氨基酸增值氮肥的增產(chǎn)作用及其機(jī)制研究

摘要 氮素利用率是影響作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的直接因素之一。在氮肥生產(chǎn)過程中加入氨基酸等天然活性物質(zhì)生產(chǎn)氮肥改性增值產(chǎn)品，是對(duì)普通氮肥進(jìn)行增值改性，提高氮素利用率主要技術(shù)途徑之一。本文闡述了氨基酸增值氮肥的基本情況，分析了氨基酸增效劑對(duì)作物、土壤養(yǎng)分與土壤微生物的影響以及氨基酸增效劑的增產(chǎn)效用，并對(duì)氨基酸增值氮肥的研究進(jìn)行了展望。氨基酸作為一種肥料增效物質(zhì)，能夠通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，影響植物的養(yǎng)分吸收和根系構(gòu)型，對(duì)植物生理產(chǎn)生有益的影響，其增效機(jī)制主要是通過調(diào)控“植物—土壤—肥料”系統(tǒng)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。本研究為新型氨基酸增值肥料的創(chuàng)制和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 氨基酸；根際微生物；作物；土壤養(yǎng)分；增效機(jī)制

中圖分類號(hào) S963.9" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）11-0070-04

尿素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較普遍的化學(xué)氮肥類型之一，占氮肥消耗總量的比重較大[1]。由于其活性強(qiáng)、損失途徑多，施入土壤中的尿素氮肥除了被作物吸收和土壤固持，部分則通過氨揮發(fā)、硝化—反硝化、淋溶和徑流等途徑進(jìn)入水體和大氣中，造成部分氮素?fù)p失[2]，這不僅造成資源浪費(fèi)，還可能影響生態(tài)環(huán)境安全[3]。因此，開展肥料科技創(chuàng)新、研發(fā)新型肥料是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)和農(nóng)田環(huán)境保護(hù)的重要途徑[4]。目前，市場(chǎng)上的增值肥料主要是以腐殖酸類生物大分子作為增效載體，而以小分子有機(jī)物作為增效物質(zhì)制備增值肥料的研究有待進(jìn)一步深入。

氨基酸類物質(zhì)是一類小分子生物刺激素，被作為肥料增效物質(zhì)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[5-6]，具有提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、提高肥料利用率和減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等多重效應(yīng)[7]。利用氨基酸等小分子有機(jī)物作為增效劑對(duì)氮肥進(jìn)行改性增效，是減肥增效和提升氮素利用效率的重要技術(shù)途徑之一[8]，因此探明其增效機(jī)制，對(duì)于新型肥料的研發(fā)具有重要意義。本文以小分子有機(jī)物氨基酸與尿素熔融制備的氨基酸增值尿素為基礎(chǔ)，從土壤—作物—微生物3個(gè)方面闡述氨基酸的增效作用，闡述其增效機(jī)制，并對(duì)氨基酸增值氮肥的研究進(jìn)行展望，為小分子有機(jī)物肥料增效載體和新型增值肥料的創(chuàng)制和應(yīng)用提供參考。

1 氨基酸增值氮肥增產(chǎn)作用基本情況分析

氨基酸作為一種生物活性物質(zhì)，具備促進(jìn)植物根系建成，增加相關(guān)酶活性，提高基因表達(dá)水平，提升作物對(duì)逆境的適應(yīng)能力等多種功能[9-10]。研究證實(shí)，噴施氨基酸不僅能夠改善草莓生長(zhǎng)過程中的逆境狀況，還能提高果實(shí)產(chǎn)量[11]。王蓓等[12]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施含氨基酸水溶肥不僅能明顯提高辣椒和豇豆的產(chǎn)量，還能優(yōu)化土壤微生物環(huán)境。李敏捷等[13]研究表明，在菜豆上噴施氨基酸能明顯提高菜豆的根系活性、葉片數(shù)和生物量，且菜豆中葉綠素含量與氨基酸噴施濃度呈正相關(guān)。

氨基酸復(fù)合產(chǎn)品如氨基酸多元微肥、氨基酸水溶肥和氨基酸復(fù)合肥等被廣泛應(yīng)用，在作物生產(chǎn)上取得明顯效果[14-15]。研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸增效劑與肥料配合施用，一方面，能明顯促進(jìn)作物對(duì)氮肥等有效養(yǎng)分的吸收利用，減少養(yǎng)分損耗，降低因過量施肥可能造成的環(huán)境問題風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，還可以實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，保障糧食安全[4]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，有關(guān)氨基酸作為肥料添加劑與不同養(yǎng)分復(fù)配創(chuàng)制新型肥料已取得了較好的發(fā)展，特別是與氮肥復(fù)配創(chuàng)制新型氨基酸增值肥料是近年來的研究熱點(diǎn)之一[16-17]。袁亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)，添加聚合谷氨酸的尿素與普通尿素相比，不僅能增加小麥對(duì)肥料中氮的吸收，增強(qiáng)肥料中氮向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，促使小麥增產(chǎn)，還可以提高氮肥表觀利用率和肥料氮利用率，同時(shí)減少氮素淋溶，降低氮肥損失率。程林等[18]、黃繼川等[19]研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸的增效機(jī)制不僅體現(xiàn)在促進(jìn)植物根系建成，還可以提高根際微生物活性，有利于土壤對(duì)化肥氮的保持，保障作物整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)對(duì)氮素的需求。

2 氨基酸增值氮肥增產(chǎn)機(jī)制研究

2.1 氨基酸增值氮肥對(duì)植物根系的影響

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，根系形態(tài)及其發(fā)育狀況與地上部器官建成和產(chǎn)量關(guān)聯(lián)密切[20-21]。研究表明，氨基酸增值氮肥的施用可以明顯促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，與普通尿素相比，氨基酸增值尿素可明顯增加水稻的根長(zhǎng)、根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)和投影面積[18]。王振華[9]研究表明，氨基酸對(duì)植物根系生長(zhǎng)的刺激效應(yīng)主要體現(xiàn)在促進(jìn)根長(zhǎng)度和根數(shù)量的增加方面。這可能是在植物生長(zhǎng)代謝過程中，小分子有機(jī)物的施入能夠?qū)崿F(xiàn)植物碳源的有效供應(yīng)，刺激植物的根系發(fā)育，使得其根系數(shù)量進(jìn)一步提升，有效地?cái)U(kuò)大了養(yǎng)分累積面積。這進(jìn)一步證實(shí)了氨基酸增效劑對(duì)植物的直接作用，尤其是促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)進(jìn)而促進(jìn)其對(duì)養(yǎng)分的吸收。

2.2 氨基酸增值氮肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分形態(tài)是影響植物生長(zhǎng)的直接因子。研究表明，氨基酸可以通過調(diào)控土壤與養(yǎng)分的形態(tài)從而影響植物的養(yǎng)分供應(yīng)[22]。黃慶等[23]、張銘光等[24]研究表明，氨基酸增值尿素的施用促進(jìn)了植物根際土壤養(yǎng)分的積累，這可能是因?yàn)榘被嶙鳛橐环N小分子有機(jī)物，其氨基和羧基官能團(tuán)在決定氨基酸的活性方面起著重要作用，羧基可以和尿素中的酰氨基反應(yīng)生成高度穩(wěn)定的氨基酸—尿素復(fù)合物[7]。將氨基酸作為一種增效物質(zhì)加入到尿素中可以避免尿素快速水解，從而保證土壤中尿素的緩慢釋放，給植物提供持續(xù)的氮供應(yīng)。而更多羧基的存在確保了更持續(xù)的氮供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)尿素的長(zhǎng)效緩效，增加了植物生物量的累積[18]。

2.3 氨基增值氮肥劑對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的“動(dòng)力泵”，調(diào)控著土壤能量轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的每一個(gè)過程[25]，在維持土壤生態(tài)功能中具有重要地位[26-27]，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量與生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一[28]。氨基酸作為一類生物刺激素類物質(zhì)，對(duì)增強(qiáng)土壤微生物的生物活性具有重要作用。程林等[18]研究證實(shí)，與單施尿素相比，氨基酸增值尿素處理下植物根際土壤微生物總量增加1.70～1.90倍，且總量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Plt;0.05），這說明添加氨基酸可明顯激活土壤微生物活性。氨基酸與普通肥料混合施入土壤中可以刺激微生物活性，保持部分氮素被固定在微生物體內(nèi)，隨著微生物的死亡逐漸被釋放，從而被植物吸收利用，提高了氮素的生物有效性；通過改變土壤的團(tuán)聚體，影響微生物的生存環(huán)境；改變某些特異性菌群的相對(duì)豐度，調(diào)控土壤反應(yīng)過程[29]。這種通過調(diào)控土壤微生物活性來為植物根系生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分保蓄提供良好的環(huán)境，從而間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)的機(jī)制有待進(jìn)一步探究。

3 氨基酸增值氮肥的增產(chǎn)效用研究

根土界面是微生物和水稻根系發(fā)育較活躍的區(qū)域，不同氮素投入會(huì)先通過影響水稻根際土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能，進(jìn)而影響植株地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育[30]。根際作為植物—土壤—微生物相互作用的微區(qū)域，既是養(yǎng)分和水分從土壤進(jìn)入作物系統(tǒng)參與物質(zhì)循環(huán)的重要門戶，又是土壤微生物活躍的場(chǎng)所，是養(yǎng)分生物有效性研究關(guān)注的焦點(diǎn)之一[31]。研究表明，氨基酸增效劑的添加主要通過影響土壤銨態(tài)氮的含量進(jìn)而影響土壤碳、氮轉(zhuǎn)化的根際微生物過程[18]。

近年來，對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性與有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化以及氮循環(huán)交互作用的研究有所加強(qiáng)[32-33]，而對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性與碳、氮循環(huán)過程交互作用機(jī)制的研究有待進(jìn)一步探究。目前，相關(guān)學(xué)者在根際微生物互作促進(jìn)氮、磷協(xié)同利用方面已有研究[34-35]，還需進(jìn)一步挖掘微生物促進(jìn)碳、氮和磷等養(yǎng)分的協(xié)同轉(zhuǎn)化和利用機(jī)制。

4 氨基酸增值氮肥研究展望

常規(guī)氮肥存在養(yǎng)分利用率較低、肥效期較短的情況，已難以完全滿足綠色高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，而過量施肥帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題日益凸顯。因此，研發(fā)安全高效的增值氮肥，對(duì)延長(zhǎng)肥效、提高化肥利用率、減少成本投入及保障農(nóng)業(yè)生態(tài)健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[36]。氨基酸增值氮肥不僅可以增加作物產(chǎn)量、改善產(chǎn)品品質(zhì)，還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)約農(nóng)業(yè)資源，達(dá)到綜合調(diào)控“肥料—作物—土壤”系統(tǒng)的目標(biāo)[37]。氨基酸發(fā)酵尾液是一種價(jià)廉易得的肥料增效劑，大量田間試驗(yàn)表明，單施氨基酸或與尿素、復(fù)合肥進(jìn)行合理配伍后施用，對(duì)提高肥料的利用效率，改善土壤理化環(huán)境及提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面效果明顯，在肥料研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域受到了一定關(guān)注，具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景[5，10-13]。

目前，對(duì)于氨基酸增值氮肥的研究?jī)A向于氨基酸作為水溶性肥料添加劑，探討其對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)和養(yǎng)分利用效率的影響，而有關(guān)氨基酸與尿素復(fù)合而成的增值尿素，特別是不同濃度的氨基酸與傳統(tǒng)氮肥融合后對(duì)肥料、作物和土壤的影響以及應(yīng)用效果方面有待進(jìn)一步探究。例如，氨基酸的添加是否會(huì)與尿素結(jié)合形成新物質(zhì)，以及新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成如何，氨基酸增值氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化特征，以及針對(duì)不同類型的土壤和作物作用效果是否同等，是該領(lǐng)域未來需關(guān)注的研究重點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文闡述了氨基酸增值氮肥的增產(chǎn)作用基本情況，氨基酸增效劑對(duì)作物根系、土壤養(yǎng)分及土壤微生物的影響，以及氨基酸增效劑的效用，并對(duì)氨基酸增值氮肥增產(chǎn)的研究進(jìn)行了展望。氨基酸能夠通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、影響植物的養(yǎng)分吸收和根系構(gòu)型，對(duì)植物生理產(chǎn)生有益的影響。大量研究證實(shí)，氨基酸主要通過調(diào)控“植物—土壤—肥料”系統(tǒng)來促進(jìn)植株生長(zhǎng)，具體體現(xiàn)：直接作用于植物根際，促進(jìn)根長(zhǎng)度和根數(shù)量的增加；調(diào)控土壤與養(yǎng)分的形態(tài)從而影響植物的養(yǎng)分供應(yīng)，氨基酸的羧基可以和尿素中的酰氨基反應(yīng)生成穩(wěn)定的氨基酸—尿素復(fù)合物，避免其快速水解，從而保證了尿素的緩慢控制釋放，給植物提供了持續(xù)的氮供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)尿素的長(zhǎng)效緩效，增加了植物生物量的累積；氨基酸作為一類生物刺激素類物質(zhì)，與普通肥料混合施入土壤中可以刺激土壤微生物活性，保持部分氮素被固定在微生物體內(nèi)，隨著微生物的死亡逐漸被釋放，被植物吸收利用，提高了氮素的生物有效性；除水溶混合外，還可以通過改變生產(chǎn)工藝將氨基酸增效劑與普通肥料鰲合，創(chuàng)制氨基酸增值肥料，以進(jìn)一步提高肥料利用率，更好地服務(wù)于生態(tài)農(nóng)業(yè)。

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（責(zé)編：何 艷）