生物肥氮肥耦合對水稻資源利用的影響

張 雪，王 立，馬 放，張淑娟，徐亞男，李 哲，傅生杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150090哈爾濱)

生物肥料因其高效、環(huán)保、易推廣的優(yōu)良特性成為目前生態(tài)農(nóng)業(yè)研究中的熱門領(lǐng)域.其中，叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)因其能夠促進植物對養(yǎng)分的吸收［1－3］，提高植物的抗逆性［4］以及抗病蟲害［5］等促生優(yōu)勢而成為生物肥料的主體生物.摩西球囊霉 (Glomus mosseae)是在全世界分布最廣泛的AM真菌之一［6］，存在于紫色土、紅壤、黃壤以及水稻土［7］等多種土壤類型中，并且對陸生［8］和水生［9］等多種生境均具有較強的適應(yīng)能力，因此，可以作為優(yōu)良的生物肥料制作主體.G.mosseae是稻田中的土著菌種［10］，與水稻有較好的互利共生關(guān)系［11］，但是由于水稻長期處于淹水狀態(tài)，G.mosseae的生長和促生作用受到抑制［12］，為此，以稻田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，研究在施加氮肥、施加生物肥以及氮肥生物肥聯(lián)合的強化方式下，G.mosseae的侵染狀況及其對水稻生長和生產(chǎn)效果的影響.

1 試驗

1.1 分布區(qū)自然概況

試驗地點位于黑龍江省雙城市朝陽鄉(xiāng)政安村.雙城市位于黑龍江南部(E:125°41'－126°42'，N:45°08'－45°43')，屬中溫帶氣候，年平均溫度3.5℃，年降水量為481.5mm.水熱同季，適合作物生產(chǎn)，耕地總面積22.50×104hm2，其中灌溉水田面積0.57×104hm2，是我國主要的糧食作物產(chǎn)區(qū).周邊水系發(fā)達，南、西以拉林河為界，農(nóng)田灌溉水源即引自拉林河，是優(yōu)良的水稻產(chǎn)地.

1.2 研究對象與方法

實驗對象為水稻(Oryza sativa L.)，生物肥核心菌種為摩西球囊霉(G.mosseae).

試驗區(qū)設(shè)在距農(nóng)田防護林50m的位置.每個試驗小區(qū)由厚度為2 mm的防水材料圍隔，各小區(qū)之間間隔1m，每小區(qū)面積為6m×6m=36m2，其中插入地下部分深50cm，地上部分高于農(nóng)田土壤表層30cm，水分管理單獨進行.

水稻于育秧階段(2010年4月末)接種菌根真菌G.mosseae，菌劑以高梁為宿主擴繁，包括基質(zhì)和植物根段，施加到育秧盤，施加量為30g/盤.2010年6月中旬進行移栽，并按照正常和接菌秧苗分別移栽到相應(yīng)的小區(qū).施加復(fù)合肥(N－P2O3－K2O)作為基肥，施肥量360kg·hm－2，6月下旬追施分蘗肥硫酸銨140kg·hm－2.在追肥階段，設(shè)置4個處理:空白對照(CK)、單獨追施氮肥(N)、單獨追施菌肥(M)、追施氮肥和菌肥(NM)(菌肥旱育秧階段已經(jīng)施過).每個處理重復(fù)3次，共12個小區(qū).田間水分管理:返青期灌溉深水，水深為苗高的三分之二;分蘗初期保持水層5～10cm，分蘗末期落干曬田;穗分化期保持4～6cm水層，而后自然落干.

于水稻幼苗期、拔節(jié)期、孕穗期檢測AMF的侵染狀況，孕穗期考察水稻的光合生理指標(凈光合速率rnp、氣孔導(dǎo)度Cs、蒸騰速率rT和水分利用效率EWU)，收獲階段考察水稻生長與生產(chǎn)相關(guān)的指標.

AMF侵染率/%=(侵染根段數(shù)/觀察根段數(shù))×100，

根冠比=地下生物量/地上生物量，

1.3 統(tǒng)計分析及軟件

應(yīng)用SAS8.1軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Student-Newman-Keuls多重比較檢驗各處理平均值間的差異，統(tǒng)計學(xué)意義水平為5%.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式下菌根形成情況

為考察菌根系統(tǒng)的形成情況，于水稻生長的不同時期檢測G.mosseae在根際的定殖情況，結(jié)果以菌絲侵染率表示，見圖1.

圖1 不同處理中水稻根部G.mosseae侵染率

由圖1可以看出，各處理條件下，G.mosseae的侵染率均隨著水稻的生長而逐漸降低，幼苗期水稻處于旱育秧階段，G.mosseae侵染率高，拔節(jié)時期水稻經(jīng)歷了灌水浸田管理，G.mosseae的侵染率明顯下降.

結(jié)果表明，拔節(jié)時期G.mosseae對水稻的侵染比較穩(wěn)定，與CK相比，N、M和NM處理下侵染率分別提高2.4%、47.0%和116.9%，其中NM侵染率最高.自然條件下(CK處理)，G.mosseae對水稻有少量侵染，氮肥和菌肥的施加均能夠提高原生環(huán)境中G.mosseae對水稻的侵染率.其中，氮菌的聯(lián)合在侵染穩(wěn)定時期使G.mosseae的侵染效果最佳，還能提高共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗環(huán)境沖擊能力，在水稻淹水狀態(tài)下，仍能保持13.5%～18.0%的穩(wěn)定侵染，緩沖了水淹脅迫作用，保證了后續(xù)侵染的維持.因此，對于 G.mosseae的侵染狀況，氮肥與生物肥同施為最佳處理條件.

2.2 不同施肥方式下水稻的光合生理

于孕穗期考察水稻的光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率等生理活性指標，考察菌根作物與非菌根作物在光合作用方面的差異，結(jié)果見表1.

表1 不同施肥條件下水稻生理活性指標

結(jié)果表明，N處理、M處理和NM處理下的凈光合速率均顯著高于CK，在3種施肥處理(N、M和NM)中，NM的凈光合速率最大，較N和M分別提高4.5%和5.0%.

在同施化肥的處理中，接菌處理NM的水分利用效率顯著高于不接菌處理N，比N處理提高23.9%，說明接菌處理能夠提高水稻對水資源利用率.盡管氮肥和菌肥單獨施用，其氣孔導(dǎo)度和光合利用效率差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但是單獨接菌處理M使水稻具有最高的水分利用效率，比單獨施氮肥處理N提高45.2%.

上述結(jié)果表明，氮菌聯(lián)合施用使作物對光能和水分等資源的利用方式最合理，氮菌共施所獲得的綜合效益最高，是水稻有效利用資源的最優(yōu)化措施.

2.3 不同施肥方式下水稻總生物量

植物各器官在總生物量中所占的比重不同，體現(xiàn)了不同的生態(tài)分配對策.通過比較根冠比，可以揭示菌根作物與非菌根作物在水稻生物量分配對策上的差異，于水稻收獲期檢測水稻總生物量，結(jié)果如圖2所示.可以看出，相對于CK，施氮處理(N和NM)能夠顯著提高水稻地上部分生物量(P＜0.05)，分別提高22.8%和37.0%，M處理與CK差異無統(tǒng)計學(xué)意義;N、M和NM處理其地下生物量均顯著高于 CK，分別提高 12.3%、41.5%和35.0%，其中M對地下生物量促進程度最大.

由水稻的根冠比可知，N處理的根冠比低于CK，M處理高于CK，說明單施氮肥處理對地上生物量的促進程度較大，單施菌肥處理能夠促進地下部分的生長，而氮菌聯(lián)合能夠同時促進地上和地下部分的生長.

2.4 不同施肥方式下水稻產(chǎn)量

產(chǎn)量是衡量水稻生產(chǎn)能力的重要指標.于收獲階段考察水稻實際產(chǎn)量，結(jié)果見圖3.可以看出，與CK相比，N、M和NM處理均能夠提高水稻產(chǎn)量，其中N與NM能夠顯著提高作物產(chǎn)量，分別提高15.4%和21.0%;在3種施肥方式中，N與M處理的產(chǎn)量差異有統(tǒng)計學(xué)意義，這表明單獨施加菌肥影響作物生長和菌根效能的發(fā)揮，菌肥單獨作用不能保證作物產(chǎn)量，菌肥不能完全代替化肥;NM處理產(chǎn)量最高，在同施化肥的處理中，接菌處理NM的產(chǎn)量比傳統(tǒng)田間管理提高4.8%，說明在相同化肥施加量下，氮肥和菌肥聯(lián)合能夠提高氮肥的效率，進而提高作物產(chǎn)量，效果好于單獨施加氮肥的處理，氮菌聯(lián)合是最有利于作物生長的施肥方式.

圖2 水稻收獲階段生物量

圖3 不同處理水稻的產(chǎn)量

對于作物產(chǎn)量構(gòu)成因素的分析有助于揭示不同處理對產(chǎn)量影響的內(nèi)在機理，找到最佳的促產(chǎn)控制手段.不同施肥方式在水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素中的差別見表2.

表2 不同施肥方式的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表2可知，相對于CK處理，N、M和NM 3種施肥方式下，水稻的有效穗數(shù)、實粒數(shù)和千粒質(zhì)量均得到提高，其中NM處理的綜合效應(yīng)最顯著.在3種強化措施中，接菌的M和NM處理，總體上水稻的有效穗數(shù)和實粒數(shù)比不接菌的N處理高，而水稻千粒質(zhì)量均顯著低于不接菌處理(P＜0.05)，尤其是NM處理，其有效穗數(shù)和實粒數(shù)分別比不接菌的N處理提高20.6%和14.3%，而千粒質(zhì)量降低9.6%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義.這說明相對于未接菌水稻，接菌處理使水稻粒數(shù)增多而個體減小，因此，NM共施耦合效應(yīng)對作物產(chǎn)量的促進是通過強化大量小種子的對策來實現(xiàn).

3 討論

2.1節(jié)的結(jié)論表明，相對于不接菌處理(CK和N)，菌劑施加(M)能夠極顯著提高作物侵染率，但是由于水淹耕種帶來的耗損明顯，不能完全替代傳統(tǒng)肥料，NM共施對環(huán)境干擾的緩沖能力較強，在經(jīng)歷灌水浸田后仍能維持穩(wěn)定的侵染率，因此，氮菌共施為最佳田間管理條件.

在水稻孕穗期間，3種施肥強化措施中，氮菌聯(lián)合使水稻的凈光合速率最大，這與其氣孔導(dǎo)度的增大有關(guān)，通常氣孔開度越大，單位時間內(nèi)葉片吸收的二氧化碳越多，從而能夠有效提高作物同化固定碳源的能力，為水稻生殖生長做好充足的物質(zhì)儲備.同時，接菌處理(M和NM)的水分利用效率明顯高于施肥處理(N)，尤其是NM處理能夠同時提高光合速率并減少水分散失的風(fēng)險.結(jié)合G.mosseae生長需要適當(dāng)通氣度、減少水層的特性，菌肥共施可以作為節(jié)水灌溉的一種耕作方式［13］，適合水資源緊張地區(qū)的水稻種植，可以作為田間水分管理的指導(dǎo).

由2.3節(jié)水稻根冠比的結(jié)論可知，接菌能夠促進作物地下部分的生長，對于菌根化作物，其地下生物量除了植物根系外，還包括根外菌絲，它的量能夠呈指數(shù)增長并無限擴展［14］，因此，接種G.mosseae的作物其根部質(zhì)量會增加，根系及根外菌絲的擴展有利于大面積吸收水分和營養(yǎng)元素，促進作物生長.氮菌同施能夠使水稻地上和地下的生長同時得到促進，既有利于光合器官的構(gòu)建，促進作物同化吸收碳源并積累干物質(zhì)，又利于根部對水分及營養(yǎng)的攝取，進而源源不斷地提供給地上部分，為光合器官的構(gòu)建及同化作用提供原料.

為保證物種的延續(xù)，作物對生殖資源的分配存在不同的對策，通過產(chǎn)生少量個體大的后代以提高個體競爭能力的對策為K對策，產(chǎn)生大量個體小的后代以提高存活能力，在生存進化中以量取勝的對策為r對策［15-16］.水稻的生殖對策屬于r對策，通過產(chǎn)生大量的小種子將大部分能量用于繁殖，提高存活力，使種群增長到最大.本文產(chǎn)量構(gòu)成因素中，相對于傳統(tǒng)田間管理(N)，接菌處理(NM)能夠顯著提高水稻的有效穗數(shù)和實粒數(shù)，降低其千粒質(zhì)量，并且促進了產(chǎn)量的提高，表明接種G.mosseae能夠使水稻產(chǎn)出更大量的小種子，強化水稻r對策的繁殖策略，進一步提高其存活能力.

因此，生物肥料既可以提高作物產(chǎn)量，又可以節(jié)約灌水，同時制作成本低廉，可作為一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟的綠色肥料.

4 結(jié)論

1)各處理條件下，G.mosseae的侵染率從旱育秧階段至移栽后，均隨著水稻的生長而逐漸降低;氮肥(N)和菌肥(M)的施加能夠提高原生環(huán)境中G.mosseae的侵染率，分別比CK提高2.4%和47.0%;在3種強化措施中，NM的侵染率最高，在水稻淹水狀態(tài)下，仍能保持 13.5% ～18.0%的穩(wěn)定侵染.G.mosseae在水生環(huán)境中的損耗特性決定生物肥不能完全替代傳統(tǒng)肥料，NM聯(lián)合施用能夠獲得最穩(wěn)定的田間共生系統(tǒng).

2)在3種施肥處理(N、M和NM)中，NM的凈光合速率最大，較N和M分別提高4.5%和5.0%，接菌處理(M和NM)可有效提高作物水分利用效率，相對于N分別提高45.2%和23.9%.NM耦合效應(yīng)對作物的促進能夠保證作物具有最佳的光合和水分利用效率.

3)相對于CK，施氮處理(N和NM)能夠顯著提高水稻地上部分生物量(P＜0.05)，分別提高22.8%和37.0%;接菌處理(M和NM)顯著提高地下生物量，分別提高41.5%和35.0%，其中NM耦合效應(yīng)能夠同時促進地上和地下部分的生長.

4)在3種施肥方式中，NM處理產(chǎn)量最高，比傳統(tǒng)田間管理提高4.8%，氮菌聯(lián)合是最有利于作物生長的施肥方式;在相同化肥施加量下，相對于未接菌水稻，接菌處理的有效穗數(shù)和實粒數(shù)分別提高20.6%和14.3%，通過大量小種子的方式獲得高產(chǎn).

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