CN114793793B - 纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用及方法，在小麦种植过程中联合使用nZVI和AMF处理能显著提高旱地小麦水分利用效率和产量，所述丛枝菌根真菌采用根内球囊霉，根内球囊霉扩繁后获得含有150～200个孢子/10g干土、根内外菌丝和侵染根段的根内球囊霉接种物。本发明的方法为首先利用纳米单质铁的溶液作浸种处理，然后在栽培基质或大田土壤中添加根内球囊霉接种物或灭活的根内球囊霉接种物，在播种浸种处理的小麦种籽。本发明通过nZVI增强了AMF与旱地小麦的共生关系，利用nZVI与根内球囊霉接种物的协同作用，促进小麦生长，提高水分利用效率和宿主植物的干旱适应性，有利用应对干旱多变的气候环境。
Description
技术领域
本发明属于纳米生态农业技术领域，尤其涉及一种纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用及方法。
背景技术
我国属于农业大国，小麦是三大谷物主粮作物之一，产量仅次于玉米，居第二位；因小麦富含淀粉、蛋白质、脂肪、矿物质、钙、铁、硫胺素、核黄素、烟酸、维生素A及维生素C等营养物质，产量几乎全作食用；小麦的产量关乎粮食安全和人类健康。纳米生态农业是近年提出的交叉学科领域，应用潜力巨大，为农田生态系统可持续性和粮食安全提供创新思路。工程纳米粒子因其比表面积大、尺寸小，并具有独特的理化、机械和电子特性，近年来被广泛应用于农业生产领域，在提高土壤养分的生物有效性和粮食质量方面展现出巨大潜力。与传统农业技术相比，纳米生态农业技术提高了30％的农产品生产效率，成为了农业生产的颠覆性技术。
目前纳米材料在农业上的应用还处于低成本、功能高效材料的挖掘阶段，现有技术揭示了纳米单质铁(Nanoscale Zero-Valent Iron,nZVI)不但可以补充植物必需的铁元素，还可以钝化土壤重金属以减少其在作物籽粒的积累，而且原料来源广、成本相对较低，是最适合应用于农业的纳米材料。之前，发明人研究团队已申请的专利ZL202011070807.4公开了具有核壳结构的单质纳米粉体材料的制备方法以及该单质纳米粉体材料在促进作物生长、提高作物产量和提升作物品质中的应用。此外，土壤中普遍存在的丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)可以侵染绝大多数陆生植物的根系并与之建立互惠共生关系，后者为前者提供碳水化合物，前者促进后者对氮、磷等营养元素的吸收并提高其抗逆性能。然而，AMF的菌种较多，AMF中某种菌种的添加能否在nZVI的基础上进一步促进小麦生长，并在提高小麦产量上发挥作用的影响还不明确，两者共存的情况下是相互协同产生促进作用还是相互制约作用，需要进一步研究，以期在引领未来农业绿色高效生产和可持续发展方面发挥重要作用。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，小麦种植过程中联合使用纳米单质铁(nZVI)和和丛枝菌根真菌处理，丛枝菌根真菌采用根内球囊霉(Glomus intraradices,Gi)，在单独nZVI处理和单独Gi处理的基础上，发挥出正向协同效果，利用nZVI增强了Gi与旱地小麦的共生关系，通过调控根际碳沉积和养分周转，改善了根际微环境，提高养分和水分利用效率，提高作物抗旱性、促进生长并提高产量，有利用应对干旱多变的气候环境。
本发明进一步提供了纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的方法，步骤如下：
(1)种子处理
对小麦种子消毒、清洗后，用纳米单质铁的溶液作浸种处理；
(2)根内球囊霉接种物的获得
利用白三叶草在基质中扩繁根内球囊霉，所述根内球囊霉接种量以重量比计算为扩繁基质的3％～5％，最终获得根内球囊霉接种物，其含有150～200个孢子/10g干土、根内外菌丝和侵染根段；
(3)栽培或田间种植
栽培方式：栽培前，对栽培基质进行160℃干热灭菌4h，然后在栽培基质中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物，与栽培基质混合均匀，然后播种浸种处理的小麦种籽，出苗后定苗，定期浇施营养液；
田间种植方式：播种前，在土壤中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物，然后施肥和播种。
优选地，所述纳米单质铁的溶液浓度为5mg/L～20mg/L，浸种处理时间为4～6h。更进一步地，纳米单质铁的溶液浓度为10mg/L。
优选地，所述纳米单质铁为具有核壳结构的单质铁纳米粉体材料。
优选地，所述栽培方式中，栽培基质中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物的质量百分含量为2‰～5‰。
优选地，所述栽培基质包括蛭石和土壤土，所述蛭石与土壤土的体积比为1:2。
优选地，所述田间种植方式中，单位面积土壤中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物的质量为1～3g。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种nZVI与Gi联合提高旱地小麦水分利用效率并提高产量的方法，不论在充分供水还是严重干旱条件下，小麦株高、地上部分生物量和籽粒产量均显著优于nZVI或Gi单独使用。nZVI与Gi联合使用能进一步促进小麦生长，有助于提高水分利用效率和宿主植物的干旱适应性，有利用应对干旱多变的气候环境，效果明显、操作简单、绿色环保。
(2)本发明通过使用nZVI增强了Gi与旱地小麦的共生关系，nZVI与Gi联合使用通过调控根际碳沉积和养分周转，改善了根际微环境，提高养分和水分利用效率，提高作物抗旱性、促进生长并提高产量。
(3)本发明中，nZVI与Gi联合使用，改善了气体交换参数、提高了碳光合同化效率和向根际沉积的能力，长期使用有利于培肥土壤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
采用直径为26cm、高23cm的塑料盆作为培养容器。以春小麦cv.LC29为栽培作物；以蛭石和当地土壤土(蛭石和当地土壤土的体积比为1:2)的混合物为栽培基质。在接种前，对所用栽培基质进行160℃干热灭菌4h，并用巴氏消毒液对温室和培养容器进行消毒。
挑选饱满、均一、健康的小麦种子，采用浓度为0.1％的次氯酸钠消毒2min，然后用蒸馏水清洗干净，分别用5mg/L、10mg/L、15mg/L浓度的nZVI水溶液浸种4h。
利用白三叶草在灭菌的沙土(河沙：土按照1：1比例混合后，160℃高温灭菌4h)培养基质中扩繁Gi。Gi接种量以重量比计算是扩繁基质的3％～5％。最终获得的Gi接种物含有150～200个孢子/10g干土以及根内外菌丝和侵染根段。
播种时，采用每盆接种20g包含菌丝、根段和孢子的Gi接种物，与7kg灭菌基质混合均匀后装盆；以及每盆接种灭菌的20g包含菌丝、根段和孢子的Gi接种物，与7kg灭菌基质混合均匀后装盆。
试验处理包括：
对照(CK)、Gi处理、5mg/L浓度的nZVI浸种(5nZVI)、10mg/L浓度的nZVI浸种(10nZVI)、15mg/L浓度的nZVI浸种(15nZVI)、nZVI与Gi联合处理(5nZVI+Gi、10nZVI+Gi、15nZVI+Gi)。
上述试验处理的基础上还设置了2个水分处理：充分供水处理(80％)和重度干旱处理(30％)。
每盆分别播种14粒种籽，出苗1周后定苗，保留10株/盆。试验期间，采用自然光照，在遮雨棚中进行。试验期间根据需要浇水，在播种后40天、60天分别给每盆浇施100ml营养液(NH4NO3:5.415g/L，KH2PO4:2.32g/L)。在拔节期和扬花期利用每天称重浇水的方法进行控水处理，每个处理6盆重复。处理一周后，分别取3盆测定气体交换参数、株高，叶面积、地上部分生物量和叶片理化特性和菌根侵染率，剩余每个处理三个重复保持充分供水直到成熟，测定其产量。测定结果参照表1和表2：
表1不同处理扬花期菌根侵染率及生长参数和籽粒产量的影响
注：不同字母代表同一水分处理下，存在显著差异(p<0.05)。
表1的测定结果表明，不论充分供水还是干旱胁迫条件下，nZVI浸种与Gi联合使用，能在接种Gi的基础上，进一步显著提高菌根侵染率。单独用nZVI浸种或单独接种Gi均能显著提高小麦地上生物量、地下生物量、叶面积和籽粒产量；但用nZVI浸种与Gi联合使用，能在单独nZVI浸种或单独接种Gi处理的基础上，进一步提高地上生物量、地下生物量、叶面积和籽粒产量。与单独5mg/L nZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下5mg/LnZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了33.8％和40％，在干旱胁迫条件下5mg/LnZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了41.5％和57.5％。与单独10mg/LnZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下10mg/L nZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了30.3％和52.3％，在干旱胁迫条件下10mg/L nZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了30.9％和84.0％。与单独15mg/L nZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下15mg/L nZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了28.0％和45.4％，在干旱胁迫条件下15mg/L nZVI与Gi联合处理的籽粒产量分别增加了30.1％和67.0％。表明nZVI和Gi接种均能促进小麦生长和产量，而且nZVI与Gi接种呈现正向协同效果。
表2不同处理对扬花期气体交换参数与瞬时水分利用效率的影响
注：不同字母代表同一水分处理下，存在显著差异(p<0.05)。
表2的测定结果表明，不论充分供水还是干旱胁迫条件下，单独nZVI浸种处理和单独接种Gi处理均能显著提高小麦的光合速率、气孔导度和瞬时水分利用效率；而且nZVI浸种与Gi联合使用，能在单独nZVI浸种处理或单独接种Gi处理的基础上，进一步提高小麦的光合速率、气孔导度和瞬时水分利用效率。
由表2可知，与单独5mg/L nZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下，5mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了19.6％和26.8％，瞬时水分利用效率分别增加了14.5％和19.2％；在干旱胁迫条件下，5mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了72.3％和253.3％，瞬时水分利用效率分别增加了51.8％和187.5％。与单独10mg/LnZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下，10mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了14.7％和37.6％，瞬时水分利用效率分别增加了7.4％和24.5％；在干旱胁迫条件下，10mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了58.8％和355.9％，瞬时水分利用效率分别增加了22.9％和215.0％。与单独15mg/L nZVI处理和单独接种Gi处理相比，在充分供水条件下，15mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了14.9％和30.9％，瞬时水分利用效率分别增加了14.7％和24.5％；在干旱胁迫条件下，15mg/L nZVI与Gi联合处理的光合速率分别增加了63.7％和286.7％，瞬时水分利用效率分别增加了41.2％和200.0％。表明单独nZVI处理和单独Gi接种处理均能提高小麦的光合效率和水分利用效率，而且nZVI与Gi接种呈现正向协同效果，在干旱胁迫条件下正向协同效果更显著。
由表1和表2可知，与对照处理(CK)相比，充分供水条件下，5nZVI+Gi处理、10nZVI+Gi处理、15nZVI+Gi处理的籽粒产量分别增加了46.8％、59.7％和52.4％，瞬时水分利用效率分别增加了20.5％、25.8％和25.8％；干旱胁迫条件下，5nZVI+Gi处理、10nZVI+Gi处理、15nZVI+Gi处理的籽粒产量分别增加了125.7％、163.5％和139.2％，瞬时水分利用效率分别增加了607.7％、675.4％和638.5％。相比而言，10nZVI+Gi处理对小麦生长和产量提升以及水分利用效率提高的效果最佳。
实施例2
进行两个年度的大田试验，大田试验采用环境条件控制试验，采用10mg/LnZVI与Gi协同处理，同时开展了10mg/L nZVI浸种、Gi接种和CK处理，每个小区设计为5m×5m＝25m2总面积，每个小区10行，行距0.2m，相邻小区之间有0.5m的缓冲带。每行播种春小麦种子，每小区1000株。种子在播种前分别进行清水和10mg/L nZVI浸种处理，每行添加5g Gi或灭活的Gi。整地后施肥和播种，磷肥和氮肥每年作为基肥施用一次，用量为150kgP ha-1和225kg Nha-1。
两个年度不同处理对旱地小麦生长、产量和水分利用效率的影响如表3所示：
表3两个年度不同处理对旱地小麦生长、产量和水分利用效率的影响
注：不同字母代表同一年份存在显著差异(p<0.05)。
表3表明，两个年度单独接种Gi处理均能提高菌根侵染率，单独10mg/LnZVI浸种处理比单独接种Gi处理提高本地土壤菌根侵染率的能力更佳；而且10mg/L nZVI浸种与Gi联合使用，能在单独10mg/L nZVI浸种处理和单独接种Gi处理的基础上，进一步显著提高菌根侵染率。此外，单独10mg/L nZVI浸种处理和单独接种Gi处理均能显著提高小麦地上生物量、地下生物量、叶面积和籽粒产量；而10mg/L nZVI浸种与Gi联合使用能在两种单独处理的基础上进一步提高地上生物量、籽粒产量和水分利用效率。与对照处理(CK)相比，10nZVI+Gi处理条件下，两个年度地上生物量分别提高了111.1％和102.2％，两个年度籽粒产量分别增加了90.2％和85.4％，两个年度地上生物量水分利用效率分别提高了105.4％和102.5％，两个年度籽粒水分利用效率分别提高了91.6％和58.6％。表明10mg/L nZVI与Gi接种协同对环境复杂的大田条件下正向协同效果也非常显著。
两个年度不同处理对旱地小麦土壤碳和氮含量的影响如表4所示：
表4两个年度不同处理对旱地小麦土壤碳和氮含量的影响
注：不同字母代表同一年份存在显著差异(p<0.05)。
表4研究结果显示：在大田条件下，10nZVI处理和Gi处理还能显著提高土壤碳和土壤氮的含量，10mg/L nZVI浸种与Gi联合使用(10nZVI+Gi处理)呈现正向协同效果，与对照处理(CK)相比，10nZVI+Gi处理条件下，两个年度微生物碳分别提高了74.6％和74.0％；总碳分别提高了8.9％和6.1％；颗粒碳分别提高了193.7％和103.3％；易提取碳分别提高了487.8％和394.1％；微生物氮分别提高了65.3％和60.0％；总氮分别提高了69.9％和50.6％。结果表明10mg/L nZVI与Gi接种协同对土壤根际碳沉积和养分活化周转也发挥积极地作用，长期使用有利于培肥土壤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，其特征在于，小麦种植过程中联合使用纳米单质铁和丛枝菌根真菌处理，所述丛枝菌根真菌采用根内球囊霉；
所述纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的方法如下：
(1)种子处理
对小麦种子消毒、清洗后，用纳米单质铁的溶液作浸种处理；所述纳米单质铁的溶液浓度为5mg/L～20mg/L，浸种处理时间为4～6h；
(2)根内球囊霉接种物的获得
利用白三叶草在基质中扩繁所述根内球囊霉，接种量以重量比计算为扩繁基质的3％～5％，最终获得根内球囊霉接种物，其含有150～200个孢子/10g干土、根内外菌丝和侵染根段；
(3)栽培或田间种植
栽培方式：栽培前，对栽培基质进行160℃干热灭菌4h，然后在栽培基质中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物，栽培基质中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物的质量百分含量为2‰～5‰，与栽培基质混合均匀，然后播种浸种处理的小麦种籽，出苗后定苗，定期浇施营养液；
田间种植方式：播种前，在土壤中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物，然后施肥和播种。
2.如权利要求1所述的纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，其特征在于，所述纳米单质铁的溶液浓度为10mg/L。
3.如权利要求1所述的纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，其特征在于，所述纳米单质铁为具有核壳结构的单质铁纳米粉体材料。
4.如权利要求1所述的纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，其特征在于，所述栽培基质包括蛭石和土壤土，所述蛭石与土壤土的体积比为1:2。
5.如权利要求1所述的纳米单质铁与丛枝菌根真菌协同旱地小麦节水增产的应用，其特征在于，所述田间种植方式中，单位面积土壤中添加所述根内球囊霉接种物或灭活的所述根内球囊霉接种物的质量为1～3g。
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