施加不同形态氮肥对芦苇生长和茎秆理化特性的影响1)

罗佳 郑孟雨 邹小智 蒲苗艳 何禹滔 龙治坚 胡尚连

(西南科技大学,四川省·绵阳市,621010)

芦苇(Phragmitesaustralis)是禾本科多年生水生或湿生植物,适宜的生态区广,纤维素质量分数较高;与木材相比,芦苇生长速度快、产量高,具有不占耕地、耐粗放管理等优点;是我国造纸工业中重要的非木浆造纸原材料。有研究表明[7-8],苇浆纤维特性与阔叶木纤维的比较接近,在适宜的制浆条件时,可生产出具有高抄造性能的苇浆,以替代阔叶木浆,抄造多种纸种。但由于其木质素质量分数较高,使得木质纤维生物质利用效率不高。近年来,纸制品消耗量迅速增长,造纸原料严重短缺。数据显示[9-10],我国造纸产业中1/4的原料都来源于进口废纸,对进口过度依赖,2021年也开始全面禁止了废纸进口。用树木造纸越来越受到资源、环境与成本的制约,因此发展非木浆纤维用原料,对解决造纸原料短缺具有重要意义。

关于芦苇的研究,多集中在生物炭[11]、生物质能源[12]、生物吸附[13]等方面,但关于不同形态氮肥对芦苇生长发育、产量以及纤维形态等方面的综合性研究较少。为此,本研究在西南科技大学芦苇温室大棚,将白洋淀白花芦苇、白洋淀黄花芦苇、宿州芦苇的地下根系扦插盆内,在大棚内育苗15 d后,选取长势良好,大小一致的幼苗盆栽;选用不同形态氮素(酰胺态氮(CO(NH2)2)、铵态氮(NH4Cl)、硝态氮(KNO3))设计单施、混施8种施肥方案(其中以不施氮肥为对照)对芦苇扦插苗进行施肥试验;测定成熟期芦苇的株高、第三节节间长、植株干质量、生物量、纤维形态、纤维素、木质素;应用方差分析法(ANOVA)、最小显著性差异法(LSD),分析施加不同形态氮肥对芦苇生长和茎秆理化特性的影响。旨在为芦苇高产优质栽培提供参考。

1 材料与方法

试验地位于四川省绵阳市涪城区青义镇的西南科技大学芦苇温室大棚(地理中心坐标:东经104°70′、北纬31°54′)。属亚热带季风气候,干湿寒暑分明、光照充足、水热资源丰富,年平均气温17.2 ℃,年平均降水量793.5 mm。

供试土壤采自四川省绵阳市涪城区青义镇,将5 kg风干土装盆(盆内净高27.0 cm,上口内径25.5 cm,盆底内径22.5 cm,盆内土深约为13.6 cm),取施肥前盆中3～7 cm土层的土壤,将清理、风干后的土样进行碾磨,用100目筛网(筛孔直径0.150 mm)过筛备用。施肥前测得的土壤pH为7.40、全碳质量分数为1.22%、全氮质量分数为0.51%、总有机碳质量分数为0.35%、全钾质量分数为13.16 g/kg、全磷质量分数为322 mg/kg、铵态氮质量分数为8.93 mg/kg、硝态氮质量分数为23.61 mg/kg、酰胺态氮质量分数为891 mg/kg。

供试芦苇(Phragmitesaustralis)为白洋淀白花芦苇(BYD-W)、白洋淀黄花芦苇(BYD-Y)、宿州芦苇(SZ),购自河北雄安聚鹏生态科技有限公司。

供试氮肥为铵态氮(NH4Cl)、硝态氮(KNO3)与酰胺态氮(CO(NH2)2),均为分析纯,购自成都市科隆试剂有限公司。

2022年5月20日开始育苗,将购买的芦苇地下根系扦插盆内,在大棚内育苗15 d。6月5日,选取长势良好、大小一致的幼苗盆栽,保持土壤田间持水量约为65%。6月7日,进行施肥试验,以不施肥处理为对照,共8个施肥处理方案(见表1),每个处理3次重复,每个重复4株,共96株。10月6日,测定成熟期芦苇的株高、第三节节间长等生长指标;10月7日,各处理分别随机选取3株,以全株收获取样,测定生物量、纤维形态、纤维素、木质素。

表1 芦苇施肥试验设计

生物量的测定方法:株高用卷尺测量,以土壤表面到植株最高点计算;第三节节间长用卷尺测量、第三节节间直径用游标卡尺测量,以从土壤表面以上、从下往上数第三节进行记录;自芦苇分蘖时开始观察,记录分蘖数量;植株干质量采用万分之一天平测定。

纤维形态、纤维素质量分数、木质素质量分数等指标,参照文献[6]、[14]、[15]方法测定。土壤基础肥力指标,分别取未施肥前、施肥后成熟期盆中3～7 cm土层的土壤,将清理、风干后的土样进行碾磨,用100目筛网(筛孔直径0.150 mm)过筛后,取25 g土样测定土壤基础肥力,包括全氮磷钾、速效氮磷钾以及土壤pH等指标。

采用Microsoft Excel(2019)对试验数据进行整理,使用SPSS 26分析软件,应用方差分析法(ANOVA)进行方差分析、最小显著性差异法(LSD)进行差异性检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 施加不同形态氮肥对芦苇生长的影响

由表2可见:施用不同形态的氮肥对芦苇的生长指标的促进效果不同。复合施肥“50%CO(NH2)2+50%KNO3”处理对白洋淀白花芦苇株高增加效果最显著,复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理对白洋淀黄花芦苇株高增加效果最显著,分别比对照(不施加氮肥)提高了41.22%、40.21%;7种不同氮肥配比的处理对宿州芦苇株高增加效果不显著。复合施肥“50%NH4Cl+50%KNO3”处理对白洋淀白花芦苇第三节节间长增加效果最显著,单施NH4Cl处理对白洋淀黄花芦苇第三节节间长增加效果最显著,复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理对宿州芦苇第三节节间长增加效果最显著,分别比对照(不施加氮肥)提高了95.46%、15.70%、42.30%。复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理、复合施肥“33.3%CO(NH2)2+33.3%NH4Cl+33.3%KNO3”处理,对白洋淀黄花芦苇第三节节间直径增加效果最显著,比对照(不施加氮肥)均高了21.63%;7种不同氮肥配比的处理,对白洋淀白花芦苇、宿州芦苇第三节节间直径增加效果不显著。

表2 施加不同形态氮肥时3种芦苇的生长指标

与对照(不施加氮肥)相比,单施NH4Cl、单施KNO3处理,白洋淀白花芦苇的生物量显著提高;而其他处理,白洋淀白花芦苇的生物量,与对照(不施加氮肥)相比差异不显著。单施KNO3、复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”、复合施肥“50%NH4Cl+50%KNO3”处理,白洋淀黄花芦苇的生物量显著高于对照(不施加氮肥);而其他处理,白洋淀黄花芦苇生物量,与对照(不施加氮肥)相比无显著差异。复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理,宿州芦苇的生物量显著高于对照(不施加氮肥),是未施入氮肥处理的145.83%。

除单施NH4Cl、复合施肥“33.3%CO(NH2)2+33.3%NH4Cl+33.3%KNO3”处理外,其他处理白洋淀白花芦苇的分蘖数显著高于对照(不施加氮肥),其中单施KNO3处理影响最为显著,比对照(不施加氮肥)提高了1.4倍。除单施NH4Cl处理外,其他处理的白洋淀黄花芦苇分蘖数均显著高于对照(不施加氮肥),其中单施NH4Cl处理白洋淀黄花芦苇分蘖数最高,是对照(不施加氮肥)的1.8倍。7种不同氮肥配比的处理,宿州芦苇的分蘖数均显著高于对照(不施加氮肥);且复合施肥“50%CO(NH2)2+50%KNO3”处理宿州芦苇的分蘖数最高,比对照(不施加氮肥)提高了2.67倍。

上述结果表明,施加不同形态氮肥,对白洋淀白花芦苇的株高和第三节节间长促进效果最佳、对白洋淀黄花芦苇的生物量促进效果最佳、对宿州芦苇分蘖数促进效果最佳。其中,单施硝态氮(KNO3)更有助于提高芦苇的分蘖数,混施酰胺态氮和铵态氮(复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”)对芦苇的株高、第三节节间长、生物量更有利。

2.2 施加不同形态氮肥对芦苇纤维形态的影响

纤维长度是评价纤维原料制浆性能的一个重要依据。纤维越长、长宽比越大,纸张的纤维交接点会相应增加,从而提高纸张各项物理力学性能,尤其是纸张的裂断长和撕裂度。由表3可见,在施入氮钾量比例和总量一致时,与对照(不施加氮肥)相比,不同形态氮处理的白洋淀白花芦苇、白洋淀黄花芦苇纤维长度均明显增加。其中,复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理的白洋淀白花芦苇纤维长度最高,比对照(不施加氮肥)增加了71.82%;单施CO(NH2)2处理的白洋淀黄花芦苇纤维长度最高,比对照(不施加氮肥)增加了42.78%。而不同形态氮处理,对宿州芦苇纤维长度的影响,较前两种芦苇则有所不同;复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理,宿州芦苇纤维长度比对照(不施加氮肥)增加了9.27%,其他氮肥处理的宿州芦苇纤维长度显著低于对照(不施加氮肥)。

表3 施加不同形态氮肥时3种芦苇纤维形态指标

纤维长宽比越大对制浆适宜度越有利[16]。本研究表明,复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理的白洋淀白花芦苇纤维长宽比最高,比对照(不施加氮肥)增加了33.00%;单施CO(NH2)2处理的白洋淀黄花芦苇纤维长宽比最高,比对照(不施加氮肥)增加了45.01%;复合施肥“50%CO(NH2)2+50%KNO3”处理的宿州芦苇纤维长宽比显著低于对照(不施加氮肥),降低了12.33%。细小纤维质量比例过高,会对纸的强度等性质产生不利影响[17]。单施NH4Cl处理的白洋淀白花芦苇细小纤维质量比例最低,比对照(不施加氮肥)减少了42.55%;复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理的白洋淀黄花芦苇细小纤维质量比例最低,比对照(不施加氮肥)减少了33.13%。单施KNO3、复合施肥“50%CO(NH2)2+50%KNO3”、复合施肥“50%NH4Cl+50%KNO3”、复合施肥“33.3%CO(NH2)2+33.3%NH4Cl+33.3%KNO3”处理的宿州芦苇,细小纤维质量比例显著增加;而单施CO(NH2)2、单施NH4Cl、复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理的宿州芦苇细小纤维质量比例,与对照(不施加氮肥)之间无显著差异。综合分析表明,混施酰胺态氮和铵态氮(复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”),更有利于改善芦苇的纤维形态。

2.3 施加不同形态氮肥对芦苇细胞壁组成成分构成的影响

纤维素能明显提高纸张的物理强度,增加纸张的柔韧性和结合力[18]。由表4可见,与对照(不施加氮肥)相比,不同氮肥配比处理,对白洋淀黄花芦苇、白洋淀白花芦苇、宿州芦苇的纤维素质量分数均有不同程度的提高。对照(不施加氮肥)的白洋淀黄花芦苇纤维素质量分数,显著高于白洋淀白花芦苇、宿州芦苇的纤维素质量分数;除单施KNO3处理外,在其他5个不同氮肥配比的处理,白洋淀黄花芦苇的纤维素质量分数,均显著高于白洋淀白花芦苇、宿州芦苇纤维素质量分数。复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理的白洋淀黄花芦苇、白洋淀白花芦苇的纤维素质量分数提高最显著,分别比对照(不施加氮肥)提高了2.92%、3.91%;单施CO(NH2)2处理,对宿州芦苇纤维素质量分数提高效果最显著,比对照(不施加氮肥)提高了6.09%。

表4 施加不同形态氮肥时3种芦苇的细胞壁组成成分

高木质素质量分数被普遍认为是导致纸张强度降低的主要原因[19];纸浆纤维表面木质素质量分数与纸浆的抗张强度、耐破强度呈线性负相关,增加纤维表面木质素质量分数会降低纸浆纤维间的结合强度[20]。由表4可见,与对照(不施加氮肥)相比,不同形态氮处理的白洋淀黄花芦苇木质素质量分数均有所降低,而各氮肥处理对白洋淀白花芦苇、宿州芦苇木质素质量分数的影响不显著。在6个不同氮肥配比的处理中,白洋淀黄花芦苇木质素质量分数,均显著低于白洋淀白花芦苇、宿州芦苇木质素质量分数;复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理,白洋淀黄花芦苇的木质素质量分数最低,比对照(不施加氮肥)减少了15.1%。综上所述,白洋淀黄花芦苇具有成为高纤维素、低木质素优势品种的潜力。与其他氮肥处理相比,混施酰胺态氮和铵态氮(复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”)对提高芦苇纤维素质量分数、降低木质素质量分数的效果最显著。

2.4 施加不同形态氮肥对芦苇从土壤中吸收化学元素的影响

由图1可见:单施NH4Cl处理,使白洋淀黄花芦苇和宿州芦苇2种芦苇对钾、铵态氮的吸收多。单施KNO3处理,使白洋淀黄花芦苇对钾、磷、硝态氮的吸收多;而白洋淀白花芦苇和宿州芦苇除对钾吸收多外,白洋淀白花芦苇对磷吸收也较多、宿州芦苇对酰胺态氮吸收也较多。复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理,使白洋淀白花芦苇对钾、磷、铵态氮的吸收较多。复合施肥“50%NH4Cl+50%KNO3”处理,使白洋淀白花芦苇和宿州芦苇对氮、磷、钾的吸收均较多。复合施肥“33.3%CO(NH2)2+33.3%NH4Cl+33.3%KNO3”处理,使白洋淀白花芦苇对酰胺态氮的吸收多,白洋淀黄花芦苇对钾、磷的吸收较多。与白洋淀黄花芦苇、宿州芦苇相比,施加不同形态氮后,白洋淀白花芦苇对N、P、K的吸收效果更好。

3 讨论与结论

已有研究表明,合理施用氮肥能改善纤维作物纤维的长度和细度,可使亚麻(LinumusitatissimumL.)茎秆增粗,并显著增大纤维细胞数量和纤维细胞大小,但却使得细小纤维质量比例略有降低[27]。本研究表明,施加氮肥能够增加白洋淀白花芦苇、白洋淀黄花芦苇的纤维长度和纤维宽度,并减少其细小纤维质量比例;复合施肥“50%CO(NH2)2+50%NH4Cl”处理,更能促进白洋淀白花芦苇的纤维伸长和变粗,对降低白洋淀黄花芦苇细小纤维质量比例的作用更显著;单施NH4Cl处理,更能促进白洋淀黄花芦苇的纤维伸长和增粗,对降低白洋淀白花芦苇细小纤维质量比例的作用更显著。原因是氮的供应,导致细胞伸长和扩张的变化[28-29]。

综上所述,混施酰胺态氮和铵态氮,能够有效增加芦苇的生物量,并明显改善其纤维形态,且芦苇茎秆细胞壁纤维素质量分数较高、木质素质量分数较低,进而提高芦苇的木质纤维利用率。再综合考虑造纸相关指标,与白洋淀白花芦苇、宿州芦苇相比,白洋淀黄花芦苇更具有高纤维、低木质素的高产优质造纸原料的潜力。