聚氨酯包膜和喷涂诱抗剂提高滨海盐化潮土玉米产量和磷肥利用率的协同效应

赵洪猛，杨贵婷，刘之广*，张 民,*，王庆彬，王怀利，杨子江

（1 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018；2 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室/金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭 276700）

磷对作物生长发育和产量的增加起着至关重要的作用[1]。由于磷易通过表面反应、生物固定、化学沉淀、闭蓄机制等方式被土壤吸附固定致使其移动较差[2-3]，大大降低了当季磷肥利用率。滨海盐化潮土是滨海地区潮土在主导成土过程中附加盐化过程而形成的，主要分布在黄河冲积平原的北部，盐分含量在0.1%～1.0%左右。由于土壤pH呈碱性，钙、镁等离子对磷的固定能力较强，易造成土壤磷供应障碍，属于典型的农作物中低产田。本文针对盐化潮土磷素利用率低的问题，研发了一种包膜磷肥及其增效剂，可在农民传统施肥模式的条件下提高土壤供磷水平和作物当季磷肥利用率，对于保障滨海盐化潮土粮食安全生产具有非常重要的意义。

包膜磷肥通过聚合物包覆形式调控养分释放[4]，减少磷素损失及土壤固定，从而提高磷肥有效性[5-6]，同时可节约有限磷矿资源，降低磷肥过量施用带来的环境污染风险[7]。陈琪等[8]研究表明，包膜磷酸二铵较普通磷酸二铵可以显著增加小麦产量，提高磷素利用率。植物诱抗剂是一类具有安全卫生、高抗及多抗等特点的由化学合成或天然的具有生物活性的物质，通过诱导植物产生抗性机制，增强植物抗逆能力[9-10]，进而提高产量。Falcioni等[11]通过水杨酸处理可显著增强番茄光合作用，增强其抗病能力，降低PVX病毒危害。Chen等[12]发现应用苯并噻二唑可增强水稻植株防御酶相关基因表达，提高其抗逆能力。朱广龙等[13]研究表明，外源生长调节物质可通过提高渗透调节物质含量和维持体内离子平衡来有效缓解高粱种子盐害，提高高粱耐盐性。包膜磷肥与植物诱抗剂配施，理论上可以协同增效提高磷素利用率，提高玉米产量。

植物体内存在大量有益的内生细菌和内生真菌，这些内生菌在植物体内能产生多种生物学作用，可以刺激作物产生一些激素，诱导植物产生抗性，增强植物抵抗力[14-15]。沙棘内生菌宛氏拟青霉(Paecilomyces variotii)提取物能够诱导植物耐旱、耐低温等相关基因的表达，促进根际微生物生长，调节植物对磷的吸收且具有成本低、用量少、广谱性强等优势[16-17]。秦瑞劼等[18]发现控释尿素配施宛氏拟青霉提取物较单施控释尿素可显著提高作物产量和经济效益。然而包膜磷肥配伍宛氏拟青霉提取物提高滨海盐化潮土作物产量和磷肥利用率的研究未见报道。本研究以滨海盐化潮土为研究对象，通过盆栽试验，探讨包膜磷肥配施诱抗剂宛氏拟青霉提取物对玉米产量及肥料利用的影响，为滨海盐化潮土玉米科学施肥和农业可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 盆栽试验设计

试验于2018年6—9月在山东省泰安市山东农业大学“土肥资源高效利用国家工程实验室”南校区试验站(117°13′E、36°20′N)进行，属暖温带大陆性季风型气候，年平均气温13℃。供试土壤取自山东省滨州市无棣县西小王镇渤海粮仓农业园0—20 cm耕层土壤(117°92′E、37°90′N)。土壤类型为滨海盐化潮土[19]，在中国土壤系统分类中为弱盐淡色潮湿雏形土(Parasalic Ochri-Aquic Cambosols)。土壤的基本理化性质为：有机质7.69 g/kg、全氮0.50 g/kg、全磷1.83 g/kg、全钾35.9 g/kg、速效氮85.6 mg/kg、有效磷14.0 mg/kg、速效钾186 mg/kg、pH 8.72(土水比1∶2.5)、全盐含量0.21%。供试玉米品种为“郑单958”，生育期103天。

供试包膜磷酸二铵(N 17.2%、P2O544.0%)由土肥资源高效利用国家工程实验室采用小型转鼓包衣工艺制备，磷素释放期为3个月[8]，膜材料为聚氨酯；供试树脂包膜控释尿素(N 43.2%，释放期3个月[20])为金正大生态工程集团股份有限公司生产。供试植物诱抗剂为沙棘内生菌宛氏拟青霉代谢产物，由山东蓬勃生物有限责任公司提供[18]。其余肥料均为市售普通尿素(N 46.0%)、磷酸二铵(N 18.0%、P2O546.0%)和氯化钾(K2O 60.0%)。供试容器为陶土盆，上部直径30 cm、高36 cm，盆底铺沙10 kg，每盆装干土20 kg。每盆播种玉米2粒，出苗后间苗使基本苗均为1株/盆。2018年6月13日点种，9月26日收获。所有肥料掺混后平铺，一次性基施。除草、除虫按照常规高产栽培模式进行，保持土壤含水量在60%以上，整个生育期内各处理管理措施相同。

试验以不施磷肥为对照(CK)，设正常施磷(P2O51.80 g/pot)和减磷20%(P2O51.44 g/pot)两个水平。磷肥处理包括普通磷酸二铵(DM)、聚氨酯包膜磷酸二铵(C-DM)、普通磷酸二铵添加诱抗剂(PE+DM)和包膜磷酸二铵添加诱抗剂(PE+C-DM)4个，共9个处理，每个处理4次重复。每盆N、K2O用量为5.40、3.60 g/盆，其中树脂包膜控释尿素的用量占每盆总氮投入的70%[21]。正常施磷水平下，诱抗剂喷涂到普通磷酸二铵和聚氨酯包膜磷酸二铵表面，随肥施入土壤，喷涂量为10 mg/kg P2O5，减磷20%处理为12.5 mg/kg P2O5，根据高产田玉米种植密度(株距60 cm、行距20 cm，83325株/hm2)进行换算，用量为1500 mg/hm2，0.018 mg/盆。将过2 mm筛的供试风干土壤约10 kg装入盆中稍稍压实，将所有肥料均匀混合后平铺至土层表面，再覆盖10.0 kg土壤。

1.2 样品采集及分析测定

在玉米播种后58天时，使用抖根法采集玉米根际新鲜土样测定土壤酸性磷酸酶活性；采集玉米最大功能叶片测定玉米淀粉酶、光合酶活性，采集植株叶片鲜样，用铝箔纸将其包好，立即浸入液氮中冷冻1～3 min后，放入干冰中带入实验室后放入-20℃冰箱内待测。在玉米播种后58和103天(收获)时，采集盆栽土样进行根际土壤养分含量测定。收获时，秸秆及籽粒置于烘箱105℃杀青15 min，然后转至65℃烘箱烘干至恒重，其后称重磨细待测。

土壤硝、铵态氮含量的测定：用0.01 mol/L CaCl2浸提(土水比1∶10)，采用连续流动注射分析仪(AA3，Bran.Luebbe，德国)测定浸提液中硝、铵态氮含量；土壤速效钾含量采用1 mol/L醋酸铵溶液浸提-火焰光度计法测定；土壤有效磷含量测定，用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提，采用全自动间断化学分析仪(Smart chem 200，美国)测定浸提液中有效磷含量。玉米植株叶片淀粉酶、光合酶及根际土壤磷酸酶活性采用酶联免疫法测定。植株全磷含量采用H2SO4-H2O2联合消煮，钼锑抗比色法测定。

1.3 数据分析方法

试验数据采用Excel和SAS软件进行处理和统计分析，采用单因素方差分析，不同处理间采用邓肯法进行多重比较，检验各处理平均值在P＜0.05水平的差异显著性。

磷肥农学利用率(kg/kg)=(施磷区籽粒产量-不施磷区籽粒产量)/施磷量；

磷肥偏生产力(kg/kg)=施磷区产量/施磷量；

磷肥利用率(%)=(施磷处理磷累积量-不施磷处理磷累积量)/施磷量×100。

2 结果与分析

2.1 不同磷肥处理对玉米产量及产量构成因素的影响

包膜磷酸二铵与植物诱抗剂的优化配伍对玉米产量及产量构成因素存在不同程度的影响(表1)。施磷1.80 g/pot下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM处理间的玉米产量没有显著差异，但较DM处理分别增产5.89%、7.46%和7.78%；施磷1.44 g/pot下，3个处理玉米产量显著高于DM处理，PE+C-DM处理又显著高于C-DM、PE+DM处理，C-DM和P E+D M处理较D M处理分别增产1 0.0 7%、9.31%。减磷处理的玉米产量均显著低于正常磷处理，只有1.44 g/pot下PE+C-DM处理的玉米产量与1.80 g/pot下DM处理差异不显著。

施磷水平和各处理措施影响最大的产量性状是行粒数(表1)。正常供磷条件下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM处理的行粒数差异不显著，但均显著高于DM处理；而减磷条件下，PE+DM的行粒数显著高于DM、C-DM和PE+C-DM处理，与正常磷水平处理相当。表明喷涂植物诱抗剂可以有效提高玉米穗的行粒数，聚氨酯包膜可以提高穗行数，二者配合最终提高玉米产量，特别是在减磷20%条件下。

2.2 不同磷肥处理对玉米磷素吸收利用的影响

包膜和喷涂诱抗剂显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处理的磷肥当季利用率分别比DM增加了6.8、4.8、8.8个百分点；减磷条件下，增加了8.1、6.2、14.0个百分点；包膜和诱抗剂处理提高磷肥当季利用率的效果十分显著。正常施磷水平下，CDM较DM处理磷肥农学利用率增加了26.44%，磷肥当季偏生产力增加了5.89%。等施磷量条件下，与DM处理相比较，施磷量1.80 g/pot下PE+DM处理、PE+C-DM处理的磷肥当季农学利用率分别增加了33.52%、34.94%；施磷量1.44 g/pot下，与PE+DM相比较，PE+C-DM处理的当季磷肥利用率提高7.8个百分点。说明包膜磷酸二铵、普通磷酸二铵配施植物诱抗剂可以显著提高当季磷肥利用率。

农学利用率反映的是磷肥增加经济产量的效率。从表2 可以看出，供试土壤在正常施磷水平下，肥料包膜和喷涂诱抗剂均可显著增加磷肥的农学利用率，减磷会降低农学利用率，但是仅包膜和仅喷涂诱抗剂可以减少磷的农学利用率降幅，且PE+C-DM处理的农学利用率较1.80 g/pot下DM处理增加23.04%，表明只有在包膜和喷涂诱抗剂配合的前提下，减磷较正常施磷量下的农学利用率有所增加。

2.3 不同磷肥处理对玉米植株光合酶、淀粉酶及根际土壤酸性磷酸酶活性的影响

玉米叶片中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)、丙酮酸磷酸双激酶(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。从表3可以看出，叶片3种酶的活性受到磷供应水平的影响，减磷整体降低3种酶的活性。但施磷量1.44 g/pot下，PE+C-DM处理较正常施磷条件下DM处理PEPCase、PPDKase和AGPase活性分别显著提高50.00%，31.96%和72.22%。正常施磷量条件下，C-DM、PE+DM和PE+C-DM处理的PEPCase活性较DM处理分别显著提高80.00%，50.00%和70.00%；PPDKase活性分别显著提高54.64%，49.48%和54.64%；相比DM处理，CDM和PE+DM处理的AGPase活性分别显著提高39.81%和40.74%。减磷条件下，与C-DM和PE+DM处理相比，PE+C-DM处理的PPDKase和AGPase活性分别显著提高33.33%、14.29%和75.47%、47.62%。表明包膜和诱抗剂配合施用可以在减磷的条件下，维持并可提高叶片的光合效率和淀粉转化效率。

表1 不同处理玉米产量和产量构成因素Table 1 Yield and yield components of maize treated with different treatments

表2 不同处理玉米当季磷肥利用率Table 2 Seasonable phosphorus use efficiency of maize under different treatments

表3 不同处理玉米叶片光合酶、淀粉酶及根际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酶活性测定结果可以看出，正常和减磷条件下，与DM相比，PE+DM处理的ACPase活性分别显著提高27.90%和17.65%；PE+C-DM处理较C-DM处理分别显著提高37.50%和21.81%，较PE+DM处理分别显著提高20.00%和11.66%；C-DM与DM差异不显著。表明肥料包膜不会显著影响土壤酸性磷酸酶的活性，而喷涂诱抗剂可以促进玉米植株分泌酸性磷酸酶，显著提高其活性，包膜和诱抗剂配施的效果又显著高于单施诱抗剂(P＜0.05)。

2.4 不同磷肥处理对土壤养分供应强度的影响

不同施磷处理对玉米季土壤有效磷含量的影响十分显著，磷肥施用显著提高了土壤的有效磷含量，特别是在播种后58天(表4)。正常施磷量下，C-DM处理的土壤有效磷含量在播种后58天时显著高于DM处理22.26%，但在103天时，二者差异不显著；在减磷量下，C-DM处理土壤有效磷含量与DM处理没有显著差异，显著低于正常施磷量下的DM处理。正常施磷量下，PE+DM处理的土壤有效磷含量在整个生育期高于DM处理；在减磷量下，在播种后58天也显著高于DM处理，但两个取样时期均显著低于1.80 g/pot下DM处理。在减磷条件下，PE+C-DM处理在播种后58和103天土壤有效磷含量相较于C-DM和PE+DM处理分别显著提高33.66%、19.45%和14.99%、26.05%。PE+CDM处理的有效磷含量在正常和减量供磷条件下，均显著高于DM处理，且在减磷条件下，58天时与正常供磷1.80 g/pot下DM处理差异不显著，但103天时显著高于1.44 g/pot下的其他处理(P＜0.05)。整体表明诱抗剂提高土壤有效磷含量的效果显著且持续时间长，与包膜配合后，其效果更佳显著。

磷肥各处理对土壤速效钾、硝态氮和铵态氮含量的影响与DM相比，多数不显著，表明磷肥处理和诱抗剂不影响玉米对土壤中氮、钾养分的吸收利用。

3 讨论

由于土壤和磷酸盐特殊的理化性质，使得施入土壤中的磷素极易被固定[25-26]。包膜磷肥通过聚合物膜减少磷素与土壤的接触，将磷素缓慢释放，从而缓解土壤对磷素的固定效应[27]。供试包膜磷酸二铵释放曲线为反“L”型，静水浸提条件下磷养分初期释放率为0.3%，28天累积释放率为59%，养分释放特性满足缓释肥料国家标准要求[8]。供试包膜磷肥前10天养分释放较缓慢，此时玉米处于苗期，需肥量少，而在10～28天释放最快[8]，此时玉米正处于生长发育最快的拔节期，是玉米需磷的关键时期[28-29]。有研究表明，聚合物包膜肥料的释放速率与膜内外渗透压有关[30]。供试盐化潮土含盐量高，土壤溶液与包膜磷肥内养分渗透压差小，包膜磷肥田间磷肥释放周期应远长于室内静水浸提释放期，满足玉米整个生育期的磷素需求。玉米苗期相对脆弱，受盐分影响较大，包膜磷肥可缓解肥料一次性大量施入导致的盐害叠加效应对玉米幼苗生长的抑制。此外，低磷胁迫可诱导玉米根系生长发育[31]，包膜磷酸二铵前期养分释放缓慢，提高作物抗盐水平及对包膜磷酸二铵后期缓慢释放磷素的吸收利用强度。

表4 播种后58和103天不同处理土壤养分含量(mg/kg)Table 4 Soil available nutrient contents at the 58 and 103 days after sowing under different treatments

本试验中，喷涂植物诱抗剂沙棘内生菌宛氏拟青霉(Paecilomyces variotii)提取物提高玉米根际土壤中ACPase的活性十分显著(表3)，磷酸酶活性的提高大大增强了玉米根系对土壤养分的吸收，提高了植株体内与磷营养有关的光合和淀粉酶活性(表3)，进而显著提高玉米产量(表1)。

供试植物诱抗剂宛氏拟青霉提取物低浓度(1～10 ng/mL)下即可诱导作物水杨酸生物合成和信号传导，促进植物体胼胝质沉积，增加植物的抗逆能力，同时诱导氮、磷转运蛋白(NRT2.5、PHT42)和生长素生物合成(YUC3、YUC9)相关基因的表达，调高作物生长素水平及氮磷元素摄取转运能力[16]。在减磷20%条件下，包膜磷肥配施植物诱抗剂协同增效显著，较单施包膜磷酸二铵和普通磷酸二铵配施诱抗剂处理分别增产5.59%、6.32%。这一方面是包膜延缓了磷肥的释放，进而减少了固定量，同时诱抗剂诱导玉米分泌磷酸酶增加了对磷素的吸收，又进一步减少了活性磷在土壤中的固定，因此，虽然磷的施用量减少了20%，而玉米吸收的磷素依然与普通施磷量处理相当，保证了玉米不减产。

4 结论

供试土壤条件下，减少磷肥施用水平会降低玉米产量，降低磷肥的利用率。聚氨酯包膜磷酸二铵只能在一定时期内提高土壤有效磷含量，整个生育期提高玉米磷素利用的效果不是很显著。喷涂诱抗剂可以显著提高玉米根系分泌酸性磷酸酶的量，进而提高玉米生长根际土壤磷素供应强度和功能叶片光合效应相关的酶活性，在整个生育期可持续促进玉米的生长发育以及对磷素的吸收利用，而且，提高玉米产量和磷肥利用效率。减磷20%时，磷酸二铵包膜配施植物诱抗剂可以维持玉米产量不出现下滑，是减磷增效切实可行的措施。