聚谷氨酸增效肥料对贵州黄壤区露天茄子生物效应及肥料利用率的影响

魏全全，张 萌，芶久兰，胡华群，何 池，卢宗云，刘 藜

（1. 贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2. 息烽县农业农村局，贵州 息烽 551100；3. 贵州天宝丰原生态农业科技有限公司，贵州 修文 550200；4. 中国科学院 沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016）

黄壤是贵州喀斯特山区的主要土壤类型，受土层较浅、养分固持能力差等因素的影响，很容易出现肥料养分流失的现象，从而影响作物对肥料养分的吸收利用以及肥料利用率的提高，最终导致作物产量水平下降[1-2]。γ-聚谷氨酸是一种高分子聚合体，具有强螯合性、生物可降解性和环境友好性等特点[3-4]，目前作为新型肥料增效剂已被广泛应用于农业生产中，并在实现作物增产、肥料增效以及改善作物品质和抗逆性等方面表现出了明显优势[5-7]。曾路生等[8]研究发现，施用聚谷氨酸增效剂可使茄子和甘蓝的产量分别提高3.1%～11.8%和2.5%～5.8%，而且可以促进作物对土壤碱解氮和速效磷的吸收利用；巩雪峰等[9]研究表明，叶面喷施γ-聚谷氨酸不仅可以促进辣椒生长、提高辣椒产量，而且能够有效缓解Cd胁迫对辣椒的伤害；张静静等[10]研究了喷施γ-聚谷氨酸提高夏玉米产量和促进养分吸收的机制，发现减氮30%水平下喷施低量γ-PGA（聚谷氨酸）能够实现减肥增效的目的，其增效机制是γ-聚谷氨酸分子起主要作用，并非其分解产物谷氨酸起作用；付文杰等[11]研究γ-聚谷氨酸磷肥增效剂对石灰性土壤有效磷的影响后发现，γ-聚谷氨酸能够限制Ca2-P 快速向无效态磷转化，从而减少磷的吸附位点是γ-聚谷氨酸提高石灰性土壤磷素有效性的主要途径。由此可见，聚谷氨酸在当前化肥零增长条件下展现出的化肥减施增效、提升作物产量以及提高肥料利用率等优势，使其成为研究热点。

当前我国肥料产业发展迅速，各类新型肥料不断涌现，γ-聚谷氨酸作为肥料增效剂和添加剂，已经在新型肥料行业中崭露头角[12-13]。聚谷氨酸增效肥料是在肥料生产过程中通过一定的工艺加入聚合氨基酸形成的增效肥料。许多研究均表明，聚谷氨酸增效肥料与传统肥料相比增产效果明显，肥料利用率提高效果显著[14-16]。目前，聚谷氨酸增效肥料在贵州黄壤区作物种植中应用的研究较少，无法有效指导农民实际生产。因此，拟针对贵州黄壤区露天茄子种植过程中存在的肥料利用率低、品质差、产量及经济效益不高等问题，以聚谷氨酸增效肥料作为供试肥料，研究不同聚谷氨酸增效肥料施用量对贵州黄壤区露天茄子产量、品质、养分积累、肥料利用率和经济效益的影响，以期明确聚谷氨酸增效肥料在贵州黄壤区露天茄子栽培中的最佳施肥量，并为其在贵州黄壤区茄果类蔬菜生产上的推广应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及试验材料

试验于2020年5—10月在贵州省贵阳市息烽县西山镇进行。供试土壤为贵州地带性黄壤，基础理化性质：pH 值5.95、有机质46.6 g/kg、全氮0.31 g/kg、有效磷32.1 mg/kg、速效钾108.5 mg/kg。供试肥料：聚谷氨酸增效肥料（N-P2O5-K2O=15-6-25，γ-聚谷氨酸增效剂添加量为7‰，由贵州天宝丰原生态农业科技有限公司生产）、西洋复合肥（N-P2O5-K2O=15-15-15，由贵州西洋肥业有限公司生产）、商品有机肥（由贵州天宝丰原生态农业科技有限公司生产）。供试茄子品种为瑞宝3号。

1.2 试验设计

试验共设6 个处理：不施肥（CK）、常规施肥（FP）、聚 谷 氨 酸 增 效 肥 料（PAF）1 875 kg/hm2（PAF1）、聚谷氨酸增效肥料2 250 kg/hm2（PAF2）、聚谷氨酸增效肥料2 625 kg/hm2（PAF3）、聚谷氨酸增效肥料3 000 kg/hm2（PAF4）。除FP 处理采用基施和追施外，其他处理肥料均作为基肥一次性施入，各处理具体肥料施用量如表1 所示。茄子移栽前先将复合肥和商品有机肥均匀撒施在土壤表层，用锄头翻耕混匀，保证肥料与土壤混合均匀。采用单垄双行覆膜的栽培模式种植茄子，垄宽0.9 m、沟宽0.3 m。在起垄覆膜后14 d对茄子幼苗进行移栽，移栽密度为1.8 万株/hm2。每个处理设置3 次重复，随机区组排列，试验小区面积为28.8 m2（长8.0 m×宽3.6 m）。其他田间管理与当地种植习惯保持一致。

表1 不同施肥处理的肥料施用量Tab.1 Fertilizer application of different fertilization treatments

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤理化性质 试验前在整个田块按照S形取样法采集0～20 cm 的土壤样品，采用pH 计法测定pH 值，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，采用半微量凯氏法测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量[17]。

1.3.2 植株样品 在茄子收获前，每小区采集6 株长势相对一致的茄子植株，用于测定植株养分指标。将茄子植株分为茎叶和果实两部分，分别于105 ℃杀青30 min 后，60 ℃恒温烘干称量。然后将植物样品磨碎过筛后，采用H2SO4-H2O2联合消煮，以凯氏定氮法测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用火焰光度法测定全钾含量[17]，并计算植株氮磷钾积累量及比例。

1.3.3 品质指标 收获前采集部分茄子果实鲜样测定茄子果实品质，采用紫外分光光度法测定硝酸盐含量，采用原子吸收分光光度法测定维生素C（Vc）含量，采用蒽酮试剂法测定可溶性糖含量[17]。

1.3.4 产量 分批采收茄子，于收获期计算其最终产量。

1.4 相关参数计算公式

氮肥农学效率=（施氮处理产量-不施肥处理产量）/施氮量；

氮肥表观利用率=（施氮处理吸氮总量-不施肥处理吸氮总量）/施氮量×100%。

式中，产量按照茄子干质量计算。

磷钾肥相关参数计算同上。

产值=鲜质量×单价。

本研究不计人工和种苗成本，纯收入=产值-肥料成本。

计算经济效益时，茄子价格按3.00 元/kg 计算，聚谷氨酸增效肥料、西洋复合肥和商品有机肥价格分别按3.00、2.00、1.00元/kg计算。

采用线性加平台模型拟合最佳施肥量：y=ax+b（x≤C）；y=P（x＞C）。

式中，Y为产量（kg/hm2），x为施肥量（kg/hm2），a为回归系数，b为截距，C 为直线与平台的交点，P为平台产量（kg/hm2）。

1.5 数据处理

采用Excel 2003 及SPSS 20.0 进行数据处理与分析，以LSD法检验P＜0.05 水平上的差异显著性；采用Origin 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 聚谷氨酸增效肥料对茄子产量的影响

由图1 可知，与CK 处理相比，施肥处理茄子产量显著提高了4 905～9 081 kg/hm2，增幅为19.29%～35.71%。与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料的茄子产量显著提高了1 109～4 176 kg/hm2，增幅为3.65%～13.76%。其中，以PAF2 处理的茄子产量最高，达 到34 514 kg/hm2，且 显 著 高 于FP、PAF1、PAF3、PAF4 处理；PAF3、PAF4 处理产量次之，分别为32 164、32 535 kg/hm2，均显著高于FP 处理。利用线性加平台模型计算聚谷氨酸增效肥料的最佳施用量，结果（图2）表明，聚谷氨酸增效肥料施用量在2 250 kg/hm2（PAF2）时能够获得最大产量。

图1 不同施肥处理茄子产量Fig.1 Yield of eggplant of different fertilizationtreatments

图2 不同施肥处理肥效模型Fig.2 Fertilizer efficiency models of different fertilization treatments

2.2 聚谷氨酸增效肥料对茄子品质的影响

氨酸增效肥料茄子的硝酸盐含量显著降低了12.14～14.60 mg/kg，降 幅 为12.37%～14.88%，但PAF1、PAF2、PAF3 和PAF4 处理之间无显著差异。从Vc含量来看，与FP处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料茄子的Vc 含量显著提高了14.68～23.66 mg/kg，增幅为13.97%～22.52%，以PAF3 处理的Vc 含量最高。从可溶性糖含量来看，施用聚谷氨酸增效肥料茄子的可溶性糖含量显著提高了12.77～22.30 mg/kg，增幅为7.77%～13.57%，以PAF2和PAF3处理的可溶性糖含量较高，且显著高于PAF1处理。

表2 不同施肥处理茄子品质Tab.2 Quality of eggplant of different fertilization treatments

2.3 聚谷氨酸增效肥料对茄子养分积累的影响

由图3 可知，施用聚谷氨酸增效肥料可以显著提高茄子氮磷钾养分积累量。从氮素积累量来看，与FP处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料茄子的氮素积累量显著提高了42.46～78.95 kg/hm2，增幅为36.32%～67.54%，以PAF3和PAF4处理较高，分别为195.84、193.95 kg/hm2，且 显 著 高 于FP、PAF1 和PAF2处理。从磷素积累量来看，与FP处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料茄子的P2O5积累量显著提高了11.15～24.89 kg/hm2，增 幅 为24.09%～53.80%，以PAF3 和PAF4 处理较高，分别为70.77、71.15 kg/hm2，且显著高于FP、PAF1和PAF2处理。从钾素积累量来看，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料茄子的K2O 积累量显著提高了35.48～96.79 kg/hm2，增幅为18.61%～50.77%，以PAF2 和PAF3 处理较高，分别为287.42、287.24 kg/hm2，且显著高于FP、PAF1 和PAF4处理。

图3 不同施肥处理茄子养分积累量Fig.3 Nutrient accumulation of eggplant of different fertilization treatments

2.4 聚谷氨酸增效肥料对茄子养分分配的影响

由图4 可知，从氮素分配来看，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料处理茄子的茎叶氮素比例降低了3.41～8.03个百分点，果实中氮素比例则提高了3.41～8.03 个百分点，其中以PAF2 处理的果实氮素比例最高，且显著高于FP、PAF1、PAF3 和PAF4处理。从磷素分配来看，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料处理茄子的茎叶磷素比例提高了0.84～11.72 个百分点，果实中磷素比例则下降了0.84～11.72 个百分点，其中PAF2、PAF3 和PAF4 处理的果实磷素比例均显著低于FP 处理。从钾素分配来看，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料处理茄子的茎叶钾素比例降低了0.46～0.69个百分点，果实中钾素比例则提高了0.46～0.69个百分点，其中PAF2、PAF3 和PAF4 处理的果实钾素比例较高，均显著高于FP和PAF1处理。

图4 不同施肥处理茄子不同器官中的养分分配比例Fig.4 Proportion of nutrients accumulation in different organs of eggplant of different fertilization treatments

2.5 聚谷氨酸增效肥料对茄子肥料利用率的影响

率分别提高了0.96～2.03、3.83～6.51、0.26～0.90 kg/kg，增幅分别为120.00%～253.75%、671.93%～1 142.11%、32.50%～112.50%。其中，PAF2处理的氮、磷、钾肥农学效率最高，分别为2.83、7.08、1.70 kg/kg。从表观利用率来看，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料使氮、磷、钾肥的表观利用率分别增加了17.13～22.77、13.25～18.28、1.94～12.95 个百分点，增幅分别为260.33%～346.05%、1 840.28%～2 538.89%、9.12%～60.88%。其中，以PAF2 处理的氮、磷、钾肥表观利用率最高，分别为29.35%、19.00%、34.22%。

表3 不同施肥处理肥料利用率Tab.3 Fertilizer utilization of different fertilization treatments rate

2.6 聚谷氨酸增效肥料对茄子经济效益的影响

由表4 可知，与FP 处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料的茄子产值增加了3 326～12 528 元/hm2，增幅为3.65%～13.76%。扣除相应的肥料成本后，施用聚谷氨酸增效肥料处理的纯收入较FP 处理增加了2 090～10 278 元/hm2，增幅为2.46%～12.09%，其中以PAF2处理的经济效益最高，为95 292元/hm2。

表4 不同施肥处理茄子经济效益Tab.4 Economic benefit of eggplant of different fertilization treatments

3 结论与讨论

γ-聚谷氨酸是由L-谷氨酸和D-谷氨酸通过酰胺键缩合后形成的一种多肽聚合物，具有无毒可降解、亲水性强等特点，现已被广泛应用于农业生产，以提高作物产量和肥料利用率、增强土壤保水保肥能力等[5-6，10-11]。本研究发现，与常规施肥（FP）处理相比，施用聚谷氨酸增效肥料能够使露天茄子产量提高3.65%～13.76%，而且可以显著降低茄子果实中硝酸盐含量，同时提高茄子果实中Vc和可溶性糖含量，能够显著改善茄果类蔬菜果实品质，这与前人[8，14]的研究结果类似。有研究指出，施用聚谷氨酸可以提高作物叶片中叶绿素含量，改善作物叶片荧光参数和光合参数，进而通过增强作物净光合速率的方式促进作物生长发育和产量形成[12，18]，尤其是在露天栽培干旱少雨条件下，能够通过促进作物根系生长发育和提高体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性，进而提高作物的抗旱性和抗逆性[19-21]。并且，聚谷氨酸具有很强的吸水性和络合钙、镁、铁等阳离子的能力，施入土壤后能够增强作物抗旱保水能力和提高土壤中微量元素有效性，从而提高作物产量和改善作物品质[10，22-23]。此外，施用聚谷氨酸或聚谷氨酸增效肥料还能够改善土壤团聚体结构[24-26]，提高土壤微生物碳氮含量和微生物活性，促进土壤养分转化，提高作物吸收养分的效率[6，27]，这也是聚谷氨酸能够促进作物增产提质的重要原因。

与此同时，从肥料利用率角度来看，本研究中施用聚谷氨酸增效肥料处理的肥料农学效率和表观利用率均得到显著提升，尤其是PAF2 处理的氮、磷、钾肥表观利用率分别达到29.35%、19.00%、34.22%，这说明聚谷氨酸具有明显的肥料增效作用，这也与前人[11，28]的研究结果相似。分析原因，一方面聚谷氨酸不仅能够增强土壤固氮微生物的活性，提高土壤固氮能力[11，29]，而且可以促进Ca10-P 向Al-P、Fe-P、Ca2-P、Ca8-P 的转化，增加土壤有效磷含量，进而提高土壤养分有效性[30]。另一方面，聚谷氨酸能够有效降低土壤中的水分和养分向土壤下层迁移转运，提高表层土壤或根系周围的水肥含量，有效减少肥料淋失，从而提高肥料利用效率[31-32]。