γ-聚谷氨酸磷肥增效劑對石灰性土壤有效磷的影響

付文杰，萬亞珍，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)入土壤后會被土壤膠體吸附，移動性差，進(jìn)而固定為無效態(tài)磷，使有效性迅速降低，導(dǎo)致我國磷肥當(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。

目前對于這方面的研究主要集中在向磷肥中添加有機酸類物質(zhì)或高表面積活性物質(zhì)兩個方面：日本橋本雄司發(fā)現(xiàn)腐殖酸能減少土壤對磷的固定［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，研究γ-聚谷氨酸增效磷肥對土壤中有效磷、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)。試驗選用腐殖酸和草酸進(jìn)行效果對照試驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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，采集地點位于鄭州市高新區(qū)西郊農(nóng)田，一次性采集全部試驗用土，風(fēng)干，過0.15 mm篩，貯存?zhèn)溆谩９┰囃寥赖幕纠砘再|(zhì)如表1所示。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

培養(yǎng)方法：取500 g風(fēng)干、過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計算。本試驗共設(shè)置8個處理，每個處理3次重復(fù)，處理方法如表2所示。

表2 室內(nèi)埋土試驗處理方法

1.3 分析方法

土壤pH的測定采用電極電位法；有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀氧化容量法；全磷的測定采用H2SO4-HClO4消煮、鉬銻抗比色法；有效磷的測定采用NaHCO3?提、鉬銻抗比色法［16］；石灰性土壤無機磷形態(tài)采用顧益初等［17］分級方法；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

運用SPSS 19.0、DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；運用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種磷肥增效劑對土壤有效磷含量的影響結(jié)果見表3。在一定的溫度和濕度條件下，CK0中的有效磷也會有變化，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，可見這3種磷肥增效劑對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γ-聚谷氨酸分子大概有10000～20000個羧酸基團(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理。

表3 不同增效劑對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土壤有效磷含量的影響

圖1 γ-聚谷氨酸不同加入量對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)埋土試驗研究。由圖1試驗結(jié)果可以看出，盡管有效磷在土壤中顯示出被固定的趨勢，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%，說明在本試驗加入量范圍內(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；從增加趨勢來看，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土壤無機磷形態(tài)的影響

對γ-聚谷氨酸 ∶NH4H2PO4=1∶1處理組土壤中的無機磷形態(tài)進(jìn)行分級，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含量都在隨時間延長降低，Ca8-P含量隨時間延長增加，表明土壤中有效態(tài)磷向無效態(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，說明部分的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)，在非強烈還原條件下，較短時間內(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土壤無機磷形態(tài)的影響

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

為進(jìn)一步探討γ-聚谷氨酸處理對土壤有效磷與無機磷形態(tài)的影響，對γ-聚谷氨酸處理組土壤有效磷與無機磷形態(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，因此各種無機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)無機磷與有效磷的相關(guān)性，但并不能表征自變量與因變量相對重要的程度，也不能反映自變量對因變量是直接影響還是通過其他因素的間接影響，通徑分析能夠很好地解決這些問題。決策系數(shù)可以表征各自變量對響應(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)可以分別表征各個自變量對響應(yīng)變量直接影響及其通過其它自變量對響應(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對有效磷的直接影響作用最大，Ca2-P的減少會導(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?？梢姡?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］等有機酸，它們是通過增加土壤酸性、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土壤碳酸鈣含量的影響

土壤中的碳酸鈣對土壤理化性質(zhì)以及磷在土壤中的吸附解吸有重要影響［23-24］，特別是對本試驗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土壤pH的影響

圖3 是γ-聚谷氨酸磷肥增效劑對土壤中碳酸鈣含量的影響。在整個試驗周期內(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。可以看出，γ-聚谷氨酸處理組明顯降低土壤中碳酸鈣含量，在第60 d時含量達(dá)到最低，為36.79 g/kg，與對照組相比降低了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照組的碳酸鈣分別降低了2.47%和4.62%。

可見，γ-聚谷氨酸磷是通過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，其中的鈣離子會交換到γ-聚谷氨酸中使得土壤對磷的固化能力下降。

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。通過與常用磷肥增效劑草酸和腐殖酸進(jìn)行對比，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［26］；第三，通過對土壤無機磷形態(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-聚谷氨酸具有無毒性、生物可降解性等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常大的應(yīng)用價值［27］。已有研究表明，γ-聚谷氨酸與氮肥配施，能夠促進(jìn)植物對氮肥的吸收，提高氮肥的利用率［28］。近年來，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，具有非常大的市場價值。