施用生物刺激剂对空心菜种植增效减排效应研究

2022-10-14许纪元郝雅琼孙海军董刚强闵炬施卫明

农业环境科学学报 2022年9期

许纪元，郝雅琼，孙海军，董刚强，闵炬*，施卫明

（1.中国科学院南京土壤研究所，土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；2.南京林业大学林学院，南京 210037；3.安利（中国）植物研发中心，江苏无锡 214115）

我国蔬菜产量占世界蔬菜总产量的50%，已成为世界上最大的蔬菜生产国。蔬菜高产离不开肥料（特别是化肥）的投入。集约化蔬菜种植体系为追求高产，常投入大量氮肥，但氮肥利用率仅为18%左右。未被作物吸收利用的氮素可通过NH挥发损失，或在氮转化的硝化-反硝化过程中产生NO气体等，从而造成一系列环境问题。因此，亟需发展蔬菜种植体系增效减排的高效施肥技术。

生物刺激剂是指促进植物生长、提升作物品质、提高植物抗逆性的一大类非养分物质。已报道的生物刺激剂包括黄腐酸类物质、海藻提取物、壳聚糖类物质、蛋白质水解物与多肽类物质、微生物菌剂等多种类型。生物刺激剂对植物产生的生长促进作用主要通过对根系生长的促进效果、对养分吸收的维持和促进效果、对土壤微生物群落的改良作用等途径来实现。生物刺激剂的促生作用并非依靠自身的养分作用，而是通过其关键成分决定，且生物刺激剂主要成分与其种类显著相关。叶面喷施某种蛋白质水解物可使菜豆增产25%，同时提高菜豆32%的豆荚种子数量和38%的平均株高；黄腐酸类物质的使用可提高菠菜的养分吸收效率和菠菜体内养分运输速率；壳聚糖可提高长豆角豆荚可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和维生素C含量，并增加了单果质量、单株结荚数和单位面积产量；微生物菌剂施用可使番茄总产量和前期产量分别提高34.4%和42.4%。目前生物刺激剂的应用研究多集中于其对作物产量的影响，而对蔬菜种植的增效减排效应的评价尚缺乏。为此，本研究通过两季（2018年和2019年）的空心菜土柱试验，选取有代表性的6种生物刺激剂（黄腐酸类物质、海藻提取物、壳聚糖、鱼蛋白、大豆蛋白水解物、微生物菌剂）与氮肥配施，观测不同生物刺激剂对空心菜产量、氮肥利用率、NH挥发和NO排放的影响，为提高菜地氮素利用率、减少氮环境排放提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地概况

供试空心菜（Forsk）品种为港种大白骨通心菜310特选种，由深圳市范记种子有限公司提供。生物刺激剂包括黄腐酸（HA，山东兴禾生物科技股份有限公司）、海藻提取物（AE，深圳神宝农业科技有限公司，纯度为50%）、壳聚糖（9012-76-4）（CT，国药集团化学试剂有限公司）、鱼蛋白（FPH，山东省田旺生物有限公司）、大豆蛋白水解物（PPH，江苏长晶生物工程有限公司）、微生物菌剂（FC，山东绿陇生物科技有限公司）。

供试土壤取自江苏省宜兴市周铁蔬菜种植基地（31°16'N，119°54'E）的设施菜地，根据《中国土壤系统分类检索》，供试土壤类型为普通肥熟旱耕人为土。土壤基础理化性质如表1所示，其中土壤pH测定时的土水比为1∶2.5（∶），土壤电导率测定采用风干土，土水比为1∶5（∶）。

表1 供试菜地土壤基础理化性质Table 1 Soil type and major characteristics（0～20 cm）of the field site

江苏省宜兴市年平均降雨量1 177 mm，年平均气温15.7℃，气候为亚热带季风气候，试验期间当地的降雨和气温变化如图1所示。

图1 两季试验期（2018年和2019年）试验点的日均温和降雨量Figure 1 Average daily temperature and rainfall at the experimental site during the experiment periods（2018 and 2019）

1.2 试验设计

试验于2018年6—7月（第一季）和2019年8—9月（第二季）在光照通风正常的空地上开展。采用土柱模拟试验，土柱直径为35 cm，高度为60 cm，底部放入20 cm深珍珠岩，后填入50 kg过2 mm筛的风干设施菜地土壤，压实、灌水，调节土柱内土壤水分含量至当地菜地田间持水量水平，土壤容重1.16 g·cm。于土柱内均匀移栽6棵2片真叶时期的空心菜，生长35 d后采获。

试验设置8个处理：不施氮对照处理（CK）、常规施氮处理（N），以及常规施氮分别配施6种生物刺激剂处理（N+HA、N+AE、N+CT、N+FPH、N+PPH、N+FC），每个处理3次重复。除CK处理不施氮肥外，其余所有处理的氮、磷、钾肥投入均保持一致。其中氮肥采用尿素，氮肥（N）用量为1.15 g·盆，相当于120 kg·hm，分两次施用，基肥、追肥分配比为1∶1。磷肥（PO）和钾肥（KO）用量为0.38 g·盆和0.77 g·盆，相当于40 kg·hm和80 kg·hm，磷肥采用磷酸二氢钾，钾肥采用过硫酸钾和磷酸二氢钾，均一次性基施。6种生物刺激剂分别与氮肥同时添加，将肥料与生物刺激剂溶于水中，根部浇灌，2个肥期用量分配比为1∶1。生物刺激剂的总用量如表2所示，均换算自推荐用量。两季基肥分别于2018年6月25日和2019年8月20日施入，追肥分别于2018年7月10日和2019年9月6日施入。定期浇水使土壤始终保持湿润状态。

表2 生物刺激剂的单季总用量（mg·盆-1）Table 2 Total amount of biostimulants to per vegetable season（mg·pot-1）

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 产量与氮肥表观利用率

试验结束后，收获空心菜，称取地上部生物量计算产量，然后在105℃下杀青30 min，继续在75℃下烘干72 h至恒质量。随后用植物粉碎机将样品粉碎，通过浓HSO-HO消煮并采用凯氏定氮法测定植株样品氮含量并计算吸氮量。

利用氮肥的表观利用率（）来比较不同生物刺激剂处理的氮利用效率，计算公式如下：

1.3.2 NH挥发

采用海绵吸收法收集装置内的NH挥发通量，采样装置为聚氯乙烯硬质塑料管，内径15 cm，高20 cm。采样时分别将两块厚度为2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以15 mL磷酸甘油溶液，下层海绵（样品）置于塑料管中部，上层海绵（隔离空气中的NH）与塑料管顶部齐平。各处理施基肥后分别于2018年6月25、27、29日和2019年8月20、22、24、26日更换下层海绵；追肥后分别于2018年7月10、12、14、16日和2019年9月6、8、10、12日更换下层海绵；基肥期采样结束后至追肥开始之前的时间段内（2018年6月29日—7月10日和2019年8月26日—9月4日），放置海绵吸收土壤挥发的NH，直至追肥前更换下层海绵。海绵样品中的NH采用1 mol·LKCl溶液浸提，靛酚蓝比色法测定。用以下公式计算NH挥发通量，NH挥发累积排放量为NH挥发通量之和：

式中：为NH挥发通量，kg·hm·d；为单个装置采集到的NH-N的量，mg；为采样装置覆盖土壤的面积，m；为该样品连续捕获的时间，d。

1.3.3 NO排放

采用静态箱-气相色谱法测定NO排放通量，取样时将方盖PVC静态箱（40 cm×40 cm×60 cm）置于水槽底座中形成一密闭空间，然后在密闭15、30 min和45 min时采集箱内气体样品，每次施肥后0、2、4 d和6 d采集样品，用气相色谱仪（HP7820A，Agilent Technologies，CA，USA）分析其NO浓度。通过以下公式计算NO排放通量，采用累积加和法计算空心菜季的NO累积排放量：

式中：为NO排放通量，µg·m·h；为标准大气压下NO气体的密度，1.25 kg·m；为静态箱高度，cm；Δ/Δ为静态箱单位时间内的气体浓度变化量，µg·L·h；为采样时的绝对温度，K。

1.4 数据分析

采用Excel 2016对数据进行基础统计分析，采用SPSS 20.0对不同处理地上部氮吸收、产量、NH挥发和NO排放进行单因素方差分析（One-way ANOVA）及Duncan多重比较（＜0.05）。图形采用Origin 16.0绘制，图中所有数据均为每个处理3次重复的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同生物刺激剂处理对地上部氮吸收的影响

由图2可以看出，添加生物刺激剂可提高空心菜地上部氮吸收量，两季试验地上部氮吸收量从高到低均依次为N+HA、N+AE、N+CT、N+FPH、N+FC、N+PPH，与N处理相比，N+HA和N+AE处理显著提高了空心菜地上部20.4%～63.2%和21.4%～54.6%的氮吸收。N+CT处理显著促进了第一季空心菜地上部氮吸收（37.0%），第二季也表现为促进作用，但差异不显著。其余生物刺激剂处理不同程度地促进了空心菜的地上部氮吸收，但与N处理相比无显著的统计学差异。

图2 不同生物刺激剂处理对两茬空心菜地上部氮吸收的影响Figure 2 Response of N uptake of water spinach to different biostimulant treatments

2.2 不同生物刺激剂处理对产量的影响

不同生物刺激剂处理下的空心菜产量如图3所示，两季试验中生物刺激剂处理均可以增加空心菜产量，2018年增产效果从高到低依次为N+HA、N+AE、N+CT、N+FC、N+FPH、N+PPH，2019年依次为N+AE、N+HA、N+CT、N+FC、N+FPH、N+PPH。其中，与N处理相比，N+HA和N+AE处理显著增加了两季试验中空心菜的产量，分别增长26.8%～32.9%和24.1%～28.0%，N+CT处理与N处理相比增产效果不显著，但两季的产量均值增长幅度仍达到11.7%～17.1%。N+FPH、N+PPH和N+FC处理对空心菜产量没有显著影响。结果表明，两季试验中的N+HA、N+AE和N+CT处理相较于其他生物刺激剂处理更能促进空心菜产量增加，增产幅度达到11.7%～32.9%，这与其对地上部氮吸收的促进效果相一致（图2）。

图3 不同生物刺激剂处理对两茬空心菜产量的影响Figure 3 Impacts of biostimulant amendments on water spinach yields during two seasons

2.3 不同生物刺激剂处理对氮肥表观利用率的影响

图4表明，生物刺激剂可提高空心菜氮肥的表观利用率。两季试验的从高到低均依次为N+HA、N+AE、N+CT、N+FPH、N+FC、N+PPH。与N处理相比，N+HA和N+AE处理显著提高了空心菜的，增幅为34.7%～108.9%和30.9%～94.0%。N+CT处理显著促进了第一季的，增幅为63.6%，第二季增幅为26.7%，但与N处理相比差异不显著。N+FPH和N+FC处理促进了空心菜，但与N处理相比无显著差异。N+PPH处理提高了第一季空心菜，增幅为7.3%，但降低了第二季的，降幅为15.1%

图4 不同生物刺激剂处理对空心菜氮素表观利用率的影响Figure 4 Impacts of biostimulant amendments on the RENof water spinach

2.4 不同生物刺激剂处理对土壤NH3挥发的影响

如图5所示，不同处理NH挥发通量变化趋势基本一致，添加氮肥明显增加了肥期的NH挥发通量。施肥后的2～4 d内土壤NH挥发通量达到峰值，之后逐渐下降，基肥期的NH挥发通量峰值高于追肥期。不同生物刺激剂对土壤NH挥发通量的影响有差异，与N处理相比，除了N+FC处理之外，其余处理在每次施肥后都减小了NH挥发通量，其中，N+HA和N+AE处理NH挥发通量减小最为明显。

图5 不同生物刺激剂处理下的NH3挥发通量Figure 5 NH3 volatilization fluxes under different biostimulants treatments

本研究中，两季施氮处理NH挥发累积排放量分别为2.32～3.70 kg·hm（以N计，下同）和2.76～4.62 kg·hm，占氮素投入量的1.9%～3.1%和2.3%～3.8%，且不同生物刺激剂处理对空心菜季设施土壤NH挥发累积排放量有不同影响（图6）。其中，与N处理相比，N+HA和N+AE处理分别显著降低NH挥发损失的15.0%～17.2%和21.3%～27.4%；N+CT处理可显著降低第二季NH挥发损失（19.8%），而对第一季NH挥发损失影响不显著；N+FPH处理显著降低第一季NH挥发损失（12.6%），而对第二季NH挥发损失影响不显著；N+PPH处理与N处理相比无显著差异，即对土柱NH挥发损失无显著影响。综合两季空心菜种植期NH挥发监测结果可知，与N处理相比，N+AE和N+HA处理的NH挥发减排效果最好，N+CT和N+FPH处理具有NH挥发减排的潜力，N+FC处理可能会导致NH挥发增加。可见，生物刺激剂会显著影响设施蔬菜土壤NH挥发，其影响效果与生物刺激剂类型有关。

图6 不同生物刺激剂处理对空心菜种植设施菜地土壤NH3挥发的影响Figure 6 Impacts of biostimulant amendments on NH3 volatilization from intensive vegetable soil planted with water spinach

2.5 不同生物刺激剂处理对土壤N2O排放的影响

如图7所示，不同处理NO排放速率变化趋势基本一致，添加氮肥处理明显增加了NO排放速率。施肥后的2～3 d，土壤NO排放速率达到峰值，不同生物刺激剂对土壤NO排放速率的影响有所差异。与N处理相比，生物刺激剂处理总体上不同程度地提高了土壤NO排放速率，尤其是提高了第一次施肥期的NO排放速率，第一季和第二季第一次施肥后的NO排放速率峰值分别增加了274.6～576.9µg·m·h（以N计，下同）和42.6～455.4 µg·m·h，这可能是生物刺激剂影响下土壤NO排放总量增高的原因之一。

图7 不同生物刺激剂处理下的N2O排放速率Figure 7 N2O emission rates under different biostimulants treatments

本研究中，两季施氮处理NO累积排放量分别为1.36～1.90 kg·hm（以N计，下同）和2.43～3.01 kg·hm，占氮素投入量的1.12%～1.58%和2.02%～2.51%，如图8所示，不同生物刺激剂处理均促进了土壤NO累积排放量。其中N+HA、N+AE、N+PPH和N+FC处理均显著提高了两季空心菜试验期间的NO排放，与N处理相比，分别增加了0.36～0.52、0.37～0.49、0.39～0.45、0.54～0.58 kg·hm。N+CT处理显著促进了第二季空心菜种植土壤NO的排放（0.36 kg·hm），但对第一季NO的排放无显著影响。N+FPH处理对两季空心菜的NO排放均无显著影响。综上所述，生物刺激剂添加会影响设施菜地土壤NO排放，具体影响效果与生物刺激剂种类有关。

图8 不同生物刺激剂处理对空心菜种植设施菜地土壤N2O排放的影响Figure 8 N2O emissions from intensive vegetable soil planted with water spinach following biostimulant amendments

3 讨论

3.1 不同生物刺激剂处理增产增效效果

本研究中，施用黄腐酸、海藻提取物和壳聚糖类生物刺激剂对空心菜有显著的增产效果。与常规施氮相比，添加黄腐酸类物质（N+HA）、海藻提取物（N+AE）、壳聚糖（N+CT）处理显著提高了空心菜产量（15.0%～29.2%），同时提高了地上部氮吸收（26.2%～40.3%）及氮表观利用率（40.5%～62.4%）。因此，施用生物刺激剂促进空心菜产量提升的主要原因之一是其增加了空心菜对氮的吸收，提高了氮利用率。SMOLEŃ等发现黄腐酸类物质能够显著提高水培条件下菠菜（L.）叶和根的生物量，KOCIRA等发现喷施海藻提取物可以显著提高大豆产量（9.2%），以上均与本研究结果一致。此外，不同生物刺激剂还存在其他促生机制。黄腐酸类物质可以通过调控根区细胞质膜H离子泵活性促进根区细胞内蛋白质合成及细胞自身分生和生长，从而显著促进玉米苗期根系生长；海藻提取物类物质含有的大量海藻酸、海藻多糖及多种植物促生物质（如抗氧化剂、藻类蛋白、藻类萜和植物生长激素等）可显著提高生菜早期的总根长（40%～83%）；壳聚糖类物质可定向改变番茄苗根际微生物群落丰富度和多样性，提高毛单胞菌科属、假单胞菌科纤维弧菌属、根瘤菌科根瘤菌属和亚硝化单胞菌科亚硝化螺菌属等促进植物生长的根际微生物活性。因此，生物刺激剂添加后作物产量的增加可能是多种因素共同作用的结果。

与常规施氮相比，添加鱼蛋白（N+FPH）、大豆蛋白水解物（N+PPH）、微生物菌剂（N+FC）处理下空心菜产量和氮表观利用率均没有显著提高。这与COLLA等和NGUYEN等的研究结果不一致，前者发现蛋白质水解物类物质可以通过促进植物根系硝化还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性及不定根的生长来提高植物的养分吸收，进而提高作物产量，后者研究发现、和3种微生物菌剂可在各个阶段促进大麦生长，提高其产量。生物刺激剂的促产机理较为复杂，易受多种因素的影响。有研究发现，微生物菌剂能够显著提高低氮投入条件下生菜作物地上部氮的吸收，而在高氮投入条件下对氮吸收的影响不显著，土壤氮水平的差异可能导致生物刺激剂促生效果的差异。有研究证明生物刺激剂施用方式不同（叶施或根施）对金鱼草生长的影响存在差异，不同于前人研究中的叶面喷施方式，本试验采用的根部施肥方式更易受到植物生长所处根系环境的影响，从而可能改变生物刺激剂的作用效果，导致促生效果存在差异。

3.2 不同生物刺激剂处理的环境减排效果

生物刺激剂对设施菜地土壤NH挥发的影响与刺激剂类型有关。与常规施氮相比，添加黄腐酸类物质（N+HA）、海藻提取物（N+AE）、壳聚糖（N+CT）处理降低了9.6%～24.2%的NH挥发量。上述3种生物刺激剂的添加，提高了空心菜地上部氮吸收和氮表观利用率，减少了氮损失，这可能是NH挥发降低的原因。而添加微生物菌剂（N+FC）处理显著提高空心菜季土壤NH挥发。微生物菌剂类物质可能是通过提升土壤中的NH-N含量进而导致空心菜季菜地土壤NH挥发增加。此外，微生物菌剂类物质可能通过直接影响土壤微生物群落组成及其丰度，或间接影响植物根系次生分泌物的组成以改变根际氮转化微生物群落，导致本研究中微生物菌剂类物质与其他生物刺激剂对土壤氮转化过程的影响不同。

与常规施氮处理相比，6种生物刺激剂处理均增加了土壤NO排放，增幅为8.4%～29.8%。生物刺激剂可以直接调控土壤氮转化微生物的活性，或通过调节土壤pH、提供有机碳源、刺激根系分泌物等调节根际微生物，从而控制土壤硝化反硝化过程，促进NO排放。本研究结果与SOUZA等的研究结果一致，其研究发现某种含氮转化微生物的生物刺激剂添加导致土壤NO排放显著增加32%。此外，黄腐酸类物质可以通过耦合土壤中铁、锰等活性金属介导土壤氮的转化，促进土壤NO的形成及排放，还可以通过介导土壤NO的氧化还原转化影响土壤中氮的去向。本研究中，生物刺激剂添加导致的NO排放损失量为0.16～0.56 kg·hm，仅占氮肥投入量的0.1%～0.5%，处于较低水平。在应用生物刺激剂时，联合其他NO减排措施（如添加硝化抑制剂、生物质炭）、有机肥代替化肥等，可以有效控制NO排放。