生物炭对小麦赤霉病的防治效果及产量的影响

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　　摘要 为探索生物炭对小麦赤霉病的防治效果和对产量的影响，设置小麦播种前、返青拔节期单施或两个时期均施生物炭处理，在小麦分蘖期人工接种病麦粒，在抽穗扬花期采用孢子捕捉器对穗层空气中的赤霉病菌孢子数量进行动态监测，并在乳熟期调查各处理的病穗率和病情指数，成熟期测定各处理的理论产量、实际产量和籽粒中脱氧镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）毒素的含量。结果表明，施用生物炭后穗层赤霉病菌孢子的数量显著降低，赤霉病病情指数降低，且以基施和返青拔节期追施13 500 kg/hm2生物炭的处理最优;施用生物炭后小麦千粒重和株高均显著增加（P<0.05），其中基施和追施13 500 kg/hm2生物炭的处理较对照处理增产29.5%（P<0.05）。
　　关键词 小麦赤霉病; 生物炭; 防效; 产量
　　中图分类号： S 435.121.45
　　文献标识码： B
　　DOI： 10.16688/j.zwbh.2019506
　　Effect of biochar on controlling wheat Fusarium head blight and yield
　　LIU Yue1，2， SHI Wenqi1， ZENG Fansong1， LIU Meiling1， CHENG Tingting1， HUANG Zhenyu3，
　　XUE Minfeng1， XIANG Libo1， GONG Shuangjun1， YANG Lijun1*， YU Dazhao1*
　　（1. Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of
　　Integrated Pest Management on Crops in Central China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Hubei Key
　　Laboratory of Crop Disease， Insect Pests and Weeds Control， Wuhan 430064， China; 2. Huazhong
　　Agricultural University， Wuhan 430071， China; 3. Agricultural Technology Service Center
　　of Shipai Town， Zhongxiang City， Hubei Province， Zhongxiang 431922， China）
　　Abstract
　　In order to explore the effect of biochar on Fusarium head blight （FHB）， treatments of biochar at different growing stages are designed， including application of biochar either before sowing， or at green-turning and jointing stage， and both. During the tillering stage of wheat， all above treatments field were inoculated with grains containing FHB pathogen. During heading and flowering stage， spore in the air at panicle layer height were monitored with spore trappers. The disease rate of ear and disease index of each treatment were investigated at the milk ripening stage. Theoretical yield， actual yield and DON toxin content in grains of all treatments were analyzed at maturity stage. The results showed that application of biochar could both significantly reduce occurrence of FHB and number of Fusarium spores at panicle layer. Application of biochar could significantly increase 1 000-grain weight and plant height（P<0.05）. The best treatment for the yield is 13 500 kg/hm2 at both sowing and jointing stage， which showed 29.5% higher yield than that of control treatment （P<0.05）.
　　Key words
　　Fusarium head blight; biochar; control effect; yield
　　赤霉病是我國小麦生产上的重要病害之一，在长江中下游麦区危害严重[1-2]，严重影响小麦的产量和品质，威胁人畜健康[3-4]。生产上抗赤霉病的品种相对缺乏[5]，化学农药的施用仍是当前防治赤霉病的主要手段[6]。然而长期施用化学药剂，易造成病原菌抗药性上升、防效下降，如江苏、安徽等省因赤霉病菌对多菌灵产生了较大比例的抗性，已逐渐限制多菌灵的使用 [7]。随着我国现代农业绿色、环保等高质量发展的要求，采用生态、物理和生物防治等多种措施综合防治赤霉病成为一种趋势 [8-9]。 　　生物炭是高温裂解和炭化植物秸秆残体的产物，对环境友好、对人畜无害。研究显示，施用生物炭能够一定程度改变土壤性质，提高土壤养分含量[10];可用于防治烟草青枯病、烟草黑胫病、芦笋根腐病等植物病害[11-13]。同时，生物炭对水稻、白菜、萝卜等作物的生长和产量具有一定促进作用[14-16]。在小麦上，目前尚未见生物炭用于防治赤霉病的研究报道，仅刘欢欢等研究发现生物炭能防治小麦根腐病，且能提高小麦千粒重、实粒数和有效穗数 [17]。本研究拟通过地表人工接种病麦粒模拟病残体，设置基施和拔节期追施生物炭等不同处理，探索生物炭能否有效阻碍病残体上镰刀菌孢子向空气中释放，从而减轻赤霉病发生和危害，同时观测施用生物炭对小麦农艺性状和产量的影响，为探索小麦赤霉病的绿色防控和减肥减药技术措施提供依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　供试生物炭和小麦品种：生物炭由湖北金日能源股份有限公司提供。生物炭制备原料为水稻秸秆，原料经粉碎后过20目筛， 木醋液消毒，在厌氧环境下热裂解所得。小麦品种为‘郑麦9023’，湖北省主推品种，中感赤霉病。
　　选择性培养基[18]：蛋白胨15 g、KH2PO4 1 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、PNCB 750 mg、琼脂20 g，水补足至1 L。该选择性培养基特异性用于镰刀菌的检测。
　　孢子捕捉器：孢子捕捉器由中国农业大学植物保护学院病害流行实验室提供（专利号：CN201410009269.6）。
　　1.2 田间试验设计
　　试验田位于湖北省钟祥市石牌镇三喜村（112.50°N，30.97°E）。试验共设置7个处理，4次重复，每处理小区长23 m、宽18 m，采用随机区组排列。播种期全田基施化肥，氮磷钾总用量17.8 kg/667 m2（N∶P2O5∶K2O=15∶7∶8）。生物炭于播种期基施和小麦返青拔节期追施，施用量见表2。整个小麦生育期，田间采用除草剂推荐药量减量30%+增效剂的方式进行两次除草，除草剂为50%异丙隆可湿性粉剂（苏州市宝带农药有限责任公司）2.25 kg/hm2、20%氯氟吡氧乙酸乳油（美国陶氏益农）525 mL/hm2，增效剂为有机氟（运城市博获化工总厂）45 mL/hm2。
　　1.3 接种体准备和田间接种
　　采用的菌株为HB11（F.asiaticum，本实验室保存）。将菌株接种到PDA培养基上，25℃培养3 d备用。称取500 g小麦籽粒加1 L水，煮沸15 min。在超净工作台内，用直径为5 mm的打孔器在HB11菌落上打孔，将菌饼接种到麦粒中。黑暗条件下，25℃培养2～3周，每3～5 d翻动检查1遍，待小麦粒均匀覆盖白色菌丝体后备用。于小麦分蘖期，按 3 kg/667 m2接种体人工均匀撒施于麦田地表。对于未施生物炭的空白对照处理，在扬花初期每小区五点取样，每点随机取50粒病麦粒，室内镜检子囊壳形成并将子囊壳压碎后镜检子囊孢子形成情况。
　　1.4 穗层赤霉病菌孢子的监测
　　在小麦抽穗扬花期（2019年4月14日-28日），对分别在播种前基施，返青拔节期追施9 000 kg/hm2生物炭的处理（即表2处理5）、播种前基施，返青拔节期追施13 500 kg/hm2生物炭的处理（表2处理6）和不施生物炭的对照（表2处理7），放置孢子捕捉器监测穗层赤霉病菌孢子的数量。孢子捕捉器使用方法参考谷医林等的方法[19]稍加修改，即将孢子捕捉器架于田间，进气口高度调至与小麦穗层高度一致。每天早上7：00在孢子捕捉器内放置装有选择性培养基的培养皿（ 90 mm），每隔2 h更换1次，每天更换6次，每次更换时记录田间温度和湿度。将培养皿在25℃培养箱避光培养72 h后用supcre系列菌落/计数/筛选抑菌圈测量联用仪（型号 Sup G1）记录培养基上的菌落数，并拍照留存。
　　1.5 小麦赤霉病病情调查
　　在小麦乳熟期，参照文献方法[20]调查赤霉病的发病情况，每小区采取五点取样法，每点调查0.25 m2内所有麦穗赤霉病病情，计算病穗率、病穗率下降百分率、病情指数和防治效果。其中，病穗率=病穗数/调查总穗数;病穗率下降百分率=（空白对照区病穗率-生物炭处理区病穗率）/空白对照区病穗率×100%;病情指数=100×∑（各级病穗数×相应级数值）/（调查总穗数×最高级数值）;防治效果=（空白对照区病情指数-生物炭处理区病情指数）/空白对照区病情指数×100%。
　　1.6 产量测定
　　小麦成熟后，采用大型收割机对每小区收割实测鲜重产量。并随机选择3个小区称量1 kg小麦籽粒，去杂、晒干后计算矫正系数，计算实际产量。每个小区采用“1米双行法”[21]收取小麦穗，調查总穗数，并随机选取30穗调查穗长、穗粒数、千粒重，计算理论产量。其中，矫正系数=去杂、晒干后小麦籽粒重量/小麦籽粒鲜重;实际产量=鲜重产量×矫正系数;万穗数/667 m2=1 m双行穗数/（行距（cm）×0.3）;理论产量（kg/667 m2）=万穗数/667 m2×穗粒数×千粒重×0.01。
　　1.7 小麦籽粒DON毒素测定
　　每个样品随机称取80 g混合籽粒磨成细粉（<2 mm）委托江苏省农业科学院农产品质量检查中心测定DON含量。具体测定方法参照《SN/T3137-2012出口食品中DON、3-DON，15-DON及其代谢物的测定：液相色谱-质谱/质谱法》进行。
　　1.8 统计分析
　　数据采用 Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0进行分析处理，田间试验所测数据进行单因素方差分析，用 Duncan 氏新复极差法对处理间差异显著性进行检验。
　　2 结果与分析 　　2.1 生物炭对穗层赤霉病菌孢子数量的影响
　　不同时期施用生物炭后小麦抽穗扬花期选择性培养基上菌落数量动态见图1。不同处理间穗层孢子数量变化动态规律相似，均呈现波浪形上升，于4月26日达到高峰后呈明显下降的趋势。培养基上菌落数量与田间气象数据相关性结果见表1。结果表明，培养基上菌落数量与湿度显著正相关。阴天时湿度在80%～90%之间穗层赤霉病菌孢子浓度呈上升趋势直至达到高峰，达到高峰当天是监测期间风速最大时期。施用生物炭的处理与对照处理整个监测期间穗层检测到的总镰刀菌孢子数量上存在显著差异（P<0.05），基施和追施9 000 kg/hm2生物炭（处理5）、基施和追施13 500 kg/hm2生物炭（处理6）处理分别较不施生物炭的对照（处理7）平均下降了19.8%和32.5%。
　　2.2 生物炭对小麦赤霉病的防治效果
　　如表2所示，生物炭对小麦赤霉病具有一定的防治效果，施用生物炭的处理籽粒中DON毒素含量也明显降低。比较病指防效发现，基施及追施13 500 kg/hm2生物炭的处理防效最好，为57.0%，基施及追施9 000 kg/hm2生物炭处理防效次之，为45.0%。基施及追施13 500 kg/hm2生物炭处理后赤霉病病穗率显著降低，降低47.9%。毒素含量测定结果表明，基施及追施13 500 kg/hm2生物炭的处理毒素含量降低最多，降低69.2%，基施和追施9 000 kg/hm2生物炭的处理次之，降低66.7%。
　　2.3 生物炭对小麦农艺性状和产量的影响
　　室内考种、田间实际测产数据见表3。生物炭不仅对小麦农艺性状株高有正向促进作用而且能显著增加小麦产量（P<0.05）。生物炭施用越早和施用剂量越高，株高增加越明显，如仅基施1次13 500 kg/hm2生物炭的处理较不施生物炭对照增高6.5%。在千粒重上，基施及追施13 500 kg/hm2生物炭处理较对照平均增重26.1%，基施及追施9 000 kg/hm2生物炭处理次之，平均增重21.1%。在实际产量上，基施及追施13 500 kg/hm2生物炭处理较不施生物炭对照处理平均增产29.5%，仅基施1次13 500 kg/hm2生物炭的处理次之，平均增产19.3%。穗粒数和亩穗数上，施用生物炭的处理与不施用生物炭对照处理之间差异不明显。
　　3 讨论
　　生物炭因具有刺激植物生长和增强植物防御机制的功能而被逐渐用于植物病害防治。Akther等发现土壤中施入生物炭后能促进番茄根系生长并且分泌更多次生代谢物，抵抗番茄枯萎病菌F.oxysporum厚垣孢子的侵染[22]。移栽水稻时，土壤中施入生物炭能增加株高，促进根系分蘖，有利于水稻生长[23]。Rogovska等发现玉米秸秆为原料制成的生物炭固定碳含量高，能抑制F.virguliforme引起的大豆根腐病[24]。Yao等研究表明，加入生物炭后土壤中镰刀菌的相对丰度下降，表明生物炭能抑制作物病害的发生，但具体抑制机理尚不清楚[25]。本研究结果显示，基施不同剂量生物炭对小麦赤霉病均有一定防治效果同时增加了小麦株高，这与生物炭能促进植物生长、增强防御机制的研究结果[11-16]类似。至于生物炭施入土壤后穗层镰刀菌孢子减少的原因尚待进一步研究。
　　抽穗扬花期穗层镰刀菌孢子动态监测结果表明，下雨后监测到的赤霉病菌孢子数量显著增加，这与Rossi等对小麦田空气中赤霉病菌孢子监测的研究结论相符[26]。David等的研究确定了湿度、温度、风速和太阳辐射4个气象条件影响赤霉病菌子囊孢子的释放，在湿度高、太阳辐射低、风速低的时期，有利于子囊孢子释放[27]。本研究显示了相似的监测结果，穗层孢子数量与湿度正相关。本试验使用的监测方法是对空气中的镰刀菌孢子浓度的抽样估计，而且空气中既包含子囊孢子，也包含分生孢子。Manstretta等发现小麦冠层中子囊孢子占93%，分生孢子占7%，前者占绝大多数[28]。小麦赤霉病可由亚洲镰刀菌F.asiaticum、禾谷镰刀菌F.graminearum、黄色镰刀菌F.culmorum等多种镰刀菌侵染。本试验所用培养基可选择性检测镰刀菌[18]，但不能特异性检测其中的某一种镰刀菌，同时也不能排除检测到了其他镰刀菌。
　　生物炭对多种作物产量有增产的正效应，如水稻、玉米等[23，29]。小麦上，Alburquerque等研究表明，与单独使用肥料相比，微酸性的土壤中添加生物炭可使小麦产量增加20%～30%[30]，本研究结果与之相似。但是，Zwieten等的研究表明，添加生物炭可提高小麦对氮素的利用但是不增加小麦产量[31]。其结果存在差异可能与制备生物炭原料不同导致生物炭的营养成分不同有关。本研究与Alburquerque等的研究用的都是秸秆类生物炭，而Zwieten等用的是木屑类生物炭。木屑类生物炭的有机碳含量高出秸秆类生物炭许多，施入土壤后使土壤碳氮比過大，降低了作物对有效养分的吸收影响了作物的生长[24]。此外，土壤酸碱性可能也影响着生物炭作用的发挥，本研究与Alburquerque等的研究施用生物炭的土壤都是微酸性的土壤。土壤酸碱性、制作生物炭的秸秆类型对小麦产量是否有影响，也需进一步研究确定。
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