王佳欢,李慧莉

(兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050)

中国是第一个将茶叶生产商业化的国家。据估计,2016年中国茶叶种植面积已达293万公顷,茶叶产量超过243万吨,产值558.8亿元,居世界首位[1]。亚热带丘陵区是我国主要的茶叶种植区之一,占全国茶叶种植面积的64%以上[2]。茶树是多年生常绿木本植物,且茶树采摘以幼嫩的新梢及叶片为主,茶树所含的营养成分随着采摘被源源不断的带走[3]。在实际生产中,为了提供茶树生长所需的营养成分和促进茶树幼嫩芽梢的生长,会通过施肥、改善土壤性质等技术提高茶树鲜叶的有效成分含量[4]。近几十年来,化学肥料的大量使用大幅度提高了茶叶产量,同时也带来了农药残留、重金属环境污染和土壤板结等一系列问题[5]。因此,为了解决茶园环境问题,提高茶叶产品的品质,亟需探索新型高效、绿色安全的茶叶生产肥料。

微生物肥料是利用一种或几种有益微生物活细胞制作而成的肥料[6],微生物肥料是活体肥料[7],是利用微生物的生长代谢作用使作物得到特定肥效的一种制品[8]。多粘菌(原多粘类芽孢杆菌)是一种革兰氏阳性芽孢细菌,属于植物促生长细菌(PGPB,plants promote the growth of bacteria)的一个多样化群体[9-10]。多粘菌对植物有多种有益作用,如增强植物的固氮作用、促进植物生长、抑制植物病原菌引起的疾病等[11]。Xu等[12]以甘薯淀粉工业废水为原料,生产多粘类芽孢杆菌肥作为叶面肥用于茶树种植,经过一年的田间调查,证明该微生物肥料对茶叶产量、水浸出物和茶多酚含量均有显著的提高,说明多粘类芽孢杆菌可用于有机茶生产中[13-15]。研究以甘薯淀粉工业废水和稻草为原料,通过发酵工艺制备了多粘类芽孢杆菌肥,施于茶树根部,并分析其对茶树生长和茶叶品质的影响。

1 实验方法和材料

1.1 实验材料

实验在湖南省长沙市东北部金井河流域的长沙农业与环境监测研究站进行,该地块内的土壤被归类为花岗岩母体材料。供试的茶树品种为4年树龄的福建白毫早。实验以多粘类芽孢杆菌株EBL-06、甘薯淀粉工业废水和稻草为原料通过发酵工艺制备成多粘类芽孢杆菌微生物肥料。甘薯淀粉工业废水来源于当地淀粉生产公司(湖南湘丰公司);水稻秸秆于春季从当地稻田中收集,在室温下干燥,磨成5～8 mm的颗粒。再以农业微生物菌种标准(SMIA,国家标准,GB 20287-2006)为基础,对甘薯淀粉工业废水和水稻秸秆的理化性能进行了分析。研究使用的2种原料均满足安全性和实用性要求。实验所采用的多粘类芽孢杆菌EBL-06分离自小麦叶际,在中国通用微生物培养收集中心保存[16]。实验的工艺流程如图1所示。

图1 多粘类芽孢杆菌肥根施对茶树生长和茶叶品质影响工艺流程Fig.1 The process of effect of Paenibacillus polymyxaroot fertilizer application on the growth andquality of tea plants

1.2 实验设计

实验用多粘类芽孢杆菌肥,选用2种浓度水平(高浓度水平:50 000 kg·ha-1·yr-1,编号为BFH225;低浓度水平:25 000 kg·ha-1·yr-1,编号为BFL113),设一个空白对照(CK,以清水代替微生物肥料)。每个浓度水平做3个平行实验,每个处理单元面积为60 m2(10 m×6 m)。多粘类芽孢杆菌肥施到茶树根部处(深10～15 cm),于2019年的3月初施肥,施肥量为600 kg/hm2,然后分别在施肥第0、7、14、21天后监测茶树的百芽重、茶叶产量以及茶叶的水浸出物、茶多酚、咖啡碱、氨基酸的质量分数。

1.3 茶树生长指标的测定

(1) 茶树产量的测定 各方格0.1 m2(0.3 m×0.3 m)随机采摘500个新生嫩芽,记录发芽个数,以此记录茶树产量。

(2) 茶树百芽重的测定 各方格内随机采摘100个新鲜芽头,调查一芽一叶和一芽二叶的百芽重。

1.4 茶叶品质指标的测定

(1) 水浸出物质量分数测定 水浸出物质量分数的测定采用全量法(GB/T 8305-2002)。

(2) 茶多酚物质量分数的测定 茶多酚物质量分数的测定采用酒石酸亚铁比色法(GB/T 8313-2002)。

(3) 咖啡碱物质量分数的测定 咖啡碱物质量分数的测定采用紫外分光光度法。

(4) 氨基酸物质量分数的测定 氨基酸物质量分数的测定采用茚三酮比色法(GB/T 8314-2002)。

2 实验结果与分析

2.1 多粘类芽孢杆菌肥对茶树生长指标的影响

(1) 对茶树百芽重的影响 实验采用百芽重作为测定茶叶产量的指标。在实验之前,先对茶树进行均匀修剪,茶树的百芽重和芽密度没有明显差异和变化,因此百芽重可以作为生物量的指标。茶树在施用多粘类芽孢杆菌肥后,各生长指标和产量相比对照组均有显著增加。百芽重是反应芽头质量的重要指标,百芽重含量高表明芽头质量好、内含物丰富、出茶品质较好。

在茶树一芽一叶期和一芽二叶期,随机在每个方格(0.1 m2)采摘100个新鲜的幼嫩芽头,测定其质量。不同浓度多粘类芽孢杆菌肥处理下茶树百芽重随取样时间的变化关系如图2所示。由图2可知,施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥相比于对照组,百芽重提高显著,平行样本分别提高0.67%、0.10%、0.82%;施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥茶

图2 不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥处理下茶树百芽重随时间的变化关系Fig.2 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the one-hundred-bud weight on different days

树的百芽重则无明显变化,在第14天后,百芽重甚至低于对照组。这是因为高浓度的多粘类芽孢杆菌肥的制作原料中含有丰富的碳源、氮源等营养物质,施用此种微生物肥料能使茶树提早2～3天抽芽,并且新芽的芽头粗重,新叶表现为叶宽、叶厚。因此高浓度的多粘类芽孢杆菌肥可以促进茶树新梢的生长、提高发芽率、增加芽头的质量;而低浓度的多粘类芽孢杆菌肥则在短期试验周期内对茶树百芽重的提升效果不明显,可延长实验周期以观察低浓度多粘类芽孢杆菌肥相比于对照组对茶树百芽重提升的效果。

(2) 对茶树产量的影响 茶树的产量不仅和品种及遗传特性有关,也与当地的土壤环境条件和茶园施肥管理措施密切相关。不同的施肥种类和施用浓度对茶园的土壤环境产生不同的影响,进而影响茶树的各项产量指标。为了更好地观察茶树新芽的生长情况,促进茶树新芽萌发,在春茶开采前对茶树进行了均匀修剪,以便能更客观地衡量施用多粘类芽孢杆菌肥对茶树产量的影响。施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥后茶树产量随取样时间的变化关系如图3所示。

图3 施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶树产量随取样时间的变化关系Fig.3 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on tea yield on different sampling days

由图3可知,施用高浓度和低浓度的多粘类芽孢杆菌肥均能提高茶树的产量,尤其是高浓度的肥料,相比对照组在施肥后21天分别提高0.64%、1.50%、1.96%。施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥在前两周和对照组相比,茶树产量基本相同,但在第21天茶树产量提高0.25%。这是因为低浓度的多粘类芽孢杆菌肥中氮素和磷素等产生肥效的因子比含有同等浓度的高浓度多粘类芽孢杆菌肥含量低,而微生物肥料的肥效释放速度慢,所以不能在短时间内大幅度提高茶叶的产量和品质,因此适合作为基肥使用。

茶树施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥后产量得到相应的提升,主要机理有3点:第一,多粘类芽孢杆菌肥中含有大量的氮素,先通过土壤吸收转化为土壤氮,然后通过茶树从土壤中吸收土壤氮贮存于根部和成熟的叶片中,再作为运转氮被新梢吸收和利用,提高茶叶的鲜嫩性和产量;第二,氮素不仅是蛋白质的主要成分,也是原生质的重要组成,当肥料中含有大量的氮素时,茶树根部和茎部蛋白质含量提高,可促进细胞分裂、伸长,叶绿素含量增加,茶树的光合作用增强,营养供给充足,促进茶芽萌发和新梢生长,增加新梢的采摘轮次,延长采摘时间,从而有效地提高茶树产量和茶叶品质;第三,多粘类芽孢杆菌能产生多肽蛋白、酶、功能性多糖及其他代谢活性物质,茶树产量的增加可能是因为多粘类芽孢杆菌释放了生长素代谢物吲哚-3-乙酸(IAA)和抗生素化合物等代谢物质,这些物质不仅有助于刺激植物的生长,而且能够对多种植物病原体产生抑制作用,从而有助于茶树产量的提高。

2.2 多粘类芽孢杆菌肥对茶叶品质的影响

(1) 对茶叶水浸出物质量分数的影响 茶叶中水浸出物是指在冲泡茶叶的过程中被沸水浸出的物质,茶的水浸出物是成品茶叶品质好坏的综合性指标,可判断茶叶所含营养物质的丰富程度[17]。施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶水浸出物质量分数随取样时间的变化关系如图4所示。

图4 施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶水浸出物质量分数随取样时间的变化关系Fig.4 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of tea water extract ondifferent sampling days

由图4可知,施用高浓度和低浓度的多粘类芽孢杆菌肥均能显著提高茶叶中水浸出物质量分数。施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥后,茶叶水浸出物的质量分数呈阶段性增长,相比对照组水浸出物质量分数最高增加4.73%;施用低浓度菌肥则呈现先升高再降低再升高的趋势,相比对照组水浸出物质量分数最高增加3.56%;施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥后茶叶的水浸出物质量分数得到了相应提高,这是因为磷元素存在于茶树体内,磷元素以有机化合物和无机磷酸盐等形式存在,而茶叶中的水浸出物质量分数与其呈显著正相关,这对茶叶的香型和层次感有较好的影响。

(2) 对茶叶茶多酚质量分数的影响 茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称,包括有黄酮类、儿茶素类、酚酸类等。它具有抗衰老、抗癌、抗辐射、降血糖血脂等功效[18],在日用化工生产、医疗保健、食品饲料加工等方面有广泛的用途[19]。茶多酚的含量直接影响着茶叶的色香味品质,茶多酚通常表现出苦涩味,对茶叶品质影响很大。施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶茶多酚质量分数随取样时间的变化关系如图5所示。

图5 施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶茶多酚质量分数随取样时间的变化关系Fig.5 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of tea polyphenols ondifferent sampling days

由图5可知,施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥均可以提高茶叶茶多酚的质量分数。施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥,茶多酚质量分数由开始急速增长到后期趋于平缓增长,相比对照组最大可提高6.05%;施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥,茶叶中茶多酚质量分数呈现缓慢增长趋势,相比对照组茶多酚质量分数最高提升4.84%。总体来说,施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥可有效提高茶多酚质量分数,随着施用时间延长,高浓度的多粘类芽孢杆菌肥效果接近低浓度菌肥。

(3) 对茶叶咖啡碱质量分数的影响 咖啡碱是茶叶中的主要生化活性物质,化学名称为1,3,7-三甲基黄嘌呤,约占干物质的2%～5%,具有兴奋、利尿、解乏、增加心血管系统活动的功效[20]。咖啡碱主要在幼嫩的芽叶中含量较高,老叶中含量少。施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶咖啡碱质量分数随取样时间的变化关系如图6所示。

图6 施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶咖啡碱质量分数随取样时间的变化关系Fig.6 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of caffeine ondifferent sampling days

由图6可知,施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥使茶叶咖啡碱质量分数波动较大,从第7天开始先下降后又急剧上升,第14天以后随着时间的增长茶叶咖啡碱的质量分数显著提高;施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥使咖啡碱质量分数较为稳定,咖啡碱质量分数与对照组相比总体提升较多,最高可提升0.92%。茶叶中咖啡碱的含量主要与氮元素、钾元素有关,多粘类芽孢杆菌能分泌植物激素、生物固氮、解钾、促进植物光合作用。当其作为微生物肥料施用给茶树时,能迅速在茶树根际、内部定植并形成“生物膜”,促进植物对营养物质的吸收。而钾元素是光合作用、呼吸作用等代谢活动中许多酶的活化剂,对茶树的生长代谢活动有重要的影响。因此,茶叶中咖啡碱的含量与多粘类芽孢杆菌作为生物肥料的浓度呈正相关。

(4) 对茶叶氨基酸质量分数的影响 氨基酸是茶叶鲜爽味的决定物质,影响茶水的香型和层次感,是表征茶叶品质的重要指标[21]。茶叶的氨基酸含量及组分直接决定茶叶的品质,尤其是茶叶独有的茶氨酸,一般在茶叶中的质量分数为1%～4%,在感官审评中体现出鲜、爽的特征。施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶氨基酸质量分数随取样时间的变化关系如图7所示。

图7 施用不同浓度的多粘类芽孢杆菌肥时茶叶氨基酸质量分数随取样时间的变化关系Fig.7 Results of different concentrations of P.polymyxafertilizer on the content of amino acids ondifferent sampling days

由图7可知,施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥可以提高茶叶中氨基酸的质量分数,相比对照组氨基酸质量分数提升效果明显,第7、14、21天质量分数分别提升0.76%、1.04%、1.86%。施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥在施肥后的前两周茶叶氨基酸质量分数比施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥茶叶氨基酸质量分数高,但是随着茶树的生长,茶叶中氨基酸质量分数逐渐下降,相比于对照组氨基酸质量分数在第7、14、21天分别提升1.21%、1.32%、0.73%。说明多粘类芽孢杆菌肥有利于提高茶叶氨基酸总量及组分含量,从而提高茶叶的品质,而茶叶中氨基酸组分含量的提高与氮、磷、钾等营养物质的共同作用有关。这是由于多粘类芽孢杆菌通过生物固氮为植物提供氮源,将磷、钾复合物降解为植物可吸收利用的营养物质,促进植物的生长和增产,提高茶叶新梢叶片的气孔导度,保证茶叶新梢中磷的含量,从而增强茶树的净光合速率和水分利用效率,保持茶叶的茶品和层次感。

3 结论

经过21天以上对茶树根部施用多粘类芽孢杆菌肥的实验,获得如下结论:

(1) 施用高浓度的多粘类芽孢杆菌肥可以显著提高(经过显著性检验,P<0.05)茶树的百芽重,效果主要集中在第14天以后,相比于对照组百芽重分别提高了0.67%、0.10%、0.82%,茶树产量相比于对照组分别提高了0.64%、1.50%、1.96%。而对于茶叶水浸出物、茶多酚、咖啡碱、氨基酸最高分别提升4.73%、6.05%、0.99%、1.86%。

(2) 与对照组相比,施用低浓度的多粘类芽孢杆菌肥茶树的百芽重和产量没有明显变化,对提高茶园产量没有显著的效果。而对茶叶水浸出物、茶多酚、咖啡碱、氨基酸最高分别提升3.56%、4.84%、0.92%、1.32%。

总体而言,施用微生物肥料能够显著促进茶树在春季的光合作用强度,使茶叶产量与品质高于对照组,从而提高茶园产量,改进茶叶品质。