光合菌剂对弱光照生态区小麦光合特性和产量的影响

易 军，符慧娟，李星月，李其勇，张 鸿

(1. 四川省农业科学院植物保护研究所/农业部西南作物有害生物综合治理重点实验室，四川成都 610066；2. 四川省农业科学院，四川成都 610066)

小麦是我国重要的粮食作物之一，2020年全国小麦播种面积为2 373×104hm2，约占全国粮食总播种面积的20%[1]。四川作为全国小麦重要产区之一，在西南小麦生产中发挥着重要作用。由于生态条件(高温、高湿和弱光照)和种植制度等因素的限制，四川小麦平均产量远低于全国平均水平[2-3]。作物产量主要来源于光合作用，产量高低决定于光合产物的积累与分配。因此，提高小麦光合效率对于提高小麦产量具有重要的理论和实际意义。

叶片是光合作用的主要器官，同时也是吸收营养元素的重要器官；叶面肥作为根际施肥的补充，能迅速补充作物营养，满足作物生长发育需要[4-5]。张春明等[6]研究表明，小麦抽穗期叶面喷施安利素等叶面肥能显著提高小麦旗叶叶绿素和可溶性蛋白含量，提高籽粒灌浆能力，提高小麦籽粒产量。程红玉等[7]在小麦拔节期喷施不同浓度的5-氨基乙酰丙酸叶面肥，发现小麦灌浆期叶片净光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度显著提高，从而增加小麦籽粒产量。吕晓飞等[8]研究表明，叶面喷施尿素、磷酸二氢钾等能不同程度提高谷子叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数，促进光合产物积累，增加产量。光合细菌作为一类以光和低级有机物作为能源进行不产氧光合作用的微生物，具有调节作物叶片和根际微生态环境、提高土壤肥力和叶绿素含量、增强光合能力、促进作物生长等的作用[9-10]。葛红莲等[11]采用复合光合细菌灌根大豆幼苗，发现光合菌剂能显著提高大豆叶片光合能力，增加大豆植株生物量。符慧娟等[12]研究表明，光合细菌沼泽红假单胞菌能改善油菜根际微生态环境，显著降低油菜根肿病发生，提高油菜千粒重和产量。近年来，光合细菌类球红细菌和沼泽红假单胞菌已作为光合菌剂(微生物肥料)开发，并在谷类作物、果蔬和其他经济作物上进行应用[13-15]，而有关光合菌剂对弱光照生态区小麦影响的研究较少。本研究设置两种光合菌剂类型(类球红细菌和沼泽红假单胞菌)和施用方式(叶面喷施或灌根)及叶面喷施磷酸二氢钾，比较分析不同处理对小麦光合特性和产量的影响，为弱光照生态区小麦生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试点概况

试验于2017年10月—2018年5月在四川省农业科学院广汉市连山小麦试验示范基地(104°39′E，31° 00′N)进行，前茬为水稻(OryzasativaL.)。试验地位于成都平原东北部，属四川盆地中亚热带湿润气候区。小麦生长季的日照时长和降水量如图1所示。试验地土壤为黏壤，土壤0～20 cm 耕层含有机质17.6 g·kg-1，全氮1.4 g·kg-1，全磷1.4 g·kg-1，全钾 19.2 g·kg-1，速效氮99.2 mg·kg-1，速效磷30.6 mg·kg-1，速效钾218.0 mg·kg-1，pH 5.17。

1.2 试验设计

供试品种为川麦104，全生育期186 d左右。试验为单因素随机区组设计，处理包括光合细菌类球红细菌灌根(S1)和叶面喷施(S2)、光合细菌沼泽红假单胞菌灌根(S3)和叶面喷施(S4)、磷酸二氢钾(CKp)和等量清水叶面喷施(CKw)，重复3次，共18个小区，小区面积50 m2。在拔节期进行灌根或叶面喷施处理，光合细菌(沼泽红假单胞菌和类球红细菌浓度均为5.0×108cfu·mL-1)、磷酸二氢钾(5%)用量均为240 L·hm-2，喷施和灌根时间在16:00以后，避免强光下喷施对叶片造成伤害。

小麦于10月29日播种，采用免耕穴播，行距20.0～23.3 cm，穴距10.0～13.3 cm，播后覆盖稻草，基本苗约240株·m-2。各处理基施纯N 125 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2。其他管理措施同当地高产田。

图1 小麦生长期间日照时长(S)和降水量(P)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 旗叶光合指标测定

分别在小麦孕穗期和开花期，各处理选取长势一致5个单茎，利用Lcpro-SD便携式光合仪，选择晴天的上午9:00—11:00，测定旗叶的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)。光合速率测定时选择LED红蓝冷光，控制光强为1 500 μmol·m-2·s-1，测定气体流速为200 μmol·s-1，测定温度与当时叶温一致，湿度为当时空气湿度。

1.3.2 株高和旗叶面积的测定

在小麦开花期，各处理分别选取15株，测定植株高度及旗叶的长与宽，按系数法计算旗叶面积(叶面积=长×宽×0.77，0.77为小麦叶面积校正值)[16]。

1.3.3 干物质量测定

在小麦开花期和成熟期，分别在各小区选有代表性的植株9株，取地上部于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，计算干物质量。

1.3.4 产量及其构成测定

成熟期，在各小区选取长势均匀一致的区域，收取1 m2的小麦穗，记录穗数，取20个麦穗测穗粒数；脱粒风干后称重并测千粒重，产量和千粒重按12.5%含水量计算。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 22.0进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 光合菌剂对小麦旗叶光合特性的影响

与对照CKw比较，光合菌剂灌根、喷施或磷酸二氢钾喷施(CKp)下，孕穗期和开花期小麦旗叶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均有不同程度增加，而胞间CO2浓度没有显著变化(表1)。叶面喷施光合菌剂沼泽红假单胞菌(S4)下，小麦旗叶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均最高，孕穗期和开花期分别较CKw提高了 15.7%、 51.6%、24.4%和16.2%、24.7%、10.8%，差异均显著。两种光合菌剂叶面喷施后小麦旗叶的各气体交换参数均高于灌根处理。在类球红细菌灌根处理(S1)下，小麦旗叶的气体交换参数较磷酸二氢钾喷施均呈不同程度下降(开花期胞间CO2浓度除外)；而沼泽红假单胞菌灌根处理(S3)下，小麦旗叶的气体交换参数与磷酸二氢钾喷施处理间均没有显著差异。在相同施用方式(灌根或喷施)下，沼泽红假单胞菌处理的小麦旗叶各气体交换参数均高于类球红细菌处理。

表1 不同处理的小麦旗叶气体交换参数Table 1 Gas exchange parameters of wheat flag leaves under different treatments

2.2 光合菌剂对小麦株高和旗叶的影响

从表2可以看出，各处理间开花期小麦的株高没有显著差异，而旗叶大小有不同程度差异。光合菌剂灌根或喷施处理的开花期小麦旗叶的叶长、宽和面积较对照处理CKw均有不同程度增大，但与磷酸二氢钾喷施处理间没有显著差异。在叶面喷施沼泽红假单胞菌(S4)下，旗叶长、宽、旗叶面积均最大，分别较CKw提高8.1%、 14.7%和24.6%，差异均显著，较CKp提高 6.9%、2.7%和9.8%，差异均不显著。两种光合菌剂叶面喷施处理的小麦株高和旗叶大小均高于灌根处理，但差异均不显著。磷酸二氢钾处理的小麦旗叶宽和面积较CKw显著增加，增幅 11.7%和13.6%。

表2 不同处理开花期小麦的株高和旗叶大小Table 2 Plant height and flag leaf of wheat at flowering stage under different treatments

2.3 光合菌剂对小麦干物质量的影响

在小麦开花期和成熟期，与CKw比较，光合菌剂灌根、喷施或磷酸二氢钾喷施处理的干物质量均显著增加，且光合菌剂灌根处理干物积累量高于喷施处理；其中，沼泽红假单胞菌灌根处理在开花期和成熟期的干物质量都最大，分别比对照CKw增加27.6%和20.4%。开花期，磷酸二氢钾处理小麦干物质量分别较两个光合菌剂灌根处理降低了7.7%和9.9%，差异均显著，成熟期与光合菌剂处理差异均不显著；开花期和成熟期分别较对照处理CKw增加了16.0%和11.0%，差异均显著。

2.4 光合菌剂对小麦产量及其构成因素的影响

与对照CKw比较，光合菌剂灌根、喷施或磷酸二氢钾喷施小麦产量及其构成因素变化趋势不同(表3)。光合菌剂与磷酸二氢钾喷施处理间的小麦产量及产量构成因素均没有显著差异。对产量而言，光合菌剂和磷酸二氢钾处理较对照CKw均显著增加，增幅为10.7%～12.7%；其中沼泽红假单胞菌叶面喷施处理下产量最高。在产量构成因素方面，光合菌剂灌根、喷施或磷酸二氢钾喷施处理的小麦穗数较对照CKw均显著增加，增幅为8.8%～14.2%；在穗粒数方面，仅沼泽红假单胞菌叶面喷施处理较对照CKw显著增加，增幅12.8%；光合菌剂或磷酸二氢钾处理的千粒重与对照CKw没有显著差异。相关性分析表明(表4)，穗数与开花期和成熟期的干物质量呈显著正相关；穗粒数与孕穗期和开花期小麦旗叶的气体交换参数及旗叶大小呈显著或极显著正相关(胞间CO2浓度除外)；产量与孕穗期和开花期叶片的净光合速率及开花期旗叶宽和面积呈显著正相关。

图柱上不同小写字母表示处理间在0.05 水平差异显著。

表3 光合菌剂处理对小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of photosynthetic bacteria treatment on wheat yield and its components

表4 小麦产量及其构成因素与旗叶特性和干物质量的相关性Table 4 Correlation between wheat yield,its components and flag leaf characteristics and dry matter

3 讨 论

光合作用强弱是决定小麦产量的重要因素，光合气体交换参数则是表示光合能力的常用指标[17]。王春虎等[18]研究表明，拔节期叶面喷施光合性芽孢杆菌液肥能显著提高小麦光合速率。高 炜等[19]在小麦拔节期叶面喷施沼泽红假单胞菌静息细胞和无细胞培养液时，发现施用后小麦植株倒二叶光合速率明显增加。本研究也发现，在拔节期叶面喷施光合菌剂均能不同程度提高孕穗期和开花期小麦旗叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。气孔导度增长明显，而胞间CO2浓度没有显著变化，表明净光合速率增加的气孔因素主要是由气孔导度增加引起的[20]。光合气体交换参数值与穗粒数呈显著或极显著相关，表明较高的光合速率有利于提高小麦穗粒数。在沼泽红假单胞菌灌根处理下，孕穗期小麦旗叶净光合速率显著增加，但增长程度小于喷施处理，说明光合细菌喷施较灌根方式更有助于提高小麦叶片光合速率。Larimer等[21]研究表明，沼泽红假单胞菌基因组均具有与固氮酶相关的基因。这类不产氧的光合细菌可将大气中的氮转化为氨来补充植物氮素吸收[22]。磷酸二氢钾在生产上也常作为叶面肥施用。叶面喷施磷酸二氢钾能显著增加小麦和谷子叶片的净光合速率和气孔导度[6,23]。本研究表明，叶面喷施光合菌剂沼泽红假单胞菌后，孕穗期和开花期小麦旗叶的各气体交换参数较磷酸二氢钾喷施处理均有不同程度增加，而叶面喷施光合菌剂类球红细菌与磷酸二氢钾相比有不同程度降低，说明选择适宜的光合菌剂种类作为叶面追用微生物菌肥，可有效提高叶片光合速率，并进一步减少化学追肥施用。

叶片是植株进行光合作用的主要场所，旗叶面积越大，植株在生长发育后期通过光合作用向穗部输送的养分也越多。黄 琴等[24]研究表明，叶面喷施大丽轮枝孢激活蛋白能显著增加冬小麦旗叶宽和面积与花后旗叶光合速率。在本试验中，叶面喷施光合菌剂沼泽红假单胞菌能明显增加旗叶宽和面积，且旗叶长、宽和面积较磷酸二氢钾叶面喷施处理也明显增加。光合菌剂沼泽红假单胞菌喷施下，穗粒数也显著增加。相关性分析表明，旗叶长、宽和面积与穗粒数呈显著或极显著相关。较大的旗叶面积有利于形成大穗，增加小麦穗粒数，从而提高小麦产量[25]。干物质积累能充分反应作物对土壤养分的吸收与利用，同时也是作物产量形成的基础[26]。本研究结果表明，光合菌剂灌根处理后，小麦开花期和成熟期干物质量较对照显著增加，且明显高于叶面喷施处理，这可能是由于施用光合菌剂能有效提高土壤养分含量，促进小麦的养分吸收，从而提高了干物质积累量，这与景豆豆等[27]和涂保华等[28]研究结果基本一致。此外，干物质量与小麦穗数显著相关，表明较高的干物质量有利于小麦穗数形成。

4 结 论

采用光合菌剂作为微生物菌肥喷施或灌根可提高弱光照生态区小麦光合效率和产量，但影响程度在不同光合菌剂间存在差异；沼泽红假单胞菌较类球红细菌喷施效果最好，适宜在该区小麦绿色生产中推广应用。