功能性微生物菌肥对小麦生物学性状、营养品质的影响研究*

张学刚, 王连林, 龙素霞, 湛毅强, 张丽英, 陈铁成

(1.玉田县农业农村局 河北玉田 064100;2.沣田宝农业科技有限公司 河北玉田 064109)

小麦是世界上分布最广、种植面积最大、商品率最高的粮食作物,小麦种植面积占我国粮食作物种植总面积的22%左右,产量占粮食总产量的20%以上[1],是我国主要的粮食作物和重要的商品粮、战略储备粮品种,在粮食生产、流通和消费中具有重要的地位。随着人们生活水平的不断提升,人们对小麦的品质有了更高的要求[1]。

在小麦生产的十大病害中,条锈病的危害最大,流行严重的年份可造成小麦减产80%以上。近年来,白粉病随着麦田肥水条件的改善及高产田群体密度的加大逐年加重。小麦受白粉病或条锈病危害后,呼吸作用增强,蒸腾强度增大,光合效率降低,叶片早枯,分蘖和成穗率降低,千粒质量下降,造成减产、品质变差。传统的防治方法多在发病后喷洒农药,效果较差,故提早预防已成为当前小麦产区的主要工作。

在优质优价的市场背景下,农产品的营养品质逐步引起社会各界的关注。沣田宝农业科技有限公司结合河北省科技厅重大科技成果转化专项《稀土微量元素螯合多功能颗粒有机肥产业化与应用》,开发了功能性复合抗病微生物菌剂,2021—2022年将菌剂添加到有机肥中并以小麦为对象开展了试验、示范,结果表明该功能性微生物菌肥可促进小麦的生长发育,增产提质效果显著,为今后大面积推广应用提供了参考。

1 功能性复合微生物菌剂的研制与特性

1.1 菌种的筛选

在小麦条锈病、白粉病发病较重的麦田选择健康植株叶片,采用平板涂布法筛选抗病微生物生防菌株,经培养、纯化,得到功能性生防菌FTB-K2、FTB-N1。经深圳海一时代基因科技有限公司形态学观察、生理生化鉴定及16S rDNA序列分析并对菌种进行鉴定,结果表明FTB-K2为特基拉芽孢杆菌,FTB-N1为溶杆菌的一种。这2株菌株于2021年4月9日由河南省工业微生物菌种工程技术研究中心入库保存,保存编号分别为BNCC357969和BNCC35022。

1.2 筛选菌种的功能特性

1.2.1 FTB-K2

生物活性测定表明,FTB-K2繁殖速率快,增殖能力强,继代培养20代后,对稻瘟病菌丝的抑制效果为80.46%±0.83%[2-3]。综合相关应用实践,FTB-K2对植物具有明显的促生作用,能够促进植物种子的萌发以及植物根、茎的生长,同时具有高效、广谱的抗植物病菌作用[4-5]。FTB-K2的主要扩繁方式如下:

(1)取酵母提取物5.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化钠 10.0 g、琼脂15.0 g、蒸馏水1.0 L,调节至pH为7.0,制得培养基。

(2)在25～30 ℃条件下,活化并培养菌株48～56 h后,挑选具有特基拉芽孢杆菌的优势菌株在培养基中制备种子菌。

(3)种子菌制备后保存在沙土管或冷冻管中,应用时在无菌接种箱中挑取少许,接入琼脂斜面培养基上,在25 ℃(或较高温度)下培养5～7 d。

(4)将培养成熟的斜面孢子制成悬浮液,再接种到扁瓶固体培养基上,于25～28 ℃培养14 d;将成熟的扁瓶孢子在真空中抽干,使水的质量分数降至10%以下,并放入4 ℃冰箱中备用;一次制得的孢子可在生产上延续使用半年左右,生产中接种量一般为10%～20%。

1.2.2 FTB-N1

相关信息显示,FTB-N1的主要生物学特性为革兰氏染色阴性、杆状、氧化酶阳性、过氧化氢酶阴性,能产生对病原菌、线虫等病害的生防物质,对稻瘟病菌、番茄灰霉菌、小麦纹枯菌、番茄早疫病菌、苹果干腐病菌、灰霉菌、小麦全蚀菌、链格胞菌、水稻纹枯病菌、芸薹根肿菌等植物病原菌有很强的拮抗作用,是一种新型的生防细菌[6]。以下为FTB-N1的主要扩繁方式。

培养基:营养肉汁琼脂,主要组分为牛肉膏3.0 g、蛋白胨10.0 g、氯化钠5.0 g、琼脂15.0 g、蒸馏水1.0 L,pH为7.0,121 ℃高温灭菌15 min。

主要扩繁工艺流程:先将菌株接种于LB液体培养基中,在30 ℃、转速180 r/min条件下振荡培养48 h至对数期,得到种子液;种子液中含有的溶杆菌菌落数达到1 000万/mL时,标定为种子液培养结束;按10 mL接种1 mL的比例,将种子液接种至营养肉汁琼脂培养基中,在温度30 ℃、转速180 r/min条件下摇床培养72 h,得到溶杆菌FTB-N1的发酵液,当菌体数量达到20亿/mL以上时发酵结束。

FTB-N1为需氧芽孢杆菌,最适宜的生长繁殖温度为56～65 ℃,培养24 h即可形成菌落,37 ℃时24 h看不到菌落;热死亡时间为121 ℃,3.9 min阳性,19 min阴性;在冰箱内4 ℃下保存一年,抗力无明显下降,在常温(20 ℃左右)可保存30 d。

1.3 功能性复合微生物菌剂的配制

为完善功能性复合微生物菌剂的功效,在菌种组合设计中将具有活化磷、钾,抗病抑菌,改土,促进作物生长的解淀粉芽孢杆菌融合其中,使复合微生物菌剂在发挥抗病微生物功效的同时,具有抗逆防衰、促进生长、改良土壤、增进肥力、降低农残、增加产量的作用。

经试验研究,功能性复合微生物菌剂中解淀粉芽孢杆菌、FTB-K2、FTB-N1的质量复配比为4∶3∶3,主要生产工艺流程为单一菌种扩繁→保存→按设计比例添加→搅拌复合→灌装,功能性微生物菌肥生产工艺流程见图1。

图1 功能性微生物菌肥生产工艺流程

2 试验、示范研究的基本情况

2.1 材料与方法

2.1.1 试验、示范田概况

试验田设在河北省玉田县散水头镇小稻地村,示范田设在河北省玉田县亮甲店镇孔五官屯村。试验、示范田地块地势平整,灌水条件好。该地区属北温带大陆性季风气候,年均降水量693.1 mm,春季、夏季、秋季、冬季降水量分别占全年降水量的10.9%、73.6%、13.8%、1.7%,年平均温度11.2 ℃,年平均无霜期193 d。试验、示范田土壤基本理化性状见表1。

表1 试验、示范田土壤基本理化性状

试验、示范田前茬作物均为玉米,产量为525～550 kg/亩(1亩=667 m2);试验田供试作物为春小麦,品种为津强6号;示范田供试作物为冬小麦,品种为济麦22。

2.1.2 试验、示范材料

试验、示范材料主要为颗粒状功能性微生物菌肥、粉状功能性微生物菌肥、小麦专用肥、小麦追肥,主要养分含量及性状特征如下。

(1)颗粒状功能性微生物菌肥:粒径3.5～5.0 mm,颗粒强度8.5 N/m2以上,w(有机质)≥40%,有效活菌数≥5亿/g,沣田宝农业科技有限公司生产。

(2)粉状功能性微生物菌肥:w(有机质)≥40%,有效活菌数≥5亿/g,沣田宝农业科技有限公司生产。

(3)小麦专用肥:N∶P2O5∶K2O=18∶15∶12,沣田宝农业科技有限公司生产。

(4)小麦追肥:尿素,w(N)≥46%,唐山邦力晋银化工有限公司生产。

2.2 试验、示范设计

试验、示范采用同田对比,四周设保护区,设3个处理,每个处理3次重复,每个小区占地面积1亩。各处理施肥种类及用量见表2。

表2 试验、示范各处理施肥种类及用量

2.3 试验、示范管理

2.3.1 生育期发育进程

试验田:春小麦2020年3月2日播种,3月17日出苗,4月10日进入起身拔节期,5月15日进入抽穗灌浆期,6月25日收获。

示范田:冬小麦2021年10月5日播种,10月13日出苗,12月1日进入越冬期,2022年3月10日进入返青期,4月18日进入拔节孕穗期,5月10日进入抽穗灌浆期,6月22日收获。

2.3.2 主要管理措施

灌溉与追肥:①春小麦2020年3月3日浇蒙头水1次,4月15日浇起身拔节水1次,5月15日浇灌浆水1次,全生育期未追肥,共浇水3次;②冬小麦2021年10月6日浇蒙头水1次,12月4日浇封冻水1次,2022年4月1日浇返青后第一水1次并追施尿素10 kg/亩,5月8日浇拔节抽穗水1次,6月2日浇灌浆水1次,全生育期共浇水5次。

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

除虫:春小麦、冬小麦分别在生长季节的5月下旬每亩用10%吡虫啉可湿性粉剂+2.5%高效氯氟氰菊酯水乳剂防治小麦蚜虫、吸浆虫等。

3 结果与分析

3.1 不同施肥处理对小麦生物学性状的影响

合理的密度群体,辅以较大的叶面积系数,是保证农作物高产的关键。在试验、示范中,通过对春小麦、冬小麦全生育期田间调查发现,施用功能性微生物菌肥具有增大叶面积、改善光合作用、提高小麦抗病性、促进植株稳健生长的作用。各生育时期不同施肥处理的小麦叶面积见表3。

表3 各生育时期不同施肥处理的小麦叶面积

由表3可以发现:春小麦处理1的单株分蘖较CK处理的增加0.03个,苗期亩基本苗减少0.77万株;在拔节期,处理1的亩株数与CK处理的基本相同,叶面积系数增加0.11,增幅7.24%;在抽穗扬花期,处理1的亩株数较CK处理的减少3.37万株,但叶面积系数增加0.83,增幅26.69%;在灌浆期,处理1的叶面积系数较CK处理的增加0.22,增幅9.73%。

春小麦处理2的单株分蘖较CK处理的增加0.07个,苗期亩基本苗较CK处理的减少0.58万株;在拔节期,处理2的亩株数较CK处理的增加1.62万株,叶面积系数增加0.22,增幅14.47%;在抽穗扬花期,处理2的亩株数较CK处理的增加1.43万株,叶面积系数增加1.91,增幅61.41%;在灌浆期,处理2的叶面积系数较CK处理的增加0.13,增幅5.75%。

冬小麦在苗期亩基本苗相同的情况下,处理1的单株分蘖较CK处理的增加0.56个;在拔节期,处理1的亩株数较CK处理的增加17.91万株,叶面积系数增加0.59,增幅分别为34.21%、19.22%;在抽穗扬花期,处理1的亩株数较CK处理的增加5.93万株,叶面积系数增加0.20,增幅分别为12.22%、6.04%;在灌浆期,处理1的亩株数较CK处理的增加6.12万株,叶面积系数增加0.14,增幅分别为13.43%、4.14%。

冬小麦处理2的单株分蘖较CK处理的增加0.25个;在拔节期,处理2的亩株数较CK处理的增加7.66万株,叶面积系数增加0.21,增幅分别为14.63%、6.84%;在抽穗扬花期,处理2的亩株数较CK处理的增加7.86万株,叶面积系数增加0.44,增幅分别为长16.20%、13.29%;在灌浆期,处理2的亩株数较CK处理的增加4.88万株,叶面积系数增加0.31,增幅分别为10.71%、9.17%。

通过对小麦不同生育时期单株分蘖、成穗、叶面积等生长发育指标的观测,在春小麦生产中施用粉状功能性微生物菌肥的效果较好,在冬小麦生产中施用颗粒状微生物菌肥的效果较好,2种功能性微生物菌肥的效果均优于小麦专用肥的,不同类型的功能性微生物菌肥对小麦叶片发育均具有较好的促进作用。其主要原因可能与小麦生长期长短有关,因为微生物菌剂活性发挥与菌落形成需要一定的时间,而生物群体建成与光合作用、肥料养分释放和同化、作物养分吸收以及叶绿素、糖和淀粉的合成等有关。

3.2 不同施肥处理对小麦群体、个体发育情况的影响

通过对抽穗扬花期试验、示范田小麦群体及个体发育情况的调查分析,结果表明:施用功能性微生物菌肥对冬小麦群体、个体发育均有良好的促进作用,在基本苗基本一致的条件下,群体发育协调,单株分蘖成穗数提高,处理1、2的单株分蘖成穗数较CK处理的分别提高0.18、0.25个,株高无明显差异;在春小麦上,不同施肥处理的群体、个体差异不明显,但施用功能性微生物菌肥对降低株高有一定的效果。抽穗扬花期不同施肥处理的小麦群体、个体发育情况见表4。

表4 抽穗扬花期不同施肥处理的小麦群体、个体发育情况

3.3 不同施肥处理对小麦产量的影响

通过采用3点取样法,对试验、示范田产量结构进行调查,处理1、2不仅改善了小麦的生物学性状,而且对产量构成三要素也发挥了较好的促进作用,结果见表5。

表5 不同施肥处理的小麦成熟期产量调查统计数据

由表5可知:春小麦处理1的亩穗数较CK处理的平均减少2.9万株,单穗粒数平均增加4.0粒,千粒质量平均增加0.6 g,平均增产23.8 kg/亩,增产率为6.99%;处理2的亩穗数较CK处理的平均增加1.3万株,单穗粒数平均增加1.1粒,千粒质量平均增加0.3 g,增产26.3 kg/亩,增产率为7.72%。

冬小麦处理1的平均亩穗数较CK处理的增加6.1万株,单穗粒数平均增加1.4粒,千粒质量平均减少1.5 g,平均增产84.6 kg/亩,增产率为15.97%;处理2的亩穗数较CK处理的平均增加4.9万株,单穗粒数平均增加1.6粒,千粒质量平均减少1.7 g,平均增产62.4 kg/亩,增产率为11.78%。

对不同施肥处理的产量调查结果进行方差分析(见表6),结果表明不同施肥处理间的差异不显著。

表6 不同施肥处理的小麦产量指标方差分析结果

3.4 不同施肥处理对小麦抗病性能的影响

为检验功能性微生物菌肥在提高小麦抗病性能方面的效果,在小麦生长的关键时期(齐穗期),依据《小麦白粉病测报调查规范》(NY/T 613—2002)、《小麦叶锈病测报调查规范》(NY/T 617—2002),按下述方法进行了详细调查。

(1)症状判别:患白粉病的小麦叶片病斑部位有丝状白色霉点,随小麦生长表面覆盖的霉层逐渐加厚,似绒毛状,颜色由白色逐渐变为灰色;患叶锈病的小麦叶片或茎秆上产生多层轮状排列的鲜黄色夏孢子堆,成株叶片初发病时夏孢子堆为小长条状、鲜黄色、椭圆形,与叶脉平行,且排列成行,后期表皮破裂,出现锈色粉状物,用手触摸病斑,手上粘有锈粉。

(2)分级标准:按病叶严重度设定,即病叶上病斑菌丝层覆盖叶片面积占叶片总面积的比率,共设8个等级,分别用1%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%表示;对处于等级之间的病情则取其接近值;虽已发病但严重程度低于1%的,记为1%。

(3)病情指数的计算:病情指数=100×∑(各级病叶数×各级代表值)/(调查总叶数×最高级代表值)。

(4)调查方法:每个处理调查3个点,每点随机抽取30株,调查全部叶片的发病情况。

2021年5月18日和2022年5月16日分别对试验田和示范田不同施肥处理的小麦白粉病、叶锈病病情进行调查,结果见表7。

表7 齐穗期不同施肥处理的小麦白粉病、叶锈病病情调查结果

表7的结果显示:春小麦处理1、2的病株率比CK处理的低10.00%～20.00%,病叶率低7.11%～7.83%,病情指数低1.25～1.36;冬小麦处理1、2的病株率比CK处理的低6.67%～13.33%,病叶率低6.47%～8.66%,病情指数低2.14～2.20。试验、示范结果表明,功能性微生物菌肥对提高小麦的抗病能力具有一定的效果。

3.5 不同施肥处理对小麦品质的影响

多项指标可以用来衡量小麦的品质,常规的优质麦主要检测籽粒容重、蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、面粉吸水率、面团稳定时间、最大拉伸阻力、延伸性、拉伸面积等,但从营养品质的角度,更需关注各种对人体有益或有害元素的含量。在中国农业科学院从事施肥与营养方面研究专家的支持下,对不同施肥处理的小麦营养品质进行了相关指标的检测,结果见表8和表9。

表8 不同施肥处理的小麦营养品质检测结果

表9 不同施肥处理的小麦中重金属含量检测结果 mg/kg

从表8、表9可知:施用功能性微生物菌肥后,小麦中的全氮、全磷含量增加,增幅为1.25%～46.84%;全钾含量有3个处理是增加的,增幅为2.76%～40.41%,1个处理的降幅为11.80%;微量元素全铁、全锌含量的增幅为6.90%～75.18%,各处理间的变化幅度较大;冬小麦的全锰含量变化较大,处理1、2的全锰含量较CK处理的增加6.00～13.87倍,其原因可能与肥料中添加了螯合态微量元素有关;全铜含量的变化趋势与全钾含量基本一致,仅春小麦处理2出现下降,其原因可能与小区发病率偏高、灌浆不饱满有关;小麦中对人体有害的全镉、全镍、全铅、全铬等的含量普遍降低,降幅为8.22%～86.35%,表明功能性微生物菌肥对提高植物营养吸收、降解土壤及肥料中的重金属具有一定的作用。

3.6 投入成本分析

从农业生产的成本投入、经济效益、产投比等方面分析,增施功能性微生物菌肥、适当减少大量元素肥料的投入,可取得显著的经济效益。按颗粒功能性微生物菌肥1 280元/t、粉状功能性微生物菌肥850元/t、小麦专用肥3 750元/t、尿素2 000元/t、小麦3元/kg计,不同施肥处理的经济效益分析见表10。

表10 不同施肥处理的经济效益分析

由表10可知:春小麦处理1、2在亩投入较CK处理减少12.5～22.0元的情况下,净利润增加91.4～93.4元/亩,单位投入增加0.24～0.27元;冬小麦处理1、2在亩投入较CK处理减少12.5～22.0元的情况下,净利润增加199.7～275.8元/亩,单位投入增加0.40～0.59元。

4 结语

(1)合理开发功能性微生物菌肥并有效利用是未来农业生产发展的需求。在减少大量元素化肥用量60%以上的情况下,增施功能性微生物菌肥,特别是颗粒功能性微生物菌肥,便于机械化施用,农户易于接受,将对施肥结构的改变起到积极的引导作用。实践证明,施用功能性微生物菌肥对提高植物抗病性能、调减农药用量、增产、增收效果显著。

(2)田间试验、示范表明,功能性微生物菌肥对促进小麦叶片、穗分化以及各个器官的生长发育具有明显的促进作用,叶面积系数增幅4.14%～61.41%,增加单株分蘖成穗数-0.10～0.25个,增产幅度6.99%～15.97%。

(3)试验、示范研究未开展功能性微生物菌肥在改良土壤方面的调查,从实际生产应用考虑,有必要根据产品的推广应用情况对其进行深入的调查研究。