杜小平 刘广平 蒲 鹏 吕金印 李文娟 许雪莹

(西北农林科技大学生命科学学院,陕西 杨凌 712100)

硫(S)是植物生长发育必需的营养元素之一,属中量元素,是仅次于氮磷钾元素,对植物第四重要的元素[1-2]。研究表明,植物体内约90%的硫存在于含硫氨基酸中,硫与叶绿素及一些酶的合成有关,参与植物体内蛋白质合成、呼吸与光合作用、固氮和糖代谢等生理活动[3]。近年来,硫化氢(H2S)作为半胱氨酸(Cys)的降解产物,是仅次于一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)的植物内源信号分子[4],通过与植物激素、其他信号分子、活性氧等相互作用以及蛋白质巯基化修饰等方式,参与植物生长发育调控和逆境胁迫响应等诸多生理过程[5]。上述表明,硫素在植物生长发育和逆境胁迫响应中起着举足轻重的作用。

中国是亚洲耕地缺硫面积最大的国家之一,其缺硫地区主要分布在长江以南,该地区高温多雨,土壤硫易分解淋失[6],在北方和西南地区也有缺硫的报道[7]。近年来,随着种植模式的改进以及高产品种的迅速推广、单位面积产量和复种指数的日益提高、低含硫量化肥的大量施用,硫肥施用被忽视[8],大量的硫随着农产品和作物秸秆从土壤中带出,又不能得到及时补充,致使土壤硫含量严重亏缺。根据刘崇群[9]的研究,土壤有效硫含量低于12 mg·kg-1即为缺硫土壤。据调查,陕西省土壤有效硫含量均较低,全省缺硫面积约占总土地面积的56%[10]。

硫肥按照化学形态主要分为硫酸根硫(SO42--S)和单质硫(S0-S)。SO42--S 易被植物吸收,但价格昂贵且易淋溶下渗;S0-S 有效成分含量高,价格便宜,但肥效缓慢,需要被微生物氧化为SO42-才能被植物利用[11]。适量硫肥可以显著提高作物产量并改善作物品质[12],但不同类型硫肥对作物的影响不同。朱云集等[13]通过大田试验比较施用相同浓度的硫磺粉、石膏、过磷酸钙、硫酸铵和硫酸钾对小麦产量和品质的影响,发现施加硫肥显著提高了小麦籽粒灌浆中后期群体光合速率,增加了生育后期物质积累,提高了成熟期麦谷蛋白积累量和淀粉糊化参数,其中过磷酸钙效果最佳。迟凤琴[14]通过田间试验研究硫磺、硫铵和石膏对玉米生长和产量的影响,发现硫磺和石膏的增产效果最好,可较常规栽培分别增产6.5%～9.6%和5.6%～8.0%。由此可见,硫素在植物生长发育及代谢过程中具有重要的生理功能,合理添加硫肥可显著提高作物产量,改善作物品质。

青菜(Brassica chinensisL.)又称小白菜,十字花科芸薹属植物,属硫敏感作物[15],作为我国重要的叶类蔬菜,在南北方广泛地栽培和食用[16-17]。但在蔬菜实际生产中,由于盲目追求效益,施肥结构不合理,忽视硫肥施用,造成土壤养分含量失衡,影响了蔬菜的产量和品质。本研究通过小区试验,以硫磺(S0-S)和硫酸钾为肥料,分析对土壤有效硫含量、青菜生长特性、产量和品质等指标的影响,旨在探讨适宜的硫肥水平,为青菜优质高产栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

供试青菜品种为矮脚黄,购自南京明华种业有限责任公司。

试验于2018年4月在西北农林科技大学农场进行。供试土壤取自陕西关中地区大田耕作土层(0～20 cm),土壤类型为土垫旱耕人为土(关中塿土),基本理化性质为pH值7.71,有机质11.85 g·kg-1,速效氮、速效磷、速效钾分别为63.78、17.97、76.86 mg·kg-1,全硫142.51 mg·kg-1,有效硫9.35 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计,小区面积3 m2(1.5 m ×2 m)。各小区基肥N、P2O5、K2O 用量分别为11.25、17.18、11.25 g·m-2。试验用2种形态硫(硫酸根硫和单质硫,分别用SO42--S和S0-S表示)作为硫源,硫肥施用量分别为26.5、53和106 g·m-2(分别用S1、S2和S3表示),共设置7个处理:1)不施硫(CK);2)硫酸钾1(SO42--S1);3)硫酸钾2(SO42--S2);4)硫酸钾3(SO42--S3);5)硫磺粉1(S0-S1);6)硫磺粉2(S0-S2);7)硫磺粉3(S0-S3)。每个处理水平设置3个小区重复。氮肥选用尿素(N ≥46%)、磷肥选用磷酸二铵(P2O5≥46%,N ≥18%)、钾肥选用氯化钾(K2O ≥63%)、硫肥选用硫磺粉(S≥99%)和硫酸钾(K2SO4)(S≥17.5%,K2O≥51%),由新疆罗布泊钾盐有限责任公司提供。肥料与土壤充分混匀,播种7 d后开始间苗,行距30 cm,株距20 cm,生长30 d后采收植物和土壤样品。

1.3 项目测定与方法

土壤pH值采用PHS-3C pH 计(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定(水土比,2.5∶1)[18];土壤有效硫含量采用硫酸钡比浊法[19]测定。植株全硫含量采用硫酸钡比浊法[20]测定,叶绿素含量采用丙酮提取法[21]测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[21]测定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法[21]测定,硝酸盐含量参照GB 5009.33-2016[22]采用紫外分光光度法测定,维生素C含量采用2,6-二氯靛酚比色法[23]测定。

1.4 数据处理与分析

试验结果以平均值±标准误(means±SD)表示,采用OriginPro 2016软件进行图形处理,SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析,并运用Duncan 检验法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 硫酸盐和单质硫对土壤pH值的影响

由图1可知,表层土层(0～20 cm)pH值随着硫肥施用量的增加呈显著下降趋势(P＜0.05)。与CK相比,施用硫肥有效降低了弱碱性土壤的pH值,且S3降幅最大。同一硫肥处理水平下,SO42--S 处理降低土壤pH值的作用强于S0-S 处理,且差异显著(P＜0.05)。综上,施用硫肥可降低弱碱性土壤pH值,且SO42--S 作用效果强于S0-S。

图1 施用不同量SO42--S和S0-S并种植青菜后土壤pH值Fig.1 The soil pH values after planting pakchoi with different sulphur fertilizer treatments

2.2 硫酸盐和单质硫对土壤有效硫含量的影响

由图2可知,随着硫肥施用量的增加,土壤有效硫含量呈显著增加趋势(P＜0.05)。与CK相比,土壤有效硫含量分别显著增加0.83、3.22和6.69倍(P＜0.05),S0-S1、S0-S2和S0-S3 土壤有效硫含量分别显著增加0.38、1.55和6.10倍(P＜0.05)。同一硫肥处理水平下,SO42--S 处理土壤有效硫含量显著高于S0-S 处理(P＜0.05)。上述表明施用硫肥可显著改善土壤缺硫现状,且SO42--S对土壤有效硫含量的改善作用显著大于S0-S。

2.3 硫酸盐和单质硫对青菜产量及品质的影响

2.3.1 青菜产量 由表1可知,施用硫肥对青菜的生长具有显著的促进作用(P＜0.05),随着硫肥施用量的增加,青菜株高和可食部分干重均呈增加趋势。与CK相比,SO42--S3和S0-S3 青菜株高分别显著增加30.7%和24.2%(P＜0.05),青菜可食部分干重分别显著增加69.4%和62.9%(P＜0.05),增幅均最大。同一硫肥处理水平下,仅青菜株高与S0-S2 有显著差异(P＜0.05)。

表1 施用不同量和S0-S对青菜株高和可食部分干重的影响Table1 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on the plant height and dry mass of edible parts of pakchoi

表1 施用不同量和S0-S对青菜株高和可食部分干重的影响Table1 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on the plant height and dry mass of edible parts of pakchoi

注:同行不同小写字母表示不同处理间差异显著(P＜0.05)。Note:Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

生长指标Growth indexes CK SO42--S1 SO42--S2 SO42--S3 S0-S1 S0-S2 S0-S3株高Shoot height/cm 15.3±0.31e 17.4±0.62cd 19.0±0.47b 20.0±0.38a 16.7±0.26d 17.9±0.32c 19.0±0.80ab干重Shoot dry weight/(g·plant-1) 0.62±0.065e 0.76±0.020d 0.94±0.047bc 1.05±0.022a 0.74±0.027d 0.91±0.041c 1.01±0.073ab

2.3.2 青菜可食部分硫含量 由图3可知,与CK相比,S2和S3 硫肥施用量显著影响青菜可食部分含硫量(P＜0.05)。与CK相比,SO42--S1、SO42--S2和SO42--S3 青菜可食部分含硫量分别显著增加了0.78、1.28和1.57倍(P＜0.05);S0-S1 青菜可食部分含硫量增加不显著,S0-S2和S0-S3 青菜可食部分含硫量分别显著增加了0.56和1.20倍(P＜0.05)。同一硫肥处理水平下,SO42--S 处理青菜可食部分含硫量与S0-S处理差异显著(P＜0.05)。

与CK相比,随着硫肥施用量的增加,SO42--S 处理下青菜可食部分可溶性糖含量呈先升高后降低的趋势,在S0-S 处理下则呈先降低再升高的趋势,2种硫源处理分别在SO42--S2和S0-S1 达到最大值,较CK 分别显著增加120.5%和78.7%。同一硫肥处理水平下,SO42--S 处理青菜可食部分可溶性糖含量高于S0-S 处理。

图3 施用不同量SO42--S和S0-S对青菜可食部分含硫量的影响Fig.3 Effect of applying different doses of sulphur fertilizer on sulfur contents in edible parts of pakchoi

与CK相比,随着硫肥施用量增加,SO42--S 处理下青菜可食部分硝酸盐含量呈先下降后升高趋势,但SO42--S3 高于SO42--S1,在S0-S 处理下则呈下降趋势,且2种硫源处理青菜可食部分硝酸盐含量均低于叶菜类硝酸盐含量(≤3 000 mg·kg-1FW)(GB 18406.1-2001)[24]。与CK相比,随着SO42--S 处理水平增加,青菜可食部分硝酸盐含量在SO42--S2 下降幅最大(下降38.6%);S0-S 处理下,青菜可食部分硝酸盐含量则随着硫肥施用量的增加逐渐增加,但不同处理水平间差异不显著。在S1和S2 处理水平下,与CK相比,处理青菜可食部分硝酸盐含量降幅均高于S0-S 处理。

3 讨论

3.1 硫酸盐和单质硫(S0-S)对土壤pH值和有效硫含量的影响

硫肥施入土壤后,大部分会通过吸附固定作用存储于土壤中作为短期硫库,并在土壤中进行一系列的迁移和转化,直接或间接地影响土壤性质[25]。硫是一种易氧化难还原的元素。已有研究表明,土壤中硫化物、二氧化硫和元素硫在微生物作用下易被氧化为造成土壤酸化[26]。李映龙等[27]通过盐碱地施加不同用量的脱硫石膏试验发现脱硫石膏可有效降低盐碱地土壤pH和全盐含量,促进土壤团粒结构形成并提高土壤孔隙度,从而改善土壤理化性质。Skwierawska[28]研究表明,施用SO42--S和S0-S 均可有效增加土壤SO42-含量,且与硫肥施用量呈正相关,S0-S 在第3年对土壤SO42-含量仍有贡献。本研究中,施用硫肥降低了弱碱性土壤pH值,增加了土壤有效硫含量。这主要是因为K2SO4和硫磺粉都是酸性肥料,施入K2SO4后,植物对K+吸收速率远大于对SO42-的吸收速率,在吸收环境中K+时,根细胞会外排相同电荷H+与之交换,导致环境中H+浓度增加,从而降低土壤pH值[29];硫磺粉施入土壤后,通过化学氧化和微生物氧化生成硫酸,导致H+增多,土壤pH值下降[30]。此外,本研究发现相同硫肥处理水平下,SO42--S 处理对土壤pH值及有效硫含量增幅均大于S0-S 处理,这主要由于S0-S 氧化需要过程。大量研究表明,土壤硫的氧化主要在微生物的参与下进行,因此,土壤理化性质[31-33]、硫化细菌数量[34]、种植作物种类[35]以及耕作与管理[36]等因素都会影响土壤硫的氧化。而SO42--S可直接供应SO42-,提高土壤有效硫含量,满足作物生长。

3.2 硫酸盐(SO42--S)和单质硫(S0-S)对青菜可食部分硫素营养的影响

硫是含硫氨基酸和酶等的重要组成成分,参与各种代谢酶促反应[24]。房存金等[37]研究发现在传统施肥基础上施加60 kg·hm-2硫肥,单株结铃数增加14.3%,籽棉产量增加15.9%,皮棉产量增加16.0%。孔灵君等[38]采用沙培法探讨硫对大葱生长及产量的影响,结果发现2.01 mmol·L-1硫处理大葱假茎、根和叶鲜重较对照分别增加24.7%、37.6%和25.8%,增产率达19.1%。十字花科是需硫量最大的作物之一,硫在蛋白质合成较快的营养生长时期的影响最显著。本研究中,随着硫肥施用量的增加,青菜可食部分株高和干重增加,表明硫肥可促进青菜生长,这可能是因为施加硫肥增强植株光合能力,促进植株对土壤养分N、P、K 吸收[39],以及提高植株对氮素的利用效率等[40]。青菜适宜在微酸性或中性土壤(pH值6.5～6.8)中生长,施用硫肥可降低弱碱性土壤pH值,从而有利于青菜的生长。此外,本研究中,同一硫肥处理水平下,2种硫肥处理间青菜可食部分干重无显著差异,可能是在青菜生长过程中,S0-S 氧化成SO42-也能较好地满足青菜生长,其次可能与氮代谢有关,氮、硫中任一元素缺失,都会减少另一种元素的吸收利用,氮是形成氨基酸的先驱物质,硫是多种氨基酸的组成成分,氮、硫之间存在显著的正交互作用[41]。

施用硫肥可调节蔬菜氮硫比,提高青菜可食部分中可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量,降低硝酸盐含量。前人在大蒜[3,42]、玉米[43]和大豆[44]上的研究也印证了这一点。本研究中,硫肥处理可以提高青菜可食部分可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量,其中SO42--S 处理对品质提升作用强于S0-S 处理,其原因可能是SO42--S 以质流方式被植物主动吸收,作为含硫物质的供体[45],是含硫氨基酸和叶绿体基粒片层的重要组分,参与植物体内蛋白质和光合产物的合成[45-46],而S0-S 处于还原状态,需要在土壤中被氧化为SO42--S 才能被作物吸收利用[47]。本研究中,硫肥浓度超过一定限度时,青菜营养品质等指标反而呈下降趋势,表明硫虽对植物生长有益,但需要注意适宜浓度。此外,本研究发现施用硫肥可在一定程度上降低青菜可食部分硝酸盐含量,其中的作用效果最好。一方面可能是蔬菜是喜硝作物,虽然能吸收形态,但以NO3-形态为多,根据植物根部吸收养分离子交换原理具有与NO3-竞争置换、缓解蔬菜根部嗜好性过量吸收NO3-的作用,促进蔬菜体内的转化,减少滞留时间和累积[48],而S0-S 进入土壤需要氧化为才能参与NO3-竞争置换;另一方面,植物的氮硫代谢具有相互偶联关系[49-50],作为含硫氨基酸的重要组成成分,可提高植株氮代谢限速关键酶——硝酸还原酶(nitrate reductase,NR)活性和氮素同化效率,促进NO3-→NO2-代谢过程,降低硝酸盐的积累[51],同时也能够提高PSⅡ电子传递能力和羧化反应速率,促进光合碳同化,在碳骨架和能量供应上间接拉动氮代谢的还原同化[52]。

4 结论

本研究结果表明,施用硫肥会影响土壤物理化学性状,降低弱碱性土壤pH值,增加土壤有效硫含量,且SO42--S 处理的作用效果大于S0-S 处理。施用53 g·m-2K2SO4(SO42--S)对青菜可食部分产量和品质协同提升作用最佳,可在一定程度降低青菜可食部分硝酸盐含量,提高干重、可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量。本研究仅开展了2种类型硫肥影响青菜营养品质生理水平上的差异,且对造成其差异的分子调控机理尚不清楚,今后将从各类营养成分生物合成与代谢调控的分子机制方面开展相关研究,以便为青菜优质高产提供科学依据。