功能性微生物菌肥對小麥生物學性狀、營養品質的影響研究*

張學剛, 王連林, 龍素霞, 湛毅強, 張麗英, 陳鐵成

(1.玉田縣農業農村局 河北玉田 064100;2.灃田寶農業科技有限公司 河北玉田 064109)

小麥是世界上分布最廣、種植面積最大、商品率最高的糧食作物,小麥種植面積占我國糧食作物種植總面積的22%左右,產量占糧食總產量的20%以上[1],是我國主要的糧食作物和重要的商品糧、戰略儲備糧品種,在糧食生產、流通和消費中具有重要的地位。隨著人們生活水平的不斷提升,人們對小麥的品質有了更高的要求[1]。

在小麥生產的十大病害中,條銹病的危害最大,流行嚴重的年份可造成小麥減產80%以上。近年來,白粉病隨著麥田肥水條件的改善及高產田群體密度的加大逐年加重。小麥受白粉病或條銹病危害后,呼吸作用增強,蒸騰強度增大,光合效率降低,葉片早枯,分蘗和成穗率降低,千粒質量下降,造成減產、品質變差。傳統的防治方法多在發病后噴灑農藥,效果較差,故提早預防已成為當前小麥產區的主要工作。

在優質優價的市場背景下,農產品的營養品質逐步引起社會各界的關注。灃田寶農業科技有限公司結合河北省科技廳重大科技成果轉化專項《稀土微量元素螯合多功能顆粒有機肥產業化與應用》,開發了功能性復合抗病微生物菌劑,2021—2022年將菌劑添加到有機肥中并以小麥為對象開展了試驗、示范,結果表明該功能性微生物菌肥可促進小麥的生長發育,增產提質效果顯著,為今后大面積推廣應用提供了參考。

1 功能性復合微生物菌劑的研制與特性

1.1 菌種的篩選

在小麥條銹病、白粉病發病較重的麥田選擇健康植株葉片,采用平板涂布法篩選抗病微生物生防菌株,經培養、純化,得到功能性生防菌FTB-K2、FTB-N1。經深圳海一時代基因科技有限公司形態學觀察、生理生化鑒定及16S rDNA序列分析并對菌種進行鑒定,結果表明FTB-K2為特基拉芽孢桿菌,FTB-N1為溶桿菌的一種。這2株菌株于2021年4月9日由河南省工業微生物菌種工程技術研究中心入庫保存,保存編號分別為BNCC357969和BNCC35022。

1.2 篩選菌種的功能特性

1.2.1 FTB-K2

生物活性測定表明,FTB-K2繁殖速率快,增殖能力強,繼代培養20代后,對稻瘟病菌絲的抑制效果為80.46%±0.83%[2-3]。綜合相關應用實踐,FTB-K2對植物具有明顯的促生作用,能夠促進植物種子的萌發以及植物根、莖的生長,同時具有高效、廣譜的抗植物病菌作用[4-5]。FTB-K2的主要擴繁方式如下:

(1)取酵母提取物5.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化鈉 10.0 g、瓊脂15.0 g、蒸餾水1.0 L,調節至pH為7.0,制得培養基。

(2)在25～30 ℃條件下,活化并培養菌株48～56 h后,挑選具有特基拉芽孢桿菌的優勢菌株在培養基中制備種子菌。

(3)種子菌制備后保存在沙土管或冷凍管中,應用時在無菌接種箱中挑取少許,接入瓊脂斜面培養基上,在25 ℃(或較高溫度)下培養5～7 d。

(4)將培養成熟的斜面孢子制成懸浮液,再接種到扁瓶固體培養基上,于25～28 ℃培養14 d;將成熟的扁瓶孢子在真空中抽干,使水的質量分數降至10%以下,并放入4 ℃冰箱中備用;一次制得的孢子可在生產上延續使用半年左右,生產中接種量一般為10%～20%。

1.2.2 FTB-N1

相關信息顯示,FTB-N1的主要生物學特性為革蘭氏染色陰性、桿狀、氧化酶陽性、過氧化氫酶陰性,能產生對病原菌、線蟲等病害的生防物質,對稻瘟病菌、番茄灰霉菌、小麥紋枯菌、番茄早疫病菌、蘋果干腐病菌、灰霉菌、小麥全蝕菌、鏈格胞菌、水稻紋枯病菌、蕓薹根腫菌等植物病原菌有很強的拮抗作用,是一種新型的生防細菌[6]。以下為FTB-N1的主要擴繁方式。

培養基:營養肉汁瓊脂,主要組分為牛肉膏3.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化鈉5.0 g、瓊脂15.0 g、蒸餾水1.0 L,pH為7.0,121 ℃高溫滅菌15 min。

主要擴繁工藝流程:先將菌株接種于LB液體培養基中,在30 ℃、轉速180 r/min條件下振蕩培養48 h至對數期,得到種子液;種子液中含有的溶桿菌菌落數達到1 000萬/mL時,標定為種子液培養結束;按10 mL接種1 mL的比例,將種子液接種至營養肉汁瓊脂培養基中,在溫度30 ℃、轉速180 r/min條件下搖床培養72 h,得到溶桿菌FTB-N1的發酵液,當菌體數量達到20億/mL以上時發酵結束。

FTB-N1為需氧芽孢桿菌,最適宜的生長繁殖溫度為56～65 ℃,培養24 h即可形成菌落,37 ℃時24 h看不到菌落;熱死亡時間為121 ℃,3.9 min陽性,19 min陰性;在冰箱內4 ℃下保存一年,抗力無明顯下降,在常溫(20 ℃左右)可保存30 d。

1.3 功能性復合微生物菌劑的配制

為完善功能性復合微生物菌劑的功效,在菌種組合設計中將具有活化磷、鉀,抗病抑菌,改土,促進作物生長的解淀粉芽孢桿菌融合其中,使復合微生物菌劑在發揮抗病微生物功效的同時,具有抗逆防衰、促進生長、改良土壤、增進肥力、降低農殘、增加產量的作用。

經試驗研究,功能性復合微生物菌劑中解淀粉芽孢桿菌、FTB-K2、FTB-N1的質量復配比為4∶3∶3,主要生產工藝流程為單一菌種擴繁→保存→按設計比例添加→攪拌復合→灌裝,功能性微生物菌肥生產工藝流程見圖1。

圖1 功能性微生物菌肥生產工藝流程

2 試驗、示范研究的基本情況

2.1 材料與方法

2.1.1 試驗、示范田概況

試驗田設在河北省玉田縣散水頭鎮小稻地村,示范田設在河北省玉田縣亮甲店鎮孔五官屯村。試驗、示范田地塊地勢平整,灌水條件好。該地區屬北溫帶大陸性季風氣候,年均降水量693.1 mm,春季、夏季、秋季、冬季降水量分別占全年降水量的10.9%、73.6%、13.8%、1.7%,年平均溫度11.2 ℃,年平均無霜期193 d。試驗、示范田土壤基本理化性狀見表1。

表1 試驗、示范田土壤基本理化性狀

試驗、示范田前茬作物均為玉米,產量為525～550 kg/畝(1畝=667 m2);試驗田供試作物為春小麥,品種為津強6號;示范田供試作物為冬小麥,品種為濟麥22。

2.1.2 試驗、示范材料

試驗、示范材料主要為顆粒狀功能性微生物菌肥、粉狀功能性微生物菌肥、小麥專用肥、小麥追肥,主要養分含量及性狀特征如下。

(1)顆粒狀功能性微生物菌肥:粒徑3.5～5.0 mm,顆粒強度8.5 N/m2以上,w(有機質)≥40%,有效活菌數≥5億/g,灃田寶農業科技有限公司生產。

(2)粉狀功能性微生物菌肥:w(有機質)≥40%,有效活菌數≥5億/g,灃田寶農業科技有限公司生產。

(3)小麥專用肥:N∶P2O5∶K2O=18∶15∶12,灃田寶農業科技有限公司生產。

(4)小麥追肥:尿素,w(N)≥46%,唐山邦力晉銀化工有限公司生產。

2.2 試驗、示范設計

試驗、示范采用同田對比,四周設保護區,設3個處理,每個處理3次重復,每個小區占地面積1畝。各處理施肥種類及用量見表2。

表2 試驗、示范各處理施肥種類及用量

2.3 試驗、示范管理

2.3.1 生育期發育進程

試驗田:春小麥2020年3月2日播種,3月17日出苗,4月10日進入起身拔節期,5月15日進入抽穗灌漿期,6月25日收獲。

示范田:冬小麥2021年10月5日播種,10月13日出苗,12月1日進入越冬期,2022年3月10日進入返青期,4月18日進入拔節孕穗期,5月10日進入抽穗灌漿期,6月22日收獲。

2.3.2 主要管理措施

灌溉與追肥:①春小麥2020年3月3日澆蒙頭水1次,4月15日澆起身拔節水1次,5月15日澆灌漿水1次,全生育期未追肥,共澆水3次;②冬小麥2021年10月6日澆蒙頭水1次,12月4日澆封凍水1次,2022年4月1日澆返青后第一水1次并追施尿素10 kg/畝,5月8日澆拔節抽穗水1次,6月2日澆灌漿水1次,全生育期共澆水5次。

除草:春小麥于2020年4月10日、冬小麥于2022年4月12日采用2,4-滴丁酯除草1次。

除蟲:春小麥、冬小麥分別在生長季節的5月下旬每畝用10%吡蟲啉可濕性粉劑+2.5%高效氯氟氰菊酯水乳劑防治小麥蚜蟲、吸漿蟲等。

3 結果與分析

3.1 不同施肥處理對小麥生物學性狀的影響

合理的密度群體,輔以較大的葉面積系數,是保證農作物高產的關鍵。在試驗、示范中,通過對春小麥、冬小麥全生育期田間調查發現,施用功能性微生物菌肥具有增大葉面積、改善光合作用、提高小麥抗病性、促進植株穩健生長的作用。各生育時期不同施肥處理的小麥葉面積見表3。

表3 各生育時期不同施肥處理的小麥葉面積

由表3可以發現:春小麥處理1的單株分蘗較CK處理的增加0.03個,苗期畝基本苗減少0.77萬株;在拔節期,處理1的畝株數與CK處理的基本相同,葉面積系數增加0.11,增幅7.24%;在抽穗揚花期,處理1的畝株數較CK處理的減少3.37萬株,但葉面積系數增加0.83,增幅26.69%;在灌漿期,處理1的葉面積系數較CK處理的增加0.22,增幅9.73%。

春小麥處理2的單株分蘗較CK處理的增加0.07個,苗期畝基本苗較CK處理的減少0.58萬株;在拔節期,處理2的畝株數較CK處理的增加1.62萬株,葉面積系數增加0.22,增幅14.47%;在抽穗揚花期,處理2的畝株數較CK處理的增加1.43萬株,葉面積系數增加1.91,增幅61.41%;在灌漿期,處理2的葉面積系數較CK處理的增加0.13,增幅5.75%。

冬小麥在苗期畝基本苗相同的情況下,處理1的單株分蘗較CK處理的增加0.56個;在拔節期,處理1的畝株數較CK處理的增加17.91萬株,葉面積系數增加0.59,增幅分別為34.21%、19.22%;在抽穗揚花期,處理1的畝株數較CK處理的增加5.93萬株,葉面積系數增加0.20,增幅分別為12.22%、6.04%;在灌漿期,處理1的畝株數較CK處理的增加6.12萬株,葉面積系數增加0.14,增幅分別為13.43%、4.14%。

冬小麥處理2的單株分蘗較CK處理的增加0.25個;在拔節期,處理2的畝株數較CK處理的增加7.66萬株,葉面積系數增加0.21,增幅分別為14.63%、6.84%;在抽穗揚花期,處理2的畝株數較CK處理的增加7.86萬株,葉面積系數增加0.44,增幅分別為長16.20%、13.29%;在灌漿期,處理2的畝株數較CK處理的增加4.88萬株,葉面積系數增加0.31,增幅分別為10.71%、9.17%。

通過對小麥不同生育時期單株分蘗、成穗、葉面積等生長發育指標的觀測,在春小麥生產中施用粉狀功能性微生物菌肥的效果較好,在冬小麥生產中施用顆粒狀微生物菌肥的效果較好,2種功能性微生物菌肥的效果均優于小麥專用肥的,不同類型的功能性微生物菌肥對小麥葉片發育均具有較好的促進作用。其主要原因可能與小麥生長期長短有關,因為微生物菌劑活性發揮與菌落形成需要一定的時間,而生物群體建成與光合作用、肥料養分釋放和同化、作物養分吸收以及葉綠素、糖和淀粉的合成等有關。

3.2 不同施肥處理對小麥群體、個體發育情況的影響

通過對抽穗揚花期試驗、示范田小麥群體及個體發育情況的調查分析,結果表明:施用功能性微生物菌肥對冬小麥群體、個體發育均有良好的促進作用,在基本苗基本一致的條件下,群體發育協調,單株分蘗成穗數提高,處理1、2的單株分蘗成穗數較CK處理的分別提高0.18、0.25個,株高無明顯差異;在春小麥上,不同施肥處理的群體、個體差異不明顯,但施用功能性微生物菌肥對降低株高有一定的效果。抽穗揚花期不同施肥處理的小麥群體、個體發育情況見表4。

表4 抽穗揚花期不同施肥處理的小麥群體、個體發育情況

3.3 不同施肥處理對小麥產量的影響

通過采用3點取樣法,對試驗、示范田產量結構進行調查,處理1、2不僅改善了小麥的生物學性狀,而且對產量構成三要素也發揮了較好的促進作用,結果見表5。

表5 不同施肥處理的小麥成熟期產量調查統計數據

由表5可知:春小麥處理1的畝穗數較CK處理的平均減少2.9萬株,單穗粒數平均增加4.0粒,千粒質量平均增加0.6 g,平均增產23.8 kg/畝,增產率為6.99%;處理2的畝穗數較CK處理的平均增加1.3萬株,單穗粒數平均增加1.1粒,千粒質量平均增加0.3 g,增產26.3 kg/畝,增產率為7.72%。

冬小麥處理1的平均畝穗數較CK處理的增加6.1萬株,單穗粒數平均增加1.4粒,千粒質量平均減少1.5 g,平均增產84.6 kg/畝,增產率為15.97%;處理2的畝穗數較CK處理的平均增加4.9萬株,單穗粒數平均增加1.6粒,千粒質量平均減少1.7 g,平均增產62.4 kg/畝,增產率為11.78%。

對不同施肥處理的產量調查結果進行方差分析(見表6),結果表明不同施肥處理間的差異不顯著。

表6 不同施肥處理的小麥產量指標方差分析結果

3.4 不同施肥處理對小麥抗病性能的影響

為檢驗功能性微生物菌肥在提高小麥抗病性能方面的效果,在小麥生長的關鍵時期(齊穗期),依據《小麥白粉病測報調查規范》(NY/T 613—2002)、《小麥葉銹病測報調查規范》(NY/T 617—2002),按下述方法進行了詳細調查。

(1)癥狀判別:患白粉病的小麥葉片病斑部位有絲狀白色霉點,隨小麥生長表面覆蓋的霉層逐漸加厚,似絨毛狀,顏色由白色逐漸變為灰色;患葉銹病的小麥葉片或莖稈上產生多層輪狀排列的鮮黃色夏孢子堆,成株葉片初發病時夏孢子堆為小長條狀、鮮黃色、橢圓形,與葉脈平行,且排列成行,后期表皮破裂,出現銹色粉狀物,用手觸摸病斑,手上粘有銹粉。

(2)分級標準:按病葉嚴重度設定,即病葉上病斑菌絲層覆蓋葉片面積占葉片總面積的比率,共設8個等級,分別用1%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%表示;對處于等級之間的病情則取其接近值;雖已發病但嚴重程度低于1%的,記為1%。

(3)病情指數的計算:病情指數=100×∑(各級病葉數×各級代表值)/(調查總葉數×最高級代表值)。

(4)調查方法:每個處理調查3個點,每點隨機抽取30株,調查全部葉片的發病情況。

2021年5月18日和2022年5月16日分別對試驗田和示范田不同施肥處理的小麥白粉病、葉銹病病情進行調查,結果見表7。

表7 齊穗期不同施肥處理的小麥白粉病、葉銹病病情調查結果

表7的結果顯示:春小麥處理1、2的病株率比CK處理的低10.00%～20.00%,病葉率低7.11%～7.83%,病情指數低1.25～1.36;冬小麥處理1、2的病株率比CK處理的低6.67%～13.33%,病葉率低6.47%～8.66%,病情指數低2.14～2.20。試驗、示范結果表明,功能性微生物菌肥對提高小麥的抗病能力具有一定的效果。

3.5 不同施肥處理對小麥品質的影響

多項指標可以用來衡量小麥的品質,常規的優質麥主要檢測籽粒容重、蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、面粉吸水率、面團穩定時間、最大拉伸阻力、延伸性、拉伸面積等,但從營養品質的角度,更需關注各種對人體有益或有害元素的含量。在中國農業科學院從事施肥與營養方面研究專家的支持下,對不同施肥處理的小麥營養品質進行了相關指標的檢測,結果見表8和表9。

表8 不同施肥處理的小麥營養品質檢測結果

表9 不同施肥處理的小麥中重金屬含量檢測結果 mg/kg

從表8、表9可知:施用功能性微生物菌肥后,小麥中的全氮、全磷含量增加,增幅為1.25%～46.84%;全鉀含量有3個處理是增加的,增幅為2.76%～40.41%,1個處理的降幅為11.80%;微量元素全鐵、全鋅含量的增幅為6.90%～75.18%,各處理間的變化幅度較大;冬小麥的全錳含量變化較大,處理1、2的全錳含量較CK處理的增加6.00～13.87倍,其原因可能與肥料中添加了螯合態微量元素有關;全銅含量的變化趨勢與全鉀含量基本一致,僅春小麥處理2出現下降,其原因可能與小區發病率偏高、灌漿不飽滿有關;小麥中對人體有害的全鎘、全鎳、全鉛、全鉻等的含量普遍降低,降幅為8.22%～86.35%,表明功能性微生物菌肥對提高植物營養吸收、降解土壤及肥料中的重金屬具有一定的作用。

3.6 投入成本分析

從農業生產的成本投入、經濟效益、產投比等方面分析,增施功能性微生物菌肥、適當減少大量元素肥料的投入,可取得顯著的經濟效益。按顆粒功能性微生物菌肥1 280元/t、粉狀功能性微生物菌肥850元/t、小麥專用肥3 750元/t、尿素2 000元/t、小麥3元/kg計,不同施肥處理的經濟效益分析見表10。

表10 不同施肥處理的經濟效益分析

由表10可知:春小麥處理1、2在畝投入較CK處理減少12.5～22.0元的情況下,凈利潤增加91.4～93.4元/畝,單位投入增加0.24～0.27元;冬小麥處理1、2在畝投入較CK處理減少12.5～22.0元的情況下,凈利潤增加199.7～275.8元/畝,單位投入增加0.40～0.59元。

4 結語

(1)合理開發功能性微生物菌肥并有效利用是未來農業生產發展的需求。在減少大量元素化肥用量60%以上的情況下,增施功能性微生物菌肥,特別是顆粒功能性微生物菌肥,便于機械化施用,農戶易于接受,將對施肥結構的改變起到積極的引導作用。實踐證明,施用功能性微生物菌肥對提高植物抗病性能、調減農藥用量、增產、增收效果顯著。

(2)田間試驗、示范表明,功能性微生物菌肥對促進小麥葉片、穗分化以及各個器官的生長發育具有明顯的促進作用,葉面積系數增幅4.14%～61.41%,增加單株分蘗成穗數-0.10～0.25個,增產幅度6.99%～15.97%。

(3)試驗、示范研究未開展功能性微生物菌肥在改良土壤方面的調查,從實際生產應用考慮,有必要根據產品的推廣應用情況對其進行深入的調查研究。