放線菌劑使用方法對晚播冬小麥生長及光合性狀的影響

張東旭,胡丹珠,閆金龍,馮麗云,鄔志遠,楊斌,李巖華,張俊靈

(1.山西農業大學谷子研究所,山西長治 046011;2.黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心,山西太谷 030800;3.山西農業大學小麥研究所,山西臨汾 041000)

小麥是我國主要糧食作物之一,其產量豐欠關系到國家糧食安全和社會穩定[1-2]。山西小麥種植歷史悠久,其消費量因為豐富的面食文化遠大于其他糧食作物,占糧食消費總量的56.5%,但由于生態條件、種植制度等因素的限制,山西小麥平均產量遠低于全國平均水平,總產遠不能滿足自身需求,供需矛盾突出。近年來,隨著氣候變化和種植制度的改革,小麥復播技術大面積推廣應用,但由于極端氣候變化和經營主體勞動力緊缺等原因,小麥茬口變晚、播種推遲的現象時常出現。晚播對冬小麥的幼穗分化、穗部性狀、農藝性狀、產量等方面均有不同程度的影響[3-4],對小麥高產非常不利。為減少晚播小麥帶來的產量損失,生產中往往加大化肥的施用量,盲目過量施用化肥導致肥料利用效率大幅降低,造成土壤板結及肥力下降、土壤生物多樣性減少、土壤和地下水污染等嚴重的環境問題[5-8]。因此,如何采用科學合理的方法,在改善土壤現狀、提高土壤質量的基礎上,充分提高此類小麥的抗逆性能,促進小麥自身生長發育,實現綠色與高效協同發展越來越受到廣泛關注。

植物根際促生菌(PGPR)是對植物生長有促進或對病原菌有拮抗作用的有益微生物統稱。近年來,有關PGPR的研究日益受到人們的關注,澳大利亞、美國、歐共體組織和日本等國家都開展了PGPR專項研究。PGPR協助寄主抗逆是近期研究的熱點,國外對PGPR協助小麥抗逆的研究主要集中在抗鹽脅迫、高溫等方面,其中尤以抗鹽脅迫最多。研究表明,部分植物根際促生菌不僅對寄主植物具有促生作用,也能夠協助寄主植物抵御干旱、鹽脅迫等非生物脅迫[9-11]。國內研究人員對煙草研究發現,PGPR可通過誘導脯氨酸等滲透調節物質在煙草中的積累來降低水勢,維持根系從土壤吸水的水勢差,并且這種誘導能力一般具有特異性,需要干旱脅迫與PGPR的雙重誘導[12]。在遭受干旱脅迫時大量活性氧會在小黑麥植株體內產生,并對膜結構造成損傷,而接種PGPR可以提高寄主過氧化氫酶、抗壞血酸氧化酶、超氧化物歧化酶等抗氧化酶活性[13],以減輕過氧化對植株的危害。木霉與青霉菌劑與土壤按一定比例混合時,對小麥生長有良好的促進作用,在貧瘠土壤中仍可促進小麥株高及葉綠素含量的提高[14]。放線菌作為土壤中三大類群微生物之一,在促進植物生長、減輕作物病害和增強植物抗逆性等方面發揮著重要的作用[15]。采用適宜濃度的放線菌劑進行種子包衣對小麥生育前期生物學特性影響顯著,能提高小麥葉片酶活性與光合能力,加速小麥穗分化進程,通過增加穗粒數提高小麥產量[16]。目前關于放線菌劑在作物上的使用方法多為種子包衣,少見放線菌劑不同使用方法對作物生長影響的報道,尤其是在晚播小麥上尚未見相關文獻。本研究選用婁徹氏鏈霉菌(Streptomycesroche,D74)的放線菌劑,通過對晚播小麥種子包衣、在小麥生長的不同時期進行葉面噴施等方法,比較分析放線菌劑不同使用方法對晚播小麥產量和生理性狀的影響,以期為放線菌劑在小麥生產中的科學使用以及晚播小麥高產栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2021-2022年在山西農業大學谷子研究所小麥試驗基地進行。試驗地點位于36°12′N、113°8′E,海拔926.5 m。試驗地為多年雨養旱地,未實施過人工灌溉,土壤類型為壤土,土壤0～20 cm耕層有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為28.6 g·kg-1、126 mg·kg-1、17.2 mg·kg-1和251 mg·kg-1。小麥生育期年平均降水量302.7 mm,本年度降水量597.1 mm,僅2021年9月、10月降水量就達451.7 mm,詳情如圖1所示,罕見秋汛致使本年度小麥播種較往年適播期晚播近一個月。

圖1 2021-2022年度小麥生長期降水量

1.2 試驗設計

供試品種為長6990,由本課題組選育提供。供試放線菌劑為婁徹氏鏈霉菌D74,由山西農業大學小麥研究所提供。D74菌劑中的有效活菌數為3.5×1010cfu·g-1,菌劑按種子質量的5%用量對小麥種子進行包衣,菌劑發酵液按6 000 mL·hm-2,稀釋200倍在小麥花后不同時期的傍晚進行葉面噴施。試驗共設5個處理,分別為T1(種子包衣+拔節期、灌漿期噴施D74菌劑)、T2(種子包衣+拔節期噴施D74菌劑,灌漿期噴施清水)、T3(種子包衣+拔節期、灌漿期噴施清水)、T4(種子不包衣+拔節期、灌漿期噴施D74菌劑)和CK(種子不包衣+拔節期、灌漿期噴施清水)。試驗田前茬為小麥,收獲后深耕一次,播前旋耕二次和耙耢一次,播前一次性施入復合肥(N-P2O5-K2O:20-15-10)915 kg·hm-2。試驗于2021年10月25日進行播種,隨機區組排列,三次重復,小區面積37 m2(2 m×18.5 m),行距20 cm,采用轉盤式精密播種機播種。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量與表型性狀

每小區標記代表性樣點2個,在苗期、分蘗期和成熟前期調查基本苗、最高總莖數、成穗數,收獲前每小區在樣點內取樣20株調查株高、穗長、穗粒數、千粒重,小區全部收割,曬干后測其產量。

1.3.2 光合速率測定

采用CIRAS-2光合速率儀(PP SYSTEMS,美國)于晴天上午9:00-11:00測定旗葉的光合速率(Pn),每小區測定3片旗葉,取其均值用于統計分析。

1.3.3 旗葉葉綠素含量、氮含量測定

使用便攜式植物營養測定儀于晴天上午9:00-11:00 對小麥旗葉(從葉尖起1/3部位)進行葉綠素含量、氮含量測定,每小區測定5片旗葉,取其均值用于統計分析。

1.3.4 群體葉面積指數(LAI)測定

使用SunScan植物冠層分析儀(DELTA-T,英國)分別在灌漿期不同時期測定LAI值。測定時,探桿位于小麥根部,并保持鏡頭水平不動,同時盡量避免太陽光直射,每小區測定3個樣點,取其均值用于統計分析。

1.3.5 干物質積累與運轉相關指標測定

于開花后0 d(開花期)、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d和成熟期,每個小區分別取20個單莖,105 ℃殺青,80 ℃烘干至恒重后稱干重。按公式計算如下各指標:

花前貯存干物質轉運量=開花期干重-成熟期營養器官干重;

花前干物質轉運量對籽粒產量的貢獻率=花前儲藏干物質轉運量/成熟期籽粒干重×100%;

花后干物質積累量=成熟期總干重-開花期干重;

花后干物質積累對籽粒產量的貢獻率=花后干物質積累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.4 數據分析

采用Excel2010和SPSS19.0進行數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 放線菌劑使用方法對晚播小麥群體數量、產量及構成要素的影響

從表1可以看出,使用放線菌劑對晚播小麥的基本苗、最高莖數、成穗數和成穗率均有顯著的影響。CK和T4處理的晚播小麥基本苗數均顯著高于T1、T2、T3處理,在CK與T4處理之間及T1、T2、T3處理之間差異均不顯著。最高莖數、成穗數也表現出類似的趨勢,其中T4處理的穗數最高,與CK差異顯著,與其他處理差異不顯著。成穗率則表現為T1、T2、T3、T4處理高于CK,其中T4與CK差異顯著。這說明放線菌劑種子包衣抑制了晚播小麥出苗,降低群體起點,雖后期群體調節能夠提高成穗率,但總體對群體數量有一定的負效應,而拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑不僅出苗好,還會顯著增加穗數。

表1 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥產量及其構成要素的影響Table 1 Effects of different application methods of actinomycetes on yield and its components of late-sown wheat

表2 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥干物質積累與運轉的影響Table 2 Effects of different application methods of actinomycetes on dry matter accumulation and translocation of late-sown wheat

使用放線菌劑對晚播小麥株高影響不顯著,但顯著影響穗長、穗粒數、千粒重及產量。T1、T4處理的穗長、穗粒數及千粒重均顯著高于CK,T2處理的穗粒數、千粒重也顯著高于CK,T3處理與CK間無顯著差異。使用放線菌劑對晚播小麥增產效應顯著,T1～T4處理產量較CK分別增加17.65%、14.71%、7.35%和25.0%,其中T1和T4處理與CK差異顯著,T1與T4處理間及T3處理與CK間差異均不顯著。這說明使用放線菌劑種子包衣對晚播小麥的穗發育及產量無明顯影響,而葉面噴施放線菌劑可促進晚播小麥穗發育,增加穗粒數和粒重,提高產量,其中拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑效果明顯。

2.2 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥旗葉凈光合速率(Pn)的影響

花后0～7 d,不同處理之間晚播小麥旗葉Pn沒有顯著差異(圖2)?；ê?4 d,T1處理的Pn顯著高于CK,增幅13.24%,其余處理與CK差異均不顯著?；ê?1 d,所有處理的Pn開始大幅度下降,且不同處理間無顯著差異?；ê?8 d,T1～T4處理的Pn均顯著高于CK,增幅分別為50.72%、28.26%、26.09%和54.35%?；ê?5 d,T1和T4處理的Pn均顯著高于CK,增幅分別為69.57%和68.12%,其余處理與CK差異不顯著。由此可見,使用放線菌劑能夠使晚播小麥旗葉光合能力在灌漿后期保持較高水平,其中使用放線菌劑種子包衣和僅拔節期葉面噴施的效果較弱,而拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑的效果較明顯。

圖中不同小寫字母表示同一生育時期各處理間在 0.05 水平上差異顯著。下圖同

2.4 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD值)和氮含量的影響

花后0～21 d,不同處理處理間晚播小麥旗葉SPAD值和氮含量均無顯著差異(圖3、圖4)?；ê?8和35 d,各處理的SPAD值和氮含量均快速下降,T1、T2、T3、T4處理的SPAD值和氮含量均顯著高于CK。其中,花后28 d,T1、T2、T3、T4處理的SPAD值增幅分別為54.02%、49.89%、34.25%和55.17%,氮含量增幅分別為50.00%、46.17% 31.70%和51.06%;花后35 d的SPAD值增幅分別為47.08%、38.52%、25.68%和43.97%,氮含量增幅分別為41.44%、33.90% 、22.60%和38.70%。由此表明,使用放線菌劑能夠提高晚播小麥旗葉灌漿后期的葉綠素和氮素含量,減緩葉片衰老,有利于光合作用,其中葉面噴施放線菌劑的效果更好。

圖3 不同處理下小麥花后不同時期的旗葉SPAD值

圖4 不同處理下小麥花后不同時期的旗葉氮含量

2.5 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥葉面積指數(LAI)的影響

晚播小麥LAI在花后0～21 d保持相對穩定,之后快速下降(圖5)。使用放線菌劑顯著影響晚播小麥花后21～35 d的LAI?；ê?～14 d不同處理間LAI無顯著差異;花后21 d,T4處理的LAI顯著高于CK,增幅13.54%,其他處理與CK間無顯著差異;花后28、35 d,T1、T2、T4處理的LAI均顯著高于CK,花后28 d增幅分別為41.67%、25.00%和44.44%,花后35 d增幅分別為52.94%、41.18%和58.82%,T3處理在花后28 d的LAI也顯著高于CK,增幅22.22%。這說明使用放線菌劑能夠使晚播小麥在灌漿中后期保持較大的光合面積,有利于光合作用,其中葉面噴施放線菌劑的作用更突出。

圖5 不同處理下小麥花后不同時期的葉面積指數(LAI)

2.5 放線菌劑使用方法對晚播小麥干物質積累與轉運的影響

各處理晚播小麥灌漿期間的干物質積累量均呈上升趨勢(圖6)。使用放線菌劑顯著影響花后各時期晚播小麥的干物質積累量?；ê?～35 d,T4處理的干物質積累量較CK均顯著提高,增幅分別為3.36%、5.92%、6.34%、9.21%、9.17%和11.59%;T1處理在花后21～35 d才顯著高于CK,增幅分別為4.82%、5.08%和6.35%; T2處理僅在花后35 d顯著高于CK,增幅為4.91%;T3處理在花后0～35 d與CK差異均不顯著。由此說明,使用放線菌劑種子包衣對晚播小麥干物質積累無明顯影響,而葉面噴施放線菌劑可促進晚播小麥干物質積累,其中拔節期和灌漿期葉面噴施效果較明顯。

圖6 不同處理下小麥花后不同時期的干物質積累量

使用放線菌劑對晚播小麥的花前干物質轉運量及其對籽粒產量的貢獻率、花后干物質對籽粒產量的貢獻率影響均不顯著,對花后干物質積累量有顯著正向效應。在使用放線菌劑處理中,T1、T2和T4處理較CK顯著增加,增幅分別為37.93%、29.42%和50.92%,而T3處理與CK差異不顯著。這進一步說明使用放線菌劑可促進晚播小麥的花后干物質積累,有利于產量形成,其中放線菌劑種子包衣效果不明顯,而葉面噴施放線菌劑效果明顯。

3 討論

3.1 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥產量的影響

放線菌是一類革蘭氏陽性、高(G + C)含量(>55%)的細菌,在自然界中分布廣泛,能夠產生多種次生性代謝物質,對于植物促生、增產、提質、防病有重要意義[17-20]。研究表明,增施放線菌能促進甜瓜、櫻桃、生菜、番茄等植物的生長[21-25]。放線菌ZZ-9發酵液與腐植酸鈉混施,能夠顯著增加小麥株高、根長以及PLA、PPO活性和葉綠素含量,對小麥具有非常好的促生效果[26]。通過用D74放線菌劑對小麥進行接種或種子包衣試驗證實,放線菌劑可提高小麥苗期葉片酶活力,能加速小麥穗分化過程[16,27]。本研究發現,在大田條件下,使用放線菌劑可使晚播小麥增產7.35%～25.00%,且產量結果表現為T4>T1>T2>T3>CK,其中T1和T4處理增產效果顯著,表明葉面噴施放線菌劑對晚播小麥的增產效果優于使用放線菌劑種子包衣,其中拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑的效果明顯。原因可能是由于本年度播前降水較多,土壤板結透氣性差,且因播種太遲,氣溫下降,放線菌隨種子包衣施入土壤,供氧量不足及低溫抑制了放線菌的活性與繁殖,未能有效發揮菌劑的功能,而葉面噴施放線菌劑能夠通過作物直接吸收,避免了土壤的抑制,充分發揮其促生、抗逆等功效。由此可見,放線菌對小麥的生長發育及產量有積極的作用,但受環境、土壤條件、使用方法及與作物的親和性等多種因素的影響,要想達到理想的效果,需根據實際情況選用正確的使用方法及技巧。

3.2 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥群體結構和干物質積累的影響

合理的群、個體結構是小麥高產的基礎。晚播條件下,溫度等因素會影響小麥分蘗,導致單株分蘗數減少,影響有效穗數[28]。在群體較少時,合理運用調控手段,通過增強個體發育,進一步挖掘群體生產力,是實現晚播小麥高產的主要途徑。研究表明,通過提高小麥單穗質量與結實率可增加產量[29]。本研究中,使用放線菌劑對晚播小麥的群體有顯著影響,T4處理和CK的基本苗、最高總莖數和穗數相對較高,而T1、T2、T3處理相對較低,且在基本苗、最高總莖數上T4處理與CK間及T1～T3處理間均差異不顯著;成穗數和成穗率僅T4處理顯著高于CK,其余處理間也無顯著差異。在個體發育方面,使用放線菌劑葉面噴施的T1、T2和T4處理穗粒數和千粒重都要顯著高于CK,而僅使用放線菌劑種子包衣的T3處理的穗長、穗粒數和千粒重與CK間均無顯著差異。小麥產量形成實質上是光合產物的積累及向籽粒的運轉和分配的過程?；ㄇ案晌镔|積累對小麥產量有一定的貢獻,但小麥產量的高低往往主要取決于花后干物質的積累和轉移[30]。本研究中,使用放線菌劑對晚播小麥花前干物質轉運量及其對籽粒產量的貢獻率以及花后干物質積累的貢獻率均無顯著影響,但對小麥的花后干物質積累具有促進效應,且同樣表現為T4處理效果最好,其次是T1和T2處理,而T3處理效果不明顯。這表明,使用放線菌劑種子包衣對晚播小麥的群體有一定的負效應,對個體發育也無明顯的促進作用,而葉面噴施放線菌劑可促進晚播小麥分蘗成穗和花后干物質積累,提高穗數、穗粒數和千粒重,從而實現晚播小麥高產,其中拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑效果最好。

3.3 放線菌劑不同使用方法對晚播小麥光合特性和冠層結構的影響

葉片凈光合速率、葉綠素含量和LAI可反映了作物植株光合能力[31-34]。研究發現,在灌漿初期,鏈霉菌包衣可顯著提高小麥旗葉的凈光合速率[16]。本研究中,使用放線菌劑對晚播小麥旗葉凈光合速率和葉綠素含量及LAI的影響主要表現在灌漿中后期,T1～T4處理的三個指標在灌漿前期與CK差異不明顯,并保持穩定,在灌漿后期相較于CK下降緩慢,保持了較高水平,其中T4處理均最高,且與CK顯著,其次是T1和T2處理,表明使用放線菌劑能夠延緩晚播小麥灌漿后期功能葉片衰老,擴大光合面積和提高光合能力,促進小麥生育后期同化物生產和積累,說明放線菌劑種子包衣的效果不明顯,而葉面噴施放線菌劑的效果較佳。

4 結論

使用放線菌劑能夠有效增加晚播小麥的光合持續能力,延緩葉片衰老,促進花后干物質積累和穗部發育,增加穗數、穗粒數和千粒重,進而提高產量,但影響程度在不同使用方法間存在差異。本試驗條件下,放線菌劑種子包衣效果不明顯,葉面噴施放線菌劑效果較突出,其中拔節期和灌漿期葉面噴施放線菌劑的效果最佳。