功能性微生物菌肥對小麥生物學(xué)性狀、營養(yǎng)品質(zhì)的影響研究*

張學(xué)剛, 王連林, 龍素霞, 湛毅強(qiáng), 張麗英, 陳鐵成

(1.玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100;2.灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司 河北玉田 064109)

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏植甲顝V、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(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的20%以上[1],是我國主要的糧食作物和重要的商品糧、戰(zhàn)略儲備糧品種,在糧食生產(chǎn)、流通和消費(fèi)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(zhì)有了更高的要求[1]。

在小麥生產(chǎn)的十大病害中,條銹病的危害最大,流行嚴(yán)重的年份可造成小麥減產(chǎn)80%以上。近年來,白粉病隨著麥田肥水條件的改善及高產(chǎn)田群體密度的加大逐年加重。小麥?zhǔn)馨追鄄』驐l銹病危害后,呼吸作用增強(qiáng),蒸騰強(qiáng)度增大,光合效率降低,葉片早枯,分蘗和成穗率降低,千粒質(zhì)量下降,造成減產(chǎn)、品質(zhì)變差。傳統(tǒng)的防治方法多在發(fā)病后噴灑農(nóng)藥,效果較差,故提早預(yù)防已成為當(dāng)前小麥產(chǎn)區(qū)的主要工作。

在優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的市場背景下,農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)逐步引起社會各界的關(guān)注。灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司結(jié)合河北省科技廳重大科技成果轉(zhuǎn)化專項《稀土微量元素螯合多功能顆粒有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用》,開發(fā)了功能性復(fù)合抗病微生物菌劑,2021—2022年將菌劑添加到有機(jī)肥中并以小麥為對象開展了試驗、示范,結(jié)果表明該功能性微生物菌肥可促進(jìn)小麥的生長發(fā)育,增產(chǎn)提質(zhì)效果顯著,為今后大面積推廣應(yīng)用提供了參考。

1 功能性復(fù)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(fā)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(jīng)培養(yǎng)、純化,得到功能性生防菌FTB-K2、FTB-N1。經(jīng)深圳海一時代基因科技有限公司形態(tài)學(xué)觀察、生理生化鑒定及16S rDNA序列分析并對菌種進(jìn)行鑒定,結(jié)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(yè)微生物菌種工程技術(shù)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(qiáng),繼代培養(yǎng)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(guān)應(yīng)用實踐,FTB-K2對植物具有明顯的促生作用,能夠促進(jìn)植物種子的萌發(fā)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(kuò)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(diào)節(jié)至pH為7.0,制得培養(yǎng)基。

(2)在25～30 ℃條件下,活化并培養(yǎng)菌株48～56 h后,挑選具有特基拉芽孢桿菌的優(yōu)勢菌株在培養(yǎng)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(yīng)用時在無菌接種箱中挑取少許,接入瓊脂斜面培養(yǎng)基上,在25 ℃(或較高溫度)下培養(yǎng)5～7 d。

(4)將培養(yǎng)成熟的斜面孢子制成懸浮液,再接種到扁瓶固體培養(yǎng)基上,于25～28 ℃培養(yǎng)14 d;將成熟的扁瓶孢子在真空中抽干,使水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)上延續(xù)使用半年左右,生產(chǎn)中接種量一般為10%～20%。

1.2.2 FTB-N1

相關(guān)信息顯示,FTB-N1的主要生物學(xué)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(chǎn)生對病原菌、線蟲等病害的生防物質(zhì),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(qiáng)的拮抗作用,是一種新型的生防細(xì)菌[6]。以下為FTB-N1的主要擴(kuò)繁方式。

培養(yǎng)基:營養(yǎng)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(kuò)繁工藝流程:先將菌株接種于LB液體培養(yǎng)基中,在30 ℃、轉(zhuǎn)速180 r/min條件下振蕩培養(yǎng)48 h至對數(shù)期,得到種子液;種子液中含有的溶桿菌菌落數(shù)達(dá)到1 000萬/mL時,標(biāo)定為種子液培養(yǎng)結(jié)束;按10 mL接種1 mL的比例,將種子液接種至營養(yǎng)肉汁瓊脂培養(yǎng)基中,在溫度30 ℃、轉(zhuǎn)速180 r/min條件下?lián)u床培養(yǎng)72 h,得到溶桿菌FTB-N1的發(fā)酵液,當(dāng)菌體數(shù)量達(dá)到20億/mL以上時發(fā)酵結(jié)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(yǎng)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(nèi)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(fù)合微生物菌劑的配制

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

經(jīng)試驗研究,功能性復(fù)合微生物菌劑中解淀粉芽孢桿菌、FTB-K2、FTB-N1的質(zhì)量復(fù)配比為4∶3∶3,主要生產(chǎn)工藝流程為單一菌種擴(kuò)繁→保存→按設(shè)計比例添加→攪拌復(fù)合→灌裝,功能性微生物菌肥生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 功能性微生物菌肥生產(chǎn)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(shè)在河北省玉田縣散水頭鎮(zhèn)小稻地村,示范田設(shè)在河北省玉田縣亮甲店鎮(zhèn)孔五官屯村。試驗、示范田地塊地勢平整,灌水條件好。該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)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(chǎn)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(qiáng)6號;示范田供試作物為冬小麥,品種為濟(jì)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(yǎng)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(qiáng)度8.5 N/m2以上,w(有機(jī)質(zhì))≥40%,有效活菌數(shù)≥5億/g,灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。

(2)粉狀功能性微生物菌肥:w(有機(jī)質(zhì))≥40%,有效活菌數(shù)≥5億/g,灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)。

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

(4)小麥追肥:尿素,w(N)≥46%,唐山邦力晉銀化工有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗、示范設(shè)計

試驗、示范采用同田對比,四周設(shè)保護(hù)區(qū),設(shè)3個處理,每個處理3次重復(fù),每個小區(qū)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(fā)育進(jìn)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(jìn)入起身拔節(jié)期,5月15日進(jìn)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(jìn)入越冬期,2022年3月10日進(jìn)入返青期,4月18日進(jìn)入拔節(jié)孕穗期,5月10日進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果與分析

3.1 不同施肥處理對小麥生物學(xué)性狀的影響

合理的密度群體,輔以較大的葉面積系數(shù),是保證農(nóng)作物高產(chǎn)的關(guān)鍵。在試驗、示范中,通過對春小麥、冬小麥全生育期田間調(diào)查發(fā)現(xiàn),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(jìn)植株穩(wěn)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(fā)現(xiàn):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(jié)期,處理1的畝株數(shù)與CK處理的基本相同,葉面積系數(shù)增加0.11,增幅7.24%;在抽穗揚(yáng)花期,處理1的畝株數(shù)較CK處理的減少3.37萬株,但葉面積系數(shù)增加0.83,增幅26.69%;在灌漿期,處理1的葉面積系數(shù)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(jié)期,處理2的畝株數(shù)較CK處理的增加1.62萬株,葉面積系數(shù)增加0.22,增幅14.47%;在抽穗揚(yáng)花期,處理2的畝株數(shù)較CK處理的增加1.43萬株,葉面積系數(shù)增加1.91,增幅61.41%;在灌漿期,處理2的葉面積系數(shù)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(jié)期,處理1的畝株數(shù)較CK處理的增加17.91萬株,葉面積系數(shù)增加0.59,增幅分別為34.21%、19.22%;在抽穗揚(yáng)花期,處理1的畝株數(shù)較CK處理的增加5.93萬株,葉面積系數(shù)增加0.20,增幅分別為12.22%、6.04%;在灌漿期,處理1的畝株數(shù)較CK處理的增加6.12萬株,葉面積系數(shù)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(jié)期,處理2的畝株數(shù)較CK處理的增加7.66萬株,葉面積系數(shù)增加0.21,增幅分別為14.63%、6.84%;在抽穗揚(yáng)花期,處理2的畝株數(shù)較CK處理的增加7.86萬株,葉面積系數(shù)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(shù)較CK處理的增加4.88萬株,葉面積系數(shù)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(fā)育指標(biāo)的觀測,在春小麥生產(chǎn)中施用粉狀功能性微生物菌肥的效果較好,在冬小麥生產(chǎn)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(yōu)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(fā)育均具有較好的促進(jìn)作用。其主要原因可能與小麥生長期長短有關(guān),因為微生物菌劑活性發(fā)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(yǎng)分釋放和同化、作物養(yǎng)分吸收以及葉綠素、糖和淀粉的合成等有關(guān)。

3.2 不同施肥處理對小麥群體、個體發(fā)育情況的影響

通過對抽穗揚(yáng)花期試驗、示范田小麥群體及個體發(fā)育情況的調(diào)查分析,結(jié)果表明:施用功能性微生物菌肥對冬小麥群體、個體發(fā)育均有良好的促進(jìn)作用,在基本苗基本一致的條件下,群體發(fā)育協(xié)調(diào),單株分蘗成穗數(shù)提高,處理1、2的單株分蘗成穗數(shù)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(yáng)花期不同施肥處理的小麥群體、個體發(fā)育情況見表4。

表4 抽穗揚(yáng)花期不同施肥處理的小麥群體、個體發(fā)育情況

3.3 不同施肥處理對小麥產(chǎn)量的影響

通過采用3點取樣法,對試驗、示范田產(chǎn)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查,處理1、2不僅改善了小麥的生物學(xué)性狀,而且對產(chǎn)量構(gòu)成三要素也發(fā)揮了較好的促進(jìn)作用,結(jié)果見表5。

表5 不同施肥處理的小麥成熟期產(chǎn)量調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)

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

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

對不同施肥處理的產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果進(jìn)行方差分析(見表6),結(jié)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(chǎn)量指標(biāo)方差分析結(jié)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(guān)鍵時期(齊穗期),依據(jù)《小麥白粉病測報調(diào)查規(guī)范》(NY/T 613—2002)、《小麥葉銹病測報調(diào)查規(guī)范》(NY/T 617—2002),按下述方法進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)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?yōu)榛疑?患葉銹病的小麥葉片或莖稈上產(chǎn)生多層輪狀排列的鮮黃色夏孢子堆,成株葉片初發(fā)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(xiàn)銹色粉狀物,用手觸摸病斑,手上粘有銹粉。

(2)分級標(biāo)準(zhǔn):按病葉嚴(yán)重度設(shè)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(shè)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(fā)病但嚴(yán)重程度低于1%的,記為1%。

(3)病情指數(shù)的計算:病情指數(shù)=100×∑(各級病葉數(shù)×各級代表值)/(調(diào)查總?cè)~數(shù)×最高級代表值)。

(4)調(diào)查方法:每個處理調(diào)查3個點,每點隨機(jī)抽取30株,調(diào)查全部葉片的發(fā)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(jìn)行調(diào)查,結(jié)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(diào)查結(jié)果

表7的結(jié)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(shù)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(shù)低2.14～2.20。試驗、示范結(jié)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(zhì)的影響

多項指標(biāo)可以用來衡量小麥的品質(zhì),常規(guī)的優(yōu)質(zhì)麥主要檢測籽粒容重、蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、面粉吸水率、面團(tuán)穩(wěn)定時間、最大拉伸阻力、延伸性、拉伸面積等,但從營養(yǎng)品質(zhì)的角度,更需關(guān)注各種對人體有益或有害元素的含量。在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院從事施肥與營養(yǎng)方面研究專家的支持下,對不同施肥處理的小麥營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)指標(biāo)的檢測,結(jié)果見表8和表9。

表8 不同施肥處理的小麥營養(yǎng)品質(zhì)檢測結(jié)果

表9 不同施肥處理的小麥中重金屬含量檢測結(jié)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(tài)微量元素有關(guān);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(xiàn)下降,其原因可能與小區(qū)發(fā)病率偏高、灌漿不飽滿有關(guān);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(yǎng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本投入、經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)投比等方面分析,增施功能性微生物菌肥、適當(dāng)減少大量元素肥料的投入,可取得顯著的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益分析見表10。

表10 不同施肥處理的經(jīng)濟(jì)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(jié)語

(1)合理開發(fā)功能性微生物菌肥并有效利用是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)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(jī)械化施用,農(nóng)戶易于接受,將對施肥結(jié)構(gòu)的改變起到積極的引導(dǎo)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(diào)減農(nóng)藥用量、增產(chǎn)、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(jìn)小麥葉片、穗分化以及各個器官的生長發(fā)育具有明顯的促進(jìn)作用,葉面積系數(shù)增幅4.14%～61.41%,增加單株分蘗成穗數(shù)-0.10～0.25個,增產(chǎn)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(diào)查,從實際生產(chǎn)應(yīng)用考慮,有必要根據(jù)產(chǎn)品的推廣應(yīng)用情況對其進(jìn)行深入的調(diào)查研究。