几种生物刺激素对小麦产量形成及品质的调控

张运红，杨占平，郑春风，和爱玲，秦毛毛，黄绍敏，刘艳喜，骆晓声，杨红燕，张江川

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南郑州 450002；2.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002；3.聊城市土壤肥料工作站，山东聊城；4.上海通微生物技术有限公司)

小麦是世界主要粮食作物之一，高产和优质一直是小麦生产追求的两大目标[1-3]，尤其是在耕地资源有限且不断萎缩的情况下，提高单产和品质对当前保证粮食供给和维护粮食安全具有重要意义[4-5]。肥料在作物高产优质生产中起着重要作用，但目前不合理施肥带来的生态安全问题日趋突出[6-7]。因此，如何绿色、环境友好地进行农业生产已成为当前农业发展面临的新问题[8-9]。

施用生物刺激素是继施肥和喷洒农药之后，派生出的一类促进或调节作物生长的新措施。它既能提质增效化肥、农药，还能将二者功效集于一体；与其他化学合成品相比，它既具有自然环保的属性，又可实现经济效益、社会效益、环境效益俱佳的多赢效果[9-14]。在小麦-玉米轮作体系下，腐殖酸-尿素处理的土壤硝化比率、有机氮矿化量及脲酶含量较普通尿素处理显著降低，氮肥回收效率、农艺利用效率和偏生产力显著提高[12]。在小麦拔节期及灌浆期喷施聚谷氨酸叶面肥450～ 1 350 mL·hm-2，能增加千粒重、成穗率和穗粒数，增产效果显著[13]。我们先前的研究结果显示，在15%PEG6000水分胁迫1 h后喷施1 000 mg·L-1海藻酸钠寡糖，可一定程度缓解水分胁迫对小麦生长发育的抑制作用[14]。面对当前土壤、粮食、生态环境等安全问题，充分发挥生物刺激素的多重作用，提高作物的产量和品质，对维护我国粮食安全、实现“双减”目标具有重要的现实意义。国际上将生物刺激素划分为腐殖酸、氨基酸、微生物、海藻酸和无机合成物等5大类，不同生物刺激素活性基团、作用机理及施用效果存在明显差异[15-16]，目前在大田作物上的应用效果及增产机制还不太明确。本研究选择了5种常见的生物刺激素进行盆栽喷施试验，比较分析其对小麦产量及品质形成的影响，以期为其在小麦高产优质栽培中的应用提供参考，也为生物刺激素相关产品研发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试农用腐殖酸由褐煤提取，主要成分是腐殖酸，含少量黄腐酸，水不溶物<5%，由上海通微生物技术有限公司提供；供试生化腐殖酸为植物源发酵提取，95%为黄腐酸，水不溶物<3%，由上海通微生物技术有限公司提供；供试海藻酸钠寡糖(AOS)，β-D-甘露糖醛酸(M)∶α-L-古罗糖醛酸(G)=7∶3，糖醛酸含量>90%，聚合度2～10，由中国科学院大连化学物理研究所研制并提供；供试氨基酸为复合氨基酸，其总氨基酸含量为81.24%，主要由亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸和天冬氨酸等组成，由郑州福润德生物工程有限公司提供；供试复合生物刺激素含有海藻酸钠寡糖、水杨酸等物质，由河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所自主研制。

供试小麦品种为郑麦7698，为多穗强筋、半冬性中晚熟品种，由河南省农业科学院小麦研究所许为钢研究员提供。供试土壤为潮土，采自河南省郑州市郊区，其有机质含量为2.78 g·kg-1，速效氮含量为44.92 mg·kg-1，速效磷含量为9.1 mg·kg-1，速效钾含量为98.62 mg·kg-1，pH值为8.12。

1.2 试验方案

试验于2017年10月-2018年5月在河南农业科学院科研园区进行。采用土培盆栽方法，试验选用聚乙烯塑料盆(直径30 cm，高20 cm)。每盆装过2 mm筛的土10 kg。于2017年10月10日进行播种，3叶期(11月15日)每盆定苗25株。氮肥选用尿素(46.4%)，施用量为 0.25 g·kg-1(参照田间习惯施氮水平设置)，50%基施，50%于拔节期追施(3月10日)；磷、钾肥分别选用过磷酸钙(10%)和氯化钾(60%)，二者施用量均为0.12 g·kg-1，全部基施。

设置6个处理，分别为对照(CK)：喷施清水处理；AHA：喷施20 mg·L-1(w/v)农用腐殖酸溶液处理；BHA：喷施20 mg·L-1(w/v)生化腐殖酸溶液处理；AOS：喷施20 mg·L-1(w/v)海藻酸钠寡糖溶液处理；AA：喷施20 mg·L-1氨基酸溶液处理；CB：喷施复合生物制剂处理(稀释200倍液施用)。各生物刺激素施用浓度设置参照我们先前的试验[16]和所作的预备试验。每个处理3次重复，共计18盆。分别于拔节后20 d(小花退化高峰前，4月1日)和拔节后25 d(小花败育高峰前，4月6日)喷施，以叶面表层均匀形成水雾且不下滴为准。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 叶面积和SPAD值测定

于小麦灌浆期采用直尺测定旗叶长和宽，按照公式S=叶长×叶宽×0.83计算叶面积[17]，并采用SPAD-502叶绿素仪测定旗叶SPAD值。

1.3.2 光合特性

于灌浆期(播种后177 d)采用Li-6200便携式光合作用测定仪(LI-CORInc.,USA)测定小麦旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。测定时间选在晴天的9:30 -10:30，采用开放气路，设定空气流速为500 μmol·s-1，叶室温度为25 ℃，测定时光照强度约为800～1 200 μmol·m-2·s-1。根据测得的上述光合参数计算气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)，Ls=1-Ci/C0(C0代表气孔中CO2浓度，420 μmol·mol-1)；WUE=Pn/Tr。

1.3.3 产量及其构成因子测定

收获后，考察各处理小麦产量及其构成因子。穗粒数多于5粒者为有效穗。对每盆全部脱粒、风干后计产，调查千粒重。每盆选取代表性植株10株，在室内调查所有穗的粒数，换算出平均穗粒数。不同穗位小穗划分：基部穗位小穗(1～5小穗)、顶部穗位小穗(上部5个小穗)、中部穗位小穗(除基部和顶部小穗以外的小穗)，按常规考种法测定不同小穗位粒重。

1.3.4 籽粒养分含量及携出量测定

收获后，将小麦籽粒于70 ℃烘至恒重，粉碎过筛后采用浓硫酸-H2O2消煮，流动注射分析仪(德国布朗卢比公司生产)测定籽粒全氮、全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量。籽粒养分携出量=籽粒养分含量×产量。

1.3.5 品质指标测定

采用Perten LM3100旋风磨制取全麦粉。称取2.5 g麦粉样品，采用双波长比色法测定小麦籽粒直、支链及总淀粉含量；称取0.2 g麦粉样品，采用半微量凯氏定氮法测定蛋白质含量。称取10 g麦粉样品，采用瑞典Perten GM2200型面筋仪测定湿面筋含量及指数，按GB/T5506.2-2008测定。小麦籽粒的吸收率、面团形成时间、面团稳定时间等指标由瑞士Rerten公司生产的DA7200近红外分析仪测定。

1.4 数据统计与分析

数据处理及作图均采用Excel 2007软件，方差分析采用SPSS 17.0软件，差异显著性检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 喷施不同生物刺激素对小麦旗叶面积和SPAD值的影响

5种生物刺激素处理的小麦旗叶面积显著高于对照，增幅为20.1%～51.0%，以AOS处理增幅最大，其次是CB处理，其余3种生物刺激素处理间无显著差异(图1)。AOS和BHA处理的小麦旗叶SPAD值较对照均显著增加，增幅分别为7.6%和5.7%，其余生物刺激素处理与对照间无显著性差异。这说明，喷施生物刺激素可一定程度促进小麦旗叶生长和增加叶绿素含量，有利于光合作用。

2.2 喷施不同生物刺激素对小麦叶片光合特性的影响

5种生物刺激素处理中，AOS处理的小麦旗叶Pn、Ci和Gs较对照均显著增加，增幅分别为18.5%、31.1%和54.5%，其余处理与对照差异不显著或低于对照(表1)。AOS和AHA处理的Tr高于其余处理，且与较对照差异均显著，增幅分别为12.9%和8.7%，其余处理低于或略高于对照。BHA、AA和AOS处理的WUE分别较对照增加8.2%、7.6%和5.0%，差异均显著，其余处理与对照差异不明显或低于对照。5种生物刺激素处理的Ls与对照差异均显著，其中AOS和AHA处理显著下降，其余处理均增加，说明AOS和AHA均明显降低了气孔因素对光合作用的限制。综合来看，5种生物刺激素处理中，AOS处理对小麦光合作用的促进效果最佳。

图柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著。图2同。

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

图1 喷施不同生物刺激素对小麦旗叶面积和SPAD值的影响

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

表1 喷施不同生物刺激素对小麦叶片光合特性的影响

同一列中不同小写字母表示处理间差异显著(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 喷施生物刺激素对小麦株高、产量及其构成的影响

从表2数据来看，5种生物刺激素处理的小麦株高和穗粒数均显著高于对照，其中株高增幅为 4.5%～8.7%，以AOS处理增幅最大，AA处理增幅最小；穗粒数增幅为15.9%～20.6%，以AOS、AHA和CB处理较高，但三者间无显著差异。此外，BHA、AOS和AA处理的千粒重显著高于对照，增幅分别为12.6%、11.5%和8.6%，但三者间无显著差异。穗数在不同处理间差异不显著。产量以AOS处理最高，其较对照增产 17.9%，其次是CB和BHA处理，分别较对照增产9.1%和 6.0%。由此可见，5种生物刺激素喷施可通过增加穗粒数和千粒重来提高产量，以AOS增产效果最好。

2.4 喷施不同生物刺激素对小麦结实特性的影响

5种生物刺激素处理的小麦顶部和中部小穗的粒重均显著高于对照，增幅分别为9.0%～ 32.1%和 41.0%～71.7%，且二者均以AOS处理最大，AHA处理最小；BHA、AOS和AA处理的基部小穗的粒重也显著高于对照，以BHA处理增幅最大(图2)。5种生物刺激素处理的顶部和基部小穗的粒重所占比例较对照分别降低 5.7%～8.8%和9.4%～23.7%，其中AHA处理顶部小穗所占比例降幅最小，但基部小穗降幅最大；5种生物刺激素处理的中部小穗粒重所占比例则显著高于对照，增幅为11.4%～ 21.9%，以AHA处理增幅最大，BHA处理增幅最小。这说明5种生物刺激素对小麦籽粒增重具有一定的促进作用，尤其是对中部和顶部小穗籽粒。

2.5 喷施不同生物刺激素对小麦籽粒养分含量及携出量的影响

5种生物刺激素处理中，AHA处理的小麦籽粒氮含量最高，与对照无显著差异，其余处理较对照降低6.3%～13.3%；CB处理的籽粒磷含量最高，与对照无显著差异，其余处理显著低于对照；5种生物刺激素处理的籽粒钾含量均较对照显著下降(表3)。AOS、CB和AHA处理的籽粒氮携出量最高，AA处理最低；AOS和CB处理的籽粒磷携出量最高，分别高于对照10.8%和8.3%，AA处理最低。5种生物刺激素处理的籽粒钾携出量均显著低于对照，降幅为6.4%～28.0%，以AA处理降幅最大。总体来看，喷施生物刺激素后小麦籽粒养分含量稍有降低，尤其是钾含量；AOS和CB处理的小麦籽粒氮和磷携出量有所增加，钾携出量明显降低。

表2 喷施不同生物刺激素对小麦产量及其构成因子的影响

图2 喷施不同生物刺激素对小麦结实特性的影响

表3 喷施不同生物刺激素对小麦籽粒养分含量和携出量的影响

2.6 喷施不同生物刺激素对小麦营养品质的影响

5种生物刺激素处理的小麦总淀粉含量较对照增加0.9%～4.8%，以BHA处理增幅最大，其余处理间无显著差异(表4)。AHA和AOS处理的直链淀粉含量最低，分别较对照显著降低 5.1%和3.9%；BHA、AHA和AOS处理的支链淀粉含量较对照显著增加，增幅分别为6.2%、5.0%和3.9%，三者处理的直链淀粉在总淀粉中的所占比例和直/支比均显著下降，且均以AHA处理降幅最大。AHA处理的湿面筋和干面筋含量均最高，分别较对照增加6.1%和 6.3%，其余处理则较对照显著降低。CB和AA处理的面筋指数分别高于对照9.3%和3.9%，AHA处理较对照降低7.9%。蛋白质含量，除AHA处理外，其余处理较对照降低6.6%～ 13.4%，以CB处理降幅最小。这表明5种生物刺激素处理均能一定程度提高小麦籽粒总淀粉含量，BHA、AHA和AOS处理还可提高籽粒支链淀粉含量；除AHA处理外，其余生物刺激素处理的籽粒蛋白质含量则有不同程度降低。

表4 喷施不同生物刺激素对小麦营养品质的影响

2.7 喷施不同生物刺激素对小麦加工品质的 影响

5种生物刺激素中，CB处理的小麦籽粒水分含量最高，与对照无显著差异，其余处理较对照下降0.19～0.42个百分点，以AA处理最低(表5)。5种生物刺激素处理的面团形成时间、吸水率、拉伸面积、稳定时间和最大拉伸阻力均显著低于对照，降幅分别为 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处理降幅最小。AA处理的拉伸长度显著高于对照5.8%，CB处理较之显著降低9.1%。该结果说明，喷施生物刺激素不利于小麦面筋形成，会导致面团形成时间、稳定时间和拉伸面积均有不同程度降低。

表5 喷施不同生物刺激素对小麦加工品质的影响

3 讨 论

3.1 生物刺激素对小麦产量形成的调控

旗叶是小麦生育后期冠层的主要构成者，其光合作用对籽粒产量的贡献可达41%～43%，而后期功能叶片的光合产物对籽粒的贡献可达80%[18]。本研究结果显示，喷施不同生物刺激素均可一定程度促进小麦旗叶的生长和提高SPAD值，增进光合作用和增产，其中以AOS处理效果最优。这与我们在菜心上的研究结果一致[19]。我们先前研究表明，AOS处理可通过增加光饱和点、降低光补偿点，扩大光强可利用范围[19]；并能提高叶片类囊体膜色素及其蛋白复合体含量，增加脂肪酸不饱和度，增强叶绿体ATPase活性，从而促进叶片对光能的捕获及其转化，提高其光能利用效率[20]，这可能也是本试验中喷施AOS促进小麦光合作用的原因。此外，有报道，腐殖酸不仅是植物生长的营养来源，而且能直接或间接地参与多个生物化学过程而影响植物发育[21-22]。本试验结果显示，喷施BHA和AHA也可一定程度促进小麦增产，且BHA效果优于AHA。AA也被报道具有促进植株生长发育、增强抗逆性、改善土壤状况和提高作物产量的作用[23]。如，吴良欢等[24]研究表明，在无菌水培条件下，等量的有机、无机态氮对水稻的营养效果依次为甘氨酸>谷氨酸>铵态氮；然而在小白菜上，喷施谷氨酸对产量和品质的改善效果则优于甘氨酸[25]。本试验中，AA喷施处理在小麦上增产效果不显著，可能与选用的氨基酸为复合氨基酸，种类组成与上述研究不同有关。

穗粒数和粒重是小麦构成产量的两个重要因素，也能反映小麦结实状况，因遗传因素、营养物质供应水平、外界环境因素的影响不同呈现出不均衡性，从而导致其结实特性产生很大差异[26]。喷施植物生长调节剂已成为提高小麦粒重、增加粒数、提高产量的轻简化栽培措施之一[27]。但由于受品种遗传特性和环境条件的制约，粒重增加的幅度相对有限，提高穗粒数成为进一步提高小麦产量的关键[28]。有学者认为，小麦穗部粒数与粒重的分布具有近中优势，即中部小穗无论是粒数还是粒重都具有明显的优势[29-30]。本试验结果显示，喷施5种生物刺激素均能显著增加小麦的穗粒数及粒重，尤其是中部小穗和顶部小穗的籽粒，且能显著增加中部小穗粒重所占比例，降低顶部和基部小穗粒重所占比例，这可能是促进小麦产量增加的主要原因。5种生物刺激素中，AOS处理效果最显著，其顶部、中部和基部小穗粒重以及穗粒数均显著增加。此外，小麦穗粒数的形成是小花分化、发育、退化和结实等一系列生理过程的最终体现，受光照、温度及营养状况的影响[31]。然而，本试验对不同生物刺激素处理的小花分化和退化的动态特征未作解析，这有待下一步探讨。

3.2 生物刺激素对小麦品质形成的调控

随着人们生活水平的提高，在关注小麦产量的同时，对小麦品质也提出了越来越高的要求。基因型遗传因素是小麦品质特性的基础，但环境因素同样影响小麦品质[32]。籽粒淀粉和蛋白质含量对小麦籽粒营养和加工品质起决定作用[18]。本试验结果表明，5种生物刺激素处理均能一定程度提高小麦总淀粉含量，以BFA处理效果最优；此外，BHA、AHA和AOS处理还可提高支链淀粉含量，降低直/支比。前人研究表明，籽粒淀粉一般占小麦籽粒干重的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]。所需的光合产物分别来自光合器官生产的即时光合产物和营养器官中的贮存光合产物，其中后者又分为开花前贮存和开花后贮存两部分[34]。我们先前在水稻上的研究结果显示，施用AOS增效尿素可增强水稻叶和籽粒中SS、蔗糖合成酶(SUS)和ADPase活性，从而促进籽粒中蔗糖和淀粉积累[35]；在小麦上的研究结果显示，AOS处理可促进小麦干物质的积累，尤其是在生育前期，并能提高收获指数[36]。而本试验中，AOS处理的Pn最大，其促进小麦淀粉积累可能与其诱导相关酶活性提高和光合产物增加有关。目前关于施用腐殖酸对小麦淀粉合成的影响报道较少。在水稻上，施用腐殖酸复合肥可提高水稻籽粒淀粉含量，降低直链淀粉含量[37-38]。本研究结果与其类似，但对其调控机制未作深入研究。此外，直链淀粉含量是影响面粉蒸煮品质的重要因素，一般条件下直链淀粉含量低，面条品质好，有韧性、黏性小[32]。本试验中，除AA处理外，其余生物刺激素处理的小麦直链淀粉在总淀粉中所占比值均有不同程度下降，说明喷施生物刺激素可一定程度改善小麦的淀粉品质。

小麦籽粒蛋白质80%是贮藏蛋白，包括醇溶蛋白和麦谷蛋白两种类型，其含量决定面团的弹性和延展性，从而影响面粉的加工品质[39-40]。本试验中，除AHA外，其余生物刺激素处理的蛋白质、湿面筋和干面筋含量均显著下降，这可能与籽粒中氮含量降低有关。面筋指数是面筋质量的综合指标，面筋指数越大，面筋质量越好。本试验中CB和AA处理的面筋指数显著增加，说明施用这两种生物刺激素可改善小麦的面筋质量。此外，面团稳定时间反映的是面团耐受机械搅拌的能力，面团的稳定时间长，说明面团的筋力强。拉伸面积越大，其所含的能量越大，面粉筋力越强，烘焙质量越好[40]。本研究中，不同生物刺激素处理的小麦面团形成时间、稳定时间和拉伸面积均显著降低，说明喷施生物刺激素对小麦面筋形成造成不利的影响。姜小苓等[41]利用分离重组方法，组成不同面筋蛋白和淀粉含量的配粉，分析结果表明，随着面筋蛋白添加量的增加，小麦粉配粉的面团稳定时间呈升高趋势，而添加淀粉后，面团稳定时间则呈下降趋势。本试验中，生物刺激素对小麦面筋形成造成的不利影响，可能与淀粉含量增加、蛋白质含量降低有关。因此，农业生产中生物刺激素作叶面肥施用建议最好配施尿素和磷酸二氢钾，以避免由于生长加快导致的养分及蛋白含量降低。综合来看，5种生物刺激素中，以海藻酸钠寡糖促生长效果最好，然而当前生产成本较高，腐殖酸类产品在价格上具有优势，但应注意功能成分选择。