固氮藍藻和促生細菌SM13對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

宋維民，趙 坤，楊 帆，王麗艷，郭永霞，王海澤，荊瑞勇

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 農(nóng)學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學 生命科學技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163319)

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗材料

試驗于2019年在黑龍江省泰來縣大興鎮(zhèn)進行，土壤理化性質(zhì)：有機質(zhì)含量31.25 g/kg、堿解氮含量135.55 mg/kg、有效磷含量22.05 mg/kg、速效鉀含量158.36 mg/kg，pH值6.37。

供試微生物肥料為固氮藍藻菌劑和促生細菌SM13。固氮藍藻菌劑由黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術(shù)學院生物技術(shù)系微生物實驗室構(gòu)建，過程如下：從黑龍江省水稻主產(chǎn)區(qū)(建三江、綏化、牡丹江、齊齊哈爾等產(chǎn)區(qū))的稻田及大慶濕地等地采集土壤和水體樣品，在無氮BG-11液體培養(yǎng)基中富集出固氮藍藻，當富集的固氮藍藻變綠時轉(zhuǎn)接傳代至新鮮的無菌無氮BG-11液體培養(yǎng)基中，選取生長速度快的復(fù)合菌系進行配伍傳代，連續(xù)傳代9次后，采用BG-11液體培養(yǎng)基擴繁固氮藍藻，經(jīng)初步鑒定該復(fù)合菌系中主要固氮藍藻有Limnothrix、Leptolyngbya和Calothrix等,該菌劑質(zhì)量濃度為8.975 g/L。促生細菌SM13是由黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術(shù)學院生物技術(shù)系微生物實驗室從鹽堿稻田中分離純化出的一株枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)，其菌液含菌量為1.5×109cfu/mL。供試水稻品種為龍洋19，是當?shù)卮竺娣e推廣種植的水稻品種之一。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理，以常規(guī)施肥處理為對照(CK)，在常規(guī)施肥條件下設(shè)置增施固氮藍藻(LZ)、促生細菌SM13(SM)、固氮藍藻+促生細菌SM13(SL)3個處理。固氮藍藻菌劑和促生細菌SM13在秧苗移栽至大田7 d后施用，固氮藍藻菌劑施用量為111.4 L/hm2，促生細菌SM13的施用量為228 L/hm2。小區(qū)面積為330 m2(15 m×22 m)，各個小區(qū)間用高30 cm的塑料擋板隔開，并且每個小區(qū)設(shè)置一個排水通道和一個灌水通道。4月7日播種，5月15日移栽。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉面積和地上部干質(zhì)量 在水稻分蘗期、齊穗期和灌漿期進行水稻葉面積及地上部分干質(zhì)量測定。首先對每個處理的小區(qū)進行連續(xù)20穴的水稻莖數(shù)調(diào)查，計算各小區(qū)的平均莖數(shù)，然后在各小區(qū)內(nèi)取與對應(yīng)小區(qū)平均莖數(shù)相同的3穴水稻，即3次重復(fù)，分別測定上三葉(高效葉)、余葉和剩余地上部分干質(zhì)量，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量；使用直尺測定每穴水稻植株待測葉片最長和最寬處，分蘗期水稻葉片全部進行測量，齊穗期和灌漿期僅對水稻上三葉進行測量，利用所測葉片的長寬乘積乘以葉面積系數(shù)(0.75)得出測量葉片的葉面積，采用干質(zhì)量法計算植株總?cè)~面積：總?cè)~面積=測量葉片葉面積/測量葉片干質(zhì)量×總?cè)~片干質(zhì)量。

1.3.2 莖稈強度指標 齊穗期，選取各處理具有代表性的12株水稻植株測定株高、重心高度、相對重心高度、穗長、第1—4節(jié)間(D1、D2、D3、D4)的長度及第2—3節(jié)間(D2、D3)的莖稈抗折力、節(jié)間基部到穗頂?shù)拈L度和節(jié)間基部到穗頂?shù)孽r質(zhì)量等指標。其中，相對重心高度為重心高度與株高的比值；各處理節(jié)間抗折力、彎曲力矩及倒伏指數(shù)的計算參照瀬古秀生等[23]的方法：彎曲力矩=節(jié)間基部到穗頂?shù)拈L度×該節(jié)間基部到穗頂?shù)孽r質(zhì)量，倒伏指數(shù)=彎曲力矩/抗折力×100。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在水稻成熟時，每個處理選取具有代表性的6穴用于考種，考察穗部性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量。主要測定指標有每穴穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、穗長、著粒密度及一次枝梗和二次枝梗的枝梗數(shù)、粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量。

1.3.4 稻米品質(zhì)指標 將收獲的水稻自然風干脫谷，靜置2個月待稻米理化性質(zhì)穩(wěn)定后，按照中華人民共和國國家標準優(yōu)質(zhì)稻谷(GB/T 17891—2017)測定加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)及食味品質(zhì)，每個處理4個重復(fù)，每個重復(fù)隨機稱取200 g稻谷。采用精米碾磨機對稻米進行加工后統(tǒng)計糙米率、精米率和整精米率；使用日本靜岡機械株式會社生產(chǎn)的ES-1000便攜式品質(zhì)分析儀測定精米的堊白度與堊白粒率；采用德國BRUKER公司生產(chǎn)的VECTOR22/N型近紅外光譜儀測定稻米蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量；采用日本佐竹公司(SATAKE)生產(chǎn)的米飯食味計(STA1A)測定稻米香氣、光澤、完整性、味道、口感和食味值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理，利用 SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 固氮藍藻與促生細菌SM13對水稻葉面積和地上部干質(zhì)量的影響

由表1可知，分蘗期，SM處理水稻葉面積比CK顯著提高30.61%，LZ和SL處理與CK無顯著差異；齊穗期，SL處理水稻總?cè)~面積比CK顯著提高65.86%，其他處理與CK無顯著差異，高效葉面積各處理間無顯著差異；灌漿期，不同處理的高效葉面積及總?cè)~面積均表現(xiàn)為SM>SL>LZ>CK，但處理間差異均不顯著。綜上，施用固氮藍藻、促生細菌SM13可在一定程度上提高水稻葉面積。

表1 不同處理水稻葉面積 cm2/穴

由表2可知，分蘗期，地上部干質(zhì)量表現(xiàn)為SM>LZ>CK>SL，LZ、SM、SL處理與CK均無顯著差異；齊穗期，地上部干質(zhì)量表現(xiàn)為SL>LZ>SM>CK，其中，SL較CK顯著提高了23.83%，其余處理與CK均無顯著差異；灌漿期，LZ、SM處理地上部干質(zhì)量分別較 CK顯著提高19.95%、16.71%，SL處理與CK無顯著差異。綜上，稻田內(nèi)施用固氮藍藻和促生細菌SM13能夠顯著提高灌漿期水稻地上部干質(zhì)量。

表2 不同處理水稻地上部干質(zhì)量 g/穴

2.2 固氮藍藻與促生細菌SM13對水稻莖稈強度的影響

2.2.1 莖稈抗折力、彎曲力矩和倒伏指數(shù) 常用水稻莖稈第2、3節(jié)間的抗折力、彎曲力矩和倒伏指數(shù)等指標來判斷水稻的抗倒伏能力[24]。其中，倒伏指數(shù)越小，植株越不易發(fā)生倒伏，倒伏指數(shù)越大，植株越易發(fā)生倒伏，通常將倒伏指數(shù)200作為判斷植株抗倒伏能力強弱的標準[25]。由表3可知，LZ、SM、SL處理的第2、3節(jié)間莖稈抗折力與CK均無顯著差異；LZ、SM處理的第2、3節(jié)間莖稈彎曲力矩均顯著高于CK，SL處理的第2、3節(jié)間彎曲力矩低于CK，但差異不顯著；LZ、SM處理第2、3節(jié)間倒伏指數(shù)均高于CK，SL處理低于CK，但差異均不顯著。綜上，SL處理的水稻莖稈強度強于其余處理。

表3 不同處理水稻抗折力、彎曲力矩和倒伏指數(shù)

2.2.2 株高、相對重心高度和穗長 由表4可知，LZ、SM、SL處理的水稻株高、穗長、重心高度、相對重心高度均與CK無顯著差異；LZ、SM、SL處理第1、2、3節(jié)間長度均與CK 無顯著差異，SL處理的第4節(jié)間長度顯著低于CK，而LZ和SM處理的第4節(jié)間長度與CK均無顯著差異。綜上，稻田內(nèi)施用固氮藍藻、促生細菌SM13對水稻株高、重心高度、相對重心高度和穗長均無顯著影響。

表4 不同處理水稻株高、重心高、相對重心高度、節(jié)間長度和穗長

2.3 固氮藍藻與促生細菌SM13對水稻穗部性狀的影響

由表5可知，SM處理的穗質(zhì)量較CK顯著提高了2.36%，其余處理均與CK無顯著差異，LZ、SM、SL處理的穗長和著粒密度與CK均無顯著差異；對于一次枝梗和二次枝梗的穗部性狀來說，僅SL處理一次枝梗粒數(shù)顯著高于CK，其他處理各性狀均與CK無顯著差異。綜上，稻田內(nèi)施用促生細菌SM13能夠有效提高水稻穗質(zhì)量，同時施用固氮藍藻和促生細菌SM13可提高水稻一次枝梗粒數(shù)，進而促進產(chǎn)量的提升。

表5 不同處理水稻穗部性狀

2.4 固氮藍藻與促生細菌SM13對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表6可見，LZ、SM、SL處理每穴穗數(shù)均顯著高于CK，分別提高了7.16%、7.89%、5.74%，LZ、SM、SL處理穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量均與CK無顯著差異；產(chǎn)量表現(xiàn)為SM>LZ>SL>CK，SM、LZ、SL處理分別較CK顯著提高9.46%、7.39%、4.94%?？梢?，稻田內(nèi)施用固氮藍藻、促生細菌SM13均能夠顯著提高水稻每穴穗數(shù)及產(chǎn)量。

表6 不同處理水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.5 固氮藍藻與促生細菌SM13對稻米品質(zhì)的影響

2.5.1 加工、外觀和營養(yǎng)品質(zhì) 由表7可知，在稻米加工品質(zhì)的比較中，LZ、SM、SL處理的稻米糙米率、精米率和整精米率均與CK無顯著差異；LZ處理稻米堊白度、堊白粒率均顯著高于CK，其余處理與CK均無顯著差異；各處理間稻米直鏈淀粉含量無顯著差異，LZ處理稻米蛋白質(zhì)含量顯著低于CK，其余處理均與CK差異顯著?？梢?，施用固氮藍藻會顯著降低稻米外觀品質(zhì)及蛋白質(zhì)含量。

表7 不同處理稻米加工、外觀及營養(yǎng)品質(zhì)

2.5.2 食味品質(zhì) 由表8可知，不同處理間稻米綜合食味值無顯著差異，SL處理香氣得分顯著高于CK，LZ和SM處理與CK均無顯著差異；LZ、SM、SL處理的完整性和味道得分均顯著高于CK；LZ、SM、SL處理的光澤、口感得分及食味值均與CK無顯著差異?？梢姡┯霉痰{藻菌劑和促生細菌SM13可顯著提高稻米完整性和味道得分。

表8 不同處理稻米食味品質(zhì)得分

2.6 水稻產(chǎn)量與其構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

由表9可知，每穴穗數(shù)與產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)；穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量與產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著；穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量的相關(guān)性呈顯著負相關(guān)。

表9 水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，稻田施入固氮藍藻、促生細菌SM13總體上均有利于水稻葉面積和地上部干質(zhì)量的增加，其中,SM處理分蘗期葉面積顯著高于CK，SL處理齊穗期總?cè)~面積和地上部干質(zhì)量均顯著高于CK，LZ、SM處理灌漿期地上部干質(zhì)量均顯著高于CK，這與固氮藍藻和促生細菌SM13在植株根系的定殖有一定關(guān)系，稻田微生物的種類及生物量的增加有益于水稻根系的生長，根系的生長促進了植株地上部分的積累。有研究表明，稻田內(nèi)固氮藍藻進行固氮作用所產(chǎn)生的氮可以用于水稻及其他植物[26-27]。在一定范圍內(nèi)，隨著氮素水平的提高植物干物質(zhì)積累量隨之增加[28]。

施用固氮藍藻和促生細菌SM13能夠促進水稻的生長，許多藍細菌能夠提高土壤內(nèi)難溶性磷的可用性，改善土壤鹽度、通透性和pH值[29]，進而增加水稻產(chǎn)量[22-30]。BISWAS等[31]研究表明，在溫室和田間環(huán)境下對水稻植株接種PGPR能夠提高水稻產(chǎn)量。本研究結(jié)果與前人相似，稻田內(nèi)施用促生細菌SM13能夠顯著提高水稻產(chǎn)量9.46%，施用固氮藍藻能夠提高水稻產(chǎn)量7.39%，同時施用固氮藍藻和促生細菌SM13能夠顯著提高水稻產(chǎn)量4.94%，SL處理產(chǎn)量較LZ和SM處理低，推測2種不同微生物聯(lián)合施用時，可能需要調(diào)整合適的施用比例來達到進一步促生的目的。同時產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析結(jié)果表明，水稻增產(chǎn)的主要原因是每穴穗數(shù)的提升，這與前人的研究結(jié)果有一定的相似性[32-34]。

水稻植株的抗倒伏能力與氮肥施用量和產(chǎn)量具有密切關(guān)系。水稻生長過程中適量施氮肥有利于增產(chǎn)，降低莖稈抗折力，提高倒伏指數(shù)[35]；過量施氮肥會使水稻抗倒伏性降低，發(fā)生倒伏，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)[36]。一定范圍內(nèi)增施氮肥會提高水稻穗質(zhì)量。本研究結(jié)果表明，同時施用固氮藍藻和促生細菌SM13，水稻倒伏指數(shù)降低，這可能是由于促生細菌SM13和固氮藍藻共同促生作用引起的，這種促生作用可能是因為促生細菌SM13分泌的某種生長激素能夠促使水稻植株更好地利用固氮藍藻通過固氮作用產(chǎn)生的氮素，避免了由于氮素過剩引起的植株抗倒伏性降低。

稻米的色澤和食味值受蛋白質(zhì)含量的影響，直鏈淀粉與蛋白質(zhì)含量影響米飯的柔軟及黏聚性，可以通過氮肥減施或調(diào)節(jié)施肥時期改善稻米食味品質(zhì)[37-38]。在水稻植株生長發(fā)育過程中，氮、磷、鉀肥過高或過低施用都會對稻米品質(zhì)產(chǎn)生影響，尤其是氮肥過量，導(dǎo)致植株貪青晚熟，嚴重降低稻米品質(zhì)，施氮水平提高會促使糙米蛋白質(zhì)含量增加[39-40]。本研究結(jié)果表明，施用固氮藍藻、促生細菌SM13能夠提高稻米的完整性和食味值，而單獨施用固氮藍藻會降低稻米的加工品質(zhì)和蛋白質(zhì)含量。稻米品質(zhì)的優(yōu)劣可能與固氮藍藻、促生細菌SM13的施用量及施用時期有關(guān)，兩者是否能夠改良稻米品質(zhì)仍需繼續(xù)研究。