王康杰，胡蓓娟，魯金輝，秦康曦

（1山西省運(yùn)城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山西運(yùn)城 044000； 2南昌大學(xué) 南昌 330000； 3聞喜縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局山西運(yùn)城 043800； 4運(yùn)城地福來生物科技發(fā)展有限公司 山西運(yùn)城 044000）

0 引 言

果樹產(chǎn)業(yè)作為世界農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)三大項(xiàng)之一[1]，其發(fā)展質(zhì)量、發(fā)展水平對(duì)鄉(xiāng)村振興的意義極為重大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)山楂栽培面積已達(dá)700 萬畝，約占我國(guó)果樹總面積的10%，2020 年產(chǎn)業(yè)規(guī)模在200 億元左右。山楂是一種藥食同源植物，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品及輕工業(yè)等領(lǐng)域。但隨著種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了種質(zhì)資源退化、群體病害增加等生產(chǎn)問題，特別是投入品中化肥使用量不斷增加，致使山楂品質(zhì)受到極大影響，因此迫切需要研究一種生態(tài)、綠色、高效、安全的新型山楂栽培技術(shù)，其中利用新型環(huán)境友好型生物技術(shù)是極為重要的一環(huán)。

山西聞喜七里坡和絳縣同處我國(guó)山楂優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)區(qū)，分別有“三晉山楂第一村”和“中國(guó)山楂第一縣”的美譽(yù)[2]，山楂種植總面積達(dá)15 萬畝左右。山楂不僅是當(dāng)?shù)靥厣a(chǎn)，而且還是國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品和新時(shí)代實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興的中堅(jiān)力量。為進(jìn)一步提升品質(zhì)，減少化肥農(nóng)藥投入，當(dāng)?shù)匾劳兄醒氲乩順?biāo)志保護(hù)工程，以特色產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“五品模式”[3]為路徑，圍繞品質(zhì)提升開展了基于固氮魚腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂栽培技術(shù)模式探索。試驗(yàn)證明，該模式不僅可以顯著增加山楂產(chǎn)量、不飽和脂肪酸含量及糖度，還可降低山楂的農(nóng)殘，使該山楂品質(zhì)從根本上區(qū)別于其他地區(qū)，這對(duì)于打造縣域特色山楂品牌、提升農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志的品牌價(jià)值和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 生物技術(shù)的載體選擇研究

微藻是指一類富含葉綠素α 并且能夠進(jìn)行光合作用的微生物的總稱，微藻可以吸收稻田污水中的重金屬、無機(jī)鹽，且可降解農(nóng)藥、酚類、烷類等有機(jī)物[4]。其研制利用工作早在20 世紀(jì)40 年代，已在美國(guó)、日本、德國(guó)和以色列等國(guó)開展。世界上有100 萬種藻類，已知的微藻有40 000 余種。目前使用生物技術(shù)大量種植或生產(chǎn)的微藻有普通小球藻、蛋白核小球藻、固氮藍(lán)藻、魚腥藻等，在山楂綠色生產(chǎn)上，可以根據(jù)其自有特性加以利用。

1.1 固氮魚腥藻

1.1.1 選擇依據(jù)固氮魚腥藻細(xì)胞超強(qiáng)的生物固氮作用（N2+8e-+16MgATP+8H+→2NH3+H2+16 MgADP+16Pi）[5]是固氮魚腥藻固氮方式，它含有的固氮酶能固定大氣中的分子態(tài)氮，合成氨基酸和蛋白質(zhì)，從而減少植物對(duì)氮素肥料10%～30%的需求；能夠溶解土壤中固定的磷（Ca3（PO4）2+CnOnH=H++2PO43-+CnOn-+3Ca2+）以及細(xì)胞分泌物浸入網(wǎng)格內(nèi)活化鉀離子供給植物直接吸收，防止與土壤中的其他元素形成拮抗，又能活化土壤中的中量元素與各種微量元素，并輸送到植物根系，促進(jìn)吸收；其細(xì)胞外有豐富的多糖類膠質(zhì)EPS，并含生長(zhǎng)刺激物質(zhì)，可以改良土壤，提高土壤的保肥、保水能力。

1.1.2 作用機(jī)制固氮魚腥藻細(xì)胞的反向載體系統(tǒng)是指物質(zhì)跨膜運(yùn)動(dòng)的方向與離子轉(zhuǎn)移的方向相反，即載體在與H+結(jié)合后再與其他分子或離子（如Na+）結(jié)合，兩者朝相反方向通過細(xì)胞膜進(jìn)行運(yùn)輸。反向載體系統(tǒng)的主要作用一方面是促使Na+流出，減少Na+累積，以增加藍(lán)藻對(duì)于鹽分環(huán)境的耐受性；另一方面反向載體系統(tǒng)不斷將胞外H+攝入胞內(nèi)，以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的pH 值的平衡。

1.2 蛋白小球藻

1.2.1 選擇依據(jù)蛋白小球藻是世界上地表面積最大微生物[6]，被科學(xué)界稱為“罐裝的太陽(yáng)”。能夠利用微光和弱光進(jìn)行光合作用，超過植物自身光合作用的數(shù)十倍。它能夠大大提高植物有機(jī)物質(zhì)的積累，提供豐富、均衡的天然營(yíng)養(yǎng)素和促進(jìn)植物體對(duì)水分的利用。同時(shí)迅速吸附各種重金屬離子并促進(jìn)植物體將有害物質(zhì)排出體外；其特有的活性因子修復(fù)受損細(xì)胞、激活吞噬細(xì)胞和干擾素，誘導(dǎo)植物抗性，還能降解土壤中的農(nóng)藥化肥殘留并轉(zhuǎn)化為對(duì)植物有益的可利用態(tài)。

1.2.2 作用機(jī)制小球藻進(jìn)行光合作用機(jī)制為CO2+H2O=（CH2O）+O2（條件酶、葉綠素）（圖1）。同時(shí)，蛋白小球藻使吞噬細(xì)菌或病毒的網(wǎng)內(nèi)細(xì)胞作用十分活躍，是有害物質(zhì)的直接利用者，可以降低山楂中的氨氮、亞硝酸鹽的含量。蛋白小球藻細(xì)胞對(duì)山楂體內(nèi)不同形態(tài)氮的去除能力順序?yàn)椋喊钡鞠跛猁}態(tài)氮＞亞硝酸鹽態(tài)氮。對(duì)不同形態(tài)磷的去除能力順序?yàn)椋赫姿猁}＞偏磷酸鹽＞焦磷酸鹽＞有機(jī)磷酸鹽[7]。

圖1 小球藻光合作用示意圖

1.2.3 動(dòng)力學(xué)研究“耕地重金屬嚴(yán)重污染”是當(dāng)前我國(guó)需要解決的現(xiàn)實(shí)問題之一。農(nóng)用地土壤污染狀況詳查結(jié)果顯示，影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中鎘為首要污染物。對(duì)小球藻的吸附動(dòng)力學(xué)研究表明：蛋白小球藻細(xì)胞壁的化學(xué)組成成分在重金屬吸附功能上有明顯優(yōu)勢(shì)。細(xì)胞在生長(zhǎng)過程中會(huì)不斷向周圍環(huán)境中釋放多種代謝產(chǎn)物，如碳水化合物、氨基酸、酶類、維生素、有機(jī)磷酸、毒素、揮發(fā)性物質(zhì)以及抑制和促進(jìn)因子等。通過示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由蛋白小球藻細(xì)胞固定的碳至少有5%以DOC 形式釋放到水體中及土壤中，條件好時(shí)藻類釋放DOC 高達(dá)10%～25%。蛋白小球藻細(xì)胞對(duì)重金屬吸附能力的大小依次為：銅＞錫＞鎘＞鎳＞鉛＞鈷[8]，通過主動(dòng)吸附、被動(dòng)吸附兩種方式，對(duì)重金屬離子吸附鈍化，從而實(shí)現(xiàn)解決土壤重金屬污染問題的目的。

2 基于固氮魚腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂技術(shù)應(yīng)用原理

2.1 細(xì)胞裂變?cè)鲅踉?/h3>

兩種細(xì)胞進(jìn)入到土壤后會(huì)無性繁殖，并成幾何形裂變，一個(gè)細(xì)胞會(huì)在土壤中裂變成億萬個(gè)細(xì)胞，細(xì)胞源源不斷地釋放氧氣，土壤通過細(xì)胞的裂變繁殖使土壤增氧通氣從而使土壤里的原本有益的微生物大量繁殖，同時(shí)抑制厭氧菌活性；增加有機(jī)質(zhì)，通過細(xì)胞的生命活動(dòng)將土壤帶回到原始的狀態(tài)。從根本上解決土壤板結(jié)、殘留等問題，從而保證了農(nóng)產(chǎn)品的天然有機(jī)、無毒無害的本質(zhì)。

2.2 養(yǎng)分均衡原理

基于固氮魚腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂種植模式為山楂提供有機(jī)氮源，并溶磷、解鉀及活化土壤里的中量、微量元素，促進(jìn)山楂快速生長(zhǎng)，幫助山楂積累養(yǎng)分。在有效促進(jìn)光合作用的同時(shí)，為山楂生長(zhǎng)持續(xù)地提供全面均衡的養(yǎng)分，產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)能有效調(diào)節(jié)土壤酸堿度，使其逐漸趨于中性[9]?；钚约?xì)胞擁有趨光性和趨化性，進(jìn)入土壤后通過細(xì)胞大量的裂變繁殖，改善土壤通氣性、透水性。

2.3 代謝提升原理

萜類物質(zhì)廣泛存在于自然界中，可以有效提高植物生長(zhǎng)代謝中的生理活性?；诠痰~腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂種植模式可以通過異戊二烯焦磷酸酯的途徑協(xié)助激發(fā)植物次生代謝，從而產(chǎn)生萜類聚合物。這對(duì)提高植物抗病、抗旱、抗?jié)场⒖购?、抗重茬等抗逆性和山楂?nèi)在品質(zhì)有著正向作用。應(yīng)用在山楂上可延長(zhǎng)農(nóng)產(chǎn)品貨架期（主要原理為干物質(zhì)豐富、可溶性固形物增加），使山楂外在品相顏色亮麗，大小均勻。

3 山楂實(shí)驗(yàn)生物肥廠家選擇和生物技術(shù)

運(yùn)城生物科技發(fā)展有限公司是集藻類活性細(xì)胞生物肥研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的高科技公司——微藻生物時(shí)代（吉林）生態(tài)科技有限公司在運(yùn)城設(shè)立的子公司，其在固氮生物產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用方面居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，并擁有母細(xì)胞提取、培養(yǎng)基和細(xì)胞包埋三項(xiàng)核心技術(shù)。其藻類活性細(xì)胞復(fù)合生物肥的研制與應(yīng)用技術(shù)于2014 年經(jīng)農(nóng)業(yè)部科技發(fā)展中心評(píng)價(jià)達(dá)到“國(guó)內(nèi)領(lǐng)先”水平，并被農(nóng)業(yè)部列為2015 年主推技術(shù)。其固氮魚腥藻和蛋白小球藻生物肥生產(chǎn)采用了單一細(xì)胞快速擴(kuò)繁技術(shù)，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別在顯微鏡下提取并作細(xì)胞結(jié)構(gòu)學(xué)分析，選取符合要求的最優(yōu)單細(xì)胞鏈作為母細(xì)胞鏈，分別在試管中培養(yǎng)5～10 天，然后接種到100 毫升瓶中，培養(yǎng)5～10 天，再接種到1 升三角瓶中，培養(yǎng)5～10 天，再接種到5 升三角瓶中，培養(yǎng)5～10 天，再接種到18 升桶中培養(yǎng)10～20 天，最后接種至1 噸大桶中培養(yǎng)20～100 天，整個(gè)過程逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)，持續(xù)光照和恒溫，在培養(yǎng)過程中水和空氣都要經(jīng)過過濾和凈化達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，最后生物肥含量中的固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達(dá)到800 萬個(gè)/毫升。

4 聞喜縣基于固氮魚腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂種植試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及農(nóng)戶信息

山西省聞喜堆后村（聞喜縣半山腰山楂種植專業(yè)合作社試驗(yàn)田）李玉仙果園，聯(lián)系電話：13834397137。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)組固氮魚腥藻和蛋白小球藻處理，對(duì)照組按照聞喜山楂管理規(guī)程正常管理。試驗(yàn)結(jié)束后通過土壤分析和品質(zhì)分析進(jìn)行對(duì)比。為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，土壤耕作除草、灌水、病蟲害防治都要正常進(jìn)行。

山楂試驗(yàn)設(shè)1 個(gè)處理，1 個(gè)對(duì)照，3 次重復(fù)。每個(gè)處理面積1 畝。土壤試驗(yàn)設(shè)1 個(gè)處理，1 個(gè)對(duì)照，3 次重復(fù)。每個(gè)處理面積1 畝。

每個(gè)處理和對(duì)照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹上所有山楂果實(shí)進(jìn)行糖度、多不飽和脂肪酸含量和優(yōu)質(zhì)果率進(jìn)行測(cè)算，每個(gè)處理和對(duì)照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹下土壤（1000 厘米3）進(jìn)行分析。

4.3 試驗(yàn)材料

聞喜縣堆后村大金星山楂、聞喜山堆后村山楂種植園土壤。固氮魚腥藻和蛋白小球藻生物肥由運(yùn)城地福來生物科技有限公司提供，經(jīng)過單一細(xì)胞快速擴(kuò)繁技術(shù)，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達(dá)到800 萬個(gè)/毫升（圖2～圖4）。

圖2 經(jīng)過生物肥處理的大金星品種山楂果園

圖3 生物肥處理過的大金星山楂結(jié)果狀

圖4 未經(jīng)生物肥處理的大金星結(jié)果狀

4.4 試驗(yàn)處理類別

4.4.1 山楂處理固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，8 月1 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各200 毫升。對(duì)照為常規(guī)施肥。

4.4.2 土壤處理固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，8 月1 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各400 毫升。對(duì)照為常規(guī)施肥。

4.5 結(jié)果與分析

從表1 中可以得出，施用各200 毫升固氮魚腥藻和蛋白小球藻的山楂，其多不飽和脂肪酸相較對(duì)照組增加4.1 毫克/100 克，糖度比對(duì)照組增加1.8 個(gè)百分點(diǎn)。

表1 山楂結(jié)果與分析

從表2 中可以得出，各施用400 毫升固氮魚腥藻和蛋白小球藻的土壤，其有機(jī)質(zhì)含量都得到提升，增加0.18 個(gè)百分點(diǎn)。

表2 土壤結(jié)果與分析

5 絳縣山楂基于固氮魚腥藻和蛋白小球藻的富藻山楂種植模式試驗(yàn)效果

5.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及農(nóng)戶信息

山西省絳縣鄭柴村劉善福果園，聯(lián)系電話13934396508。

5.2 試驗(yàn)材料

絳縣鄭柴村大金星山楂、絳縣鄭柴村山楂種植園土壤。固氮魚腥藻和蛋白小球藻，由運(yùn)城地福來生物科技有限公司提供，經(jīng)過單一細(xì)胞快速擴(kuò)繁技術(shù)，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達(dá)到800 萬個(gè)/毫升（圖5～圖8）。

圖5 經(jīng)生物肥處理尚未成熟的大金星果園

圖6 對(duì)大金星品種進(jìn)行葉面噴施生物肥

圖7 經(jīng)生物肥處理的大金星外觀表現(xiàn)

圖8 未經(jīng)生物肥處理的大金星外觀表現(xiàn)

5.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

山楂試驗(yàn)設(shè)2 個(gè)處理，1 個(gè)對(duì)照，3 次重復(fù)。每個(gè)處理面積1 畝。土壤試驗(yàn)設(shè)2 個(gè)處理，1 個(gè)對(duì)照，3 次重復(fù)。每個(gè)處理面積1 畝。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，土壤耕作除草、灌水、病蟲害防治都要正常進(jìn)行。

每個(gè)處理和對(duì)照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹上所有山楂果實(shí)進(jìn)行糖度、多不飽和脂肪酸含量和優(yōu)質(zhì)果率進(jìn)行測(cè)算，每個(gè)處理和對(duì)照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹下土壤（1000 厘米3）進(jìn)行分析。

山楂處理：（1）處理1：固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，7 月6 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各200 毫升。（2）處理2：固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，7 月6 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各400 毫升。（3）對(duì)照：常規(guī)施肥。

土壤處理：（1）處理1：固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，7 月6 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各200 毫升。（2）處理2：固氮魚腥藻和蛋白小球藻+70%常規(guī)施肥，7 月6 日一次，使用固氮魚腥藻和蛋白小球藻各600 毫升。（3）對(duì)照：常規(guī)施肥。

5.4 結(jié)果與分析

從表3 中可以得出，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的山楂，其多不飽和脂肪酸較對(duì)照分別增加5.40毫克/100 克和8.45 毫克/100 克，農(nóng)殘滅幼脲與殺蟲脒都減小，糖度較對(duì)照組分別增加0.45 和0.80 個(gè)百分點(diǎn)。

表3 山楂結(jié)果與分析

從表4 中可以得出，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的土壤，其有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照組有明顯提升，分別增加0.17 和0.46 個(gè)百分點(diǎn)。

表4 土壤結(jié)果與分析

6 結(jié)論

6.1 試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，大金星施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻一年的試驗(yàn)期結(jié)果表明：施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻可明顯減少果實(shí)中的農(nóng)藥殘留；施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的果品，在果實(shí)外觀、內(nèi)在品質(zhì)等方面的提升較施用化肥有著極其顯著的作用；施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻，可提升山楂果實(shí)中的不飽和脂肪酸含量，提高果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)成分，使果實(shí)更富有營(yíng)養(yǎng)；施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量有著明顯的作用。

6.2 效益估算

山楂的生長(zhǎng)周期內(nèi)一般施肥兩次（基肥+沖施肥），每年平均肥料成本500 元/畝；全年農(nóng)藥一般施用7 次左右，按一次50 元計(jì)，每年平均農(nóng)藥成本350 元/畝；全年澆水4 次，按一次40 元計(jì)，即澆水成本每年160 元/畝；總計(jì)：山楂每年共投入1010 元。藻類活性細(xì)胞生物肥成本120 元/畝。按減少肥料和農(nóng)藥的30%計(jì)算（850 元×30%=255 元），可幫助農(nóng)戶每畝減少投入255 元-120 元=135 元。從2020 年和2021 年的試驗(yàn)示范效果來看，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的山楂，果實(shí)比較均勻，色澤度較好，優(yōu)質(zhì)果數(shù)量大幅增加。按試驗(yàn)區(qū)山楂平均畝產(chǎn)1500千克計(jì)算，未使用生物肥的山楂優(yōu)質(zhì)果占比約85%左右，按近兩年優(yōu)質(zhì)果與非優(yōu)質(zhì)果單價(jià)分別為2 元/千克和0.6 元/千克折算，每畝山楂效益為2685 元。施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的山楂，優(yōu)質(zhì)果率增加至90%，折算每畝山楂效益為2790 元。僅此兩項(xiàng)，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻生物肥技術(shù)后，每畝可減少投入135 元，增收105 元，總計(jì)節(jié)本增效約240 元。按照項(xiàng)目區(qū)15 萬畝計(jì)算，每年可增加直接經(jīng)濟(jì)效益3600 萬元。如果按全國(guó)2020 年700 萬畝面積計(jì)算，保守估計(jì)節(jié)本增效的經(jīng)濟(jì)效益在16.8 億元左右，具體效益將在后續(xù)推廣試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。