生物菌肥对栽培稻氮代谢生理特性及产量的影响

吴云艳

(辽东学院农学院，辽宁丹东 118003)

水稻是我国最主要的粮食作物之一，其总产量占全国粮食总产量的1/2，其种植面积占世界的1/5。全国现代农业发展“十二五”规划中提出“树立绿色、低碳发展理念”“鼓励使用生物农药、高效低毒低残留农药和有机肥料”“加快发展无公害农产品、绿色食品、有机农产品和地理标志农产品”。生产安全、无公害的绿色食品，采用生物菌肥部分替代化肥已经受到了重视[1]。生物菌肥是指一类含有活的微生物，并通过微生物的特定作用给植物提供营养、调节植物生长的特定制品。生物菌肥与化学肥料相比具有下面的一些优点：依靠有益菌的繁衍活化土壤，供给作物需要的各种营养，而且不会破坏土壤结构、不污染环境，对人、畜和植物无毒无害，能够保护生态；肥效持久；促进植物的生长发育及品质的改善[2]。更重要的是生物菌肥成本低廉，还能解决农药残留问题，是生产绿色食品不可缺少的肥料。微生物肥料产业作为可持续农业的一个重要方面，将发挥它在农业上的巨大应用潜力。

目前，生物菌肥在小麦、黄瓜、生菜、草莓、番茄等作物上都得到了广泛的应用，并获得了较好的效果[3-4]。生物菌肥对禾本科作物的增产效果的研究相对较少，对水稻氮代谢的生理机制研究未见报道。本试验研究生物菌肥对氮代谢生理特性的影响，明确其对水稻产量的影响，从而为稻作生产中降低化肥用量，并为发展绿色、无公害的农业产品提供一定的理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以丹粳17为试验材料，该品种生育期为164 d左右，属于晚稻品种类型。

1.2 试验设计

试验于2016年在辽宁省丹东市五龙背镇营胜三组进行，供试地块土壤肥力中等，土壤基本理化性状如下：土壤pH值为7.0，有机质含量为39.5 g/kg，全氮含量为1.0 g/kg，土壤有效磷含量为22 mg/kg。

试验采用完全随机区组设计，设定生物菌肥、氮肥2个因子，其中生物菌肥设2个水平：0、15 kg/hm2，分别记为W0、W1；氮肥设3个水平：0、120、150 kg/hm2(均指纯氮)，分别记为N0、N1、N2。试验共包括6个处理组合，分别记作W0N0、W1N0、W0N1、W1N1、W0N2、W1N2。

小区面积为9 m2，8行小区(小区间采取筑坝埂形式进行隔离，每个小区单独灌水、排水)。每个小区施用等量的五氧化二磷(90 kg/hm2)、氧化钾(120 kg/hm2)，其中氮肥50%(选用尿素)作为基肥，30%作为分蘖肥，20%作为幼穗分化肥；磷肥(选用过磷酸钙)100%作为基肥；钾肥(硫酸钾)100%作为基肥。生物菌肥采用保罗蒂姆汉公司生产的百欧盖恩生物菌肥，有效活性菌数为200亿CFU/kg，主要菌种：固氮菌、芽孢杆菌、放线菌等，生物菌肥分别在分蘖期和拔节期2次等量施用。采用人工插秧的方法，栽植密度为行距 30 cm，株距 13.3 cm，每穴栽2株苗，试验进行3次重复。4月15日进行播种，采用营养土保温旱育苗的方法，在5月23日进行移栽。及时除去田间的杂草。在10月15日进行收获，其他管理按照无公害水稻栽培管理要求进行。

1.3 测定内容与方法

齐穗期(HS)、灌浆期(FS)、成熟期(MS)取水稻功能叶，用茚三酮法测定氨基酸含量，用考马斯亮蓝-G250方法测定可溶性蛋白含量[5]，测定叶片谷氨酰胺合成酶活性[5]，用活体法测定硝酸还原酶含量[5]。

成熟期，在各处理小区内选取有代表性的5穴水稻植株，在实验室风干后进行考种。各处理小区水稻全部收获风干后测产。

1.4 数据分析

应用DPS 8.01与Microsoft Excel进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物菌肥对栽培稻氨基酸含量的影响

图1表明，栽培稻叶片氨基酸含量在齐穗期达到最大值，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叶的氨基酸含量均较未施用生物菌肥的有所提高。齐穗期和灌浆期时，处理W1N1的氨基酸含量比处理W0N1分别增加了14.8%、11.0%，W1N2比W0N2分别提高了6.0%、6.8%，处理间差异明显。

2.2 生物菌肥对栽培稻可溶性蛋白含量的影响

图2表明，栽培稻叶片可溶性蛋白含量随着生育进程的推进呈现下降趋势。在相同氮肥水平下，栽培稻可溶性蛋白含量表现为W1>W0。齐穗期和灌浆期时，施用生物菌肥栽培稻的可溶性蛋白含量明显高于对照，处理之间差异明显。齐穗期处理W1N1的栽培稻可溶性蛋白含量比处理W0N1高 3.9%，处理W0N2比处理W1N2高7.8%。灌浆期处理W1N1的栽培稻可溶性蛋白含量比处理W0N1高10.3%，处理W1N2比处理W0N2高17.6%。施用生物菌肥使栽培稻功能叶可溶性蛋白含量明显增加。

2.3 生物菌肥对栽培稻谷氨酰胺合成酶活性的影响

氮素的同化是水稻生长和发育过程中的一个十分重要的生理过程，无机氮必须同化为谷氨酰胺和谷氨酸等有机氮才能被水稻植株吸收利用。而谷氨酰胺合成酶在氮同化过程中起关键作用，它催化氮素同化第一步反应。图3表明，栽培稻叶中谷氨酰胺合成酶活性随着生育进程逐步下降。同一生育期，栽培稻叶片中的谷氨酰胺合成酶活性受氮素供应影响较大。在相同氮肥处理下，生物菌肥使栽培稻叶片中的谷氨酰胺合成酶活性提高。齐穗期和灌浆期时，处理W1N1叶片中的谷氨酰胺合成酶活性比处理W0N1分别提高4.7%、7.2%，处理W1N2比处理W0N2分别提高4.1%、12.5%，处理之间差异明显。

2.4 生物菌肥对栽培稻硝酸还原酶活性的影响

图4表明，从总体上来看，施加生物菌肥可以提高栽培稻功能叶硝酸还原酶的活性。随着氮肥浓度的增加，栽培稻功能叶硝酸还原酶的活性有了一定程度的提高。齐穗期时，处理W1N0的硝酸还原酶活性比处理W0N0高7.4%，处理W1N1比处理W0N1高11.5%，处理W1N2比处理W0N2高4.8%。灌浆期时，处理W1N0的硝酸还原酶活性比处理W0N0高7.3%，处理W1N1比处理W0N1高4.2%，处理W1N2比处理W0N2高5.2%。成熟期时，处理W1N1比处理W0N1高13.4%，处理W1N2比处理W0N2高12.3%，处理之间差异明显。

2.5 生物菌肥对栽培稻产量的影响

表1显示，在相同氮肥水平下施用生物菌肥栽培的理论产量和实际产量显著提高。处理W1N0水稻的理论产量、实际产量分别比处理W0N0增加15.6%、13.1%；处理W1N1理论产量、实际产量比处理W0N1分别增加7.7%、10.1%；处理W1N2理论产量、实际产量比处理W0N2分别增加6.0%、4.6%。

表1 不同处理下栽培稻的理论产量和实际产量

注：同列数据后标有不同小写字母和大写字母分别表示在0.05和 0.01 水平上差异显著。

2.6 产量与氮代谢关键酶之间的相关性

表2显示，各个时期水稻产量与氮代谢酶活性存在显著或极显著的正相关。齐穗期栽培稻的产量与功能叶中的硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性相关系数最大，均达到了极显著水平。

表2 栽培稻产量与氮代谢酶活性的相关性

注：“*”“**”分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。

3 结论与讨论

可溶性蛋白是存在于细胞中的由多种酶系构成的非膜结合蛋白体系，可溶性蛋白主要是一些酶蛋白如羧化酶的活化酶，它的变化反映了叶片酶蛋白功能的变化，其含量的多少代表了叶片氮素代谢的水平，也是反映叶片功能的可靠指标之一。本研究表明，施用生物菌肥可以提高水稻生育中后期功能叶可溶性蛋白含量，使水稻氮代谢物质增加，提高功能叶转运和输出氮的能力，扩大了源，提高籽粒的氮积累量，解决了生长后期由于根吸收养分能力下降而造成的籽粒氮素供应与需求失衡的问题[6]。植物中约50%的可溶性蛋白是光合作用的关键酶1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化酶，可溶性蛋白含量的提高也间接提高了水稻的光合能力。氨基酸既是氮代谢的重要底物也是其重要产物，游离氨基酸含量变化反映了氮代谢的强弱。本试验中，施用生物菌肥使栽培稻叶氨基酸含量增加，从而促进了栽培稻氨基酸的合成和转运。施用生物菌肥在一定程度上促进了栽培稻叶片游离氨基酸的合成，加速了栽培稻生长发育的后期游离氨基酸向库的运转，使穗部氨基酸含量升高，最终提高了栽培稻的产量。

氮代谢过程中有多种酶参与，主要有硝酸还原酶、蛋白酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶等。许多研究表明，硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶是氮素同化的关键酶。硝酸还原酶是植物器官中硝态氮还原同化过程中第1个酶和限速酶[7]，功能叶中硝酸还原酶活性可代表水稻体内硝酸还原酶的水平[8]，其活性高低与植物体内氮同化能力密切相关，可直接影响水稻对氮的同化速率，从而影响水稻全氮和蛋白氮含量，对植物生长发育、产量形成和蛋白质产量都有重要影响。本研究的相关分析表明，在齐穗期、灌浆期、成熟期，水稻功能叶硝酸还原酶活性与水稻产量呈显著或极显著正相关，其中齐穗期的相关系数最大，且达到了极显著水平。生物菌肥的施用提高了栽培稻的硝酸还原酶活性，齐穗期氮肥水平为120 kg/hm2时，施用生物菌肥水稻的功能叶的硝酸还原酶活性比未施用生物菌肥的处理提高了11.5%，且处理之间差异明显。硝酸还原酶活性提高了氮的同化能力，进而提高了功能叶中氮向生殖器官的转化能力，提高了水稻的产量。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)途径中的关键酶，它处在整个氮代谢的中心，具有多种功能[9]，参与多种氮代谢的调节，是氮代谢中的多功能酶。谷氨酰胺合成酶活性发生变化可使植株细胞内多种氮代谢和部分糖代谢受到影响。孙永健等在研究水氮互作下水稻氮代谢关键酶活性与氮素利用的关系时发现，在氮代谢酶中，功能叶谷氨酰胺合成酶(GS)活性与氮累积量及产量存在显著或极显著的相关性，且在抽穗期相关系数最大，可将抽穗期剑叶中GS活性作为综合评价水稻产量及氮效率的指标[10]，本研究结果与之一致。叶片中谷氨酰胺合成酶可提高氮素同化速率，促进氮的积累。本试验发现，生物菌肥的施用提高了功能叶谷氨酰胺合成酶的活性，尤其表现在齐穗期和灌浆期，这将会促进栽培稻氮素的转运，加速籽粒灌浆进程，进而提高水稻的产量。

综上可知，生物菌肥利用微生物的作用增加了栽培稻功能叶中氮代谢物质的合成量，提高了氮代谢关键酶活性，促进了氮的转运，大大提高了栽培稻的产量。为了全面了解生物菌肥对栽培稻氮代谢生理机制的影响，有必要进一步研究生物菌肥对栽培稻氮吸收、氮素利用率以及生物菌肥对栽培稻根际土壤分泌物及土壤化学成分、土壤酶活性的影响。