聚合谷氨酸鼠李糖酯作为肥料增效剂对土壤养分有效性的影响

Effects of Poly-gamma-Glutamic Acid Rhamnolipid (APAA) as a Fertilizer Synergist on Soil Nutrient Availability

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2026.01.011

宋海妹 Haimei SONG , 李振松 Zhensong LI , 张超一 Chaoyi ZHANG , 刁红霞 Hongxia DIAO , 雷芳 Fang LEI

青岛海大生物集团股份有限公司山东青岛 266000 Qingdao Seawin Biotech Group Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266000, China

摘要：

为验证新型生物刺激素聚合谷氨酸鼠李糖酯(APAA)作为肥料增效剂对土壤理化性状的影响，开展了实验室淋溶试验。试验共设常规复合肥(CK)和常规复合肥+APAA(T1)等2个处理，测定了淋溶液中可溶性盐浓度，不同深度土层的含水量、pH、可溶性盐浓度及碱解氮、有效磷、速效钾的含量等指标。结果表明：T1处理显著提高了淋溶液的洗盐能力，0~10、10~20 cm土层中的可溶性盐浓度分别显著下降了17.3%、17.4%;T1处理显著提高了0~30 cm土层的含水量(4.3%~8.5%)和pH(0.14~0.25);T1处理的0~20 cm耕层土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的含量较CK处理的平均显著提高了18.60%、35.88%和13.13%。

关键词：

生物刺激素; 肥料增效剂; 聚合谷氨酸鼠李糖酯; 土壤养分; 淋溶; 肥料利用率;

Abstract：

To investigate the effects of a novel biostimulant, poly-gamma-glutamic acid rhamnolipid (APAA), as a fertilizer synergist on soil physical and chemical properties, a laboratory leaching experiment is conducted. The experiment includes two treatments: conventional compound fertilizer alone (CK) and conventional compound fertilizer supplemented with APAA (T1). Parameters measure include the soluble salt concentration in the leachate, as well as water content, pH, soluble salt concentration, alkaline-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, and available potassium content in soil layers at different depths. The results show that T1 treatment significantly enhances the salt-leaching capacity of the leachate, leading to significant reductions of 17.3% and 17.4% in soluble salt concentration within the 0-10 cm and 10-20 cm soil layers, respectively. T1 treatment significantly increases the water content (by 4.3% to 8.5%) and pH (by 0.14 to 0.25 units) in the 0-30 cm soil layer. Furthermore, compared to the CK treatment, the average contents of alkaline-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, and available potassium in the 0-20 cm plow layer soil under T1 treatment increase significantly by an average of 18.60%, 35.88%, and 13.13%, respectively.

Keyword：

biostimulant; fertilizer synergist; poly-gamma-glutamic acid rhamnolipid; soil nutrient; leaching; fertilizer use efficiency;

化肥是重要的农业生产资料，据统计，化肥对全球作物的增产贡献率超过了50%^[1]。未来很长一段时间，化肥对于粮食安全和农业生产发展仍具有不可替代的作用。科学合理地施用化肥，可以改善土壤环境、提高作物产量和品质^[2]。但在目前的农业生产中，过量施用化肥的现象仍比较普遍，这不仅造成了资源浪费，还带来了一系列的生态环境问题。

自原农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》^[3]和农业农村部印发《到2025年化肥减量化行动方案》^[4]以来，我国化肥的产量和施用量均呈逐年下降的态势，产生的碳排放大幅减少，是农业碳减排的最大贡献者^[5]。同时，“新一轮千亿斤粮食产能提升行动方案(2024—2030)”的启动对肥料行业提出了新的要求——减肥增效。科学施肥技术的快速推广和减肥增效示范区的不断建立，大幅提高了肥料利用率^[6]。截至2020年，我国水稻、玉米、小麦等三大粮食作物的化肥利用率已提升至40.20%，但仍比欧美发达国家低30%~50%^[6-8]。肥料利用率低会导致大量有机无机养分滞留在环境中，给土壤和作物健康带来一定的风险。所以，提高肥料利用率不仅影响粮食品质和产量，还关系到环境安全和人体健康^[9]，同时也是实现肥料行业转型升级、保障粮食安全的关键举措。

在肥料中添加一定量的增效剂，可以延长肥料中养分的释放周期、减少养分的流失和固定，从而实现肥料效益的最大化。目前，市面上出现了各种肥料增效剂，主要有海藻提取物^[10-11]、腐殖酸^[12-13]、脲酶抑制剂和硝化抑制剂^[14]等，其中生物刺激素是近年来研究的热点之一^[15]。青岛海大生物集团股份有限公司(以下简称海大生物公司)立足于市场和作物需求，基于基因组学、代谢组学等生物信息学分析，重新设计微生物代谢合成途径，利用基因编辑技术进行系统性的代谢工程改造，构建高效合成微生物细胞工厂，并利用基因工程菌株，以谷氨酸和功能性鼠李寡糖为底物，通过细胞工厂生物合成技术研发了一款新型生物刺激素聚合谷氨酸鼠李糖酯(APAA)。APAA功能丰富、效果突出、工艺稳定，对肥料利用率的提高作用已在不同作物上得到证实^{[10-11, 16-17]}。APAA的化学结构是以谷氨酸聚合而成的主链与鼠李寡糖通过酯键共价结合而成，是一种全新多效的生物聚合物，通过结构升级实现了海藻寡糖生物刺激素功能的进一步升级。

为考察APAA在土壤保肥方面的效果，开展了试验研究，以期了解新型生物刺激素在农业减肥增效中的应用效果和前景，为实现农业绿色、高效发展提供支持。

1 材料与方法

试验于2023年10月—11月在青岛海大生物集团股份有限公司的生态实验室进行。

1.1 试验材料

APAA，青岛海大生物集团自主研发; 常规复合肥，N-P₂O₅-K₂O=18-18-18，河南心连心化学工业集团股份有限公司。

1.2 试验方法

实验培养室温度为(25±1)℃/(20±1)℃(昼/夜)，相对湿度为60%~65%，光照时间为14 h/10 h(光照/黑暗)。试验在高50 cm、直径为12 cm的淋溶装置内进行，见图 1^[18]。每个淋溶装置内装干土至40 cm处(约3.5 kg)，土壤取自青岛市上马蔬菜大棚。供试土壤为轻度盐渍土，pH为6.01，w(全盐)为1.92 g/kg，w(有机质)为10.21 g/kg，w(速效氮)为71.6 mg/kg，w(有效磷)为12.7 mg/kg，w(速效钾)为128.6 mg/kg，土壤田间持水量为24.28%。

图 1

肥料增效试验淋溶装置

试验共设2个处理：对照(CK)处理，常规复合肥2 g; T1处理，常规复合肥2 g+APAA 20 mg。每个处理设置3个重复，共6个淋溶装置。淋溶前，将肥料和新型生物刺激素溶于200 mL水中并移入淋溶装置，随后加水至饱和含水量(约650 mL)，确保无水分渗出后进行淋洗处理; 淋溶时，用蒸馏水(每次100 mL)淋洗5次并收集每次的淋溶液; 淋溶结束后，将土壤按0~10、10~20、20~30、30~40 cm分层取出并称量、烘干、过筛，然后进行碱解氮、有效磷、速效钾含量及pH、可溶性盐浓度(EC值)、含水量等指标的测定。

1.3 指标及测定方法

土壤含水量采用烘干法测定; 土壤碱解氮含量采用碱解-扩散法测定^[19]; 土壤有效磷含量采用NaHCO₃溶液浸提-钼锑抗比色法测定^[20]; 土壤速效钾含量采用乙酸铵溶液浸提-火焰光度法测定^[21]; pH和EC值分别用pH计(PE28型pH计，梅特勒公司)和电导率仪(FE30K型电导率仪，梅特勒公司)进行测定。

1.4 数据统计与分析

采用Shapiro-Wilk和Levene方法对数据进行检验，采用SPSS 20.0软件对数据进行方差分析，使用最小显著性差异法(LSD)进行检验。

2 结果与讨论

2.1 不同施肥处理对土壤含水量的影响

不同施肥处理下各土层的土壤含水量见图 2，图中*、**、***分别代表处理间存在显著差异(P＜0.05)、极显著差异(P＜0.01)、高度显著差异(P＜0.001)，ns代表处理间无显著差异，下同。

图 2

不同施肥处理下各土层的土壤含水量

从图 2可以看出：T1处理可以显著提高0~10、10~20、20~30 cm土层的含水量，各土层的含水量分别比CK处理的提高8.5%、6.0%、4.3%。因此，APAA可以提高土壤的保水性，延缓土壤中水分的蒸发。这主要是因为APAA可以与土壤中的金属阳离子发生反应，在土壤颗粒表面形成一层保护膜，从而减少水分的损失^[22]。

2.2 不同施肥处理对土壤pH的影响

不同施肥处理下各土层的土壤pH见图 3。

图 3

不同施肥处理下各土层的土壤pH

从图 3可以看出：T1处理可以显著提高0~10、10~20、20~30 cm土层的pH，各土层的pH分别比CK处理的提高了0.18、0.14、0.25。因此，添加APAA可以显著改善酸性土壤，达到改良土壤的目的。这主要是因为APAA含有一定量的碱性活性物质，可以与土壤中的酸性物质发生中和反应; APAA还可以提高土壤的膨胀性，有利于水分和氧气的渗入，增强土壤的透气性，促进有益微生物的活动，从而提高土壤质量^[23]。

2.3 不同施肥处理对淋溶液和土壤EC值的影响

不同施肥处理的淋溶液和土壤EC值见图 4。

图 4

不同施肥处理的淋溶液和土壤EC值

EC值可以反映溶液中的可溶性盐浓度，高浓度的可溶性盐会抑制植物生长。从图 4(a)可以看出：不同施肥处理的前两次淋溶液中EC值有显著差异，其中T1处理的淋溶液中EC值更高，这表明被淋洗的T1处理的溶液能带走土壤中更多的可溶性盐，可达到洗盐的目的。从图 4(b)可以看出：T1处理的0~10、10~20 cm土层的EC值均显著下降，分别比CK处理的降低了17.3%、17.4%;20~30、30~40 cm土层间无显著差异。因此，APAA可以降低土壤的含盐量，提高植物的抗盐性^[24]。

2.4 不同施肥处理对土壤中碱解氮含量的影响

不同施肥处理下各土层的土壤中碱解氮含量见图 5。

图 5

不同施肥处理下各土层的土壤中碱解氮含量

从图 5可以看出：不同施肥处理的0~10、10~ 20、30~40 cm土层的土壤中碱解氮含量有显著差异(P＜0.05)，其中T1处理的上层土壤(0~10、10~20 cm)中碱解氮含量显著高于CK处理的，分别提高了18.12%、19.08%;而CK处理的下层土壤(30~40 cm)中碱解氮含量更高。这表明，添加APAA可以提高土壤表层碱解氮含量，主要是因为APAA中的亲水性基团可通过氢键作用连接土壤颗粒，增强土壤的抗侵蚀性，减少氮的流失^[25]。

2.5 不同施肥处理对土壤中有效磷含量的影响

不同施肥处理各土层的土壤中有效磷含量见图 6。

图 6

不同施肥处理下各土层的土壤中有效磷含量

磷是三大营养元素中利用率最低的一种，这与磷极易被土壤固定有关。APAA可以与土壤中的金属阳离子形成可溶性配合物，一方面能提高中微量元素的吸收利用效率，另一方面也减少了其与磷酸根离子发生反应，避免了磷的固定^[22]。从图 6可知，T1处理可以显著提高0~10、10~20 cm土层的土壤中有效磷含量，分别提高了45.64%、26.12%。

2.6 不同施肥处理对土壤中速效钾含量的影响

钾肥对作物高产、稳产起着非常重要的保障作用，但是钾肥在土壤中的水溶性非常强，容易随水流失。从图 7可以看出，不同施肥处理间的土壤中速效钾含量差异显著(P＜0.05)，其中在0~10、10~20、20~30 cm的土层中，T1处理的土壤中速效钾含量显著高于CK处理的，分别提高了12.36%、13.90%、13.41%;在30~40 cm的土层中，CK处理的土壤中速效钾含量显著高于T1处理的。这表明，T1处理可以提高土壤的保肥性，减少钾的流失^[25]。

图 7

不同施肥处理下各土层的土壤中速效钾含量

3 结语

(1) 淋溶试验结果表明，添加APAA的淋溶液中含有更多的可溶性盐，通过淋洗可以降低土壤中可溶性盐的含量，在改良盐碱地方面具有独特的优势。

(2) APAA中的亲水性基团能抑制土壤中水分的损失，可提高土壤的保水性。同时，APAA含有丰富的活性物质，能够调节土壤pH，提升土壤质量。

(3) APAA能显著减少土壤中氮、钾的流失和磷的固定，从而提高耕层土壤中氮、磷、钾的有效性，进而提高肥料利用率。

本研究主要考察了在常规复合肥中添加一种新型生物刺激素APAA的淋溶效果，后续将开展盆栽增效和大田增效验证试验，以期为新型肥料增效剂的推广提供科学的数据支撑。

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