聚氨酯包膜和噴涂誘抗劑提高濱海鹽化潮土玉米產(chǎn)量和磷肥利用率的協(xié)同效應(yīng)

趙洪猛，楊貴婷，劉之廣*，張 民,*，王慶彬，王懷利，楊子江

（1 土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東泰安 271018；2 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室/金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東臨沭 276700）

磷對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的增加起著至關(guān)重要的作用[1]。由于磷易通過表面反應(yīng)、生物固定、化學沉淀、閉蓄機制等方式被土壤吸附固定致使其移動較差[2-3]，大大降低了當季磷肥利用率。濱海鹽化潮土是濱海地區(qū)潮土在主導(dǎo)成土過程中附加鹽化過程而形成的，主要分布在黃河沖積平原的北部，鹽分含量在0.1%～1.0%左右。由于土壤pH呈堿性，鈣、鎂等離子對磷的固定能力較強，易造成土壤磷供應(yīng)障礙，屬于典型的農(nóng)作物中低產(chǎn)田。本文針對鹽化潮土磷素利用率低的問題，研發(fā)了一種包膜磷肥及其增效劑，可在農(nóng)民傳統(tǒng)施肥模式的條件下提高土壤供磷水平和作物當季磷肥利用率，對于保障濱海鹽化潮土糧食安全生產(chǎn)具有非常重要的意義。

包膜磷肥通過聚合物包覆形式調(diào)控養(yǎng)分釋放[4]，減少磷素損失及土壤固定，從而提高磷肥有效性[5-6]，同時可節(jié)約有限磷礦資源，降低磷肥過量施用帶來的環(huán)境污染風險[7]。陳琪等[8]研究表明，包膜磷酸二銨較普通磷酸二銨可以顯著增加小麥產(chǎn)量，提高磷素利用率。植物誘抗劑是一類具有安全衛(wèi)生、高抗及多抗等特點的由化學合成或天然的具有生物活性的物質(zhì)，通過誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性機制，增強植物抗逆能力[9-10]，進而提高產(chǎn)量。Falcioni等[11]通過水楊酸處理可顯著增強番茄光合作用，增強其抗病能力，降低PVX病毒危害。Chen等[12]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用苯并噻二唑可增強水稻植株防御酶相關(guān)基因表達，提高其抗逆能力。朱廣龍等[13]研究表明，外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)可通過提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和維持體內(nèi)離子平衡來有效緩解高粱種子鹽害，提高高粱耐鹽性。包膜磷肥與植物誘抗劑配施，理論上可以協(xié)同增效提高磷素利用率，提高玉米產(chǎn)量。

植物體內(nèi)存在大量有益的內(nèi)生細菌和內(nèi)生真菌，這些內(nèi)生菌在植物體內(nèi)能產(chǎn)生多種生物學作用，可以刺激作物產(chǎn)生一些激素，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性，增強植物抵抗力[14-15]。沙棘內(nèi)生菌宛氏擬青霉(Paecilomyces variotii)提取物能夠誘導(dǎo)植物耐旱、耐低溫等相關(guān)基因的表達，促進根際微生物生長，調(diào)節(jié)植物對磷的吸收且具有成本低、用量少、廣譜性強等優(yōu)勢[16-17]。秦瑞劼等[18]發(fā)現(xiàn)控釋尿素配施宛氏擬青霉提取物較單施控釋尿素可顯著提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。然而包膜磷肥配伍宛氏擬青霉提取物提高濱海鹽化潮土作物產(chǎn)量和磷肥利用率的研究未見報道。本研究以濱海鹽化潮土為研究對象，通過盆栽試驗，探討包膜磷肥配施誘抗劑宛氏擬青霉提取物對玉米產(chǎn)量及肥料利用的影響，為濱海鹽化潮土玉米科學施肥和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗設(shè)計

試驗于2018年6—9月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學“土肥資源高效利用國家工程實驗室”南校區(qū)試驗站(117°13′E、36°20′N)進行，屬暖溫帶大陸性季風型氣候，年平均氣溫13℃。供試土壤取自山東省濱州市無棣縣西小王鎮(zhèn)渤海糧倉農(nóng)業(yè)園0—20 cm耕層土壤(117°92′E、37°90′N)。土壤類型為濱海鹽化潮土[19]，在中國土壤系統(tǒng)分類中為弱鹽淡色潮濕雛形土(Parasalic Ochri-Aquic Cambosols)。土壤的基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)7.69 g/kg、全氮0.50 g/kg、全磷1.83 g/kg、全鉀35.9 g/kg、速效氮85.6 mg/kg、有效磷14.0 mg/kg、速效鉀186 mg/kg、pH 8.72(土水比1∶2.5)、全鹽含量0.21%。供試玉米品種為“鄭單958”，生育期103天。

供試包膜磷酸二銨(N 17.2%、P2O544.0%)由土肥資源高效利用國家工程實驗室采用小型轉(zhuǎn)鼓包衣工藝制備，磷素釋放期為3個月[8]，膜材料為聚氨酯；供試樹脂包膜控釋尿素(N 43.2%，釋放期3個月[20])為金正大生態(tài)工程集團股份有限公司生產(chǎn)。供試植物誘抗劑為沙棘內(nèi)生菌宛氏擬青霉代謝產(chǎn)物，由山東蓬勃生物有限責任公司提供[18]。其余肥料均為市售普通尿素(N 46.0%)、磷酸二銨(N 18.0%、P2O546.0%)和氯化鉀(K2O 60.0%)。供試容器為陶土盆，上部直徑30 cm、高36 cm，盆底鋪沙10 kg，每盆裝干土20 kg。每盆播種玉米2粒，出苗后間苗使基本苗均為1株/盆。2018年6月13日點種，9月26日收獲。所有肥料摻混后平鋪，一次性基施。除草、除蟲按照常規(guī)高產(chǎn)栽培模式進行，保持土壤含水量在60%以上，整個生育期內(nèi)各處理管理措施相同。

試驗以不施磷肥為對照(CK)，設(shè)正常施磷(P2O51.80 g/pot)和減磷20%(P2O51.44 g/pot)兩個水平。磷肥處理包括普通磷酸二銨(DM)、聚氨酯包膜磷酸二銨(C-DM)、普通磷酸二銨添加誘抗劑(PE+DM)和包膜磷酸二銨添加誘抗劑(PE+C-DM)4個，共9個處理，每個處理4次重復(fù)。每盆N、K2O用量為5.40、3.60 g/盆，其中樹脂包膜控釋尿素的用量占每盆總氮投入的70%[21]。正常施磷水平下，誘抗劑噴涂到普通磷酸二銨和聚氨酯包膜磷酸二銨表面，隨肥施入土壤，噴涂量為10 mg/kg P2O5，減磷20%處理為12.5 mg/kg P2O5，根據(jù)高產(chǎn)田玉米種植密度(株距60 cm、行距20 cm，83325株/hm2)進行換算，用量為1500 mg/hm2，0.018 mg/盆。將過2 mm篩的供試風干土壤約10 kg裝入盆中稍稍壓實，將所有肥料均勻混合后平鋪至土層表面，再覆蓋10.0 kg土壤。

1.2 樣品采集及分析測定

在玉米播種后58天時，使用抖根法采集玉米根際新鮮土樣測定土壤酸性磷酸酶活性；采集玉米最大功能葉片測定玉米淀粉酶、光合酶活性，采集植株葉片鮮樣，用鋁箔紙將其包好，立即浸入液氮中冷凍1～3 min后，放入干冰中帶入實驗室后放入-20℃冰箱內(nèi)待測。在玉米播種后58和103天(收獲)時，采集盆栽土樣進行根際土壤養(yǎng)分含量測定。收獲時，秸稈及籽粒置于烘箱105℃殺青15 min，然后轉(zhuǎn)至65℃烘箱烘干至恒重，其后稱重磨細待測。

土壤硝、銨態(tài)氮含量的測定：用0.01 mol/L CaCl2浸提(土水比1∶10)，采用連續(xù)流動注射分析儀(AA3，Bran.Luebbe，德國)測定浸提液中硝、銨態(tài)氮含量；土壤速效鉀含量采用1 mol/L醋酸銨溶液浸提-火焰光度計法測定；土壤有效磷含量測定，用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，采用全自動間斷化學分析儀(Smart chem 200，美國)測定浸提液中有效磷含量。玉米植株葉片淀粉酶、光合酶及根際土壤磷酸酶活性采用酶聯(lián)免疫法測定。植株全磷含量采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，鉬銻抗比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SAS軟件進行處理和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析，不同處理間采用鄧肯法進行多重比較，檢驗各處理平均值在P＜0.05水平的差異顯著性。

磷肥農(nóng)學利用率(kg/kg)=(施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施磷量；

磷肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施磷區(qū)產(chǎn)量/施磷量；

磷肥利用率(%)=(施磷處理磷累積量-不施磷處理磷累積量)/施磷量×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷肥處理對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

包膜磷酸二銨與植物誘抗劑的優(yōu)化配伍對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素存在不同程度的影響(表1)。施磷1.80 g/pot下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM處理間的玉米產(chǎn)量沒有顯著差異，但較DM處理分別增產(chǎn)5.89%、7.46%和7.78%；施磷1.44 g/pot下，3個處理玉米產(chǎn)量顯著高于DM處理，PE+C-DM處理又顯著高于C-DM、PE+DM處理，C-DM和P E+D M處理較D M處理分別增產(chǎn)1 0.0 7%、9.31%。減磷處理的玉米產(chǎn)量均顯著低于正常磷處理，只有1.44 g/pot下PE+C-DM處理的玉米產(chǎn)量與1.80 g/pot下DM處理差異不顯著。

施磷水平和各處理措施影響最大的產(chǎn)量性狀是行粒數(shù)(表1)。正常供磷條件下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM處理的行粒數(shù)差異不顯著，但均顯著高于DM處理；而減磷條件下，PE+DM的行粒數(shù)顯著高于DM、C-DM和PE+C-DM處理，與正常磷水平處理相當。表明噴涂植物誘抗劑可以有效提高玉米穗的行粒數(shù)，聚氨酯包膜可以提高穗行數(shù)，二者配合最終提高玉米產(chǎn)量，特別是在減磷20%條件下。

2.2 不同磷肥處理對玉米磷素吸收利用的影響

包膜和噴涂誘抗劑顯著提高了玉米的磷肥利用率(表2)。正常施磷水平下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM處理的磷肥當季利用率分別比DM增加了6.8、4.8、8.8個百分點；減磷條件下，增加了8.1、6.2、14.0個百分點；包膜和誘抗劑處理提高磷肥當季利用率的效果十分顯著。正常施磷水平下，CDM較DM處理磷肥農(nóng)學利用率增加了26.44%，磷肥當季偏生產(chǎn)力增加了5.89%。等施磷量條件下，與DM處理相比較，施磷量1.80 g/pot下PE+DM處理、PE+C-DM處理的磷肥當季農(nóng)學利用率分別增加了33.52%、34.94%；施磷量1.44 g/pot下，與PE+DM相比較，PE+C-DM處理的當季磷肥利用率提高7.8個百分點。說明包膜磷酸二銨、普通磷酸二銨配施植物誘抗劑可以顯著提高當季磷肥利用率。

農(nóng)學利用率反映的是磷肥增加經(jīng)濟產(chǎn)量的效率。從表2 可以看出，供試土壤在正常施磷水平下，肥料包膜和噴涂誘抗劑均可顯著增加磷肥的農(nóng)學利用率，減磷會降低農(nóng)學利用率，但是僅包膜和僅噴涂誘抗劑可以減少磷的農(nóng)學利用率降幅，且PE+C-DM處理的農(nóng)學利用率較1.80 g/pot下DM處理增加23.04%，表明只有在包膜和噴涂誘抗劑配合的前提下，減磷較正常施磷量下的農(nóng)學利用率有所增加。

2.3 不同磷肥處理對玉米植株光合酶、淀粉酶及根際土壤酸性磷酸酶活性的影響

玉米葉片中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)、丙酮酸磷酸雙激酶(PPDKase)和腺苷三磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)的活性高低，反映C4植物光合作用固定CO2的能力[22]、光合作用[23]以及淀粉生物合成[24]的效率。從表3可以看出，葉片3種酶的活性受到磷供應(yīng)水平的影響，減磷整體降低3種酶的活性。但施磷量1.44 g/pot下，PE+C-DM處理較正常施磷條件下DM處理PEPCase、PPDKase和AGPase活性分別顯著提高50.00%，31.96%和72.22%。正常施磷量條件下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM處理的PEPCase活性較DM處理分別顯著提高80.00%，50.00%和70.00%；PPDKase活性分別顯著提高54.64%，49.48%和54.64%；相比DM處理，CDM和PE+DM處理的AGPase活性分別顯著提高39.81%和40.74%。減磷條件下，與C-DM和PE+DM處理相比，PE+C-DM處理的PPDKase和AGPase活性分別顯著提高33.33%、14.29%和75.47%、47.62%。表明包膜和誘抗劑配合施用可以在減磷的條件下，維持并可提高葉片的光合效率和淀粉轉(zhuǎn)化效率。

表1 不同處理玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Yield and yield components of maize treated with different treatments

表2 不同處理玉米當季磷肥利用率Table 2 Seasonable phosphorus use efficiency of maize under different treatments

表3 不同處理玉米葉片光合酶、淀粉酶及根際土壤酸性磷酸酶活性Table 3 Activity of enzymes in maize plants and rhizosphere under different treatments

由表3中土壤ACPase酶活性測定結(jié)果可以看出，正常和減磷條件下，與DM相比，PE+DM處理的ACPase活性分別顯著提高27.90%和17.65%；PE+C-DM處理較C-DM處理分別顯著提高37.50%和21.81%，較PE+DM處理分別顯著提高20.00%和11.66%；C-DM與DM差異不顯著。表明肥料包膜不會顯著影響土壤酸性磷酸酶的活性，而噴涂誘抗劑可以促進玉米植株分泌酸性磷酸酶，顯著提高其活性，包膜和誘抗劑配施的效果又顯著高于單施誘抗劑(P＜0.05)。

2.4 不同磷肥處理對土壤養(yǎng)分供應(yīng)強度的影響

不同施磷處理對玉米季土壤有效磷含量的影響十分顯著，磷肥施用顯著提高了土壤的有效磷含量，特別是在播種后58天(表4)。正常施磷量下，C-DM處理的土壤有效磷含量在播種后58天時顯著高于DM處理22.26%，但在103天時，二者差異不顯著；在減磷量下，C-DM處理土壤有效磷含量與DM處理沒有顯著差異，顯著低于正常施磷量下的DM處理。正常施磷量下，PE+DM處理的土壤有效磷含量在整個生育期高于DM處理；在減磷量下，在播種后58天也顯著高于DM處理，但兩個取樣時期均顯著低于1.80 g/pot下DM處理。在減磷條件下，PE+C-DM處理在播種后58和103天土壤有效磷含量相較于C-DM和PE+DM處理分別顯著提高33.66%、19.45%和14.99%、26.05%。PE+CDM處理的有效磷含量在正常和減量供磷條件下，均顯著高于DM處理，且在減磷條件下，58天時與正常供磷1.80 g/pot下DM處理差異不顯著，但103天時顯著高于1.44 g/pot下的其他處理(P＜0.05)。整體表明誘抗劑提高土壤有效磷含量的效果顯著且持續(xù)時間長，與包膜配合后，其效果更佳顯著。

磷肥各處理對土壤速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響與DM相比，多數(shù)不顯著，表明磷肥處理和誘抗劑不影響玉米對土壤中氮、鉀養(yǎng)分的吸收利用。

3 討論

由于土壤和磷酸鹽特殊的理化性質(zhì)，使得施入土壤中的磷素極易被固定[25-26]。包膜磷肥通過聚合物膜減少磷素與土壤的接觸，將磷素緩慢釋放，從而緩解土壤對磷素的固定效應(yīng)[27]。供試包膜磷酸二銨釋放曲線為反“L”型，靜水浸提條件下磷養(yǎng)分初期釋放率為0.3%，28天累積釋放率為59%，養(yǎng)分釋放特性滿足緩釋肥料國家標準要求[8]。供試包膜磷肥前10天養(yǎng)分釋放較緩慢，此時玉米處于苗期，需肥量少，而在10～28天釋放最快[8]，此時玉米正處于生長發(fā)育最快的拔節(jié)期，是玉米需磷的關(guān)鍵時期[28-29]。有研究表明，聚合物包膜肥料的釋放速率與膜內(nèi)外滲透壓有關(guān)[30]。供試鹽化潮土含鹽量高，土壤溶液與包膜磷肥內(nèi)養(yǎng)分滲透壓差小，包膜磷肥田間磷肥釋放周期應(yīng)遠長于室內(nèi)靜水浸提釋放期，滿足玉米整個生育期的磷素需求。玉米苗期相對脆弱，受鹽分影響較大，包膜磷肥可緩解肥料一次性大量施入導(dǎo)致的鹽害疊加效應(yīng)對玉米幼苗生長的抑制。此外，低磷脅迫可誘導(dǎo)玉米根系生長發(fā)育[31]，包膜磷酸二銨前期養(yǎng)分釋放緩慢，提高作物抗鹽水平及對包膜磷酸二銨后期緩慢釋放磷素的吸收利用強度。

表4 播種后58和103天不同處理土壤養(yǎng)分含量(mg/kg)Table 4 Soil available nutrient contents at the 58 and 103 days after sowing under different treatments

本試驗中，噴涂植物誘抗劑沙棘內(nèi)生菌宛氏擬青霉(Paecilomyces variotii)提取物提高玉米根際土壤中ACPase的活性十分顯著(表3)，磷酸酶活性的提高大大增強了玉米根系對土壤養(yǎng)分的吸收，提高了植株體內(nèi)與磷營養(yǎng)有關(guān)的光合和淀粉酶活性(表3)，進而顯著提高玉米產(chǎn)量(表1)。

供試植物誘抗劑宛氏擬青霉提取物低濃度(1～10 ng/mL)下即可誘導(dǎo)作物水楊酸生物合成和信號傳導(dǎo)，促進植物體胼胝質(zhì)沉積，增加植物的抗逆能力，同時誘導(dǎo)氮、磷轉(zhuǎn)運蛋白(NRT2.5、PHT42)和生長素生物合成(YUC3、YUC9)相關(guān)基因的表達，調(diào)高作物生長素水平及氮磷元素攝取轉(zhuǎn)運能力[16]。在減磷20%條件下，包膜磷肥配施植物誘抗劑協(xié)同增效顯著，較單施包膜磷酸二銨和普通磷酸二銨配施誘抗劑處理分別增產(chǎn)5.59%、6.32%。這一方面是包膜延緩了磷肥的釋放，進而減少了固定量，同時誘抗劑誘導(dǎo)玉米分泌磷酸酶增加了對磷素的吸收，又進一步減少了活性磷在土壤中的固定，因此，雖然磷的施用量減少了20%，而玉米吸收的磷素依然與普通施磷量處理相當，保證了玉米不減產(chǎn)。

4 結(jié)論

供試土壤條件下，減少磷肥施用水平會降低玉米產(chǎn)量，降低磷肥的利用率。聚氨酯包膜磷酸二銨只能在一定時期內(nèi)提高土壤有效磷含量，整個生育期提高玉米磷素利用的效果不是很顯著。噴涂誘抗劑可以顯著提高玉米根系分泌酸性磷酸酶的量，進而提高玉米生長根際土壤磷素供應(yīng)強度和功能葉片光合效應(yīng)相關(guān)的酶活性，在整個生育期可持續(xù)促進玉米的生長發(fā)育以及對磷素的吸收利用，而且，提高玉米產(chǎn)量和磷肥利用效率。減磷20%時，磷酸二銨包膜配施植物誘抗劑可以維持玉米產(chǎn)量不出現(xiàn)下滑，是減磷增效切實可行的措施。