的迅速推廣、單位面積產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)的日益提高、低含硫量化肥的大量施用,硫肥施用被忽視[8],大量的硫隨著農(nóng)產(chǎn)品和作物秸稈從土壤中帶出,又不能得到及時補(bǔ)充,致使土壤硫含量嚴(yán)重虧缺。根據(jù)劉崇群[9]的研究,土壤有效硫含量低于12 mg·kg-1即為缺硫土壤。據(jù)調(diào)查,陜西省土壤有效硫含量均較低,全省缺硫面積約占總土地面積的56%[10]。

硫肥按照化學(xué)形態(tài)主要分為硫酸根硫(SO42--S)和單質(zhì)硫(S0-S)。SO42--S 易被植物吸收,但價格昂貴且易淋溶下滲;S0-S 有效成分含量高,價格便宜,但肥效緩慢,需要被微生物氧化為SO42-才能被植物利用[11]。適量硫肥可以顯著提高作物產(chǎn)量并改善作物品質(zhì)[12],但不同類型硫肥對作物的影響不同。朱云集等[13]通過大田試驗比較施用相同濃度的硫磺粉、石膏、過磷酸鈣、硫酸銨和硫酸鉀對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)施加硫肥顯著提高了小麥籽粒灌漿中后期群體光合速率,增加了生育后期物質(zhì)積累,提高了成熟期麥谷蛋白積累量和淀粉糊化參數(shù),其中過磷酸鈣效果最佳。遲鳳琴[14]通過田間試驗研究硫磺、硫銨和石膏對玉米生長和產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)硫磺和石膏的增產(chǎn)效果最好,可較常規(guī)栽培分別增產(chǎn)6.5%～9.6%和5.6%～8.0%。由此可見,硫素在植物生長發(fā)育及代謝過程中具有重要的生理功能,合理添加硫肥可顯著提高作物產(chǎn)量,改善作物品質(zhì)。

青菜(Brassica chinensisL.)又稱小白菜,十字花科蕓薹屬植物,屬硫敏感作物[15],作為我國重要的葉類蔬菜,在南北方廣泛地栽培和食用[16-17]。但在蔬菜實際生產(chǎn)中,由于盲目追求效益,施肥結(jié)構(gòu)不合理,忽視硫肥施用,造成土壤養(yǎng)分含量失衡,影響了蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究通過小區(qū)試驗,以硫磺(S0-S)和硫酸鉀為肥料,分析對土壤有效硫含量、青菜生長特性、產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo)的影響,旨在探討適宜的硫肥水平,為青菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

供試青菜品種為矮腳黃,購自南京明華種業(yè)有限責(zé)任公司。

試驗于2018年4月在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)場進(jìn)行。供試土壤取自陜西關(guān)中地區(qū)大田耕作土層(0～20 cm),土壤類型為土墊旱耕人為土(關(guān)中塿土),基本理化性質(zhì)為pH值7.71,有機(jī)質(zhì)11.85 g·kg-1,速效氮、速效磷、速效鉀分別為63.78、17.97、76.86 mg·kg-1,全硫142.51 mg·kg-1,有效硫9.35 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積3 m2(1.5 m ×2 m)。各小區(qū)基肥N、P2O5、K2O 用量分別為11.25、17.18、11.25 g·m-2。試驗用2種形態(tài)硫(硫酸根硫和單質(zhì)硫,分別用SO42--S和S0-S表示)作為硫源,硫肥施用量分別為26.5、53和106 g·m-2(分別用S1、S2和S3表示),共設(shè)置7個處理:1)不施硫(CK);2)硫酸鉀1(SO42--S1);3)硫酸鉀2(SO42--S2);4)硫酸鉀3(SO42--S3);5)硫磺粉1(S0-S1);6)硫磺粉2(S0-S2);7)硫磺粉3(S0-S3)。每個處理水平設(shè)置3個小區(qū)重復(fù)。氮肥選用尿素(N ≥46%)、磷肥選用磷酸二銨(P2O5≥46%,N ≥18%)、鉀肥選用氯化鉀(K2O ≥63%)、硫肥選用硫磺粉(S≥99%)和硫酸鉀(K2SO4)(S≥17.5%,K2O≥51%),由新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司提供。肥料與土壤充分混勻,播種7 d后開始間苗,行距30 cm,株距20 cm,生長30 d后采收植物和土壤樣品。

1.3 項目測定與方法

土壤pH值采用PHS-3C pH 計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測定(水土比,2.5∶1)[18];土壤有效硫含量采用硫酸鋇比濁法[19]測定。植株全硫含量采用硫酸鋇比濁法[20]測定,葉綠素含量采用丙酮提取法[21]測定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法[21]測定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法[21]測定,硝酸鹽含量參照GB 5009.33-2016[22]采用紫外分光光度法測定,維生素C含量采用2,6-二氯靛酚比色法[23]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(means±SD)表示,采用OriginPro 2016軟件進(jìn)行圖形處理,SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,并運(yùn)用Duncan 檢驗法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫酸鹽和單質(zhì)硫?qū)ν寥纏H值的影響

由圖1可知,表層土層(0～20 cm)pH值隨著硫肥施用量的增加呈顯著下降趨勢(P＜0.05)。與CK相比,施用硫肥有效降低了弱堿性土壤的pH值,且S3降幅最大。同一硫肥處理水平下,SO42--S 處理降低土壤pH值的作用強(qiáng)于S0-S 處理,且差異顯著(P＜0.05)。綜上,施用硫肥可降低弱堿性土壤pH值,且SO42--S 作用效果強(qiáng)于S0-S。

圖1 施用不同量SO42--S和S0-S并種植青菜后土壤pH值Fig.1 The soil pH values after planting pakchoi with different sulphur fertilizer treatments

2.2 硫酸鹽和單質(zhì)硫?qū)ν寥烙行Я蚝康挠绊?/h3>

由圖2可知,隨著硫肥施用量的增加,土壤有效硫含量呈顯著增加趨勢(P＜0.05)。與CK相比,土壤有效硫含量分別顯著增加0.83、3.22和6.69倍(P＜0.05),S0-S1、S0-S2和S0-S3 土壤有效硫含量分別顯著增加0.38、1.55和6.10倍(P＜0.05)。同一硫肥處理水平下,SO42--S 處理土壤有效硫含量顯著高于S0-S 處理(P＜0.05)。上述表明施用硫肥可顯著改善土壤缺硫現(xiàn)狀,且SO42--S對土壤有效硫含量的改善作用顯著大于S0-S。

2.3 硫酸鹽和單質(zhì)硫?qū)η嗖水a(chǎn)量及品質(zhì)的影響

2.3.1 青菜產(chǎn)量 由表1可知,施用硫肥對青菜的生長具有顯著的促進(jìn)作用(P＜0.05),隨著硫肥施用量的增加,青菜株高和可食部分干重均呈增加趨勢。與CK相比,SO42--S3和S0-S3 青菜株高分別顯著增加30.7%和24.2%(P＜0.05),青菜可食部分干重分別顯著增加69.4%和62.9%(P＜0.05),增幅均最大。同一硫肥處理水平下,僅青菜株高與S0-S2 有顯著差異(P＜0.05)。

表1 施用不同量和S0-S對青菜株高和可食部分干重的影響Table1 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on the plant height and dry mass of edible parts of pakchoi

表1 施用不同量和S0-S對青菜株高和可食部分干重的影響Table1 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on the plant height and dry mass of edible parts of pakchoi

注:同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P＜0.05)。Note:Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

生長指標(biāo)Growth indexes CK SO42--S1 SO42--S2 SO42--S3 S0-S1 S0-S2 S0-S3株高Shoot height/cm 15.3±0.31e 17.4±0.62cd 19.0±0.47b 20.0±0.38a 16.7±0.26d 17.9±0.32c 19.0±0.80ab干重Shoot dry weight/(g·plant-1) 0.62±0.065e 0.76±0.020d 0.94±0.047bc 1.05±0.022a 0.74±0.027d 0.91±0.041c 1.01±0.073ab

2.3.2 青菜可食部分硫含量 由圖3可知,與CK相比,S2和S3 硫肥施用量顯著影響青菜可食部分含硫量(P＜0.05)。與CK相比,SO42--S1、SO42--S2和SO42--S3 青菜可食部分含硫量分別顯著增加了0.78、1.28和1.57倍(P＜0.05);S0-S1 青菜可食部分含硫量增加不顯著,S0-S2和S0-S3 青菜可食部分含硫量分別顯著增加了0.56和1.20倍(P＜0.05)。同一硫肥處理水平下,SO42--S 處理青菜可食部分含硫量與S0-S處理差異顯著(P＜0.05)。

與CK相比,隨著硫肥施用量的增加,SO42--S 處理下青菜可食部分可溶性糖含量呈先升高后降低的趨勢,在S0-S 處理下則呈先降低再升高的趨勢,2種硫源處理分別在SO42--S2和S0-S1 達(dá)到最大值,較CK 分別顯著增加120.5%和78.7%。同一硫肥處理水平下,SO42--S 處理青菜可食部分可溶性糖含量高于S0-S 處理。

圖3 施用不同量SO42--S和S0-S對青菜可食部分含硫量的影響Fig.3 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on sulfur contents in edible parts of pakchoi

與CK相比,隨著硫肥施用量增加,SO42--S 處理下青菜可食部分硝酸鹽含量呈先下降后升高趨勢,但SO42--S3 高于SO42--S1,在S0-S 處理下則呈下降趨勢,且2種硫源處理青菜可食部分硝酸鹽含量均低于葉菜類硝酸鹽含量(≤3 000 mg·kg-1FW)(GB 18406.1-2001)[24]。與CK相比,隨著SO42--S 處理水平增加,青菜可食部分硝酸鹽含量在SO42--S2 下降幅最大(下降38.6%);S0-S 處理下,青菜可食部分硝酸鹽含量則隨著硫肥施用量的增加逐漸增加,但不同處理水平間差異不顯著。在S1和S2 處理水平下,與CK相比,處理青菜可食部分硝酸鹽含量降幅均高于S0-S 處理。

3 討論

3.1 硫酸鹽和單質(zhì)硫(S0-S)對土壤pH值和有效硫含量的影響

硫肥施入土壤后,大部分會通過吸附固定作用存儲于土壤中作為短期硫庫,并在土壤中進(jìn)行一系列的遷移和轉(zhuǎn)化,直接或間接地影響土壤性質(zhì)[25]。硫是一種易氧化難還原的元素。已有研究表明,土壤中硫化物、二氧化硫和元素硫在微生物作用下易被氧化為造成土壤酸化[26]。李映龍等[27]通過鹽堿地施加不同用量的脫硫石膏試驗發(fā)現(xiàn)脫硫石膏可有效降低鹽堿地土壤pH和全鹽含量,促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成并提高土壤孔隙度,從而改善土壤理化性質(zhì)。Skwierawska[28]研究表明,施用SO42--S和S0-S 均可有效增加土壤SO42-含量,且與硫肥施用量呈正相關(guān),S0-S 在第3年對土壤SO42-含量仍有貢獻(xiàn)。本研究中,施用硫肥降低了弱堿性土壤pH值,增加了土壤有效硫含量。這主要是因為K2SO4和硫磺粉都是酸性肥料,施入K2SO4后,植物對K+吸收速率遠(yuǎn)大于對SO42-的吸收速率,在吸收環(huán)境中K+時,根細(xì)胞會外排相同電荷H+與之交換,導(dǎo)致環(huán)境中H+濃度增加,從而降低土壤pH值[29];硫磺粉施入土壤后,通過化學(xué)氧化和微生物氧化生成硫酸,導(dǎo)致H+增多,土壤pH值下降[30]。此外,本研究發(fā)現(xiàn)相同硫肥處理水平下,SO42--S 處理對土壤pH值及有效硫含量增幅均大于S0-S 處理,這主要由于S0-S 氧化需要過程。大量研究表明,土壤硫的氧化主要在微生物的參與下進(jìn)行,因此,土壤理化性質(zhì)[31-33]、硫化細(xì)菌數(shù)量[34]、種植作物種類[35]以及耕作與管理[36]等因素都會影響土壤硫的氧化。而SO42--S可直接供應(yīng)SO42-,提高土壤有效硫含量,滿足作物生長。

3.2 硫酸鹽(SO42--S)和單質(zhì)硫(S0-S)對青菜可食部分硫素營養(yǎng)的影響

硫是含硫氨基酸和酶等的重要組成成分,參與各種代謝酶促反應(yīng)[24]。房存金等[37]研究發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)施肥基礎(chǔ)上施加60 kg·hm-2硫肥,單株結(jié)鈴數(shù)增加14.3%,籽棉產(chǎn)量增加15.9%,皮棉產(chǎn)量增加16.0%?？嘴`君等[38]采用沙培法探討硫?qū)Υ笫[生長及產(chǎn)量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)2.01 mmol·L-1硫處理大蔥假莖、根和葉鮮重較對照分別增加24.7%、37.6%和25.8%,增產(chǎn)率達(dá)19.1%。十字花科是需硫量最大的作物之一,硫在蛋白質(zhì)合成較快的營養(yǎng)生長時期的影響最顯著。本研究中,隨著硫肥施用量的增加,青菜可食部分株高和干重增加,表明硫肥可促進(jìn)青菜生長,這可能是因為施加硫肥增強(qiáng)植株光合能力,促進(jìn)植株對土壤養(yǎng)分N、P、K 吸收[39],以及提高植株對氮素的利用效率等[40]。青菜適宜在微酸性或中性土壤(pH值6.5～6.8)中生長,施用硫肥可降低弱堿性土壤pH值,從而有利于青菜的生長。此外,本研究中,同一硫肥處理水平下,2種硫肥處理間青菜可食部分干重?zé)o顯著差異,可能是在青菜生長過程中,S0-S 氧化成SO42-也能較好地滿足青菜生長,其次可能與氮代謝有關(guān),氮、硫中任一元素缺失,都會減少另一種元素的吸收利用,氮是形成氨基酸的先驅(qū)物質(zhì),硫是多種氨基酸的組成成分,氮、硫之間存在顯著的正交互作用[41]。

施用硫肥可調(diào)節(jié)蔬菜氮硫比,提高青菜可食部分中可溶性蛋白、可溶性糖和維生素C含量,降低硝酸鹽含量。前人在大蒜[3,42]、玉米[43]和大豆[44]上的研究也印證了這一點。本研究中,硫肥處理可以提高青菜可食部分可溶性蛋白、可溶性糖和維生素C含量,其中SO42--S 處理對品質(zhì)提升作用強(qiáng)于S0-S 處理,其原因可能是SO42--S 以質(zhì)流方式被植物主動吸收,作為含硫物質(zhì)的供體[45],是含硫氨基酸和葉綠體基粒片層的重要組分,參與植物體內(nèi)蛋白質(zhì)和光合產(chǎn)物的合成[45-46],而S0-S 處于還原狀態(tài),需要在土壤中被氧化為SO42--S 才能被作物吸收利用[47]。本研究中,硫肥濃度超過一定限度時,青菜營養(yǎng)品質(zhì)等指標(biāo)反而呈下降趨勢,表明硫雖對植物生長有益,但需要注意適宜濃度。此外,本研究發(fā)現(xiàn)施用硫肥可在一定程度上降低青菜可食部分硝酸鹽含量,其中的作用效果最好。一方面可能是蔬菜是喜硝作物,雖然能吸收形態(tài),但以NO3-形態(tài)為多,根據(jù)植物根部吸收養(yǎng)分離子交換原理具有與NO3-競爭置換、緩解蔬菜根部嗜好性過量吸收NO3-的作用,促進(jìn)蔬菜體內(nèi)的轉(zhuǎn)化,減少滯留時間和累積[48],而S0-S 進(jìn)入土壤需要氧化為才能參與NO3-競爭置換;另一方面,植物的氮硫代謝具有相互偶聯(lián)關(guān)系[49-50],作為含硫氨基酸的重要組成成分,可提高植株氮代謝限速關(guān)鍵酶——硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)活性和氮素同化效率,促進(jìn)NO3-→NO2-代謝過程,降低硝酸鹽的積累[51],同時也能夠提高PSⅡ電子傳遞能力和羧化反應(yīng)速率,促進(jìn)光合碳同化,在碳骨架和能量供應(yīng)上間接拉動氮代謝的還原同化[52]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,施用硫肥會影響土壤物理化學(xué)性狀,降低弱堿性土壤pH值,增加土壤有效硫含量,且SO42--S 處理的作用效果大于S0-S 處理。施用53 g·m-2K2SO4(SO42--S)對青菜可食部分產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提升作用最佳,可在一定程度降低青菜可食部分硝酸鹽含量,提高干重、可溶性蛋白、可溶性糖和維生素C含量。本研究僅開展了2種類型硫肥影響青菜營養(yǎng)品質(zhì)生理水平上的差異,且對造成其差異的分子調(diào)控機(jī)理尚不清楚,今后將從各類營養(yǎng)成分生物合成與代謝調(diào)控的分子機(jī)制方面開展相關(guān)研究,以便為青菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。