王康杰，胡蓓娟，魯金輝，秦康曦

（1山西省運城市農業(yè)農村局 山西運城 044000； 2南昌大學 南昌 330000； 3聞喜縣農業(yè)農村局山西運城 043800； 4運城地福來生物科技發(fā)展有限公司 山西運城 044000）

0 引 言

果樹產業(yè)作為世界農產品生產三大項之一[1]，其發(fā)展質量、發(fā)展水平對鄉(xiāng)村振興的意義極為重大。據不完全統(tǒng)計，我國山楂栽培面積已達700 萬畝，約占我國果樹總面積的10%，2020 年產業(yè)規(guī)模在200 億元左右。山楂是一種藥食同源植物，廣泛應用于醫(yī)藥、食品及輕工業(yè)等領域。但隨著種植規(guī)模不斷擴大，出現(xiàn)了種質資源退化、群體病害增加等生產問題，特別是投入品中化肥使用量不斷增加，致使山楂品質受到極大影響，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，其中利用新型環(huán)境友好型生物技術是極為重要的一環(huán)。

山西聞喜七里坡和絳縣同處我國山楂優(yōu)勢生產區(qū)，分別有“三晉山楂第一村”和“中國山楂第一縣”的美譽[2]，山楂種植總面積達15 萬畝左右。山楂不僅是當?shù)靥厣a，而且還是國家農產品地理標志保護產品和新時代實現(xiàn)鄉(xiāng)村產業(yè)振興的中堅力量。為進一步提升品質，減少化肥農藥投入，當?shù)匾劳兄醒氲乩順酥颈Ｗo工程，以特色產業(yè)高質量發(fā)展的“五品模式”[3]為路徑，圍繞品質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模式探索。試驗證明，該模式不僅可以顯著增加山楂產量、不飽和脂肪酸含量及糖度，還可降低山楂的農殘，使該山楂品質從根本上區(qū)別于其他地區(qū)，這對于打造縣域特色山楂品牌、提升農產品地理標志的品牌價值和產業(yè)競爭力具有重要意義。

1 生物技術的載體選擇研究

微藻是指一類富含葉綠素α 并且能夠進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、無機鹽，且可降解農藥、酚類、烷類等有機物[4]。其研制利用工作早在20 世紀40 年代，已在美國、日本、德國和以色列等國開展。世界上有100 萬種藻類，已知的微藻有40 000 余種。目前使用生物技術大量種植或生產的微藻有普通小球藻、蛋白核小球藻、固氮藍藻、魚腥藻等，在山楂綠色生產上，可以根據其自有特性加以利用。

1.1 固氮魚腥藻

1.1.1 選擇依據固氮魚腥藻細胞超強的生物固氮作用（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，從而減少植物對氮素肥料10%～30%的需求；能夠溶解土壤中固定的磷（Ca3（PO4）2+CnOnH=H++2PO43-+CnOn-+3Ca2+）以及細胞分泌物浸入網格內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，促進吸收；其細胞外有豐富的多糖類膠質EPS，并含生長刺激物質，可以改良土壤，提高土壤的保肥、保水能力。

1.1.2 作用機制固氮魚腥藻細胞的反向載體系統(tǒng)是指物質跨膜運動的方向與離子轉移的方向相反，即載體在與H+結合后再與其他分子或離子（如Na+）結合，兩者朝相反方向通過細胞膜進行運輸。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，以增加藍藻對于鹽分環(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，以調節(jié)細胞內的pH 值的平衡。

1.2 蛋白小球藻

1.2.1 選擇依據蛋白小球藻是世界上地表面積最大微生物[6]，被科學界稱為“罐裝的太陽”。能夠利用微光和弱光進行光合作用，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物質的積累，提供豐富、均衡的天然營養(yǎng)素和促進植物體對水分的利用。同時迅速吸附各種重金屬離子并促進植物體將有害物質排出體外；其特有的活性因子修復受損細胞、激活吞噬細胞和干擾素，誘導植物抗性，還能降解土壤中的農藥化肥殘留并轉化為對植物有益的可利用態(tài)。

1.2.2 作用機制小球藻進行光合作用機制為CO2+H2O=（CH2O）+O2（條件酶、葉綠素）（圖1）。同時，蛋白小球藻使吞噬細菌或病毒的網內細胞作用十分活躍，是有害物質的直接利用者，可以降低山楂中的氨氮、亞硝酸鹽的含量。蛋白小球藻細胞對山楂體內不同形態(tài)氮的去除能力順序為：氨氮＞硝酸鹽態(tài)氮＞亞硝酸鹽態(tài)氮。對不同形態(tài)磷的去除能力順序為：正磷酸鹽＞偏磷酸鹽＞焦磷酸鹽＞有機磷酸鹽[7]。

圖1 小球藻光合作用示意圖

1.2.3 動力學研究“耕地重金屬嚴重污染”是當前我國需要解決的現(xiàn)實問題之一。農用地土壤污染狀況詳查結果顯示，影響農用地土壤環(huán)境質量的主要污染物是重金屬，其中鎘為首要污染物。對小球藻的吸附動力學研究表明：蛋白小球藻細胞壁的化學組成成分在重金屬吸附功能上有明顯優(yōu)勢。細胞在生長過程中會不斷向周圍環(huán)境中釋放多種代謝產物，如碳水化合物、氨基酸、酶類、維生素、有機磷酸、毒素、揮發(fā)性物質以及抑制和促進因子等。通過示蹤實驗發(fā)現(xiàn)，由蛋白小球藻細胞固定的碳至少有5%以DOC 形式釋放到水體中及土壤中，條件好時藻類釋放DOC 高達10%～25%。蛋白小球藻細胞對重金屬吸附能力的大小依次為：銅＞錫＞鎘＞鎳＞鉛＞鈷[8]，通過主動吸附、被動吸附兩種方式，對重金屬離子吸附鈍化，從而實現(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應用原理

2.1 細胞裂變增氧原理

兩種細胞進入到土壤后會無性繁殖，并成幾何形裂變，一個細胞會在土壤中裂變成億萬個細胞，細胞源源不斷地釋放氧氣，土壤通過細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，同時抑制厭氧菌活性；增加有機質，通過細胞的生命活動將土壤帶回到原始的狀態(tài)。從根本上解決土壤板結、殘留等問題，從而保證了農產品的天然有機、無毒無害的本質。

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氮源，并溶磷、解鉀及活化土壤里的中量、微量元素，促進山楂快速生長，幫助山楂積累養(yǎng)分。在有效促進光合作用的同時，為山楂生長持續(xù)地提供全面均衡的養(yǎng)分，產生的有機物質能有效調節(jié)土壤酸堿度，使其逐漸趨于中性[9]?；钚约毎麚碛汹吂庑院挖吇?，進入土壤后通過細胞大量的裂變繁殖，改善土壤通氣性、透水性。

2.3 代謝提升原理

萜類物質廣泛存在于自然界中，可以有效提高植物生長代謝中的生理活性。基于固氮魚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，從而產生萜類聚合物。這對提高植物抗病、抗旱、抗?jié)?、抗寒、抗重茬等抗逆性和山楂內在品質有著正向作用。應用在山楂上可延長農產品貨架期（主要原理為干物質豐富、可溶性固形物增加），使山楂外在品相顏色亮麗，大小均勻。

3 山楂實驗生物肥廠家選擇和生物技術

運城生物科技發(fā)展有限公司是集藻類活性細胞生物肥研發(fā)、生產、銷售為一體的高科技公司——微藻生物時代（吉林）生態(tài)科技有限公司在運城設立的子公司，其在固氮生物產品的研發(fā)與應用方面居于國內領先地位，并擁有母細胞提取、培養(yǎng)基和細胞包埋三項核心技術。其藻類活性細胞復合生物肥的研制與應用技術于2014 年經農業(yè)部科技發(fā)展中心評價達到“國內領先”水平，并被農業(yè)部列為2015 年主推技術。其固氮魚腥藻和蛋白小球藻生物肥生產采用了單一細胞快速擴繁技術，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別在顯微鏡下提取并作細胞結構學分析，選取符合要求的最優(yōu)單細胞鏈作為母細胞鏈，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，整個過程逐級擴大培養(yǎng)，持續(xù)光照和恒溫，在培養(yǎng)過程中水和空氣都要經過過濾和凈化達到標準，最后生物肥含量中的固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達到800 萬個/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

4.1 試驗地點及農戶信息

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

4.2 試驗設計

試驗組固氮魚腥藻和蛋白小球藻處理，對照組按照聞喜山楂管理規(guī)程正常管理。試驗結束后通過土壤分析和品質分析進行對比。為確保試驗結果的可靠性，在整個生長過程中，土壤耕作除草、灌水、病蟲害防治都要正常進行。

山楂試驗設1 個處理，1 個對照，3 次重復。每個處理面積1 畝。土壤試驗設1 個處理，1 個對照，3 次重復。每個處理面積1 畝。

每個處理和對照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹上所有山楂果實進行糖度、多不飽和脂肪酸含量和優(yōu)質果率進行測算，每個處理和對照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹下土壤（1000 厘米3）進行分析。

4.3 試驗材料

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城地福來生物科技有限公司提供，經過單一細胞快速擴繁技術，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達到800 萬個/毫升（圖2～圖4）。

圖2 經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果狀

圖4 未經生物肥處理的大金星結果狀

4.4 試驗處理類別

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。對照為常規(guī)施肥。

4.5 結果與分析

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照組增加4.1 毫克/100 克，糖度比對照組增加1.8 個百分點。

表1 山楂結果與分析

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，其有機質含量都得到提升，增加0.18 個百分點。

表2 土壤結果與分析

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效果

5.1 試驗地點及農戶信息

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，由運城地福來生物科技有限公司提供，經過單一細胞快速擴繁技術，固氮魚腥藻和蛋白小球藻分別達到800 萬個/毫升（圖5～圖8）。

圖5 經生物肥處理尚未成熟的大金星果園

圖6 對大金星品種進行葉面噴施生物肥

圖7 經生物肥處理的大金星外觀表現(xiàn)

圖8 未經生物肥處理的大金星外觀表現(xiàn)

5.3 試驗設計

山楂試驗設2 個處理，1 個對照，3 次重復。每個處理面積1 畝。土壤試驗設2 個處理，1 個對照，3 次重復。每個處理面積1 畝。為確保試驗結果的準確性，在整個生長過程中，土壤耕作除草、灌水、病蟲害防治都要正常進行。

每個處理和對照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹上所有山楂果實進行糖度、多不飽和脂肪酸含量和優(yōu)質果率進行測算，每個處理和對照，按東、西、南、北、中分別取一棵山楂樹下土壤（1000 厘米3）進行分析。

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）對照：常規(guī)施肥。

5.4 結果與分析

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照分別增加5.40毫克/100 克和8.45 毫克/100 克，農殘滅幼脲與殺蟲脒都減小，糖度較對照組分別增加0.45 和0.80 個百分點。

表3 山楂結果與分析

從表4 中可以得出，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的土壤，其有機質含量較對照組有明顯提升，分別增加0.17 和0.46 個百分點。

表4 土壤結果與分析

6 結論

6.1 試驗結果

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期結果表明：施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻可明顯減少果實中的農藥殘留；施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的果品，在果實外觀、內在品質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，可提升山楂果實中的不飽和脂肪酸含量，提高果實的營養(yǎng)成分，使果實更富有營養(yǎng)；施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻對提高土壤有機質含量有著明顯的作用。

6.2 效益估算

山楂的生長周期內一般施肥兩次（基肥+沖施肥），每年平均肥料成本500 元/畝；全年農藥一般施用7 次左右，按一次50 元計，每年平均農藥成本350 元/畝；全年澆水4 次，按一次40 元計，即澆水成本每年160 元/畝；總計：山楂每年共投入1010 元。藻類活性細胞生物肥成本120 元/畝。按減少肥料和農藥的30%計算（850 元×30%=255 元），可幫助農戶每畝減少投入255 元-120 元=135 元。從2020 年和2021 年的試驗示范效果來看，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻的山楂，果實比較均勻，色澤度較好，優(yōu)質果數(shù)量大幅增加。按試驗區(qū)山楂平均畝產1500千克計算，未使用生物肥的山楂優(yōu)質果占比約85%左右，按近兩年優(yōu)質果與非優(yōu)質果單價分別為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)質果率增加至90%，折算每畝山楂效益為2790 元。僅此兩項，施用固氮魚腥藻和蛋白小球藻生物肥技術后，每畝可減少投入135 元，增收105 元，總計節(jié)本增效約240 元。按照項目區(qū)15 萬畝計算，每年可增加直接經濟效益3600 萬元。如果按全國2020 年700 萬畝面積計算，保守估計節(jié)本增效的經濟效益在16.8 億元左右，具體效益將在后續(xù)推廣試驗中進一步驗證和完善。