节水灌溉下复合微生物有机肥对水稻光合与产量的影响

张忠学 冯子珈 齐智娟 郑恩楠 杨 桦 陈 鹏

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

水稻是我国主要粮食作物之一，其种植面积占粮食总面积的28%，全国65%以上的人口以稻米为主食，其高产稳产是保障人民温饱和稻农增收的重要因素[1]。然而，水稻是“喜水作物”，耗水量约占全国总用水量的54%，占农业用水的70%[2]。作为水稻种植面积最大、总产量最高的黑龙江省，传统淹灌模式下水稻的生产消耗了全省96%的农业用水，占全省社会用水量的70%[3]，这种灌溉模式极大地浪费了水资源。因此，如何在有限的淡水资源里生产出更多安全优质的稻米是目前水稻生产最主要的问题[4]。化肥的应用有效提高了粮食产量，但随着施用量的增加，一些负面影响也逐渐凸显，如肥料利用率低[5]、土壤理化性质破坏[6]、作物品质降低[7]、甚至作物产量降低[8]。

相关学者关于肥料的研究较多，主要集中于不同施肥水平以及有机肥和无机肥不同配比施加[9-11]，但针对东北寒地黑土区复合微生物有机肥的研究较少。复合微生物有机肥是一种新型有机肥，采用的是有机质腐植酸为载体加入拜赖青霉与枯草芽孢杆菌，增加了植物所需元素，能延长肥效，快速补充土壤中的碳“短板”，效果显著，易被植物吸收。而化肥与复合微生物有机肥配合施用，既能供给植物充足的营养，又不会破坏环境[12]。复合微生物肥料在调控植物生长、改良土壤、增产以及提升品质方面起到了举足轻重的作用[13]。陈友民等[14]研究发现，施用复合微生物有机肥可以有效改善土壤理化性质，显著提高土壤有机质含量，明显降低稻谷镉含量。郭鑫年等[15]研究发现，与常规化肥相比，复合微生物肥有效提高了马铃薯的产量与品质。水稻的生长发育和干物质积累与光合作用密切相关，主要受光照、温度、养分和水分等因素的影响[16]，而复合微生物有机肥料可以提高土壤微生物数量[17]，促进土壤有效养分的活化[14]，使养分不再是限制水稻光合速率和产量的主要因素。

施肥与灌溉作为影响水稻生长及光合物质生产的重要因子，一直以来受到农业工作者的重视[18]。文献[9,19-21]研究了施用常规有机肥对光合作用能力、干物质积累、作物产量等产生的影响。本文在前人研究的基础上，针对寒地黑土区气候特点，采用盆栽试验，合理设置无机肥与新型复合微生物有机肥施用水平，并根据作物各生育阶段对水分亏缺的敏感程度，适时适量地为作物供水，探究新型复合微生物有机肥不同施入水平对节水灌溉水稻的光合特性、产量以及品质的影响，以期在节水灌溉条件下科学配施复合微生物有机肥量，达到节水、高产、优质的目的。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年5—10月在黑龙江省庆安国家灌溉试验站进行，该站(东经127°40′，北纬46°58′)位于黑龙江省绥化市庆安县和平镇，为典型寒地黑土分布区。属寒温带大陆性季风气候区，多年平均气温2.5℃，大于等于10℃有效积温变化范围为2 500～2 800℃，多年平均降水量550 mm，多年平均水面蒸发量750 mm，太阳辐射量4 000～4 300 MJ/(m2·a)。作物水热生长期156～171 d，全年无霜期128 d。供试土壤为白浆土型水稻土，饱和含水率为53.25%。土壤有机质质量比41.8 g/kg、pH值6.45、全氮质量比15.06 g/kg、全磷质量比15.23 g/kg、全钾质量比20.11 g/kg、碱解氮质量比198.29 mg/kg、有效磷质量比36.22 mg/kg和速效钾质量比112.06 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用盆栽方法，供试盆钵为塑料桶，上口直径为32 cm，下口直径为28 cm，高为40 cm。供试土壤晒干、过筛后，每盆装干土30 kg(干土初始含水率为14.53%)。供试水稻品种为龙庆稻3号，每盆移栽2穴，每穴5株。试验在移动式遮雨棚内进行，四周为水稻保护田。

节水灌溉在返青期建立适宜水层，其余各生育时期灌水后田面均不建立水层，以根层土壤含水率为控制指标(表1)。采用德国IMKO公司产TRIME-PICO-IPH TDR型剖面土壤水分测量系统检测根层土壤含水率。设4个复合微生物有机肥施肥水平，分别为OF20(20 kg/hm2)、OF40(40 kg/hm2)、OF60(60 kg/hm2)、OF80(80 kg/hm2)。同时设置单施无机肥的对照组CK，共5个处理，每个处理6次重复。试验各项农艺措施同大田，手工除草以避免杂草危害水稻生长发育，同时遵循当地传统方法进行水稻病虫害控制以保证水稻稳产。无机肥各处理施肥量按照不同比例施入，氮肥(N 110 kg/hm2)按照基肥、蘖肥、促花肥、保花肥比例为4.5∶2∶1.5∶2分施，磷肥(P2O545 kg/hm2)作基肥一次施用，钾肥(K2O 80 kg/hm2)分基肥和8.5叶龄(幼穗分化期)2次施用，前后比例为1∶1，有机肥同氮肥促花肥一同施入。由于试验所处寒区，施入基肥时气温较低，会影响复合微生物有机肥的活性，而在分蘖以后温度适宜，再施加复合微生物有机肥更有助于养分的吸收。供试复合微生物有机肥为丰喜生物有机肥(厂家推荐最适用量为40 kg/hm2)，有效活菌数大于等于0.2亿/g，有机质质量分数大于等于40%，N+P2O5+K2O质量分数大于等于4%。5月15日施基肥，5月20日移栽，6月5日施蘖肥，7月1日施8.5叶龄钾肥，7月7日施促花肥，7月20日施保花肥，9月3号收获。水稻生育期为107 d，分为返青期(5月20日—6月4日)、分蘖期(6月5日—7月9日)、拔节期(7月10日—7月22日)、抽穗期(7月23日—8月5日)、乳熟期(8月6日—8月15日)、黄熟期(8月16日—9月3日)。

表1 稻田生育期内土壤水分管理方式Tab.1 Water management pattern

注：θs为根层土壤饱和含水率。

1.3 试验观测指标和方法

光合指标测定：在水稻关键生育时期(拔节期、抽穗期、乳熟期)内，每个处理选取2盆4穴长势良好且倒2叶受光方向一致的水稻标记，于晴朗天气09：00—11：30采用美国LI-COR公司生产的Li-6400XT型便携式植物光合测定系统测定同一叶片的净光合速率(Pn)，叶片经过暗适应30 min后测定最小初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、最大光化学量子产量光系统Ⅱ(PSⅡ)的光化学量子效率(Fv/Fm)，在自然光下适应30 min后测定光下最小荧光(F′o)、光下最大荧光(F′m)、稳态荧光(Fs)、光下开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率(F′v/F′m)、光化学荧光淬灭系数(qP)和非光化学荧光淬灭系数(qN)，以上参数均由仪器自动给出。

反应中心的潜在活性Fv/Fo和实际光化学量子效率ΦPSⅡ计算公式为

(1)

(2)

根据BERRY等[22]的方法计算气孔限制值Ls，即

(3)

式中Ci——胞间CO2浓度

Ca——外界CO2浓度

产量测定：在收获后，对每盆水稻进行测产，分别测量水稻的有效穗数、穗粒数、千粒质量和结实率，计算每盆水稻产量。

稻米品质测定：在测产3个月后对水稻米质进行测量，稻米品质在黑龙江八一农垦大学稻米检测中心进行检测。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 19.0进行数据处理及绘图，运用LSD进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 对净光合速率和气孔限制值的影响

以水稻典型生育期分蘖期、拔节期和抽穗期为例，研究节水灌溉配施复合微生物有机肥对Pn和Ls的影响，如图1所示。由图1a可知，在拔节前期OF20、OF40、OF60、OF80处理的Pn分别比CK高4.67%、11.99%(P<0.05)、12.07%(P<0.05)、7.32%，在拔节后期分别比CK高3.63%、10.40%(P<0.05)、12.65%(P<0.05)、8.57%；在抽穗期，OF20、OF40、OF60、OF80处理分别比CK高3.17%、7.68%、12.15%(P<0.05)、4.55%；乳熟前期与CK相比，OF20、OF40、OF60和OF80处理分别增加了15.24%、23.42%(P<0.05)、35.02%(P<0.05)、2.60%，而在乳熟后期，与CK相比分别增加了41.85%(P<0.05)、53.33%(P<0.05)、56.62%(P<0.05)、9.17%。从不同生育时期与CK相比的增加幅度来看，OF60处理在各个时期的增加幅度最大。Ls是用来定量分析光合限制因子的指标，由气孔对CO2的开度和碳同化对CO2需求共同决定[23]。由图1b可知，各生育时期的Ls均低于CK，表明施加复合微生物有机肥能有效降低气孔限制，增大气孔开度，使叶肉细胞内CO2浓度增大，从而提高了水稻的光合速率。在拔节前期，OF20、OF40、OF60、OF80处理Ls分别较CK降低了11.79%、16.77%、34.49%(P<0.05)、11.44%，在拔节后期分别较CK降低了4.20%、18.07%、22%、15.98%；在抽穗期，OF20、OF40、OF60和OF80处理分别较CK降低了4.02%、17.22%、19.30%(P<0.05)和5.54%；在乳熟前期，和CK 相比，OF20、OF40、OF60、OF80处理分别降低了10.65%、16.02%(P<0.05)、16.24%(P<0.05)、6.36%；而乳熟后期分别下降了7.74%、12.09%、14.18%(P<0.05)、4.32%。与CK相比，从不同生育时期的增降幅度来看，Pn和Ls在OF60处理下相对较高，表明在节水灌溉条件下，施加60 kg/hm2复合微生物有机肥有助于寒地黑土区水稻光合速率的提高。

图1 不同复合微生物有机肥施用量对水稻叶片净光合速率和气孔限制值的影响Fig.1 Effects of compound microbial organ fertilizer on Pn and Ls

2.2 对最大光化学量子效率和潜在活性的影响

图2为不同生育时期节水灌溉配施复合微生物有机肥对Fv/Fm、Fv/Fo的影响。Fv/Fm与Fv/Fo总体变化趋势一致，均随着复合微生物有机肥施入量的增加先逐渐增大而后减小，且在OF60处理出现最大值。由图2a可以看出，在拔节期，Fv/Fm在OF20处理与CK之间差异不显著(P>0.05)，但随着复合微生物有机肥施入量的增加，OF40、OF60和OF80处理显著高于CK，且分别提高了1.07%、1.38%、1.22%；在抽穗期，OF40、OF60处理显著高于CK，分别比CK增加了1.58%、1.76%，而其他处理与CK之间均无显著差异(P>0.05)；在乳熟期，OF60处理显著高于CK，比CK增加了2.59%，而其他处理之间差异性不显著(P>0.05)。OF60处理在各生育时期的Fv/Fm均高于其他处理，维持较高Fv/Fm有利于降低发生光抑制的程度，提高光能转化效率。Fv/Fo反映了通过PSⅡ的电子传递情况[24]。如图2b所示，在拔节期，与CK相比，OF20、OF40、OF60、OF80处理的Fv/Fo分别增加了2.38%、6.22%、10.14%、7.17%，其中OF60、OF80处理增加显著(P<0.05)；在抽穗期，OF40、OF60处理的Fv/Fo显著高于其他各处理，OF40、OF60处理分别较CK增加了9.27%、10.43%；在乳熟期，除OF60处理外，其他处理之间无显著差异(P>0.05)，且与CK相比，OF60处理增加了13.24%。由不同生育时期水稻叶片Fv/Fm与Fv/Fo分析可知，复合微生物有机肥施用量为60 kg/hm2时，对Fv/Fm和Fv/Fo促进作用最大。

图2 不同复合微生物有机肥施用量对水稻叶片最大光化学量子效率和潜在活性的影响Fig.2 Effects of compound microbial organ fertilizer on Fv/Fm and Fv/Fo

2.3 对水稻叶片PSⅡ反应中心激发能捕获效率和实际光化学量子效率的影响

由表2可看出，各生育时期施加复合微生物有机肥处理的水稻叶片F′v/F′m均高于CK，且随着复合微生物有机肥施用量的增加呈先增大后减小的变化趋势。在拔节期和乳熟期，施加复合微生物有机肥处理F′v/F′m均显著高于CK，拔节期分别提高了7.06%、13.28%、15.54%、10.73%，乳熟期分别提高了14.29%、28.92%、34.84%、24.04%，乳熟期增幅大于拔节期，说明随着复合微生物有机肥肥效不断地释放，土壤中的养分不断被补充，有利于水稻叶片生长。在抽穗期，OF20、OF80处理与CK无显著差异，OF40、OF60处理显著高于CK，且分别增加了12.37%和15.32%。各生育时期F′v/F′m在OF60处理下达到最大，总体由大到小依次为OF60、OF40、OF80、OF20、CK，说明适量施用复合微生物有机肥可以使水稻叶片具有良好的光能捕获效率，而过量施用则会起到一定的限制作用。ΦPSⅡ表示作用光存在时的实际光化学量子效率，即反应中心电荷分离实际量子效率，反映了被用于光化学途径激发能占进入总激发能的比例，是检测植物光合能力的一个重要指标。由表2可看出，施加复合微生物有机肥处理的水稻叶片ΦPSⅡ在各生育时期均高于CK。在拔节期和抽穗期，施加复合微生物有机肥处理均显著高于CK，拔节期分别提高了6.63%、25.90%、24.70%、25.30%，抽穗期分别提高了13.37%、28.49%、34.88%、11.05%。在乳熟期，除OF20处理外，其他处理均显著高于CK，OF40、OF60、OF80处理分别比CK增加了72.41%、97.70%、25.29%。总体由大到小依次为OF60、OF40、OF80、OF20、CK。

表2 不同生育时期的PSⅡ反应中心激发能捕获效率和实际光化学量子效率Tab.2 F′v/F′m, ΦPSⅡ at different growth stages

注：同一列不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著，下同。

2.4 不同施用量对节水灌溉水稻叶片光化学荧光淬灭系数和非光化学荧光淬灭系数的影响

qP反映了天线色素吸收的光能用于化学电子传递的比例[25]。由图3a可看出，施加复合微生物有机肥能够改变qP，这表明复合微生物有机肥的配施能够改善PSⅡ反应中心的开放，增强了PSⅡ氧化侧向PSⅡ反应中心的电子流动。在拔节期，与CK相比，OF20处理的qP减少了0.56%(P>0.05)，OF40、OF60、OF80处理的水稻叶片qP分别增加了10.67%、7.92%和12.83%；在抽穗期，与CK相比，OF20、OF40、OF60、OF80处理的水稻叶片qP分别增加了8.13%、14.49%、16.71%、5.80%；在乳熟期，OF20、OF40、OF60、OF80处理的水稻叶片qP较CK分别增加了20.36%、52.46%、66.50%、14.93%。OF40、OF60处理增幅显著大于其他处理，OF60处理最优，其次为OF40处理。qN代表以热耗散形式散掉的过剩的光能部分。由图3b可看出，施加复合微生物有机肥的各处理qN在拔节期稍高于CK处理，乳熟期只有OF20处理的qN稍高于CK，而施加高水平的复合微生物有机肥后qN稍下降，这与qP的变化趋势相反。虽然较高的qN有利于过剩光能的及时耗散，避免了过剩光能对光合器官的损伤，但各处理的水稻叶片qN在3个生育阶段内并没有显著差异(P>0.05)。

图3 不同复合微生物有机肥施用量对水稻叶片光化学淬灭系数和非光化学淬灭系数的影响Fig.3 Effects of compound microbial organ fertilizer on qP and qN

2.5 对水稻产量和品质的影响

水稻产量由有效穗数、穗粒数、千粒质量和结实率共同决定。由表3可看出，施加复合微生物有机肥处理的水稻有效穗数和千粒质量均高于CK，除OF20处理的有效穗数外，其余复合微生物有机肥处理均与CK差异显著(P<0.05)，且由大到小均表现为OF60、OF80、OF40、OF20、CK，其中有效穗数的增加表明施加复合微生物有机肥有助于提高水稻的有效分蘖，但超过一定量反而起到限制作用。除OF40处理的穗粒数显著低于CK外，其余复合微生物有机肥处理均高于CK，其中OF20、OF60处理与CK差异显著(P<0.05)，总体由大到小依次为OF60、OF20、OF80、CK、OF40。除OF20处理的结实率显著低于CK外，其余复合微生物有机肥处理与CK无显著差异(P>0.05)，由大到小依次为OF60、CK、OF80、OF40、OF20。施加复合微生物有机肥的水稻产量高于单施无机肥，且随着复合微生物有机肥施用量的增加呈先增后减的趋势，OF20、OF40、OF60、OF80分别比CK增加了2.46%、6.14%、22.50%、14.90%，由大到小依次为OF60、OF80、OF40、OF20、CK，表明施加复合微生物有机肥能提高水稻的产量，且复合微生物有机肥最佳施用量为60 kg/hm2。

表3 不同处理的水稻产量Tab.3 Yield of different treatments

试验结果表明，复合微生物有机肥施用量为60 kg/hm2时产量最高。因此，采用OF60与CK两组处理比较稻米品质。如表4所示，OF60处理的糙米率、精米率和整精米率均高于CK，说明施加60 kg/hm2的复合微生物有机肥能够提高稻米的碾磨品质。与CK相比，OF60处理的米粒长宽比较高，且OF60处理的稻米垩白率和垩白度明显低于CK，说明施加60 kg/hm2的复合微生物有机肥能够有效降低稻米垩白率与垩白度。OF60处理的稻米蛋白含量稍低于CK，稻米直链淀粉含量明显高于CK，说明60 kg/hm2的复合微生物有机肥施用量有助于提高稻米的蒸煮品质。

表4 不同处理的水稻品质Tab.4 Rice quality of different treatments

3 讨论

3.1 对节水灌溉水稻叶片光合特性的影响

光合作用是作物生长发育的基础和生产力的决定性因素[25]。李迪秦等[26]研究发现，含芽孢杆菌和EM微生物生物有机肥与无机肥配施，有利于改善烟叶的光合生理性能。本试验在节水灌溉下不同复合微生物有机肥施用量对水稻Pn、Ls的研究结果与杨芳芳等[27]施用有机肥对甜菜叶片Pn的研究结果一致，即随着施肥量的增加表现为先增加后下降的趋势。叶绿素荧光特性可以了解植物的生长和逆境胁迫下的生理状况，具有精准度高、灵敏等优势。本试验表明，在节水灌溉条件下施加复合微生物有机肥能提高各生育时期Fv/Fm、Fv/Fo、F′v/F′m、ΦPSⅡ以及抽穗期、乳熟期的qP，且均随着复合微生物有机肥施用量的增加呈先升高后下降的趋势，OF60处理更有利于作物的光能捕获。与陈娜[28]研究发现相类似。原因可能在于施加60 kg/hm2的复合微生物有机肥使PSⅡ反应中心内原初光能转化效率提高，增大PSⅡ反应中心的电子传递活性，而过量的施加抑制了光化学反应中心的光合电子传递速率，抑制了水稻的光合作用。但与赵隽等[29]研究结果不一致，其原因可能为本试验是在节水灌溉条件下进行，水稻受水分胁迫且寒区气温较低的影响，不同处理之间以热形式耗散掉的光能并不明显，且施用的有机肥种类不同，影响效果也有差异。

前人研究成果的最佳有机肥施用量远远高于本试验施用的复合微生物有机肥，增加了使用成本。复合微生物有机肥相比于传统的有机肥含有植物所需的微量元素，采用有机质腐植酸为载体加入拜赖青霉与枯草芽孢杆菌，能同时延长肥效，增加了植物所需元素，合理施加能起到促进水稻光合作用，复合微生物有机肥料除了自身的养分被植物吸收利用，其自身的腐解产物也能够影响土壤的理化和生物学性质，供给土壤微生物以碳源，促进其繁衍活动。使土壤中的有机物质不断更新，保持甚至提高有机质含量，减缓有机质的消亡，使土壤持续保持较高土壤肥力，促进植物生长，使水稻的冠层群体结构较好，叶面积指数较大，有助于提高光化学效率、光合电子传递和CO2同化过程，加快了光合作用的进行，导致光合速率较大，光能利用效率较高，有利于水稻对光和养分的利用和有机物的积累。

3.2 对节水灌溉水稻产量品质的影响

有研究表明[30]，复合微生物有机肥具有节约肥料成本投入，提高作物经济效益等优点。不同复合微生物有机肥施用量下，对水稻的有效穗数、穗粒数、千粒质量和结实率的影响各不相同。张建国等[31]研究发现，适量的复合生物有机肥有利于烤烟的生长发育、干物质积累，进而提高烤烟的产量及品质。本研究从最终产量来看，施加复合微生物有机肥处理的产量均高于单施无机肥处理，且施加60 kg/hm2的复合微生物有机肥处理产量最高。由于本试验施用的复合微生物有机肥拜赖青霉与枯草芽孢杆菌的添加，延长肥效，提高地温，同时本试验采用的是前氮后移的施肥技术方式，因此后期土壤肥力仍能保持较高的水平。后期土壤肥力较高，促进植株的生长发育以及干物质的积累，对水稻的产量构成要素和品质的提高有较好的促进作用，增加了千粒质量和结实率，因此最大程度地增加了水稻产量和改善了水稻品质。

4 结论

(1)随着复合微生物有机肥施用量的增加，各生育时期的水稻叶片Pn与Ls变化趋势相反，与CK处理相比，Pn最大增幅和Ls最大降幅均出现在OF60处理。

(2)各生育时期的水稻叶片Fv/Fm、Fv/Fo、F′v/F′m、ΦPSⅡ和qP均在OF60处理时显著高于CK处理，表明施加复合微生物有机肥有助于增强水稻叶片光合作用能力，降低光抑制程度，提高光能利用效率；不同复合微生物有机肥施用量处理下水稻叶片qN在3个生育时期内并无显著差异。

(3)施加复合微生物有机肥处理的产量均高于单施无机肥，复合微生物有机肥施用量为60 kg/hm2的产量最高，较CK处理增长了22.50%，并且米质优于单施无机肥处理。因此，施加60 kg/hm2复合微生物有机肥有助于提高水稻光合能力、增加水稻产量、改善水稻品质。