氨基酸与氯化钾复合型水溶肥料研究与应用

Research and Application of Water-Soluble Compound Fertilizer of Amino Acid and Potassium Chloride

李虎 Hu LI , 王小嵩 Xiaosong WANG , 韩效钊 Xiaozhao HAN , 沈浩 Hao SHEN , 刘荣 Rong LIU , 黄晗达 Handa HUANG , 蔡佳雄 Jiaxiong CAI , 张旭 Xu ZHANG

1 合肥工业大学化学与化工学院安徽合肥 230009 School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China 2 安徽六国化工股份有限公司安徽铜陵 244000 Anhui Liuguo Chemical Co., Ltd., Tongling, Anhui 244000, China 3 合肥绿农肥业有限责任公司安徽合肥 230088 Hefei Green Farming Fertilizer Co., Ltd., Heifei, Anhui 230088, China

Author notes:

Correspondence to: 韩效钊(1964—)，男，教授，从事新型肥料工程技术研究；hxzhgd@sina.com

摘要：

采用单因素试验考察了氨基酸和氯化钾对小麦浸种的效果，设计正交试验验证了氨基酸与氯化钾复合溶液对小麦浸种的效果，为复合型水溶肥料配方设计提供试验依据与研究方法。结果表明：小麦浸种复合溶液中最适宜的氨基酸和氯化钾质量浓度分别为200、400 mg/L，小麦苗鲜重、根鲜重、发芽率、发芽势、发芽指数、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性均优于单因素浸种效果。根据试验结果制备出适于小麦浸种用的大量元素型含氨基酸水溶肥料，其游离氨基酸和K₂O质量浓度分别为102.1、128.5 g/L。

关键词：

水溶肥料; 复合型; 氨基酸; 氯化钾; 正交试验; 单因素试验; 配方;

Abstract：

A single factor test is used to investigate the effect of amino acid and potassium chloride on wheat seed soaking, and an orthogonal test is designed to verify the effect of the amino acid and potassium chloride compound solution on wheat seed soaking, which provides experimental basis and research method for the design of water-soluble compound fertilizer formulations. Test results show that the most suitable mass concentrations of amino acid and potassium chloride in the wheat seed soaking composite solution are 200 and 400 mg/L, respectively, wheat seedling fresh weight, root fresh weight, germination rate, germination potential, germination index, peroxidase activity and catalase activity are all superior to single factor seed soaking effect. Based on the test results, macroelement amino acid-containing water-soluble fertilizer for wheat seed soaking is prepared, and its free amino acid and K₂O mass concentrations are 102.1 and 128.5 g/L, respectively.

Keyword：

water-soluble fertilizer; compound type; amino acid; potassium chloride; orthogonal test; single factor test; formula;

欧洲生物刺激素行业委员会(EBIC)认为生物刺激素是包含功能性物质和微生物及其次生代谢产物的一类物质，可促进作物养分吸收、增强养分利用效率和作物抗逆性、提高农作物质量等^[1]。日本科学家将质量分数50 mg/kg的腐殖酸肥料施入土壤后，发现作物根系吸收有效养分能力提高，其中水稻、小麦、黄瓜分别提高155%、110%、86%。北京农业大学通过放射元素示踪法研究发现，在等氮条件下，过磷酸钙利用率为23.3%；添加腐殖酸铵后，利用率为28.8%；添加硝基腐殖酸铵后，利用率为32.2%^[2]。

李进平等^[3]在复合生物刺激素与肥药协同作用研究中确定了复合生物刺激素在磷酸二铵(DAP)和NKP复合肥中添加量的计算方法。氨基酸是一种生物刺激素，其不仅是蛋白质合成的必要底物，而且在植物初级代谢和次级代谢中也发挥着重要功能。一些氨基酸作用于氮源的同化和源-库转运，另一些则是次生代谢产物(如激素、植物防御相关物质等)合成的前体。人们已经认识到外源氨基酸等有机态氮也能为植物生长提供重要的营养^[4]。

本文选用氨基酸与氯化钾开展小麦浸种试验，通过对浸种效果的研究设计复合浸种液配方，从而为制备专用型水溶肥料提供配方依据和研究方法。

1 试验仪器与材料

1.1 试验仪器

VIS-7220N型可见分光光度计，北京瑞利分析仪器公司；HC-3018型高速离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；DC-0510型低温恒温槽，上海衡平仪器仪表厂；DHG-9036A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；SZCL型数显智能控温磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司。

1.2 试验材料

氨基酸粉，上海某微生物技术有限公司，游离氨基酸质量分数≥60%，pH为3~5；氯化钾(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司，K₂O质量分数≥62.86%；小麦品种，济麦22。

1.3 试验步骤

小麦预处理：选取大小均匀、籽粒饱满的小麦种子置于10%(质量分数)H₂O₂中消毒5 min，用蒸馏水冲洗6次，滤纸吸干水分后备用。培养皿用蒸馏水洗净后置于烘箱内于30 ℃烘干。

培养过程：小麦在浸种液中浸种12 h，然后取出种子，用蒸馏水冲洗3次，放入铺有2层定性滤纸的培养皿内，于25 ℃露天培养进行催芽。每个培养皿放25粒种子，每个处理重复3组，共75粒种子，空白对照用蒸馏水浸种。放置种子时应注意种子腹沟朝下，使每粒种子留有均匀的间距，保证与水分良好接触且有足够的生长空间，防止发霉的种子互相感染^[5]。每天统计小麦种子发芽数(以小麦芽长超过小麦种子自身长度一半时作为小麦种子发芽的标准^[6])。第8 d计算其苗鲜重、根鲜重、发芽率、发芽势、发芽指数^[7]，测试过氧化物酶(POD)活性^[8]、过氧化氢酶(CAT)活性^[9]。

2 单因素浸种试验

2.1 氨基酸

按试验方法加入氨基酸进行浸种试验，结果见表 1。

表 1

氨基酸浸种试验结果

ρ(游离氨基酸)/(mg·L^-1)	苗鲜重/g	根鲜重/g	发芽率/%	发芽势/%	发芽指数	POD活性/(μg·min^-1·gFW^-1)	CAT活性/(mg·g^-1·min^-1)
0	3.882 3	3.709 9	90.67	74.67	30.24	87.95	5.53
100	3.919 7	3.718 0	92.00	80.00	31.76	94.54	5.67
200	4.632 1	4.494 1	97.33	86.67	34.74	93.92	5.89
300	4.638 7	4.663 5	92.00	85.33	32.25	92.19	6.01
400	4.485 6	4.529 4	93.33	77.33	32.00	86.81	5.51
500	4.005 1	3.912 0	93.33	78.56	31.74	87.91	5.50

由表 1可知:当游离氨基酸浸种质量浓度为200 mg/L时，发芽率最高，其他指标总体效果也较好，与对照组(游离氨基酸质量浓度为0 mg/L)相比，苗鲜重提高19.31%，根鲜重提高21.14%，发芽率提高7.34%，发芽势提高16.07%，发芽指数提高14.88%，POD活性提高6.79%，CAT活性提高6.51%。

2.2 氯化钾浸种结果分析

按试验方法加入氯化钾进行浸种试验，结果见表 2。

表 2

氯化钾浸种试验结果

ρ(氯化钾)/(mg·L^-1)	苗鲜重/g	根鲜重/g	发芽率/%	发芽势/%	发芽指数	POD活性/(μg·min^-1·gFW^-1)	CAT活性/(mg·g^-1·min^-1)
0	3.221 7	2.564 8	93.33	78.66	31.74	101.39	5.97
200	3.643 6	3.076 2	98.67	82.33	35.25	128.83	6.36
400	3.650 2	3.011 5	98.67	88.00	36.50	138.98	6.38
600	3.313 5	3.186 5	96.00	80.00	33.00	130.31	6.37
800	3.294 2	3.094 3	97.33	81.67	34.01	100.07	6.01

由表 2可知，当氯化钾浸种质量浓度为400 mg/L时，发芽率最高，其他指标总体效果也较好，与对照组(氯化钾质量浓度为0 mg/L)相比，苗鲜重提高13.30%，根鲜重提高17.42%，发芽率提高5.72%，发芽势提高11.87%，发芽指数提高15.00%，POD活性提高37.07%，CAT活性提高6.87%。

3 正交试验

3.1 试验目的

通过正交试验验证氨基酸与氯化钾复合溶液的浸种效果，为制备含钾的氨基酸水溶肥料提供配方依据。

3.2 试验方案

单因素试验表明，浸种12 h时，游离氨基酸与氯化钾比较好的浸种质量浓度分别为200、400 mg/L。因此，正交试验采用三因素四水平设计，因素水平设置见表 3，试验方案见表 4。

表 3

试验因素与水平

水平	因素A浸种时间/h	因素Bρ(氯化钾)/(mg·L^-1)	因素Cρ(游离氨基酸)/(mg·L^-1)
1	4	200	100
2	8	400	200
3	12	600	300
4	24	800	400

表 4

正交试验方案

组次	因素A浸种时间/h	因素Bρ(氯化钾)/(mg·L^-1)	因素Cρ(游离氨基酸)/(mg·L^-1)
1	4(A₁)	200(B₁)	100(C₁)
2	4(A₁)	400(B₂)	200(C₂)
3	4(A₁)	600(B₃)	300(C₃)
4	4(A₁)	800(B₄)	400(C₄)
5	8(A₂)	200(B₁)	200(C₂)
6	8(A₂)	400(B₂)	100(C₁)
7	8(A₂)	600(B₃)	400(C₄)
8	8(A₂)	800(B₄)	300(C₃)
9	12(A₃)	200(B₁)	300(C₃)
10	12(A₃)	400(B₂)	400(C₄)
11	12(A₃)	600(B₃)	100(C₁)
12	12(A₃)	800(B₄)	200(C₂)
13	24(A₄)	200(B₁)	400(C₄)
14	24(A₄)	400(B₂)	300(C₃)
15	24(A₄)	600(B₃)	200(C₂)
16	24(A₄)	800(B₄)	100(C₁)

3.3 试验结果与分析

按正交试验方案分别进行浸种试验，测定结果见表 5，极差分析结果见表 6。

表 5

正交试验结果

组次	苗鲜重/g	根鲜重/g	发芽率/%	发芽势/%	发芽指数	POD活性/(μg·min^-1·gFW^-1)	CAT活性/(mg·g^-1·min^-1)
1	3.538 5	2.613 0	94.66	73.33	33.69	94.67	5.33
2	3.461 1	2.905 2	98.66	76.00	34.38	130.32	5.82
3	3.640 5	2.541 0	96.00	72.00	31.25	108.89	5.43
4	3.387 1	2.161 3	96.00	74.66	31.62	111.57	5.45
5	4.250 5	3.083 2	96.33	84.00	34.25	116.50	5.99
6	4.034 5	2.875 3	96.33	77.33	33.12	105.53	5.43
7	4.357 2	2.635 9	96.33	85.33	34.13	106.53	5.58
8	4.322 2	3.458 7	94.00	78.66	32.75	96.77	5.48
9	4.137 9	2.575 2	94.66	81.33	34.74	115.35	5.25
10	4.321 0	2.850 1	96.00	80.00	33.99	97.05	5.48
11	4.169 2	2.531 2	97.33	88.00	32.27	106.47	5.67
12	4.314 4	2.348 4	96.00	85.33	33.75	104.77	5.72
13	4.005 3	3.308 4	93.33	78.66	31.74	107.05	5.56
14	4.118 4	3.408 6	96.00	78.66	31.24	108.96	5.26
15	3.963 6	2.489 1	93.33	73.33	31.50	97.99	5.67
16	4.430 5	4.043 8	96.00	74.66	33.00	134.96	5.48

表 6

极差分析表

项目	因素	均值				极差R	极差比较
项目	因素	k₁	k₂	k₃	k₄	极差R	极差比较
苗鲜重/g	A	3.506 8	4.241 1	4.235 6	4.129 5	0.734 3	影响大小：A＞B＞C 最佳组合：A₂B₄C₃
	B	3.983 1	3.983 8	4.032 6	4.113 6	0.130 5
	C	3.943 2	3.997 4	4.017 7	3.991 4	0.074 5
根鲜重/g	A	2.555 1	3.013 3	2.576 2	3.312 5	0.757 4	影响大小：A＞B＞C 最佳组合：A₄B₂C₃
	B	2.895 0	3.009 8	2.549 3	3.003 1	0.460 5
	C	3.015 8	2.752 2	3.152 5	2.738 9	0.413 6
发芽率/%	A	96.33	95.75	96.00	94.67	1.66	影响大小：B＞A＞C 最佳组合：A₁B₂C₂
	B	94.75	96.75	95.75	95.50	2.00
	C	96.08	96.08	95.17	95.42	0.91
发芽势/%	A	74.00	81.33	83.67	76.33	9.67	影响大小：A＞C＞B 最佳组合：A₃B₃C₂
	B	79.33	78.00	79.67	78.33	1.67
	C	78.33	79.67	77.66	79.66	2.01
发芽指数	A	33.24	33.56	33.69	31.87	1.82	影响大小：A＞B＞C 最佳组合：A₃B₁C₂
	B	33.61	33.18	32.29	33.28	1.32
	C	33.02	33.47	32.50	33.37	0.97
POD活性/(μg·min^-1·gFW^-1)	A	111.36	106.33	105.91	112.24	6.33	影响大小：B＞C＞A 最佳组合：A₄B₄C₂
	B	108.39	110.47	104.97	112.02	7.05
	C	110.41	112.40	107.49	105.55	6.85
CAT活性/(mg·g^-1·min^-1)	A	5.53	5.54	5.62	5.62	0.09	影响大小：C＞B＞A 最佳组合：A₃B₂C₃
	B	5.53	5.66	5.61	5.51	0.15
	C	5.51	5.61	5.68	5.53	0.17

由表 6可知，3个因素对各项目的影响规律不同。比较极差结果可知：各因素出现在第1位的次数，A有4次，B有2次，C有1次；各因素出现在第2位的次数，A有1次，B有4次，C有2次；各因素出现在第3位的次数，A有2次，B有1次，C有4次。可见，对浸种总体效果影响大小顺序为：A>B>C。从优化水平组合可知：A₁出现1次，A₂出现1次，A₃出现3次，A₄出现2次；B₁出现1次，B₂出现3次，B₃出现1次，B₄出现2次；C₁出现0次，C₂出现4次，C₃出现3次，C₄出现0次。综上分析，得出浸种总体效果最优的水平组合为A₃B₂C₂。

3.4 最优水平组合验证

最优组合为A₃B₂C₂，即游离氨基酸质量浓度200 mg/L、氯化钾质量浓度400 mg/L(氧化钾质量浓度252 mg/L)、浸种12 h，结果见表 7。

表 7

验证试验结果

项目	清水对照	混合浸种	提高率/%	单因素提高率平均值¹⁾/%
苗鲜重	3.551 0 g	4.294 2 g	20.93	16.31
根鲜重	2.964 8 g	3.594 3 g	21.23	19.28
发芽率	93.33%	100%	7.15	6.54
发芽势	78.66%	86.67%	10.18	13.97
发芽指数	30.24	34.85	15.24	14.94
POD活性	93.39 μg·min^-1·gFW^-1	120.07 μg·min^-1·gFW^-1	28.57	21.93
CAT活性	5.24 mg·g^-1·min^-1	5.85 mg·g^-1·min^-1	11.64	6.69
注：1)为表 1和表 2最优结果平均值

由表 7可知：小麦浸种时，除发芽势外，氨基酸与氯化钾复合液浸种效果优于单独浸种的效果，两者具有协同作用。复合液中游离氨基酸与氯化钾的质量比为1:2，即游离氨基酸与氧化钾质量比为1:1.26。

4 含氨基酸水溶肥料(大量元素型)制备

在50 L中试反应釜中，加入31 kg水，加热至40 ℃，加入6.8 kg氨基酸粉(游离氨基酸≥4.08 kg)，搅拌60 min使氨基酸粉全部溶解，再加入8.57 kg工业氯化钾(K₂O质量分数≥60.0%)搅拌至全部溶解，冷却至室温(25 ℃)，取样测定含氨基酸水溶肥料(大量元素型)，技术指标见表 8。使用时用水稀释至相应质量浓度。

表 8

含氨基酸水溶肥料(大量元素型)液体产品技术指标

项目	参数
ρ(游离氨基酸)/(g·L^-1)	102.1
ρ(K₂O)/(g·L^-1)	128.5
ρ(水不溶物)/(g·L^-1)	2.1
pH(1:250倍稀释)	5.9
密度/(g·cm^-3)	1.155

5 结语

(1) 在单因素浸种试验基础上设计正交试验，研究多因素混合液浸种试验最适宜条件，为复合型浸种液配方设计提供依据，也为多元素水溶肥料配方设计提供了一种科学有效、快速经济的研究方法。

(2) 氨基酸粉与氯化钾复合溶液小麦浸种最适宜质量浓度为游离氨基酸200 mg/L、试剂氯化钾(K₂O质量分数≥62.86%)400 mg/L，游离氨基酸与氧化钾质量比为1:1.26。

(3) 采用工业氯化钾(K₂O质量分数≥60.0%)和氨基酸粉，按照上述配比制备出的含氨基酸水溶肥料(大量元素型)可以设定下列技术指标：游离氨基酸质量浓度≥100 g/L、大量元素(K₂O)质量浓度≥100 g/L、水不溶物质量浓度≤50 g/L、pH(1:250倍稀释)为3.0~9.0。

ckwx 参考文献

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