壳聚糖对苹果幼树根区土壤养分活化及其养分吸收的影响

2021-05-13曹琪孟姝婷桑金盛李昊宋书婷范伟国杨洪强

山东农业科学 2021年4期

曹琪，孟姝婷，桑金盛，李昊，宋书婷，范伟国，杨洪强

（山东农业大学园艺科学与工程学院／作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018）

壳聚糖（chitosan）又名几丁聚糖、壳多糖等，是甲壳素降解的产物，是唯一的碱性多糖，具有促进种子萌发、促进植物生长发育、诱导抗病性等多种作用，因此在农业生产中常作为植物生长调节剂使用。壳聚糖含有丰富的碳和氮，被微生物分解利用后可作为植物养分［1］，同时可以充分活化根际状态，溶解养分分子，迅速形成土壤溶液，使氮、磷、钾等养分能被植物充分有效地吸收［2］。前人在研究壳聚糖调控植物营养吸收的过程中发现，施用壳聚糖的土壤中，氮、磷、钾含量显著增加［3］；壳聚糖能够促进微生物快速繁殖，土壤矿质氮大量增加［4］；在温室和大田条件下，低分子量壳聚糖能够增加咖啡树苗的矿质营养吸收［5］；萝卜等蔬菜在壳聚糖处理下对氮、磷、钾的吸收显著增加［6，7］。

植物对养分的吸收作用常受到土壤养分有效性和根系吸收动力的影响。土壤养分的有效性与土壤酶密切相关。土壤酶是土壤肥力和土壤生物活性的重要组成［8］，它们能将土壤中的营养转化成被植物有效吸收利用的形式［9］，推动土壤有机质的分解和养分的循环转化［10］。植物根系能够分泌多种转化酶，这些酶活性的增强有利于提高根系对土壤中养分的主动获取能力。目前，壳聚糖在调控植物营养吸收的研究中，对土壤养分活化和多年生果树养分吸收影响的研究鲜有报道。本试验以苹果幼树为材料，研究施用壳聚糖对土壤养分活化和苹果幼树养分吸收的影响，以期为壳聚糖的合理施用提供参考。

1 材料与方法

试验于2019—2020年在山东农业大学园艺实验站进行。

1.1 材料

试验用1年生红富士／平邑甜茶（‘Red Fuji’／Malus hupehensis（Pamp）Rehd.var pinyiensis Jiang）幼树，茎粗（1.25±0.5）cm，株高定于70 cm。盆栽土为棕壤，pH 值7.1，有机质含量1.9%、碱解氮45.07 mg／kg、速效磷100.12mg／kg、速效钾74.36 mg／kg。花盆上口直径28 cm，高35 cm，装干土12 kg。2019年3月中旬将植株定植于盆中，每盆1株。幼树进行统一日常管理。

试验用壳聚糖为AR级，纯度≥90.0%。

1.2 试验设计

于2019年5月23日对幼树进行壳聚糖土施处理。设置6个处理浓度，分别为0、5、10、15、25、40 mg／kg。先将壳聚糖溶于600 mL去离子水中，然后按照处理浓度分别浇灌，对照浇灌600 mL去离子水。4盆为一个小区，每处理重复3次。试验期间所有处理管理一致。土施壳聚糖处理后第2、5、12个月取样测定相关指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤养分测定参照鲍士旦［11］的方法，用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，钼蓝比色法测定有效磷含量，火焰光度法测定速效钾含量。

1.3.2 酶活性测定根系硝酸还原酶活性测定用活体法［12］，谷氨酰胺合成酶活性测定用王小纯等［13］的方法，酸性磷酸酶活性测定用周建朝等［14］的方法。土壤酸性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法［15］，硝酸还原酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性测定参照关松荫［16］的方法。

1.3.3 植株养分含量测定采集苹果幼树新梢全部叶片，于烘箱中105℃杀青30 min、80℃烘干至恒重，研磨成粉，过40目尼龙网筛，备用。氮、磷、钾采用H2SO4-H2O2消煮法，中微量元素采用HNO3-HClO4消煮。参照鲍士旦［11］的方法，用凯氏定氮仪测定氮含量，钼蓝比色法测定磷含量，火焰光度法测定钾含量；钙、铜、锌、铁、镁等中微量元素用原子吸收分光光度法测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理，并用SPSS 22.0软件进行统计分析，不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 不同浓度壳聚糖对苹果幼树叶片营养元素含量的影响

由表1看出，土施不同浓度壳聚糖均可增加苹果幼树叶片多种营养元素含量。随壳聚糖施入浓度升高苹果幼树叶片中N、P、K、Ca、Fe、Zn、Cu、Mg 8种元素含量增加，处理5个月和12个月时效果最显著。其中，25 mg／kg壳聚糖处理5个月时叶片中N、K元素含量最高，分别比各自对照增加1.42倍和1.41倍；Fe含量在处理12个月时最高，较对照增加44.4%。40 mg／kg壳聚糖处理5个月时Ca含量最大，较对照增加2.07倍；15 mg／kg壳聚糖处理的Mg、Zn、Cu元素含量最高，叶片中Mg含量在处理2个月时增加最多，比对照增加50.2%；Zn和Cu含量在处理5个月时最高，分别比对照增加26.1%和1.34倍。表明，壳聚糖浓度为15～25 mg／kg时利于各种营养元素的平衡吸收。

2.2 不同浓度壳聚糖对土壤酶活性的影响

2.2.1 对土壤蔗糖酶活性的影响由表2看出，不同浓度壳聚糖处理均可提高土壤蔗糖酶活性，且随处理浓度的增大，蔗糖酶活性逐渐增强，其中40 mg／kg壳聚糖处理施用后第2、5、12个月分别较对照提高64.2%、66.0%、37.4%。

2.2.2 对土壤蛋白酶活性的影响由表2可知，不同浓度壳聚糖处理均可提高土壤蛋白酶活性。当年夏季（处理后2个月）和秋季（处理后5个月），土施15 mg／kg壳聚糖处理土壤蛋白酶活性提高幅度最大，处理1年时土壤蛋白酶活性仍维持较高活性。

2.2.3 对土壤脲酶活性的影响表2数据表明，所有壳聚糖处理5个月时土壤脲酶活性最高，处理12个月时最低；处理2个月时，10～40 mg／kg壳聚糖浓度处理的土壤脲酶维持较高活性；处理12个月时，15 mg／kg处理的脲酶活性显著高于其它处理，而其它处理间差异不显著。

2.2.4 对土壤酸性磷酸酶活性的影响由表2看出，25 mg／kg壳聚糖处理后第2、5、12个月时土壤酸性磷酸酶活性均较高，其中第5个月时增幅最大。第12个月时，中低壳聚糖浓度处理的土壤酸性磷酸酶活性呈减弱趋势。

表1 不同浓度壳聚糖对苹果幼树叶片营养含量的影响

2.2.5 对土壤硝酸还原酶活性的影响由表2看出，25 mg／kg壳聚糖处理后第2、5、12个月时土壤硝酸还原酶活性均最高，分别较对照提高1.12、1.40倍和1.07倍；壳聚糖处理第5个月时土壤硝酸还原酶活性增幅最大。

总之，土施壳聚糖1年内，15 mg／kg浓度处理对土壤蛋白酶和土壤脲酶影响较大，25～40 mg／kg浓度处理对土壤蔗糖酶、土壤酸性磷酸酶和土壤硝酸还原酶活性影响较显著。

2.3 不同浓度壳聚糖对根系酶活力的影响

硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶有利于苹果根系对土壤中氮素的截获、吸收和利用；而酸性磷酸酶能够通过根系分泌到土壤环境中，对改善土壤磷养分的有效性和促进苹果对磷的吸收利用具有重要作用。由表3看出，土施壳聚糖能够明显提高苹果根系硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和酸性磷酸酶的活性。其中25 mg／kg壳聚糖处理的苹果幼树根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性在施后2、5、12个月均表现最高，而15 mg／kg壳聚糖处理的苹果幼树根系酸性磷酸酶活性则在施后2、5、12个月均表现最高。

表2 不同浓度壳聚糖对土壤酶活性的影响

表3 不同浓度壳聚糖对苹果根系酶活力的影响

2.4 不同浓度壳聚糖对土壤养分的影响

由表4看出，施用不同浓度壳聚糖均可提高土壤有效养分含量，且在一定范围内随浓度增加土壤速效养分含量增大。其中土壤碱解氮含量以壳聚糖15 mg／kg处理最高，处理后2、5、12个月时较对照分别增加37.8%、42.2%、47.9%（P＜0.05）；壳聚糖施用5个月时，各处理土壤速效磷含量最高，以25 mg／kg处理增幅最大，比对照提高31.80%；而土壤速效钾在施用12个月时增幅最大，其中25 mg／kg和40 mg／kg壳聚糖处理较对照分别提高47.4%和46.2%（P＜0.05）。

表4 不同浓度壳聚糖对土壤养分的影响

3 讨论

壳聚糖作为生长调节剂，具有增强植物吸肥吸水能力、促进养分高效吸收利用的作用。研究表明，壳聚糖能够促进植物对营养的吸收，增加植物体内养分含量［17-19］，本试验也得到相应的结果。

壳聚糖含有丰富的碳和氮元素，被微生物分解利用后可作为植物养分；壳聚糖通过促进土壤养分的活化和释放改善土壤营养条件。本研究表明土壤施用壳聚糖后增强了苹果幼树根系多种养分转化酶的活性，为根系养分吸收提供了动力。

脲酶、蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶是土壤中的主要水解酶类，能够水解多种有机物形成易被植物吸收的小分子物质［20，21］，从而促进植物对土壤中养分的吸收利用。本研究结果表明，施用壳聚糖后，土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶活性均表现增强，且随着壳聚糖施用量的增加，土壤酶活性有先增强后减弱的趋势，土壤养分也在一定用量时含量最高。这可能是因为适量壳聚糖改变了土壤微生物群落结构［22］，进而改善了土壤酶系统［23］；过多施用壳聚糖土壤酶活性和土壤养分含量表现出降低趋势，可能与微生物和植株间的养分争夺有关［24］。

前人研究表明，植物根系能够分泌多种养分转化酶，这些酶活性的增强有利于提高根系对土壤养分的主动获取能力［25，26］。本研究表明，施用壳聚糖后能够提高植物根系硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、酸性磷酸酶活性，这对提高苹果根系主动获取土壤中N、P、K养分的能力和增强养分的吸收利用具有促进作用。