生物菌肥對(duì)栽培稻氮代謝生理特性及產(chǎn)量的影響

吳云艷

(遼東學(xué)院農(nóng)學(xué)院，遼寧丹東 118003)

水稻是我國最主要的糧食作物之一，其總產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的1/2，其種植面積占世界的1/5。全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃中提出“樹立綠色、低碳發(fā)展理念”“鼓勵(lì)使用生物農(nóng)藥、高效低毒低殘留農(nóng)藥和有機(jī)肥料”“加快發(fā)展無公害農(nóng)產(chǎn)品、綠色食品、有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品和地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品”。生產(chǎn)安全、無公害的綠色食品，采用生物菌肥部分替代化肥已經(jīng)受到了重視[1]。生物菌肥是指一類含有活的微生物，并通過微生物的特定作用給植物提供營養(yǎng)、調(diào)節(jié)植物生長的特定制品。生物菌肥與化學(xué)肥料相比具有下面的一些優(yōu)點(diǎn)：依靠有益菌的繁衍活化土壤，供給作物需要的各種營養(yǎng)，而且不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)、不污染環(huán)境，對(duì)人、畜和植物無毒無害，能夠保護(hù)生態(tài)；肥效持久；促進(jìn)植物的生長發(fā)育及品質(zhì)的改善[2]。更重要的是生物菌肥成本低廉，還能解決農(nóng)藥殘留問題，是生產(chǎn)綠色食品不可缺少的肥料。微生物肥料產(chǎn)業(yè)作為可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要方面，將發(fā)揮它在農(nóng)業(yè)上的巨大應(yīng)用潛力。

目前，生物菌肥在小麥、黃瓜、生菜、草莓、番茄等作物上都得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了較好的效果[3-4]。生物菌肥對(duì)禾本科作物的增產(chǎn)效果的研究相對(duì)較少，對(duì)水稻氮代謝的生理機(jī)制研究未見報(bào)道。本試驗(yàn)研究生物菌肥對(duì)氮代謝生理特性的影響，明確其對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，從而為稻作生產(chǎn)中降低化肥用量，并為發(fā)展綠色、無公害的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以丹粳17為試驗(yàn)材料，該品種生育期為164 d左右，屬于晚稻品種類型。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年在遼寧省丹東市五龍背鎮(zhèn)營勝三組進(jìn)行，供試地塊土壤肥力中等，土壤基本理化性狀如下：土壤pH值為7.0，有機(jī)質(zhì)含量為39.5 g/kg，全氮含量為1.0 g/kg，土壤有效磷含量為22 mg/kg。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)定生物菌肥、氮肥2個(gè)因子，其中生物菌肥設(shè)2個(gè)水平：0、15 kg/hm2，分別記為W0、W1；氮肥設(shè)3個(gè)水平：0、120、150 kg/hm2(均指純氮)，分別記為N0、N1、N2。試驗(yàn)共包括6個(gè)處理組合，分別記作W0N0、W1N0、W0N1、W1N1、W0N2、W1N2。

小區(qū)面積為9 m2，8行小區(qū)(小區(qū)間采取筑壩埂形式進(jìn)行隔離，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌水、排水)。每個(gè)小區(qū)施用等量的五氧化二磷(90 kg/hm2)、氧化鉀(120 kg/hm2)，其中氮肥50%(選用尿素)作為基肥，30%作為分蘗肥，20%作為幼穗分化肥；磷肥(選用過磷酸鈣)100%作為基肥；鉀肥(硫酸鉀)100%作為基肥。生物菌肥采用保羅蒂姆漢公司生產(chǎn)的百歐蓋恩生物菌肥，有效活性菌數(shù)為200億CFU/kg，主要菌種：固氮菌、芽孢桿菌、放線菌等，生物菌肥分別在分蘗期和拔節(jié)期2次等量施用。采用人工插秧的方法，栽植密度為行距 30 cm，株距 13.3 cm，每穴栽2株苗，試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)。4月15日進(jìn)行播種，采用營養(yǎng)土保溫旱育苗的方法，在5月23日進(jìn)行移栽。及時(shí)除去田間的雜草。在10月15日進(jìn)行收獲，其他管理按照無公害水稻栽培管理要求進(jìn)行。

1.3 測定內(nèi)容與方法

齊穗期(HS)、灌漿期(FS)、成熟期(MS)取水稻功能葉，用茚三酮法測定氨基酸含量，用考馬斯亮藍(lán)-G250方法測定可溶性蛋白含量[5]，測定葉片谷氨酰胺合成酶活性[5]，用活體法測定硝酸還原酶含量[5]。

成熟期，在各處理小區(qū)內(nèi)選取有代表性的5穴水稻植株，在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后進(jìn)行考種。各處理小區(qū)水稻全部收獲風(fēng)干后測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用DPS 8.01與Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物菌肥對(duì)栽培稻氨基酸含量的影響

圖1表明，栽培稻葉片氨基酸含量在齊穗期達(dá)到最大值，然后下降，成熟期降到最小值。在相同肥力下，施用生物菌肥的栽培稻功能葉的氨基酸含量均較未施用生物菌肥的有所提高。齊穗期和灌漿期時(shí)，處理W1N1的氨基酸含量比處理W0N1分別增加了14.8%、11.0%，W1N2比W0N2分別提高了6.0%、6.8%，處理間差異明顯。

2.2 生物菌肥對(duì)栽培稻可溶性蛋白含量的影響

圖2表明，栽培稻葉片可溶性蛋白含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在相同氮肥水平下，栽培稻可溶性蛋白含量表現(xiàn)為W1>W0。齊穗期和灌漿期時(shí)，施用生物菌肥栽培稻的可溶性蛋白含量明顯高于對(duì)照，處理之間差異明顯。齊穗期處理W1N1的栽培稻可溶性蛋白含量比處理W0N1高 3.9%，處理W0N2比處理W1N2高7.8%。灌漿期處理W1N1的栽培稻可溶性蛋白含量比處理W0N1高10.3%，處理W1N2比處理W0N2高17.6%。施用生物菌肥使栽培稻功能葉可溶性蛋白含量明顯增加。

2.3 生物菌肥對(duì)栽培稻谷氨酰胺合成酶活性的影響

氮素的同化是水稻生長和發(fā)育過程中的一個(gè)十分重要的生理過程，無機(jī)氮必須同化為谷氨酰胺和谷氨酸等有機(jī)氮才能被水稻植株吸收利用。而谷氨酰胺合成酶在氮同化過程中起關(guān)鍵作用，它催化氮素同化第一步反應(yīng)。圖3表明，栽培稻葉中谷氨酰胺合成酶活性隨著生育進(jìn)程逐步下降。同一生育期，栽培稻葉片中的谷氨酰胺合成酶活性受氮素供應(yīng)影響較大。在相同氮肥處理下，生物菌肥使栽培稻葉片中的谷氨酰胺合成酶活性提高。齊穗期和灌漿期時(shí)，處理W1N1葉片中的谷氨酰胺合成酶活性比處理W0N1分別提高4.7%、7.2%，處理W1N2比處理W0N2分別提高4.1%、12.5%，處理之間差異明顯。

2.4 生物菌肥對(duì)栽培稻硝酸還原酶活性的影響

圖4表明，從總體上來看，施加生物菌肥可以提高栽培稻功能葉硝酸還原酶的活性。隨著氮肥濃度的增加，栽培稻功能葉硝酸還原酶的活性有了一定程度的提高。齊穗期時(shí)，處理W1N0的硝酸還原酶活性比處理W0N0高7.4%，處理W1N1比處理W0N1高11.5%，處理W1N2比處理W0N2高4.8%。灌漿期時(shí)，處理W1N0的硝酸還原酶活性比處理W0N0高7.3%，處理W1N1比處理W0N1高4.2%，處理W1N2比處理W0N2高5.2%。成熟期時(shí)，處理W1N1比處理W0N1高13.4%，處理W1N2比處理W0N2高12.3%，處理之間差異明顯。

2.5 生物菌肥對(duì)栽培稻產(chǎn)量的影響

表1顯示，在相同氮肥水平下施用生物菌肥栽培的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量顯著提高。處理W1N0水稻的理論產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量分別比處理W0N0增加15.6%、13.1%；處理W1N1理論產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量比處理W0N1分別增加7.7%、10.1%；處理W1N2理論產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量比處理W0N2分別增加6.0%、4.6%。

表1 不同處理下栽培稻的理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母和大寫字母分別表示在0.05和 0.01 水平上差異顯著。

2.6 產(chǎn)量與氮代謝關(guān)鍵酶之間的相關(guān)性

表2顯示，各個(gè)時(shí)期水稻產(chǎn)量與氮代謝酶活性存在顯著或極顯著的正相關(guān)。齊穗期栽培稻的產(chǎn)量與功能葉中的硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性相關(guān)系數(shù)最大，均達(dá)到了極顯著水平。

表2 栽培稻產(chǎn)量與氮代謝酶活性的相關(guān)性

注：“*”“**”分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

可溶性蛋白是存在于細(xì)胞中的由多種酶系構(gòu)成的非膜結(jié)合蛋白體系，可溶性蛋白主要是一些酶蛋白如羧化酶的活化酶，它的變化反映了葉片酶蛋白功能的變化，其含量的多少代表了葉片氮素代謝的水平，也是反映葉片功能的可靠指標(biāo)之一。本研究表明，施用生物菌肥可以提高水稻生育中后期功能葉可溶性蛋白含量，使水稻氮代謝物質(zhì)增加，提高功能葉轉(zhuǎn)運(yùn)和輸出氮的能力，擴(kuò)大了源，提高籽粒的氮積累量，解決了生長后期由于根吸收養(yǎng)分能力下降而造成的籽粒氮素供應(yīng)與需求失衡的問題[6]。植物中約50%的可溶性蛋白是光合作用的關(guān)鍵酶1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶，可溶性蛋白含量的提高也間接提高了水稻的光合能力。氨基酸既是氮代謝的重要底物也是其重要產(chǎn)物，游離氨基酸含量變化反映了氮代謝的強(qiáng)弱。本試驗(yàn)中，施用生物菌肥使栽培稻葉氨基酸含量增加，從而促進(jìn)了栽培稻氨基酸的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)。施用生物菌肥在一定程度上促進(jìn)了栽培稻葉片游離氨基酸的合成，加速了栽培稻生長發(fā)育的后期游離氨基酸向庫的運(yùn)轉(zhuǎn)，使穗部氨基酸含量升高，最終提高了栽培稻的產(chǎn)量。

氮代謝過程中有多種酶參與，主要有硝酸還原酶、蛋白酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脫氫酶等。許多研究表明，硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶是氮素同化的關(guān)鍵酶。硝酸還原酶是植物器官中硝態(tài)氮還原同化過程中第1個(gè)酶和限速酶[7]，功能葉中硝酸還原酶活性可代表水稻體內(nèi)硝酸還原酶的水平[8]，其活性高低與植物體內(nèi)氮同化能力密切相關(guān)，可直接影響水稻對(duì)氮的同化速率，從而影響水稻全氮和蛋白氮含量，對(duì)植物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和蛋白質(zhì)產(chǎn)量都有重要影響。本研究的相關(guān)分析表明，在齊穗期、灌漿期、成熟期，水稻功能葉硝酸還原酶活性與水稻產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，其中齊穗期的相關(guān)系數(shù)最大，且達(dá)到了極顯著水平。生物菌肥的施用提高了栽培稻的硝酸還原酶活性，齊穗期氮肥水平為120 kg/hm2時(shí)，施用生物菌肥水稻的功能葉的硝酸還原酶活性比未施用生物菌肥的處理提高了11.5%，且處理之間差異明顯。硝酸還原酶活性提高了氮的同化能力，進(jìn)而提高了功能葉中氮向生殖器官的轉(zhuǎn)化能力，提高了水稻的產(chǎn)量。谷氨酰胺合成酶是同化谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶(GS-GOGAT)途徑中的關(guān)鍵酶，它處在整個(gè)氮代謝的中心，具有多種功能[9]，參與多種氮代謝的調(diào)節(jié)，是氮代謝中的多功能酶。谷氨酰胺合成酶活性發(fā)生變化可使植株細(xì)胞內(nèi)多種氮代謝和部分糖代謝受到影響。孫永健等在研究水氮互作下水稻氮代謝關(guān)鍵酶活性與氮素利用的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在氮代謝酶中，功能葉谷氨酰胺合成酶(GS)活性與氮累積量及產(chǎn)量存在顯著或極顯著的相關(guān)性，且在抽穗期相關(guān)系數(shù)最大，可將抽穗期劍葉中GS活性作為綜合評(píng)價(jià)水稻產(chǎn)量及氮效率的指標(biāo)[10]，本研究結(jié)果與之一致。葉片中谷氨酰胺合成酶可提高氮素同化速率，促進(jìn)氮的積累。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物菌肥的施用提高了功能葉谷氨酰胺合成酶的活性，尤其表現(xiàn)在齊穗期和灌漿期，這將會(huì)促進(jìn)栽培稻氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，加速籽粒灌漿進(jìn)程，進(jìn)而提高水稻的產(chǎn)量。

綜上可知，生物菌肥利用微生物的作用增加了栽培稻功能葉中氮代謝物質(zhì)的合成量，提高了氮代謝關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)了氮的轉(zhuǎn)運(yùn)，大大提高了栽培稻的產(chǎn)量。為了全面了解生物菌肥對(duì)栽培稻氮代謝生理機(jī)制的影響，有必要進(jìn)一步研究生物菌肥對(duì)栽培稻氮吸收、氮素利用率以及生物菌肥對(duì)栽培稻根際土壤分泌物及土壤化學(xué)成分、土壤酶活性的影響。