多粘類芽孢桿菌肥對茶樹生長和茶葉品質(zhì)的影響

王佳歡,李慧莉

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

中國是第一個將茶葉生產(chǎn)商業(yè)化的國家。據(jù)估計,2016年中國茶葉種植面積已達293萬公頃,茶葉產(chǎn)量超過243萬噸,產(chǎn)值558.8億元,居世界首位[1]。亞熱帶丘陵區(qū)是我國主要的茶葉種植區(qū)之一,占全國茶葉種植面積的64%以上[2]。茶樹是多年生常綠木本植物,且茶樹采摘以幼嫩的新梢及葉片為主,茶樹所含的營養(yǎng)成分隨著采摘被源源不斷的帶走[3]。在實際生產(chǎn)中,為了提供茶樹生長所需的營養(yǎng)成分和促進茶樹幼嫩芽梢的生長,會通過施肥、改善土壤性質(zhì)等技術(shù)提高茶樹鮮葉的有效成分含量[4]。近幾十年來,化學(xué)肥料的大量使用大幅度提高了茶葉產(chǎn)量,同時也帶來了農(nóng)藥殘留、重金屬環(huán)境污染和土壤板結(jié)等一系列問題[5]。因此,為了解決茶園環(huán)境問題,提高茶葉產(chǎn)品的品質(zhì),亟需探索新型高效、綠色安全的茶葉生產(chǎn)肥料。

微生物肥料是利用一種或幾種有益微生物活細(xì)胞制作而成的肥料[6],微生物肥料是活體肥料[7],是利用微生物的生長代謝作用使作物得到特定肥效的一種制品[8]。多粘菌(原多粘類芽孢桿菌)是一種革蘭氏陽性芽孢細(xì)菌,屬于植物促生長細(xì)菌(PGPB,plants promote the growth of bacteria)的一個多樣化群體[9-10]。多粘菌對植物有多種有益作用,如增強植物的固氮作用、促進植物生長、抑制植物病原菌引起的疾病等[11]。Xu等[12]以甘薯淀粉工業(yè)廢水為原料,生產(chǎn)多粘類芽孢桿菌肥作為葉面肥用于茶樹種植,經(jīng)過一年的田間調(diào)查,證明該微生物肥料對茶葉產(chǎn)量、水浸出物和茶多酚含量均有顯著的提高,說明多粘類芽孢桿菌可用于有機茶生產(chǎn)中[13-15]。研究以甘薯淀粉工業(yè)廢水和稻草為原料,通過發(fā)酵工藝制備了多粘類芽孢桿菌肥,施于茶樹根部,并分析其對茶樹生長和茶葉品質(zhì)的影響。

1 實驗方法和材料

1.1 實驗材料

實驗在湖南省長沙市東北部金井河流域的長沙農(nóng)業(yè)與環(huán)境監(jiān)測研究站進行,該地塊內(nèi)的土壤被歸類為花崗巖母體材料。供試的茶樹品種為4年樹齡的福建白毫早。實驗以多粘類芽孢桿菌株EBL-06、甘薯淀粉工業(yè)廢水和稻草為原料通過發(fā)酵工藝制備成多粘類芽孢桿菌微生物肥料。甘薯淀粉工業(yè)廢水來源于當(dāng)?shù)氐矸凵a(chǎn)公司(湖南湘豐公司);水稻秸稈于春季從當(dāng)?shù)氐咎镏惺占?在室溫下干燥,磨成5～8 mm的顆粒。再以農(nóng)業(yè)微生物菌種標(biāo)準(zhǔn)(SMIA,國家標(biāo)準(zhǔn),GB 20287-2006)為基礎(chǔ),對甘薯淀粉工業(yè)廢水和水稻秸稈的理化性能進行了分析。研究使用的2種原料均滿足安全性和實用性要求。實驗所采用的多粘類芽孢桿菌EBL-06分離自小麥葉際,在中國通用微生物培養(yǎng)收集中心保存[16]。實驗的工藝流程如圖1所示。

圖1 多粘類芽孢桿菌肥根施對茶樹生長和茶葉品質(zhì)影響工藝流程Fig.1 The process of effect of Paenibacillus polymyxaroot fertilizer application on the growth andquality of tea plants

1.2 實驗設(shè)計

實驗用多粘類芽孢桿菌肥,選用2種濃度水平(高濃度水平:50 000 kg·ha-1·yr-1,編號為BFH225;低濃度水平:25 000 kg·ha-1·yr-1,編號為BFL113),設(shè)一個空白對照(CK,以清水代替微生物肥料)。每個濃度水平做3個平行實驗,每個處理單元面積為60 m2(10 m×6 m)。多粘類芽孢桿菌肥施到茶樹根部處(深10～15 cm),于2019年的3月初施肥,施肥量為600 kg/hm2,然后分別在施肥第0、7、14、21天后監(jiān)測茶樹的百芽重、茶葉產(chǎn)量以及茶葉的水浸出物、茶多酚、咖啡堿、氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 茶樹生長指標(biāo)的測定

(1) 茶樹產(chǎn)量的測定 各方格0.1 m2(0.3 m×0.3 m)隨機采摘500個新生嫩芽,記錄發(fā)芽個數(shù),以此記錄茶樹產(chǎn)量。

(2) 茶樹百芽重的測定 各方格內(nèi)隨機采摘100個新鮮芽頭,調(diào)查一芽一葉和一芽二葉的百芽重。

1.4 茶葉品質(zhì)指標(biāo)的測定

(1) 水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定 水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用全量法(GB/T 8305-2002)。

(2) 茶多酚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 茶多酚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用酒石酸亞鐵比色法(GB/T 8313-2002)。

(3) 咖啡堿物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 咖啡堿物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用紫外分光光度法。

(4) 氨基酸物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 氨基酸物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定采用茚三酮比色法(GB/T 8314-2002)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 多粘類芽孢桿菌肥對茶樹生長指標(biāo)的影響

(1) 對茶樹百芽重的影響 實驗采用百芽重作為測定茶葉產(chǎn)量的指標(biāo)。在實驗之前,先對茶樹進行均勻修剪,茶樹的百芽重和芽密度沒有明顯差異和變化,因此百芽重可以作為生物量的指標(biāo)。茶樹在施用多粘類芽孢桿菌肥后,各生長指標(biāo)和產(chǎn)量相比對照組均有顯著增加。百芽重是反應(yīng)芽頭質(zhì)量的重要指標(biāo),百芽重含量高表明芽頭質(zhì)量好、內(nèi)含物豐富、出茶品質(zhì)較好。

在茶樹一芽一葉期和一芽二葉期,隨機在每個方格(0.1 m2)采摘100個新鮮的幼嫩芽頭,測定其質(zhì)量。不同濃度多粘類芽孢桿菌肥處理下茶樹百芽重隨取樣時間的變化關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥相比于對照組,百芽重提高顯著,平行樣本分別提高0.67%、0.10%、0.82%;施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥茶

圖2 不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥處理下茶樹百芽重隨時間的變化關(guān)系Fig.2 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the one-hundred-bud weight on different days

樹的百芽重則無明顯變化,在第14天后,百芽重甚至低于對照組。這是因為高濃度的多粘類芽孢桿菌肥的制作原料中含有豐富的碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì),施用此種微生物肥料能使茶樹提早2～3天抽芽,并且新芽的芽頭粗重,新葉表現(xiàn)為葉寬、葉厚。因此高濃度的多粘類芽孢桿菌肥可以促進茶樹新梢的生長、提高發(fā)芽率、增加芽頭的質(zhì)量;而低濃度的多粘類芽孢桿菌肥則在短期試驗周期內(nèi)對茶樹百芽重的提升效果不明顯,可延長實驗周期以觀察低濃度多粘類芽孢桿菌肥相比于對照組對茶樹百芽重提升的效果。

(2) 對茶樹產(chǎn)量的影響 茶樹的產(chǎn)量不僅和品種及遺傳特性有關(guān),也與當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境條件和茶園施肥管理措施密切相關(guān)。不同的施肥種類和施用濃度對茶園的土壤環(huán)境產(chǎn)生不同的影響,進而影響茶樹的各項產(chǎn)量指標(biāo)。為了更好地觀察茶樹新芽的生長情況,促進茶樹新芽萌發(fā),在春茶開采前對茶樹進行了均勻修剪,以便能更客觀地衡量施用多粘類芽孢桿菌肥對茶樹產(chǎn)量的影響。施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥后茶樹產(chǎn)量隨取樣時間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶樹產(chǎn)量隨取樣時間的變化關(guān)系Fig.3 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on tea yield on different sampling days

由圖3可知,施用高濃度和低濃度的多粘類芽孢桿菌肥均能提高茶樹的產(chǎn)量,尤其是高濃度的肥料,相比對照組在施肥后21天分別提高0.64%、1.50%、1.96%。施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥在前兩周和對照組相比,茶樹產(chǎn)量基本相同,但在第21天茶樹產(chǎn)量提高0.25%。這是因為低濃度的多粘類芽孢桿菌肥中氮素和磷素等產(chǎn)生肥效的因子比含有同等濃度的高濃度多粘類芽孢桿菌肥含量低,而微生物肥料的肥效釋放速度慢,所以不能在短時間內(nèi)大幅度提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì),因此適合作為基肥使用。

茶樹施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥后產(chǎn)量得到相應(yīng)的提升,主要機理有3點:第一,多粘類芽孢桿菌肥中含有大量的氮素,先通過土壤吸收轉(zhuǎn)化為土壤氮,然后通過茶樹從土壤中吸收土壤氮貯存于根部和成熟的葉片中,再作為運轉(zhuǎn)氮被新梢吸收和利用,提高茶葉的鮮嫩性和產(chǎn)量;第二,氮素不僅是蛋白質(zhì)的主要成分,也是原生質(zhì)的重要組成,當(dāng)肥料中含有大量的氮素時,茶樹根部和莖部蛋白質(zhì)含量提高,可促進細(xì)胞分裂、伸長,葉綠素含量增加,茶樹的光合作用增強,營養(yǎng)供給充足,促進茶芽萌發(fā)和新梢生長,增加新梢的采摘輪次,延長采摘時間,從而有效地提高茶樹產(chǎn)量和茶葉品質(zhì);第三,多粘類芽孢桿菌能產(chǎn)生多肽蛋白、酶、功能性多糖及其他代謝活性物質(zhì),茶樹產(chǎn)量的增加可能是因為多粘類芽孢桿菌釋放了生長素代謝物吲哚-3-乙酸(IAA)和抗生素化合物等代謝物質(zhì),這些物質(zhì)不僅有助于刺激植物的生長,而且能夠?qū)Χ喾N植物病原體產(chǎn)生抑制作用,從而有助于茶樹產(chǎn)量的提高。

2.2 多粘類芽孢桿菌肥對茶葉品質(zhì)的影響

(1) 對茶葉水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 茶葉中水浸出物是指在沖泡茶葉的過程中被沸水浸出的物質(zhì),茶的水浸出物是成品茶葉品質(zhì)好壞的綜合性指標(biāo),可判斷茶葉所含營養(yǎng)物質(zhì)的豐富程度[17]。施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系Fig.4 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of tea water extract ondifferent sampling days

由圖4可知,施用高濃度和低濃度的多粘類芽孢桿菌肥均能顯著提高茶葉中水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥后,茶葉水浸出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈階段性增長,相比對照組水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高增加4.73%;施用低濃度菌肥則呈現(xiàn)先升高再降低再升高的趨勢,相比對照組水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高增加3.56%;施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥后茶葉的水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了相應(yīng)提高,這是因為磷元素存在于茶樹體內(nèi),磷元素以有機化合物和無機磷酸鹽等形式存在,而茶葉中的水浸出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其呈顯著正相關(guān),這對茶葉的香型和層次感有較好的影響。

(2) 對茶葉茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 茶多酚是茶葉中多酚類物質(zhì)的總稱,包括有黃酮類、兒茶素類、酚酸類等。它具有抗衰老、抗癌、抗輻射、降血糖血脂等功效[18],在日用化工生產(chǎn)、醫(yī)療保健、食品飼料加工等方面有廣泛的用途[19]。茶多酚的含量直接影響著茶葉的色香味品質(zhì),茶多酚通常表現(xiàn)出苦澀味,對茶葉品質(zhì)影響很大。施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系Fig.5 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of tea polyphenols ondifferent sampling days

由圖5可知,施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥均可以提高茶葉茶多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥,茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)由開始急速增長到后期趨于平緩增長,相比對照組最大可提高6.05%;施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥,茶葉中茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,相比對照組茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高提升4.84%?？傮w來說,施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥可有效提高茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù),隨著施用時間延長,高濃度的多粘類芽孢桿菌肥效果接近低濃度菌肥。

(3) 對茶葉咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 咖啡堿是茶葉中的主要生化活性物質(zhì),化學(xué)名稱為1,3,7-三甲基黃嘌呤,約占干物質(zhì)的2%～5%,具有興奮、利尿、解乏、增加心血管系統(tǒng)活動的功效[20]?？Х葔A主要在幼嫩的芽葉中含量較高,老葉中含量少。施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系Fig.6 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of caffeine ondifferent sampling days

由圖6可知,施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥使茶葉咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動較大,從第7天開始先下降后又急劇上升,第14天以后隨著時間的增長茶葉咖啡堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高;施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥使咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為穩(wěn)定,咖啡堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照組相比總體提升較多,最高可提升0.92%。茶葉中咖啡堿的含量主要與氮元素、鉀元素有關(guān),多粘類芽孢桿菌能分泌植物激素、生物固氮、解鉀、促進植物光合作用。當(dāng)其作為微生物肥料施用給茶樹時,能迅速在茶樹根際、內(nèi)部定植并形成“生物膜”,促進植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。而鉀元素是光合作用、呼吸作用等代謝活動中許多酶的活化劑,對茶樹的生長代謝活動有重要的影響。因此,茶葉中咖啡堿的含量與多粘類芽孢桿菌作為生物肥料的濃度呈正相關(guān)。

(4) 對茶葉氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 氨基酸是茶葉鮮爽味的決定物質(zhì),影響茶水的香型和層次感,是表征茶葉品質(zhì)的重要指標(biāo)[21]。茶葉的氨基酸含量及組分直接決定茶葉的品質(zhì),尤其是茶葉獨有的茶氨酸,一般在茶葉中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%,在感官審評中體現(xiàn)出鮮、爽的特征。施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 施用不同濃度的多粘類芽孢桿菌肥時茶葉氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨取樣時間的變化關(guān)系Fig.7 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of amino acids ondifferent sampling days

由圖7可知,施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥可以提高茶葉中氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù),相比對照組氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升效果明顯,第7、14、21天質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提升0.76%、1.04%、1.86%。施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥在施肥后的前兩周茶葉氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥茶葉氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,但是隨著茶樹的生長,茶葉中氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降,相比于對照組氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第7、14、21天分別提升1.21%、1.32%、0.73%。說明多粘類芽孢桿菌肥有利于提高茶葉氨基酸總量及組分含量,從而提高茶葉的品質(zhì),而茶葉中氨基酸組分含量的提高與氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)的共同作用有關(guān)。這是由于多粘類芽孢桿菌通過生物固氮為植物提供氮源,將磷、鉀復(fù)合物降解為植物可吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì),促進植物的生長和增產(chǎn),提高茶葉新梢葉片的氣孔導(dǎo)度,保證茶葉新梢中磷的含量,從而增強茶樹的凈光合速率和水分利用效率,保持茶葉的茶品和層次感。

3 結(jié)論

經(jīng)過21天以上對茶樹根部施用多粘類芽孢桿菌肥的實驗,獲得如下結(jié)論:

(1) 施用高濃度的多粘類芽孢桿菌肥可以顯著提高(經(jīng)過顯著性檢驗,P<0.05)茶樹的百芽重,效果主要集中在第14天以后,相比于對照組百芽重分別提高了0.67%、0.10%、0.82%,茶樹產(chǎn)量相比于對照組分別提高了0.64%、1.50%、1.96%。而對于茶葉水浸出物、茶多酚、咖啡堿、氨基酸最高分別提升4.73%、6.05%、0.99%、1.86%。

(2) 與對照組相比,施用低濃度的多粘類芽孢桿菌肥茶樹的百芽重和產(chǎn)量沒有明顯變化,對提高茶園產(chǎn)量沒有顯著的效果。而對茶葉水浸出物、茶多酚、咖啡堿、氨基酸最高分別提升3.56%、4.84%、0.92%、1.32%。

總體而言,施用微生物肥料能夠顯著促進茶樹在春季的光合作用強度,使茶葉產(chǎn)量與品質(zhì)高于對照組,從而提高茶園產(chǎn)量,改進茶葉品質(zhì)。