航天搭載硅鏈霉菌的分離鑒定及對(duì)伽師瓜產(chǎn)量、品質(zhì)、土壤質(zhì)量的影響

汪亞潔，王曉樺*，唐天成

新疆山川秀麗生物有限公司，烏魯木齊 830011

土地資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)性資源，也是保持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。受氣候、經(jīng)濟(jì)壓力和土壤資源本底條件的影響，新疆綠洲生態(tài)環(huán)境極為脆弱。同時(shí)長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)民為追求經(jīng)濟(jì)效益過(guò)量施用化肥、連年重茬等不合理地人為管理措施導(dǎo)致土壤板結(jié)、耕地退化、次生鹽漬化等問(wèn)題，對(duì)新疆作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)形成了潛在威脅，這也是阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸之一[1-3]。近年來(lái)，為落實(shí)中央農(nóng)村工作會(huì)議和中央一號(hào)文件要求，強(qiáng)化綠色引領(lǐng)，聚焦重點(diǎn)發(fā)力，扎實(shí)推進(jìn)化肥減量增效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)，集成推廣生物有機(jī)肥替代部分化肥的生產(chǎn)技術(shù)模式，對(duì)深入推進(jìn)化肥減量增效工作，全面推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、綠色發(fā)展有重要意義[4-5]。硅鏈霉菌Streptomyces silaceus 是生物有機(jī)肥中非常重要的一類(lèi)肥料，它具有促進(jìn)土壤有機(jī)物質(zhì)分解礦化，改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高作物抗病、抗逆能力的多重作用[6]。本研究通過(guò)神舟九號(hào)飛船搭載硅鏈霉菌菌肥進(jìn)行誘變，誘變菌株耐受pH 范圍更廣、抗逆性更強(qiáng)，制備太空生物有機(jī)肥并應(yīng)用于伽師瓜生產(chǎn)，驗(yàn)證其對(duì)伽師瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的效果，旨在為區(qū)域內(nèi)土壤肥力保育、化肥減量增效提供技術(shù)支撐，對(duì)于促進(jìn)和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 分離鑒定菌株

搭載神舟九號(hào)航天飛船的菌肥返回地面后，由中國(guó)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所保藏中心保藏，對(duì)搭載菌肥進(jìn)行菌株分離鑒定工作。分離鑒定用的培養(yǎng)基采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基。

1.1.2 試驗(yàn)地概況

大田實(shí)驗(yàn)于2018年4月-2018年8月，在伽師縣和夏阿瓦提鄉(xiāng)（N39°35′21.51′′，E77°21′34.15′′）進(jìn)行，前茬作物為伽師瓜，三年平均產(chǎn)量2822 kg/hm2。試驗(yàn)地海拔1188 m，屬于典型的暖溫帶內(nèi)陸干燥氣候，光照充足，熱量豐富，溫差大，年平均降雨量64.6 mm，年均蒸發(fā)量2066 mm，年平均氣溫11.8℃，全年日照時(shí)數(shù)為2 922.4 h，無(wú)霜期平均在231 d。土壤質(zhì)地沙壤土，肥力中等。土壤養(yǎng)分情況：有機(jī)質(zhì)11.4 g/kg、速效磷15.8 mg/kg、速效鉀143 mg/kg、堿解氮63 mg/kg、pH 值8.26。

1.1.3 供試肥料

試驗(yàn)選用的生物有機(jī)肥由本地推廣應(yīng)用較多的4 家生產(chǎn)廠家提供，其中某A 公司提供的生物有機(jī)肥A（N-P2O5-K2O 為2.11-2.55-1.67，有效活菌數(shù)為1.34 億/g，有機(jī)質(zhì)為60%）；新疆山川秀麗生物有限公司提供的太空生物有機(jī)肥B（NP2O5-K2O 為2.51-2.23-1.54，有效活菌數(shù)為2.12億/g，有機(jī)質(zhì)為54%，即誘變菌株制備所得）；某C 公司提供的生物有機(jī)肥C(N-P2O5-K2O 為1.91-2.43-1.71，有效活菌數(shù)為0.52 億/g，有機(jī)質(zhì)為46%）；某D 公司提供的生物有機(jī)肥D（N-P2O5-K2O 為2.51-2.23-1.54，有效活菌數(shù)為0.22 億/g，有機(jī)質(zhì)為50%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)刂髟云贩N：卡拉庫(kù)賽。通過(guò)前期生物有機(jī)肥合理施用技術(shù)研究試驗(yàn)，得出生物有機(jī)肥在伽師瓜上的合理施用量為1800 kg/hm2。在此基礎(chǔ)選用了4 家生產(chǎn)廠家提供的生物有機(jī)肥，共設(shè)5 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共計(jì)15 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)15 m，寬2.8 m，小區(qū)面積42 m2。試驗(yàn)區(qū)田間管理與當(dāng)?shù)刭煿瞎芾硪恢隆?/p>

CK 處理：常規(guī)施肥，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥習(xí)慣。（基肥磷酸二銨900 kg/hm2，追肥尿素150 kg/hm2，磷酸二銨300 kg/hm2)；

T1：在CK 處理基礎(chǔ)上，施用1800 kg/hm2生物有機(jī)肥A，尿素減量120 kg/hm2；

T2：在CK 處理基礎(chǔ)上，施用1800 kg/hm2太空生物有機(jī)肥B，尿素減量120 kg/hm2；

T3：在CK 處理基礎(chǔ)上，施用1800 kg/hm2生物有機(jī)肥C，尿素減量120 kg/hm2；

T4：在CK 處理基礎(chǔ)上，施用1800 kg/hm2生物有機(jī)肥D，尿素減量120 kg/hm2；

生物有機(jī)肥施用方式為：在第一次灌水前，根部附近開(kāi)溝一次性施用。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 形態(tài)特征觀察

將搭載誘變菌種和CK 菌種樣品分別制成不同稀釋倍數(shù)的懸液，分別涂布于高氏一號(hào)培養(yǎng)基上，置于28℃培養(yǎng)，經(jīng)過(guò)4 d、14 d 后，在40倍光學(xué)顯微鏡下、3000 倍、10000 倍、15000 倍電子顯微鏡下分別觀察菌株的形態(tài)特征。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

分別于施肥前（2018 年3 月28 日）、收獲后（2018 年9 月22 日）采集各處理土壤樣品，風(fēng)干處理后用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)[7]。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用火焰光度法測(cè)定；土壤pH 采用電位法測(cè)定。

1.3.3 伽師瓜產(chǎn)量、品質(zhì)的測(cè)定

伽師瓜成熟后，按照測(cè)產(chǎn)要求測(cè)定單瓜重，并折算產(chǎn)量。

伽師瓜品質(zhì)的測(cè)定[8]：可溶性糖采用酮蒽法測(cè)定；可溶性固形物含量采用ATAGO-數(shù)顯測(cè)糖儀測(cè)定；可滴定酸含量采用NaOH 滴定法測(cè)定；維生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 表觀鑒定

2.1.1 菌體電子顯微鏡觀察表觀特征

搭載誘變菌株和CK 菌株經(jīng)高氏一號(hào)培養(yǎng)基14 d 的培養(yǎng)后，采用電子顯微鏡觀察形態(tài)特征，結(jié)果顯示：在3000 倍、10000 倍、15000 倍電鏡下分別觀察到搭載誘變菌株和CK 菌株的培養(yǎng)，基絲均為米白色，氣絲為淡黃色，孢子為白色，二者螺旋狀孢子絲特征基本一致。

圖1 3000倍電鏡下菌絲形態(tài)

圖2 10000倍電鏡下孢子絲形態(tài)

圖3 15000倍電鏡下孢子絲形態(tài)

2.1.2 生長(zhǎng)速率

對(duì)兩個(gè)菌株的生長(zhǎng)速率進(jìn)行培養(yǎng)觀察和對(duì)比，結(jié)果顯示：搭載誘變菌株和CK 菌株分別在高氏一號(hào)培養(yǎng)基上培養(yǎng)4 d 后，可以觀察到搭載誘變菌株的生長(zhǎng)速率快，明顯高于CK 株。

圖4 菌株培養(yǎng)4 d生長(zhǎng)情況

2.2 不同生物有機(jī)肥對(duì)伽師瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤質(zhì)量的對(duì)比試驗(yàn)

2.2.1 各處理對(duì)伽師瓜瓜地土壤質(zhì)量的影響

表1 所示，各處理下伽師瓜瓜地的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀殘留量均低于施肥前含量，各化肥減量增施生物有機(jī)肥處理與常規(guī)施肥CK 比較，各處理均低于CK。各化肥減量增施生物有機(jī)肥處理下土壤堿解氮較試驗(yàn)前降低幅度為7.94%～14.28%，與CK 比較，T2 處理土壤堿解氮?dú)埩袅繙p少最顯著，為6.90%；T1、T3、T4 處理減少不顯著，分別為1.72%、1.72%、3.45%。各處理下速效鉀殘留量方面，T2 處理速效鉀殘留量減少最顯著，各化肥減量增施生物有機(jī)肥處理與常規(guī)施肥CK 比較，T2、T4、T3減少幅度均高于CK，分別降低了5.04%、5.04%、3.60%，而T1 處理速效鉀殘留量略高于CK，但不顯著。各處理土壤有效磷殘留量均低于施肥前，且化肥減量增施生物有機(jī)肥處理與CK 相比有效磷殘留量減少幅度在0.64%～1.91%，差異不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)含量方面，各處理下的有機(jī)質(zhì)含量均高于施肥前，表現(xiàn)出T2>T1>T3=T4>CK，與CK 相 比，T2 處理增幅最顯著，為6.31%。T2 處理土壤pH 值較CK 降低了0.06 個(gè)單位，而T3、T4 和T1 處理土壤pH 值較CK 有所降低，但不顯著。

表1 各處理對(duì)土壤養(yǎng)分變化分析表

2.2.2 各處理對(duì)伽師瓜產(chǎn)量的影響

表2 所示，各處理可增加伽師瓜的產(chǎn)量，T1、T2、T3、T4 較CK分別平均增產(chǎn)3849 kg/hm2、6728 kg/hm2、254 kg/hm2、909 kg/hm2，各處理對(duì)伽師瓜產(chǎn)量的影響有所差異，表現(xiàn)出T2>T1>T3>T4>CK。T2 處理與CK 相比增加最顯著，增產(chǎn)率達(dá)16.24%，而T4、T3 處理與CK 相比無(wú)顯著性增加，增產(chǎn)率僅為2.19%、6.15%。T2 處理對(duì)伽師瓜的增產(chǎn)作用優(yōu)于T1、T3、T4、CK 各處理。

表2 各處理對(duì)伽師瓜產(chǎn)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析表

2.2.3 各處理對(duì)伽師瓜品質(zhì)的影響

表3 所示，各處理可改善伽師瓜的品質(zhì)。各化肥減量配施生物有機(jī)肥處理下伽師瓜的可溶性固形物含量均高于CK，即T2>T3>T1>T4>CK，其中T2 處理含量最高，為11.07%，比CK 顯著提高了16.53%，其次為T(mén)3、T1 處理，分別比CK 顯著提高了14.00%、10.53%，而T4 處理與CK 相比，增加的不顯著；而各化肥減量配施生物有機(jī)肥處理下伽師瓜的可滴定酸度較CK 相比有所改善，但差異不顯著；伽師瓜維生素C 方面，表現(xiàn)出T2 處理含量最高，為21.92 mg/100 g，比CK顯著提高了11.95%，而T1、T3 和T4 處理較CK 分別提高了2.24%、2.71%、1.38%，但差異不顯著；T2 處理下固酸比較CK 顯著提高24.86%，固酸比最高，其次為T(mén)1、T3、CK、T4；各化肥減量配施生物有機(jī)肥處理下伽師瓜的折光邊糖、折光心糖均高于CK，T3 處理的折光邊糖、折光邊糖最高，且T3>T2>T1>T4>CK，T2、T1、T4、CK 間的差異不顯著。

表3 各處理對(duì)伽師瓜品質(zhì)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析表

3 討論與結(jié)論

地球上的生物總是處于一定的重力環(huán)境之中，重力環(huán)境的改變會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖過(guò)程，而空間環(huán)境中，微生物處于微重力狀態(tài)，空間各條件下，如宇宙射線、交變磁場(chǎng)、微重力、高真空等多重復(fù)雜環(huán)境因素會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)、繁殖產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)對(duì)搭載誘變菌株和CK 菌株形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，搭載誘變菌株和CK 菌株形態(tài)基本一致，無(wú)顯著差異；但生長(zhǎng)速率方面，搭載誘變菌株的生長(zhǎng)速率明顯高于CK菌株。Klaus 等[9]研究大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等，發(fā)現(xiàn)與地面重力條件下的細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程相比，生長(zhǎng)速度明顯加快；王佳平等[10]研究模擬微重力可導(dǎo)致白色念珠菌靜止期縮短，對(duì)數(shù)期提前，生長(zhǎng)速度明顯加快，與本研究結(jié)果相似。

長(zhǎng)期以來(lái)，老百姓主要以常規(guī)施肥模式，大量施用化肥為主，達(dá)到作物增產(chǎn)的目的。但是過(guò)量的施用化肥，一方面會(huì)使作物品質(zhì)降低，肥料利用率低下，另一方面，會(huì)使土壤中殘留養(yǎng)分過(guò)多積累，造成土壤養(yǎng)分失衡，破壞土壤質(zhì)量狀況，最終影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[11-13]。淦靜怡等[14]研究結(jié)果表明，生物有機(jī)肥的合理施用會(huì)使甜瓜產(chǎn)量增產(chǎn)。本研究中減量化肥配施不同生物有機(jī)肥的各處理與常規(guī)施肥（CK）相比，能有效減少殘留在土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀，同時(shí)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量狀況。而T2 處理中采用的生物有機(jī)肥，核心菌種是經(jīng)過(guò)太空搭載誘變的具有抗逆性強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快的硅鏈霉菌菌株，用該菌株生產(chǎn)太空生物有機(jī)肥。硅鏈霉菌具有微生物能解離土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分功能，減少了土壤中殘留養(yǎng)分，還可以將養(yǎng)分供給作物生長(zhǎng)，這或許也是引起作物產(chǎn)量增加的原因[15-16]。

本研究還表明，施入磷酸二銨1200 kg/hm2，追肥尿素30 kg/hm2，太空生物有機(jī)肥1800 kg/hm2情況下，伽師瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)都高于常規(guī)施肥，表現(xiàn)最優(yōu)。這可能是由于生物機(jī)肥除了含有較高的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀養(yǎng)分，還含有多種微生物菌種，能改良土壤促進(jìn)被土壤固定養(yǎng)分的釋放，為作物提供所需的養(yǎng)分。

合理的化肥減量配施生物有機(jī)肥，可降低化學(xué)肥料的投入量，提高肥料的利用率，節(jié)約成本；同時(shí)，還能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量結(jié)構(gòu)，減少土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的殘留，供給作物生長(zhǎng)所需，提高伽師瓜產(chǎn)量并改善品質(zhì)。