光合细菌与尿素联合施用对土壤理化性质和酶活性及水稻产量和加工品质的影响

2021-10-09赵志强文孝荣高雁李玉国史应武杨红梅曾军王奉斌

中国稻米 2021年5期

赵志强文孝荣高雁李玉国史应武杨红梅曾军* 王奉斌

（1新疆农业科学院核生物技术研究所，乌鲁木齐830091；2新疆农业科学院温宿水稻试验站，新疆温宿843100；3新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物重点实验室，乌鲁木齐830091；4新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐830091；第一作者：zzq086＠163.com；*通讯作者：leo924.student＠sina.com；xjnkywfb＠163.com）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，对保障国家粮食安全起着至关重要作用[1]。长期以来，水稻的高产种植主要匹配高氮肥来获得，而过度增施氮肥不但造成生产成本增加，也造成大量氮肥流失，不仅污染土壤及地下水，也导致稻米品质下降[2-4]。2020年，随着我国“双减”（减肥减药）政策全面实施，水稻生产减氮增效已成为研究热点[5-8]。有研究表明，单纯使用光合细菌（Photosynthetic bacteria，PSB）或者与其他肥料配合施用均能显著提高土壤酶活性、水稻产量和稻米品质[9-12]。我国西北地区日照时间长，为PSB的生长提供了绝佳条件[13]。但目前对于PSB在水稻上的应用研究绝大多数还停留在实验室盆栽阶段，在实际生产中的应用研究较少。另外，由于PSB具有独特的固氮机制，其与无机氮肥联合施用是否能够起到氮肥缓释功效，目前尚未有相关报道。因此，本试验通过研究PSB配合不同浓度尿素施用对土壤理化性质、土壤酶活性、水稻产量和稻米品质的影响，来探讨利用微生物菌肥替代部分化肥的可能性，为水稻生产减氮增效提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验水稻品种为新粳伊7号。光合细菌由新疆农业科学院微生物应用研究所提供，主要成分为沼泽红假单胞菌（Rhodopseudanonas palustris）和类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides）复合菌，总活菌数6.98×1011cfu/mL。

1.2 试验设计

试验于2019年设在新疆农业科学院察布查尔水稻试验站。根据氮肥施用梯度设置5个处理，并以不施PSB和氮肥作为对照，具体见表1。试验面积1 467 m2，使用水泥隔断出6个独立小区，每个小区面积245 m2。新粳伊7号5月6日人工插秧，行株距30.0 cm×12.5 cm，水稻生长期间共计追肥4次。

表1 水稻追肥量及施用时间（单位：kg/667 m2）

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品采集

水稻收获后，采用“五点法”采集0～20 cm耕作层土壤就地混匀，除去土壤中的石子、作物根系等，然后均匀分成6份，3份自然风干进行土壤理化性质测定，3份于4℃下储藏用于土壤酶活性检测。水稻植株样品采集亦按照“五点法”，人工割取水稻离地5 cm以上部位捆扎后均匀平摊晾晒，单独脱粒等。

1.3.2 土壤理化因子

土壤总氮测定采用凯氏定氮法；土壤硝态氮测定采用《土壤硝态氮的测定紫外分光光度法》（GB/T 3273-2016）；氨态氮测定采用《土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取分光光度法》（HJ632-2012），土壤总磷测定采用《土壤总磷的测定碱熔-鉬锑抗分光光度法》（HJ632-2011），土壤有机质测定采用《重铬酸钾氧化-分光光度法》（HJ615-2011）。

1.3.3 土壤酶活性

土壤脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性测定采用相应试剂盒（购自于苏州科铭生物技术有限公司）测定，具体操作参照说明书进行。

1.4 数据处理

使用SPSS 21.0软件对土壤理化因子、酶活性和水稻性状各项指标进行正态分布检验。对符合正态分布的数据之间比较采用独立样本T检验或者单因素方差分析，对不符合正态分布的数据采用非参数检验。使用R语言对数据进行多因子分析（冗余度分析，RDA）、处理间差异显著性分析（PERMANOVA）和维恩图分析[14]。

2 结果与分析

2.1 对土壤理化指标的影响

如图1所示，与CK相比，T1处理土壤总氮、氨态氮、硝态氮含量差异不显著，但有机质含量显著升高，而总磷含量显著降低。这可能与PSB的解磷和固碳功能相关。PSB与尿素联合施用，土壤各项因子呈现出二项式变化趋势，总体表现为随着尿素用量增加各项理化指标含量先升高后下降，其中，T3和T4处理硝态氮、有机质含量较高，且显著高于T1、T2和T5处理。T5处理土壤各项理化指标与仅施用PSB的T1处理相当，差异不显著。

图1 不同处理对水稻土壤理化性质的影响

2.2 对土壤酶活性的影响

如图2所示，与CK相比，T1处理显著降低土壤脲酶活性，但显著增加了亚硝酸还原酶活性，对硝酸还原酶活性影响不显著。随着尿素施用量的增加，土壤脲酶活性呈极显著的线性增长趋势，硝酸还原酶活性呈现出二项式变化规律，以T3和T4处理活性高；而亚硝酸还原酶活性变化呈现出先下降后升高的变化趋势，以T1处理最高，T3处理最低。从表2可见，脲酶活性与尿素施用量呈极显著正相关，与硝态氮含量呈显著正相关。硝酸还原酶活性与氨态氮含量呈显著正相关，其他土壤因子与酶活性之间的相关性不显著。

表2 土壤理化因子与土壤氮转化酶活性相关性分析

图2 不同处理对水稻土壤酶活性的影响

利用多元相关性分析（RDA分析）构建变异解释模型（图3-A），结果显示，T1和T2处理在RDA模型空间分布明显与T3、T4和T5处理不同，表明土壤整体氮转化酶活性在尿素不同施用水平上的差异性。模型结果显示，氨态氮含量和尿素施用量为模型显著的影响因子，其与脲酶和硝酸还原酶活性呈正相关关系，而与亚硝酸还原酶活性呈负相关关系，并且这2个因子对整体分异的解释量为41.4%。偏RDA模型分析结果显示（图3-B），尿素为主要的变异解释因子，其单独对模型的解释量高达37.2%，而所有土壤理化因子解释量为22.94%，表明尿素对土壤氮转化酶活性具有显著的激活作用。

图3 土壤理化指标和尿素施用浓度对土壤氮转化酶活性的影响

2.3 对水稻农艺性状、产量和品质的影响

如图4所示，与CK相比，T1处理对水稻农艺性状没有显著影响，但显著增加水稻产量，增幅为5.19%；T1处理整精米率和精米率略低，但与CK相比差异不显著。除精米率外，水稻穗长、株高、产量和整精米率均随尿素施用量增加而呈显著的线性增长，均以T4处理最高，T4处理产量达691.15 kg/667 m2，比T1处理增产93.28%。整精米率与尿素用量呈较为松散的线性相关，T2处理的整精米率最高，之后随着尿素施用量增加而略微下降。精米率同样是T2处理最高，之后随着施用浓度增加而略微下降，但差异不显著。从表3可见，尿素用量除与精米率相关性不显著外，与株高、穗长、产量和整精米率呈极显著或显著正相关；脲酶活性与株高、穗长和产量呈极显著正相关；总氮含量与精米率呈显著正相关。

图4 不同处理对水稻株高、穗长、产量、精米率和整精米率的影响

表3 土壤理化因子与水稻株高、穗长、产量、整精米率和精米率的相关性

多因子相关分析结果（图5）显示，尿素用量、脲酶活性和总氮含量是影响水稻穗长、株高的显著影响因子，呈正相关关系，其中尿素用量为最主要影响因子，其对整个模型解释量高达85.15%（图5-A）。尿素用量和脲酶活性是水稻产量的显著影响因子，其对模型解释量为91.04%（图5-B）。但仅尿素用量对精米率和整精米率影响显著，其中对精米率的影响更大，尿素用量对模型的解释量为92.22%（图5-C）。进一步分析揭示，土壤酶活性对水稻农艺性状和产量模型变异单独解释量均大于22%，而土壤因子单独解释量小于5%（图5-D和图5-E），土壤因子与土壤酶活性之间共同解释量大于57%，表明水稻农艺性状和产量主要受土壤理化因子与土壤酶活性的协同作用影响，而尿素的施入是引起该协同反应的主要原因。水稻品质结果显示，品质单纯受土壤因子影响仅有4.87%，而主要受土壤酶活性影响（81.26%），并且土壤因子与酶活之间交互作用较小（6.08%），说明水稻品质主要受土壤酶活性影响。

图5 土壤理化指标和酶活性对水稻性状、产量和品质的影响

3 讨论

PSB是地球上最古老的一种原核生物之一，它在代谢过程中，能够完成固碳、固氮、分解有机物3个自然界物质循环中极为重要的化学过程，因此，其也被广泛的应用于作物防病促生、土壤改良、重金属污染修复、污水净化等领域[15-16]。本研究结果显示，单纯施用PSB能够显著增加土壤有机质含量，但土壤总磷含量显著下降，这一研究结果与李丽娜等研究结果一致，这与PSB的解磷、固氮功能有关[17]。随着不同用量尿素施入，土壤各项理化指标均呈现出先增加后降低的趋势，这也与前人的研究结果一致，但施入过量的氮肥将会加剧土壤氮、磷等物质的径流和淋洗损失[18]。因此，本研究利用PSB对氨态氮和硝态氮的固定作用[19]，起到尿素缓释效果，从而降低氮、磷等养分向深层移动和损失。PSB单独施用显著降低了土壤脲酶活性，但显著增加了亚硝酸还原酶活性，这一结果与前人的研究结果正好相反[9]。脲酶活性与土壤总氮含量、总磷含量、硝态氮含量呈正相关关系，本研究结果显示，这3个指标CK均高于T1处理，施加PSB后其活性并没有增加的具体原因有待研究。PSB与尿素配合施用的4个处理，脲酶活性呈现出线性增加趋势，这与尿素的诱导作用相关，以尿素用量为35 kg/667 m2时其活性达到最大，尿素用量再增加其活性下降，这可能与土壤中总磷含量、有机质含量下降造成对其限制作用有关。亚硝酸还原酶是氮循环过程中厌氧反硝化过程，施用PSB后其活性显著升高，这与PSB具有该功能相关[20]，亚硝酸还原酶活性提高对于解除水稻土壤中亚硝酸盐胁迫具有重要意义。亚硝酸还原酶活性随着尿素用量增加而降低，总体呈现出仅施用PSB的处理或低氮处理活性高于高氮处理，这表明亚硝酸还原酶在低氮环境中通过维持高活性从而解除作物氮饥饿，这一结果也印证了PSB处理水稻产量显著高于不施PSB处理。而随着尿素用量增加，脲酶活性增加，土壤中的氨态氮增加，阻遏了亚硝酸还原酶活性，但随着尿素用量继续增加，氨态氮损失量也加大，进而使得在尿素高用量下亚硝酸还原酶活性上升。另外，水稻生长性能、产量均呈现出随尿素用量增加而线性升高趋势，其相关分析结果显示，土壤酶活性为其最大影响因素，这一结果与前人的研究相一致[5-6,10-11]。