幾種生物刺激素對小麥產量形成及品質的調控

張運紅，楊占平，鄭春風，和愛玲，秦毛毛，黃紹敏，劉艷喜，駱曉聲，楊紅燕，張江川

(1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所/河南省農業生態與環境重點實驗室，河南鄭州 450002；2.河南省農業科學院小麥研究所，河南鄭州 450002；3.聊城市土壤肥料工作站，山東聊城；4.上海通微生物技術有限公司)

小麥是世界主要糧食作物之一，高產和優質一直是小麥生產追求的兩大目標[1-3]，尤其是在耕地資源有限且不斷萎縮的情況下，提高單產和品質對當前保證糧食供給和維護糧食安全具有重要意義[4-5]。肥料在作物高產優質生產中起著重要作用，但目前不合理施肥帶來的生態安全問題日趨突出[6-7]。因此，如何綠色、環境友好地進行農業生產已成為當前農業發展面臨的新問題[8-9]。

施用生物刺激素是繼施肥和噴灑農藥之后，派生出的一類促進或調節作物生長的新措施。它既能提質增效化肥、農藥，還能將二者功效集于一體；與其他化學合成品相比，它既具有自然環保的屬性，又可實現經濟效益、社會效益、環境效益俱佳的多贏效果[9-14]。在小麥-玉米輪作體系下，腐殖酸-尿素處理的土壤硝化比率、有機氮礦化量及脲酶含量較普通尿素處理顯著降低，氮肥回收效率、農藝利用效率和偏生產力顯著提高[12]。在小麥拔節期及灌漿期噴施聚谷氨酸葉面肥450～ 1 350 mL·hm-2，能增加千粒重、成穗率和穗粒數，增產效果顯著[13]。我們先前的研究結果顯示，在15%PEG6000水分脅迫1 h后噴施1 000 mg·L-1海藻酸鈉寡糖，可一定程度緩解水分脅迫對小麥生長發育的抑制作用[14]。面對當前土壤、糧食、生態環境等安全問題，充分發揮生物刺激素的多重作用，提高作物的產量和品質，對維護我國糧食安全、實現“雙減”目標具有重要的現實意義。國際上將生物刺激素劃分為腐殖酸、氨基酸、微生物、海藻酸和無機合成物等5大類，不同生物刺激素活性基團、作用機理及施用效果存在明顯差異[15-16]，目前在大田作物上的應用效果及增產機制還不太明確。本研究選擇了5種常見的生物刺激素進行盆栽噴施試驗，比較分析其對小麥產量及品質形成的影響，以期為其在小麥高產優質栽培中的應用提供參考，也為生物刺激素相關產品研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試農用腐殖酸由褐煤提取，主要成分是腐殖酸，含少量黃腐酸，水不溶物<5%，由上海通微生物技術有限公司提供；供試生化腐殖酸為植物源發酵提取，95%為黃腐酸，水不溶物<3%，由上海通微生物技術有限公司提供；供試海藻酸鈉寡糖(AOS)，β-D-甘露糖醛酸(M)∶α-L-古羅糖醛酸(G)=7∶3，糖醛酸含量>90%，聚合度2～10，由中國科學院大連化學物理研究所研制并提供；供試氨基酸為復合氨基酸，其總氨基酸含量為81.24%，主要由亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸等組成，由鄭州福潤德生物工程有限公司提供；供試復合生物刺激素含有海藻酸鈉寡糖、水楊酸等物質，由河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所自主研制。

供試小麥品種為鄭麥7698，為多穗強筋、半冬性中晚熟品種，由河南省農業科學院小麥研究所許為鋼研究員提供。供試土壤為潮土，采自河南省鄭州市郊區，其有機質含量為2.78 g·kg-1，速效氮含量為44.92 mg·kg-1，速效磷含量為9.1 mg·kg-1，速效鉀含量為98.62 mg·kg-1，pH值為8.12。

1.2 試驗方案

試驗于2017年10月-2018年5月在河南農業科學院科研園區進行。采用土培盆栽方法，試驗選用聚乙烯塑料盆(直徑30 cm，高20 cm)。每盆裝過2 mm篩的土10 kg。于2017年10月10日進行播種，3葉期(11月15日)每盆定苗25株。氮肥選用尿素(46.4%)，施用量為 0.25 g·kg-1(參照田間習慣施氮水平設置)，50%基施，50%于拔節期追施(3月10日)；磷、鉀肥分別選用過磷酸鈣(10%)和氯化鉀(60%)，二者施用量均為0.12 g·kg-1，全部基施。

設置6個處理，分別為對照(CK)：噴施清水處理；AHA：噴施20 mg·L-1(w/v)農用腐殖酸溶液處理；BHA：噴施20 mg·L-1(w/v)生化腐殖酸溶液處理；AOS：噴施20 mg·L-1(w/v)海藻酸鈉寡糖溶液處理；AA：噴施20 mg·L-1氨基酸溶液處理；CB：噴施復合生物制劑處理(稀釋200倍液施用)。各生物刺激素施用濃度設置參照我們先前的試驗[16]和所作的預備試驗。每個處理3次重復，共計18盆。分別于拔節后20 d(小花退化高峰前，4月1日)和拔節后25 d(小花敗育高峰前，4月6日)噴施，以葉面表層均勻形成水霧且不下滴為準。

1.3 指標測定及方法

1.3.1 葉面積和SPAD值測定

于小麥灌漿期采用直尺測定旗葉長和寬，按照公式S=葉長×葉寬×0.83計算葉面積[17]，并采用SPAD-502葉綠素儀測定旗葉SPAD值。

1.3.2 光合特性

于灌漿期(播種后177 d)采用Li-6200便攜式光合作用測定儀(LI-CORInc.,USA)測定小麥旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。測定時間選在晴天的9:30 -10:30，采用開放氣路，設定空氣流速為500 μmol·s-1，葉室溫度為25 ℃，測定時光照強度約為800～1 200 μmol·m-2·s-1。根據測得的上述光合參數計算氣孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表氣孔中CO2濃度，420 μmol·mol-1)；WUE=Pn/Tr。

1.3.3 產量及其構成因子測定

收獲后，考察各處理小麥產量及其構成因子。穗粒數多于5粒者為有效穗。對每盆全部脫粒、風干后計產，調查千粒重。每盆選取代表性植株10株，在室內調查所有穗的粒數，換算出平均穗粒數。不同穗位小穗劃分：基部穗位小穗(1～5小穗)、頂部穗位小穗(上部5個小穗)、中部穗位小穗(除基部和頂部小穗以外的小穗)，按常規考種法測定不同小穗位粒重。

1.3.4 籽粒養分含量及攜出量測定

收獲后，將小麥籽粒于70 ℃烘至恒重，粉碎過篩后采用濃硫酸-H2O2消煮，流動注射分析儀(德國布朗盧比公司生產)測定籽粒全氮、全磷含量，火焰光度計法測定全鉀含量。籽粒養分攜出量=籽粒養分含量×產量。

1.3.5 品質指標測定

采用Perten LM3100旋風磨制取全麥粉。稱取2.5 g麥粉樣品，采用雙波長比色法測定小麥籽粒直、支鏈及總淀粉含量；稱取0.2 g麥粉樣品，采用半微量凱氏定氮法測定蛋白質含量。稱取10 g麥粉樣品，采用瑞典Perten GM2200型面筋儀測定濕面筋含量及指數，按GB/T5506.2-2008測定。小麥籽粒的吸收率、面團形成時間、面團穩定時間等指標由瑞士Rerten公司生產的DA7200近紅外分析儀測定。

1.4 數據統計與分析

數據處理及作圖均采用Excel 2007軟件，方差分析采用SPSS 17.0軟件，差異顯著性檢驗采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 噴施不同生物刺激素對小麥旗葉面積和SPAD值的影響

5種生物刺激素處理的小麥旗葉面積顯著高于對照，增幅為20.1%～51.0%，以AOS處理增幅最大，其次是CB處理，其余3種生物刺激素處理間無顯著差異(圖1)。AOS和BHA處理的小麥旗葉SPAD值較對照均顯著增加，增幅分別為7.6%和5.7%，其余生物刺激素處理與對照間無顯著性差異。這說明，噴施生物刺激素可一定程度促進小麥旗葉生長和增加葉綠素含量，有利于光合作用。

2.2 噴施不同生物刺激素對小麥葉片光合特性的影響

5種生物刺激素處理中，AOS處理的小麥旗葉Pn、Ci和Gs較對照均顯著增加，增幅分別為18.5%、31.1%和54.5%，其余處理與對照差異不顯著或低于對照(表1)。AOS和AHA處理的Tr高于其余處理，且與較對照差異均顯著，增幅分別為12.9%和8.7%，其余處理低于或略高于對照。BHA、AA和AOS處理的WUE分別較對照增加8.2%、7.6%和5.0%，差異均顯著，其余處理與對照差異不明顯或低于對照。5種生物刺激素處理的Ls與對照差異均顯著，其中AOS和AHA處理顯著下降，其余處理均增加，說明AOS和AHA均明顯降低了氣孔因素對光合作用的限制。綜合來看，5種生物刺激素處理中，AOS處理對小麥光合作用的促進效果最佳。

圖柱上不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著。圖2同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in figure 2.

圖1 噴施不同生物刺激素對小麥旗葉面積和SPAD值的影響

Fig.1 Effect of spraying different biostimulants on flag leaf area and SPAD value in wheat

表1 噴施不同生物刺激素對小麥葉片光合特性的影響

同一列中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different small letters in the same columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in tables 2-5.

2.3 噴施生物刺激素對小麥株高、產量及其構成的影響

從表2數據來看，5種生物刺激素處理的小麥株高和穗粒數均顯著高于對照，其中株高增幅為 4.5%～8.7%，以AOS處理增幅最大，AA處理增幅最小；穗粒數增幅為15.9%～20.6%，以AOS、AHA和CB處理較高，但三者間無顯著差異。此外，BHA、AOS和AA處理的千粒重顯著高于對照，增幅分別為12.6%、11.5%和8.6%，但三者間無顯著差異。穗數在不同處理間差異不顯著。產量以AOS處理最高，其較對照增產 17.9%，其次是CB和BHA處理，分別較對照增產9.1%和 6.0%。由此可見，5種生物刺激素噴施可通過增加穗粒數和千粒重來提高產量，以AOS增產效果最好。

2.4 噴施不同生物刺激素對小麥結實特性的影響

5種生物刺激素處理的小麥頂部和中部小穗的粒重均顯著高于對照，增幅分別為9.0%～ 32.1%和 41.0%～71.7%，且二者均以AOS處理最大，AHA處理最小；BHA、AOS和AA處理的基部小穗的粒重也顯著高于對照，以BHA處理增幅最大(圖2)。5種生物刺激素處理的頂部和基部小穗的粒重所占比例較對照分別降低 5.7%～8.8%和9.4%～23.7%，其中AHA處理頂部小穗所占比例降幅最小，但基部小穗降幅最大；5種生物刺激素處理的中部小穗粒重所占比例則顯著高于對照，增幅為11.4%～ 21.9%，以AHA處理增幅最大，BHA處理增幅最小。這說明5種生物刺激素對小麥籽粒增重具有一定的促進作用，尤其是對中部和頂部小穗籽粒。

2.5 噴施不同生物刺激素對小麥籽粒養分含量及攜出量的影響

5種生物刺激素處理中，AHA處理的小麥籽粒氮含量最高，與對照無顯著差異，其余處理較對照降低6.3%～13.3%；CB處理的籽粒磷含量最高，與對照無顯著差異，其余處理顯著低于對照；5種生物刺激素處理的籽粒鉀含量均較對照顯著下降(表3)。AOS、CB和AHA處理的籽粒氮攜出量最高，AA處理最低；AOS和CB處理的籽粒磷攜出量最高，分別高于對照10.8%和8.3%，AA處理最低。5種生物刺激素處理的籽粒鉀攜出量均顯著低于對照，降幅為6.4%～28.0%，以AA處理降幅最大。總體來看，噴施生物刺激素后小麥籽粒養分含量稍有降低，尤其是鉀含量；AOS和CB處理的小麥籽粒氮和磷攜出量有所增加，鉀攜出量明顯降低。

表2 噴施不同生物刺激素對小麥產量及其構成因子的影響

圖2 噴施不同生物刺激素對小麥結實特性的影響

表3 噴施不同生物刺激素對小麥籽粒養分含量和攜出量的影響

2.6 噴施不同生物刺激素對小麥營養品質的影響

5種生物刺激素處理的小麥總淀粉含量較對照增加0.9%～4.8%，以BHA處理增幅最大，其余處理間無顯著差異(表4)。AHA和AOS處理的直鏈淀粉含量最低，分別較對照顯著降低 5.1%和3.9%；BHA、AHA和AOS處理的支鏈淀粉含量較對照顯著增加，增幅分別為6.2%、5.0%和3.9%，三者處理的直鏈淀粉在總淀粉中的所占比例和直/支比均顯著下降，且均以AHA處理降幅最大。AHA處理的濕面筋和干面筋含量均最高，分別較對照增加6.1%和 6.3%，其余處理則較對照顯著降低。CB和AA處理的面筋指數分別高于對照9.3%和3.9%，AHA處理較對照降低7.9%。蛋白質含量，除AHA處理外，其余處理較對照降低6.6%～ 13.4%，以CB處理降幅最小。這表明5種生物刺激素處理均能一定程度提高小麥籽粒總淀粉含量，BHA、AHA和AOS處理還可提高籽粒支鏈淀粉含量；除AHA處理外，其余生物刺激素處理的籽粒蛋白質含量則有不同程度降低。

表4 噴施不同生物刺激素對小麥營養品質的影響

2.7 噴施不同生物刺激素對小麥加工品質的 影響

5種生物刺激素中，CB處理的小麥籽粒水分含量最高，與對照無顯著差異，其余處理較對照下降0.19～0.42個百分點，以AA處理最低(表5)。5種生物刺激素處理的面團形成時間、吸水率、拉伸面積、穩定時間和最大拉伸阻力均顯著低于對照，降幅分別為 5.2%～13.6%、2.5%～ 4.6%、11.7%～42.9%、6.0%～28.7%和4.2%～25.5%，且均以AHA處理降幅最小。AA處理的拉伸長度顯著高于對照5.8%，CB處理較之顯著降低9.1%。該結果說明，噴施生物刺激素不利于小麥面筋形成，會導致面團形成時間、穩定時間和拉伸面積均有不同程度降低。

表5 噴施不同生物刺激素對小麥加工品質的影響

3 討 論

3.1 生物刺激素對小麥產量形成的調控

旗葉是小麥生育后期冠層的主要構成者，其光合作用對籽粒產量的貢獻可達41%～43%，而后期功能葉片的光合產物對籽粒的貢獻可達80%[18]。本研究結果顯示，噴施不同生物刺激素均可一定程度促進小麥旗葉的生長和提高SPAD值，增進光合作用和增產，其中以AOS處理效果最優。這與我們在菜心上的研究結果一致[19]。我們先前研究表明，AOS處理可通過增加光飽和點、降低光補償點，擴大光強可利用范圍[19]；并能提高葉片類囊體膜色素及其蛋白復合體含量，增加脂肪酸不飽和度，增強葉綠體ATPase活性，從而促進葉片對光能的捕獲及其轉化，提高其光能利用效率[20]，這可能也是本試驗中噴施AOS促進小麥光合作用的原因。此外，有報道，腐殖酸不僅是植物生長的營養來源，而且能直接或間接地參與多個生物化學過程而影響植物發育[21-22]。本試驗結果顯示，噴施BHA和AHA也可一定程度促進小麥增產，且BHA效果優于AHA。AA也被報道具有促進植株生長發育、增強抗逆性、改善土壤狀況和提高作物產量的作用[23]。如，吳良歡等[24]研究表明，在無菌水培條件下，等量的有機、無機態氮對水稻的營養效果依次為甘氨酸>谷氨酸>銨態氮；然而在小白菜上，噴施谷氨酸對產量和品質的改善效果則優于甘氨酸[25]。本試驗中，AA噴施處理在小麥上增產效果不顯著，可能與選用的氨基酸為復合氨基酸，種類組成與上述研究不同有關。

穗粒數和粒重是小麥構成產量的兩個重要因素，也能反映小麥結實狀況，因遺傳因素、營養物質供應水平、外界環境因素的影響不同呈現出不均衡性，從而導致其結實特性產生很大差異[26]。噴施植物生長調節劑已成為提高小麥粒重、增加粒數、提高產量的輕簡化栽培措施之一[27]。但由于受品種遺傳特性和環境條件的制約，粒重增加的幅度相對有限，提高穗粒數成為進一步提高小麥產量的關鍵[28]。有學者認為，小麥穗部粒數與粒重的分布具有近中優勢，即中部小穗無論是粒數還是粒重都具有明顯的優勢[29-30]。本試驗結果顯示，噴施5種生物刺激素均能顯著增加小麥的穗粒數及粒重，尤其是中部小穗和頂部小穗的籽粒，且能顯著增加中部小穗粒重所占比例，降低頂部和基部小穗粒重所占比例，這可能是促進小麥產量增加的主要原因。5種生物刺激素中，AOS處理效果最顯著，其頂部、中部和基部小穗粒重以及穗粒數均顯著增加。此外，小麥穗粒數的形成是小花分化、發育、退化和結實等一系列生理過程的最終體現，受光照、溫度及營養狀況的影響[31]。然而，本試驗對不同生物刺激素處理的小花分化和退化的動態特征未作解析，這有待下一步探討。

3.2 生物刺激素對小麥品質形成的調控

隨著人們生活水平的提高，在關注小麥產量的同時，對小麥品質也提出了越來越高的要求。基因型遺傳因素是小麥品質特性的基礎，但環境因素同樣影響小麥品質[32]。籽粒淀粉和蛋白質含量對小麥籽粒營養和加工品質起決定作用[18]。本試驗結果表明，5種生物刺激素處理均能一定程度提高小麥總淀粉含量，以BFA處理效果最優；此外，BHA、AHA和AOS處理還可提高支鏈淀粉含量，降低直/支比。前人研究表明，籽粒淀粉一般占小麥籽粒干重的65%～75%，其合成受蔗糖合成酶(SS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPase)和淀粉合成酶催化[33]。所需的光合產物分別來自光合器官生產的即時光合產物和營養器官中的貯存光合產物，其中后者又分為開花前貯存和開花后貯存兩部分[34]。我們先前在水稻上的研究結果顯示，施用AOS增效尿素可增強水稻葉和籽粒中SS、蔗糖合成酶(SUS)和ADPase活性，從而促進籽粒中蔗糖和淀粉積累[35]；在小麥上的研究結果顯示，AOS處理可促進小麥干物質的積累，尤其是在生育前期，并能提高收獲指數[36]。而本試驗中，AOS處理的Pn最大，其促進小麥淀粉積累可能與其誘導相關酶活性提高和光合產物增加有關。目前關于施用腐殖酸對小麥淀粉合成的影響報道較少。在水稻上，施用腐殖酸復合肥可提高水稻籽粒淀粉含量，降低直鏈淀粉含量[37-38]。本研究結果與其類似，但對其調控機制未作深入研究。此外，直鏈淀粉含量是影響面粉蒸煮品質的重要因素，一般條件下直鏈淀粉含量低，面條品質好，有韌性、黏性小[32]。本試驗中，除AA處理外，其余生物刺激素處理的小麥直鏈淀粉在總淀粉中所占比值均有不同程度下降，說明噴施生物刺激素可一定程度改善小麥的淀粉品質。

小麥籽粒蛋白質80%是貯藏蛋白，包括醇溶蛋白和麥谷蛋白兩種類型，其含量決定面團的彈性和延展性，從而影響面粉的加工品質[39-40]。本試驗中，除AHA外，其余生物刺激素處理的蛋白質、濕面筋和干面筋含量均顯著下降，這可能與籽粒中氮含量降低有關。面筋指數是面筋質量的綜合指標，面筋指數越大，面筋質量越好。本試驗中CB和AA處理的面筋指數顯著增加，說明施用這兩種生物刺激素可改善小麥的面筋質量。此外，面團穩定時間反映的是面團耐受機械攪拌的能力，面團的穩定時間長，說明面團的筋力強。拉伸面積越大，其所含的能量越大，面粉筋力越強，烘焙質量越好[40]。本研究中，不同生物刺激素處理的小麥面團形成時間、穩定時間和拉伸面積均顯著降低，說明噴施生物刺激素對小麥面筋形成造成不利的影響。姜小苓等[41]利用分離重組方法，組成不同面筋蛋白和淀粉含量的配粉，分析結果表明，隨著面筋蛋白添加量的增加，小麥粉配粉的面團穩定時間呈升高趨勢，而添加淀粉后，面團穩定時間則呈下降趨勢。本試驗中，生物刺激素對小麥面筋形成造成的不利影響，可能與淀粉含量增加、蛋白質含量降低有關。因此，農業生產中生物刺激素作葉面肥施用建議最好配施尿素和磷酸二氫鉀，以避免由于生長加快導致的養分及蛋白含量降低。綜合來看，5種生物刺激素中，以海藻酸鈉寡糖促生長效果最好，然而當前生產成本較高，腐殖酸類產品在價格上具有優勢，但應注意功能成分選擇。