不同功能液态有机肥对杭白菊生长、药用品质及土壤碳活性的影响
2024-02-14郑阳李子坤
摘要:以杭白菊品种小洋菊为试材,采用大棚划区试验,设置施用菊花专用液态肥(NPK)、海藻酸液态有机肥(T1)、有机酸液态有机肥(T2)、壳聚糖液态有机肥(T3)、黄腐酸液态有机肥(T4),以不施肥为对照(CK),探索不同功能型液态有机肥对杭白菊生长、品质、土壤有机碳及碳活性的影响,以期为杭白菊的可持续化生产提供理论依据。结果表明,与CK相比,施肥可有效促进杭白菊生长发育、品质形成及提高土壤碳活性。与NPK处理相比,液态有机肥处理可以促进地上部、根系生长及土壤有机碳组分含量,总有机碳及相关活性有机碳组分含量整体表现为NPK、T1<T4<T2、T3。品质分析结果表明,T2、T3、T4处理总糖、粗蛋白、总黄酮、总氨基酸及相关生物活性物质组分含量也较高,T3处理优于T2、T4处理。Biolog-Eco分析结果表明,其他处理AWCD值较T3处理降低4.00%~37.19%,且T3处理对碳水化合物、氨基酸化合物、多聚化合物为主的6种碳源类型利用能力也较强。综上,施用液态有机肥可有效促进植株早期生长、提高胎菊品质及增强土壤碳活性,以从鱼虾中提取的壳聚糖液态有机肥施用效果最佳。
关键词:液态有机肥;杭白菊;生长;生物活性物质;土壤活性有机碳
中图分类号:S682.1+10.6" 文献标志码:A
文章编号:1002-1302(2024)24-0141-07
收稿日期:2024-04-12
基金项目:河北省引进留学人员资助项目(编号:C20220365)。
作者简介:郑 阳(1986—),女,河北沧州人,实验师,主要从事园艺生物技术研究。E-mail:lightzy2020@163.com。
通信简介:李子坤,硕士,农艺师,从事农业利用与推广研究。E-mail:lizk2000@163.com。
杭白菊(Chrysanthemum×morifolium cv. Hangbaiju)为菊科茼蒿属双子叶植物,主产于浙江省桐乡市,其头状花序泡以温水,具有清热解毒、祛风滋养、平肝明目的功效[1-2]。此外,杭白菊中含有可观的粗多糖、类黄酮、多酚、绿原酸等多种有效成分,具有降“三高”、抑菌、抗氧化及提高免疫力等价值[3]。近年来,由于全球杭白菊市场需求不断增加,大部分国家皆有种植,我国已大面积引种栽培于安徽、河南、河北、四川等地。菊花大多在温室环境中集约化栽培,集约制度下的化肥过量施用严重影响着土壤质量和环境生态问题[4]。菊花对化学肥料反应较敏感,使用不当则会对植株分枝、生长及生理代谢产生负面影响[5]。菊花对养分的需求量较大,尤其在发育早期,且菊花生长前期的养分状况对中后期花朵的大小和品质具有较大影响[6]。因此,早期的生长调控和肥料施用措施在菊花的生长周期中起着至关重要的作用。大量研究结果表明,施用有机肥料可有效提升土壤质量、促进作物生长及品质,目前研究主要集中在粪肥堆制、植物性残渣及传统固体有机物料的腐熟发酵类型[7],关于其他有机肥形式的研究鲜有涉及。液态有机肥料是重要的有机肥形式之一,其通常提取自天然产品(如植物、海洋生物)[8]。周金燕等认为,稀释的液体肥仍具有较高的肥效[9],目前液体肥主要运用于果树、蔬菜、中草药及观赏园艺生产。与传统的固态有机肥相比,从有机物料中提取的液体有机肥养分全面且养分活化更快,同时具有化肥和有机肥的优点[8],且水肥一体化可进一步提高养分利用效率,从而降低矿质养分的流失风险[10]。此外,液体有机肥中往往含有特殊的活性物质,如甲壳素、有机酸、黄腐酸以及其他生物聚合物,可作为植物生长调节剂[8]。碳是生态系统的重要成分之一,土壤有机碳(SOC)是生态系统中最大的碳汇,通常认为SOC是表征土壤质地及当季养分可利用性的主要指标[11]。SOC在土壤中的周转速率及矿化量受土壤孔隙度、容重、含氧量、特殊微生物丰度和活性等物理生物多方面因素影响,其中微生物作用是决定SOC分解的关键因素[12]。Biolog-Eco微孔板是监测土壤细菌功能多样性的重要技术,其可确定微生物的活性以反映土壤环境的生态健康[13]。菊科植物多为酚酸分泌型植物,长期单一种植则因自毒物质而影响土壤健康及造成连作障碍[14]。施用有机物料可有效缓解降低菊科植物重茬,但目前关于液体有机肥对菊科植物的效果鲜有涉及。因此,本研究基于沼液、植物秸秆、蚯蚓粪肥以及海藻的有机提取物,探索不同功能型液态有机肥对杭白菊生长、头状花序相关品质及土壤碳活性的影响。以期为杭白菊的可持续化生产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试地点与材料
试验于2023年2—8月在河北省永清县刘街乡土楼胜利村(116°52′38″E,39°22′51″N)日光温室大棚中进行,前茬为杭白菊。棚中土壤为棕壤,表层土壤的理化性质为:pH值为6.35,有机质含量20.59 g/kg,碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为46.88、18.92、95.37 mg/kg。
供试菊花品种为杭白菊小洋菊。供试普通化肥为菊花液体专用肥(N、P2O5、K2O含量分别为13%、2%、9%),购自云南云维股份有限公司。海藻提取液态有机肥(N、P2O5、K2O含量分别为7%、1%、5%)购自正定盛佳汇生态农业有限公司;蚯蚓粪提取液态有机肥(N、P2O5、K2O含量分别为10%、1%、7%)购自江苏绿汇宿动实业有限公司;鱼虾提取液态有机肥(N、P2O5、K2O含量分别为27%、1%、21%)购自湛江博泰生物化工科技实业有限公司;藜麦秸秆提取液态肥(N、P2O5、K2O含量分别为14%、1%、11%)由江苏双林生物科技有限公司生产提供。
1.2 试验设计
试验设置6个处理:CK,不施肥;NPK,施用菊花专用液体肥;T1,海藻酸液态有机肥;T2,有机酸液态有机肥;T3,壳聚糖液态有机肥;T4,黄腐酸液态有机肥(表1)。各处理重复3次,共18个小区,小区面积15 m2(5 m×3 m),栽植密度为4.9万株/hm2。相应施肥处理基于菊花化肥纯氮用量(90 kg/hm2)[15]为标准进行相应施用量换算;2022年3、4、5月分3次施入,其施用比例为6 ∶2 ∶2。试验期间病虫草害防治等管理措施同当地菊花常规生产规程。
1.3 指标测定与分析
1.3.1 农艺性状及根系发育指标测定
杭白菊生长参数包括鲜重、株高、叶片数、总根长、总根系表面积及总根表体积测定。培育第90天时,采用卷尺测定株高,叶片数则为人工数数;之后将杭白菊植株分为根系、地上部,采用自来水小心冲洗,用吸水纸吸干表面水分后,采用电子分析天平测定鲜重;根系相关性状参数采用V800PH0TO扫描仪对根系进行扫描,WinRHIZO 2004b软件(Regent Instruments Inc,Canada)分析。
1.3.2 菊花品质指标测定
将处于胎菊采摘期[16]的花序置于烘箱中烘干至恒重,并粉碎过2 mm筛备用。主要生物活性物质包括绿原酸、异绿原酸、木犀草苷、槲皮素、香叶木素、金合欢素、金丝桃苷,其相关标准品均购自成都普菲德生物技术有限公司。准确称取500.00 mg粉碎样品加入25 mL甲醇中,然后超声(250 W、50 kHz)萃取40 min,将溶液以12 000 r/min离心10 min,所得上清液采用 0.45 μm 尼龙膜过滤,滤液采用三重四极杆串联质谱仪(Agilent 6470,美国安捷伦科技公司)测定,其后续对照品溶液制备、操作步骤、洗脱程序及反应参数参考Ouyang等的方法[17]。总氨基酸含量参照《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》,采用全自动高速氨基酸分析仪(LA8800,日本日立株式会社有限公司)测定。粗蛋白、多糖、总黄酮含量测定参考2020版《中华人民共和国药典:一部》,分别采用凯氏法、蒽酮比色法、乙醇浸提-高效液相色谱测定[18]。
1.3.3 土壤有机碳组分测定
培育第70天时参照董璐等的方法获取杭白菊根际土壤[14],一部分保存于-20 ℃环境下用于后续土壤微生物碳利用能力测定,另一部自然风干用于土壤有机碳组分含量测定。有机碳组分包括微生物量碳(MBC)、轻质有机碳(FOC)、颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(ROC)、可溶性有机碳(DOC),其分别采用三氯甲烷熏蒸法、碘化钠、六聚偏磷酸钠、高锰酸钾、水溶提取,上述有机碳组分含量及土壤总有机碳(SOC)含量都采用TOC自动分析仪(Multi 3300,Elementar,Germany)测定。
1.3.4 土壤微生物碳利用能力测定
培育第70天利用Biolog Eco板(Biolog Eco,Biolog Technology Co.,ltd.,USA),采用微孔板法测定土壤微生物碳代谢特征。采用酶标仪[K3Plus,宝予德(中国)有限公司]分别在595、750 nm处测定吸光度(D),以降低背景值的误差,以2个波长的差值作为测定数值进行相应计算。其中,平均颜色变化率(AWCD)的参照方康等的方法[19]进行计算。
1.4 数据处理与分析
采用SPSS 24.0进行单因素方差分析、Duncans法检验数据间的差异显著性(α=0.05),所有图形采用Origin 8软件绘制。
2 结果与分析
2.1 液态有机肥对杭白菊生长参数的影响
由表2可知,短期施用液态有机肥对杭白菊地上部、根系生长参数均会产生显著影响。与不施肥处理(CK)相比,菊花专用液体肥处理(NPK)在地上部、根系生长参数均较高,除根系鲜重外,其他指标均以NPK显著大于CK。在施肥处理中,都以NPK处理最低,有机肥处理(T1~T4)在根系鲜重、地上部鲜重、株高、单株叶片数、总根长、总根表面积、总根系体积较NPK处理分别提高3.20%~20.15%、6.13%~54.58%、6.11%~25.80%、5.29%~23.69%、1.42%~52.75%、11.08%~18.96%、16.02%~80.42%;而在有机肥处理中,各处理整体表现为T1<T2、T4<T3,即T3处理最有利于杭白菊地上部、根系生长发育。
2.2 液态有机肥对杭白菊品质指标的影响
由图1-a可知,各处理总糖含量从低到高依次为CK<T1<NPK<T2<T3<T4,与CK相比,相关施肥处理(NPK、T1~T4)升高9.61%~59.81%,其中CK与T1、NPK与T2、T3与T4均无显著差异。由图1-b可知,各处理粗蛋白含量从低到高依次为CK<NPK<T4<T1<T2<T3,其中CK均显著低于施肥处理;与T3处理相比,NPK、T1、T2、T3处理分别显著降低17.11%、8.73%、6.16%、10.60%。由图1-c可知,与CK相比,施肥处理总黄酮含量的变幅为-1.23%~12.27%,其中CK与NPK、T2处理间均无显著差异,且三者均显著小于T3、T4处理。由图1-d可知,CK总氨基酸含量最低,相关施肥处理显著提高17.30%~55.88%;就施肥处理而言,各处理表现为T2>T3>T1>T4>NPK,T2处理含量最高,T1、T3与其无显著差异,NPK、T4较T2分别显著降低24.75%、14.77%。
2.3 液态有机肥对杭白菊主要生物活性物质含量的影响
由图2可知,杭白菊头状花序生物活性组分含量从低到高依次为香叶木素含量<金合欢素含量<金丝桃苷含量<槲皮素含量<木犀草苷含量<绿原酸含量<异绿原酸含量,其中绿原酸、木犀草苷、金丝桃苷、槲皮素、金合欢素、绿原酸、香叶木素分别占总生物活性物质的48.84%~51.01%、7.92%~12.75%、6.41%~8.50%、8.71%~9.62%、5.41%~6.98%、10.56%~12.80%、4.35%~5.80%。各生物活性物质含量的最大值集中出现在T2、T3、T4处理中,其中绿原酸、槲皮素、金合欢素、异绿原酸的含量均以T3处理较高,各处理整体呈CK<NPK<T1、T2、T4<T3;木犀草苷、金丝桃苷含量以T2处理最高,其余处理与其相比分别降低5.11%~54.89%、3.92%~27.58%;香叶木素含量以T4处理最高,各处理表现为CK<NPK<T1<T3<T2<T4,与T4处理相比,其余处理显著降低15.05%~32.36%。就总生物活性物质含量而言,各处理表现为CK<NPK<T1<T4<T2<T3,其他处理与T3处理相比降低6.63%~32.16%。
2.4 液态有机肥对土壤有机碳组分的影响
由图3可知,在土壤总有机碳(TOC)含量中,各处理表现为CK<T1<T4<T2<NPK<T3;与NPK处理相比,CK、T1、T2、T4处理分别降低14.86%、9.08%、2.76%、3.13%,而T3处理提高4.62%。土壤有机碳各组分含量表现为颗粒有机碳(POC)<微生物有机碳(MBC)<可溶性有机碳(DOC)<轻质有机碳(FOC)<易氧化有机碳(ROC)。其中,ROC、FOC及DOC的含量均以T3处理较高,各处理整体表现为CK<NPK、T1<T4<T2<T3;与NPK处理相比,CK显著降低,而液态有机肥处理(T1~T4)在有机碳组分中的变幅分别为-4.10%~11.08%、11.11%~42.76%、-9.62%~30.77%。MBC、POC含量则以T2处理含量最高,其中MBC含量在T2、T3、T4两两处理间无显著差异,且这3个处理均显著大于CK、NPK、T1处理;与T2处理相比,CK、NPK、T1、T3、T4处理的POC含量分别显著降低55.45%、17.82%、25.74%、8.91%、13.86%。
2.5 液态有机肥对土壤微生物碳源代谢效率的影响
微生物碳源代谢的平均颜色变化率(AWCD)可用作土壤中微生物活性的表征指标。由图4可知,在培养的0~48 h中,根际土壤的AWCD较低,之后开始急剧上升;土壤培育48 h后,在T3和T4处理下具有较高的AWCD值,而在CK下最低。与CK相比,液态有机肥均明显提高培养后的AWCD值;培育后196 h,NPK、T1、T2、T3、T4处理下的根际土壤AWCD值分别是CK的1.33、1.49、1.79、2.37、2.27倍;在施肥处理中培育120 h后,各处理明显分离,培育196 h时,与NPK处理相比,T1、T2、T3、T4分别明显提高12.04%、34.49%、78.37%、71.22%,而与CK相比,则分别明显提高48.78%、78.59%、136.86%、127.37%。可见,液态有机肥的添加总体上可以改善根际土壤微生物群落的代谢活性,其中T3、T4处理最有利于AWCD的增加。
2.6 液态有机肥对土壤微生物不同碳源类型利用能力的影响
由表3可知,土壤微生物不同碳源类型利用值从高到低依次为碳水化合物gt;羧酸化合物gt;氨基酸化合物gt;多聚化合物gt;胺类化合物gt;酚类化合物,而在不施肥、施用化学液体肥及不同液体有机肥条件下均可影响土壤微生物对碳源的利用能力。在T3处理下,土壤微生物对碳水化合物、胺类化合物、氨基酸化合物及多聚化合物的利用能力较强,其他处理较T3处理分别降低28.09%~59.78%、5.28%~43.02%、16.47%~57.63%、25.88%~69.71%,其中T3处理对碳水化合物、氨基酸化合物、多聚化合物的利用能力均显著大于其他处理。羧酸化合物利用能力中,各处理表现为CK<T1<NPK<T4<T3<T2,且两两处理间均差异显著,与T2处理相比,其他处理显著降低21.73%~70.88%。T4处理对酚类化合物的利用能力最佳,与T4处理相比,CK、NPK、T2处理显著降低52.78%、66.67%、38.89%。
3 讨论
生长参数是反映植物发育水平、健康状态的重要表征,长势较佳的植株往往生理代谢更加旺盛、后期产质量更佳[6,20]。本研究各处理生长参数(根系鲜重、地上部鲜重、株高、叶片数、总根长、总根表面积、总根系体积)整体表现为CK<NPK<T1<T2、T4<T3,即壳聚糖液态有机肥更有利于促进杭白菊的前期长势。本研究结论与前人研究结论基本一致,即壳聚糖类水溶肥可显著改善杭白菊苗期根系的形态特征,增强光合作用,调节植株的碳氮比代谢,从而促进杭白菊苗期的生长发育[9]。壳聚糖是甲壳素降解的天然碱性多糖,含有丰富的碳、氮元素和几丁质类物质,施入土壤后可被微生物分解为速效养分,且几丁质物质可有效改善根际环境、增强根系生理代谢和提高土壤酶活性[21]。此外,壳聚糖不溶于水易溶于有机物质且可随水分子移动,进入植物体内可迅速被利用,从而为植物提供养分元素[22-23]。这可能是壳聚糖液态有机肥能促生效果较佳的主要因素之一。
多糖、氨基酸、多酚及黄酮类组分是药用菊花的主要活性成分,其决定着药用菊花的栽培收益及使用价值[2,24]。在本研究中,总糖、粗蛋白、总黄酮及总氨基酸含量的峰值整体出现在T2、T3、T4处理,表明有机酸液态有机肥、壳聚糖液态有机肥、黄腐酸液态有机肥可有效提高杭白菊头状花序品质。对7种生物活性物质组分含量测定结果表明,异绿原酸是生物活性物质含量最高的组分,其可占总生物活性物质含量的48.84%~51.01%。2020版《中华人民共和国药典:一部》中标明,木犀草苷、绿原酸、异绿原酸含量分别高于0.8、2、7 mg/g作为控制菊花内在品质的标准[18]。本研究CK、NPK除木犀草苷含量外,其他组分含量皆不达标,且仅T3处理全部达标,其木犀草苷、绿原酸、异绿原酸含量分别为1.879 9、2.097 3、8.318 8 mg/g。本研究整体以T2、T3、T4处理的生物活性物质组分含量较高,其中T3处理的绿原酸、槲皮素、金合欢素及异绿原酸组分含量最高。此外,就总生物活性物质含量而言,以T3处理最高,其他处理较其降低6.63%~32.16%。
有机碳组成特征、周转速率及碳活性是评价土壤质量、碳库稳定性及土壤微生物活性的重要指标[11,25]。与CK相比,相关施肥处理(NPK、T1、T2、T3、T4)的总有机碳(SOC)及有机碳组分(MBC、DOC、ROC、FOC、POC)含量皆较高。这与林仕芳的研究结论基本一致:施肥有利于根际土壤SOC积累,并通过增加烷氧基碳比例和降低芳香碳比例改变SOC结构,从而提高有机碳活性[26]。活性有机碳是分解度高、矿化迅速的有机碳类型,是激发有机碳周转的关键组分。本研究各处理相关有机碳组分含量整体表现为CK<NPK、T1<T4<T2、T3,其中以T3处理的DOC、FOC、ROC含量最高,而POC以T2处理最高。FOC、DOC、ROC是典型的活性有机碳,其可灵敏地反映早期土壤质量的变化与微生物的活性;而POC为动植物残体向腐殖化过渡性有机碳,性质较稳定[11]。这意味着有机酸液态有机肥主要介导稳定性有机碳的累积,而聚壳糖液态有机肥主要影响活性有机碳组分的形成。这可能取决于二者物质的功能差异,壳聚糖可促进土壤胶体表面吸附养分的解吸,增加难溶养分的溶解[9,22],因而对活性有机碳的影响更加深刻。
Biolog-Eco技术是测定碳底物利用能力及效率的重要手段,其可检测土壤环境及功能微生物多样性的短期变化情况[11,27]。与CK、NPK处理相比,施用液态有机肥使杭白菊根际土壤的平均颜色变化率(AWCD)分别提高12.04%~78.37%、48.78%~136.86%(图3),T3处理的碳底物利用率最高,培育192 h时T3的AWCD比其他液态有机肥处理高4.00%~37.19%。这与熊湖等的结论基本趋于一致:液态有机肥可显著提高马铃薯根际土壤氧化及水解酶类,显著刺激土壤碳基质的利用效率[28]。Li等认为,施用液态有机肥可提高植物养分利用率,增加土壤微生物多样性,提高土壤碳底物转化能力[29]。液态有机肥处理较佳的原因可能是其含有大量可溶性养分,与传统的基质肥料相比,液态肥更容易被植物利用[8,30-31]。
本研究液态有机肥处理下,土壤微生物对6种碳源类型(碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸化合物、多聚化合物、胺类化合物、酚类化合物)的利用能力均高于CK和NPK处理。这与周金燕等的早期结论一致,即液态有机肥处理可显著促进根际微生物对碳源的利用能力,从而促进微生物繁殖和养分周转[9,32]。前人研究认为,多酚化合物中,以NPK处理最低;酚类化合物是根际土壤中主要的自毒物质类型,累积较多时可显著影响植物的生长[14,33];本研究与NPK处理相比,CK下杭白菊的生长发育较差,这可能是土壤微生物对酚类物质利用能力较低的缘故。T3处理条件下土壤微生物对碳水化合物、胺类化合物、氨基酸化合物及多聚化合物的利用能力最强,羧酸化合物、酚类化合物的利用也具有较大值,T3处理下土壤微生物对6种碳源利用能力均显著大于CK、NPK处理。
4 结论
不施肥处理不利于杭白菊早期生长、后期品质形成及土壤碳利用,施肥处理后则有明显改善。施肥处理中,各处理生长参数(根系鲜重、地上部鲜重、株高、叶片数、总根长、总根表面积、总根系体积)整体表现为NPK<T1<T2、T4<T3。液态有机肥处理会增加有机碳,总有机碳及相关有机碳组分含量整体表现为CK<NPK、T1<T4<T2、T3。在杭白菊头状花序中,液态有机肥处理也会提高总糖、粗蛋白、总黄酮、总氨基酸及相关生物活性物质组分(异绿原酸、木犀草苷、金丝桃苷、槲皮素、金合欢素、绿原酸及香叶木素)含量,尤其是T3处理。Biolog Eco分析结果表明,T3处理平均颜色变化率(AWCD)值最高,其他处理较其降低4.00%~37.19%,此外T3处理下6种碳源类型(碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸化合物、多聚化合物、胺类化合物、酚类化合物)也具有较大值。
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