氨基酸增效磷肥提升玉米产量、磷素吸收及磷肥利用效率的研究

《Food and Energy Security》：Amino Acid-Enriched Phosphorus Fertilizer Enhances Maize Yield, Phosphorus Uptake, and Phosphorus Use Efficiency

　　

摘要：利用氨基酸类生物刺激素开发增效肥料，有助于提高肥料利用效率并减少环境排放。然而，在磷（P）风险管理的背景下，氨基酸增效磷肥影响玉米产量和磷肥利用效率（PUE）的潜在生理机制仍不清楚。本研究旨在通过土柱试验，探究氨基酸添加对土壤有效磷、磷酸酶活性、作物产量及磷肥利用效率的影响。试验设置5个处理：（1）不施肥对照（CK），（2）不施磷肥对照（NK），（3）施用磷酸二铵（P），（4）施用5‰氨基酸增效磷酸二铵（AP0.5），（5）施用5%氨基酸增效磷酸二铵（AP5），每处理设6次重复。结果表明，氨基酸增效磷肥促进了玉米对磷素的吸收利用并提高了产量，主要表现为百粒重的增加，其中氨基酸添加量为0.5%时效果最为显著。氨基酸增效磷肥提高了土壤供磷能力并增强了土壤生物活性。与P处理相比，AP5和AP0.5处理下0–20 cm土层有效磷含量提高了3.42%–6.46%。AP0.5处理下玉米根际土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性分别达到5.61 pKatal/g soil和2.54 pKatal/g soil，显著高于其他处理。研究结果表明，氨基酸增效磷肥作为一种环境友好型肥料，不仅能提高产量和磷肥利用效率，还能提升土壤供磷能力并保障土壤生物活性，对农业生产、磷资源保护及环境保护具有重要意义。

一、研究背景与意义

磷是农业生产中不可或缺的大量营养元素。玉米作为典型的磷敏感作物，充足的磷肥供应是保障其高产优质的关键。然而，由于水溶性磷酸根离子易与土壤中金属离子发生沉淀反应、被土壤胶体吸附以及被铁铝氧化膜包被等特性，磷肥施入土壤后活性迅速降低，导致磷素在土壤中大量累积，当季作物对磷肥的利用率仅为10%–25%。随着磷矿资源的日益枯竭，通过产品创新提升磷肥利用效率已成为可持续农业发展的重要课题。已有研究表明，增效磷肥在酸性和碱性土壤条件下均能显著提高磷肥利用效率，与普通磷酸二铵相比可使玉米产量提高4.2%、磷肥利用效率提高8.4%。氨基酸活性物质作为一种植物刺激素，含有羧基（–COOH）和酚羟基（–OH）等多种官能团，能够改善土壤物理环境、减少磷固定、增加土壤有效磷含量并增强碱性磷酸酶活性。然而，将氨基酸与磷肥复配后对作物产量和磷肥利用效率的影响及其生理机制尚缺乏系统研究。基于此，本研究提出氨基酸增效磷肥能够促进作物生长、提高产量并改善磷肥利用效率的科学假说，旨在探究氨基酸增效磷肥对土壤磷有效性、磷酸酶活性及玉米产量和磷肥利用效率的影响机制。

二、研究设计与主要结论

研究人员通过土柱栽培试验，设置不施肥对照（CK）、不施磷肥对照（NK）、施用磷酸二铵（P）、施用5‰氨基酸增效磷酸二铵（AP0.5）和施用5%氨基酸增效磷酸二铵（AP5）共5个处理，在等磷量投入条件下比较不同氨基酸添加量对玉米生长、产量、磷素吸收利用及土壤磷素状况的影响。结果表明，氨基酸增效磷肥能够显著促进玉米生长，提高株高、茎粗、叶绿素SPAD值和地上部生物量，其中AP0.5处理效果最佳。与普通磷肥处理相比，氨基酸增效磷肥处理使玉米地上部生物量提高8.54%–13.09%，籽粒产量显著提高10.66%–11.90%，增产效应主要通过提高百粒重实现。氨基酸增效磷肥还显著提高了玉米磷素积累量、磷肥表观利用率、生理利用率、农学效率和偏生产力。同时，氨基酸增效磷肥增加了0–30 cm土层有效磷含量并提高了根际土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性，其中0.5%氨基酸添加量处理效果最优。该研究为氨基酸类生物刺激素增效磷肥产品的研发提供了理论依据，对磷资源保护和农业可持续发展具有重要意义。

三、关键技术方法

本研究采用土柱栽培试验方法，供试土壤采自皖江工学院智慧设施农业园区试验基地，为下蜀系母质发育的典型水稻土，质地为中壤土。供试玉米品种为“东单60”。试验设置5个处理，每处理6次重复，采用随机区组排列。氨基酸增效磷肥的制备方法为：将氨基酸增效剂按5‰和5%的比例添加到磷酸二铵中，经混合、粉碎造粒并过1 mm筛后获得AP0.5和AP5两种增效磷肥。磷肥施用量为P₂O₅ 0.2 g/kg，氮肥和钾肥按足量供应原则施用。玉米生长期间每日根据土壤墒情浇灌去离子水，每周称重保持土壤含水量约18%。成熟期测定玉米株高、茎粗、SPAD值、生物量及产量构成因素；采用H₂SO₄–H₂O₂消煮–钒钼黄比色法测定植株全磷含量，采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，采用对硝基苯磷酸二钠法测定根际土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性。数据采用SPSS 17.0进行单因素方差分析，Duncan新复极差法进行多重比较，显著性水平设定为p<0.05。

四、研究结果

4.1 氨基酸增效磷肥对玉米生长性状的影响

与普通磷肥（P）处理相比，氨基酸增效磷肥（AP0.5、AP5）处理下玉米茎粗和叶片SPAD值分别显著提高9.09%–15.15%和5.18%–6.65%。AP0.5处理下玉米株高较P处理显著提高2.46%，而AP5与P处理间无显著差异。表明氨基酸增效磷肥对玉米生长和光合作用具有显著促进作用，其中0.5%添加量效果最佳。

4.2 氨基酸增效磷肥对玉米生物量的影响

氨基酸增效磷肥（AP0.5、AP5）使玉米总地上部生物量较普通磷肥（P）处理提高8.54%–13.09%。AP0.5处理下玉米茎秆和苞叶生物量较P处理分别显著增加33.06%和13.30%，而AP5与P处理间无显著差异。玉米叶片和穗轴生物量在氨基酸增效磷肥处理下有增加趋势但差异不显著。

4.3 氨基酸增效磷肥对玉米产量及其构成因素的影响

与不施磷肥对照（NK）相比，施用磷肥（P、AP0.5、AP5）使玉米产量显著提高70.17%–90.19%。与P处理相比，AP0.5和AP5处理使玉米产量分别显著提高11.90%和10.66%。产量构成因素分析表明，氨基酸增效磷肥处理下玉米百粒重较P处理显著提高6.95%–7.39%，表明氨基酸增效磷肥主要通过增加粒重来提高产量。不同氨基酸添加量处理间产量及其构成因素无显著差异。

4.4 氨基酸增效磷肥对玉米磷素吸收分配的影响

与普通磷肥（P）处理相比，氨基酸增效磷肥（AP0.5、AP5）使玉米地上部总磷积累量显著提高5.51%–5.62%，其中籽粒磷积累量分别增加0.79%和1.28%，茎秆磷积累量增加14.33%–32.80%。磷肥利用效率分析表明，氨基酸增效磷肥处理下磷肥表观利用率较P处理提高5.11–5.79个百分点，生理利用率、农学效率和偏生产力分别提高13.66%–14.67%、26.00%–34.06%和10.72%–12.35%，差异均达显著水平。

4.5 氨基酸增效磷肥对土壤有效磷含量的影响

氨基酸增效磷肥（AP0.5、AP5）能够提高0–30 cm土层有效磷含量。其中，AP0.5处理下0–10 cm土层有效磷含量较P处理显著提高2.99%；10–20 cm土层有效磷含量提高3.84%–11.60%，AP5与P处理间差异显著；20–30 cm土层AP0.5和AP5处理均显著提高有效磷含量，较P处理增加5.15%–6.25%。30 cm以下土层各处理间无显著差异。

4.6 氨基酸增效磷肥对根际土壤磷酸酶活性的影响

与不施磷肥对照（NK）相比，施用磷肥（P、AP0.5、AP5）使玉米根际土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性分别提高16.11%–34.86%和17.49%–38.80%。AP0.5处理下酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性分别达到5.61 pKatal/g soil和2.54 pKatal/g soil，较P处理分别显著提高16.15%和10.65%，较AP5处理分别显著提高18.14%和11.40%。

4.7 土壤有效磷与磷肥利用效率和玉米产量的相关性分析

土壤有效磷含量与磷素积累量、磷肥表观利用率、磷肥农学效率和作物产量呈极显著正相关（p≤0.01）。玉米相对产量与所有分析指标均呈极显著正相关，表明施用磷肥是影响玉米产量的主要因素之一。

五、讨论与结论

讨论部分指出，氨基酸增效磷肥提高玉米产量的机制可能包括：氨基酸长蛋白链周围存在大量络合基团，能够络合肥料中的金属离子和营养元素，实现养分聚集，改善作物根系养分吸收；氨基酸分解产生的H⁺有助于溶解土壤中难溶性磷化合物，增加有效磷含量；氨基酸在吸附表面产生排斥性负电位并在矿物表面形成物理阻隔，减少磷素与土壤表面的结合；氨基酸还能提高土壤磷酸酶活性，促进有机磷矿化。在磷肥利用效率方面，氨基酸增效磷肥提高磷肥利用效率的原因包括：氨基酸在微生物作用下分解为有机酸并与Ca²⁺、Fe³⁺、Al³⁺形成络合物，减少磷与这些阳离子的沉淀反应；氨基酸中的羟基官能团与磷酸根离子竞争土壤胶体表面的吸附位点，减少土壤对磷的吸附；氨基酸还能刺激作物根系生长发育，增强根系活力，提高养分吸收能力。不同氨基酸添加量（0.5%和5%）处理间磷肥利用效率无显著差异，可能与生物刺激素对作物产量和养分吸收利用的影响存在明显阈值效应有关。

研究结论为：（1）氨基酸增效磷肥可使玉米地上部生物量提高8.54%–13.09%，产量提高10.72%–12.35%，主要通过增加玉米粒重实现，不同氨基酸添加量间无显著差异；（2）氨基酸增效磷肥能显著促进玉米对磷素的吸收，提高磷肥表观利用率、生理利用率、农学效率和偏生产力；（3）氨基酸增效磷肥可提高0–30 cm土层有效磷含量并增强土壤磷酸酶活性，其中0.5%氨基酸添加量处理效果最佳。本研究在土柱条件下采用单一土壤、单一玉米品种和单一生长季进行，根系生长空间受限且缺乏田间尺度的空间、气候和管理变异性，研究结果的直接外推受到限制，需要在不同土壤和季节条件下开展多点田间试验后才能提出大规模农艺推荐方案。