微藻生物肥对稻苗生长的影响

兰 彪，贾佳欢，孙广仁

（北华大学 林学院，吉林 吉林 132013）

藻类是指以叶绿素a为光合色素的叶状体不 能分化为根、茎、叶的植物[1]，而微藻[2-3]是指显微镜下才能观察到的一类藻类，能够合成丰富的生物活性成分，微藻在生物质开发[4]、污水处理、生物医学、环境治理、食品开发[5]、生物肥[6]等领域的应用研究，引起了学者们的广泛关注。

我国是一个农业大国，为满足人口不断增长的需要，在过去几十年的农业生产中单一大量的使用化学肥料以促进农产品的增产增收，同时也造成了土壤肥力下降和环境污染等问题[7-8]。国家在“十三五”规划中明确提出，要推广生态农业[9]。蓝藻具有固氮能力，可以为作物提供丰富的有机氮源，而且通过活化被固化在土壤中的磷、钾等元素，为作物提供丰富的矿物质营养。微藻生物肥料不但具有与化学肥料相似的功效，还能促进农作物代谢生长[6]。微藻作为生物肥料的优势：通过缓慢释放氮、磷、钾来防止养分流失，满足植物的生长需求[10]；除了含有大量营养元素外，还含有微量元素和促进植物生长的物质[11]，这些物质能促进作物生长和提高土壤肥力；微藻繁殖速度快，可规模化培养，其生物质可直接用于土壤接种；利用微藻净化养殖废水或城市污水后收获微藻生物来作为肥料[12-13]，在净化水质的同时也极大地降低了生产成本[14]；能够修复被破坏的土壤，如荒漠化土壤和盐碱地等[15]。不同的微藻种类和处理方法对微藻肥液效果也有影响[16-17]，具有很大的研究空间。使用藻类活性细胞生物肥也是减少化肥用量的措施之一[18]。目前，在经济作物上开展了藻类活性细胞生物肥的研究，表明藻类活性细胞生物肥对作物的产量和品质都有显著影响[19]。

笔者以固氮蓝藻为原料制备微藻生物肥，通过水培、沙培和土壤培育，研究微藻对水稻幼苗生长的影响，旨在为微藻作为生物肥提高水稻品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种为稻花香2号，从市场上购买。供试微藻生物肥为北华大学食品开发与检测研究院提供，微藻主要包含念珠藻（Nostocales）和固氮鱼腥藻（Anabaena azotica），浓度分别为2.5×105、5.7×106个/mL。

1.2 试验方法

试验在北华大学林学院食品开发与检测研究院实验室进行。试验使用长32.5 cm、宽24.5 cm、高4.5 cm的食品级PP材质的育苗盘。采用水选法将漂浮的水稻去掉，保留籽粒饱满的种子，用自来水冲洗后，用纯化水冲洗并浸泡48 h，每隔12 h换水1次（共2次），浸泡结束用纯化水冲洗，放入发芽盘中催芽24 h，当芽长为0.2~2.5 mm视为发芽，挑选大小一致的催芽种子播种或置床，用补光灯（光照强度4 500 lx）24 h光照以加速育苗，一日2次施用纯化水保持水分。育苗盘选择3种培育基质，水培培育采用纯化水、河沙培育采用纯化水清洗的河沙和土壤培育采用花土作为基质；每个基质处理下设置空白组（使用纯化水）、基质组（施加微藻培养基1次，共10 mL）、基质+微藻（施加微藻肥1次，共10 mL）。试验共设置9个处理，分别为纯水、纯水+培养基、纯水+微藻生物肥、河沙、河沙+培养基、河沙+微藻生物肥、土壤、土壤+培养基、土壤+微藻生物肥。每个处理设3个重复，每个重复40粒稻芽，水培组收获期为15 d，沙培组收获期为20 d，土壤培育组收获期为37 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素含量的测定 在各处理组收获期取样，保留稻苗上端叶苗部分，根据文献[20]采用四分法取样，利用甲醇提取法提取叶绿素进行测定，测定6个处理，分别为处理1（土壤+微藻生物肥组）、处理2（土壤空白组）、处理3（水培+微藻生物肥组）、处理4（水培空白组），处理5（沙培+微藻生物肥组）、处理6（沙培空白组）。

1.3.2 生物量的测定 稻苗生物量测定采用直接干燥法进行测定，使用纯化水将稻苗清洗擦干，在烘箱中将试验幼苗进行105℃重复干燥至恒质量，测定生物量。

1.3.3 幼苗根系的扫描检测 长度小于15 cm的稻苗进行全苗检测，长度大于15 cm的稻苗取根部进行检测。各处理观察期结束时将根小心分离并在清水中清洗。取15 cm×25 cm托盘放少量水，将稻苗（根）放入托盘内，用镊子分散根系，使用仪器Expression 12000XL进行扫描，保存数据和扫描照片，对每个样品重复10次。

1.4 数据分析

采用Origin 2018软件进行数据处理，采用SPSS 25软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 在不同基质中秧苗叶绿素含量的比较

从图1可以看出，各处理的叶绿素含量有所不同，其中，处理4偏低，处理1、处理5偏高，处理2、处理3和处理6处于中间。在土壤基质中添加微藻生物肥比对照组的总叶绿素含量增加23.3%、叶绿素a含量增加17.4%、叶绿素b含量增加26.0%，且差异显著（P＜0.05）；在纯化水基质中添加微藻生物肥比对照组的总叶绿素含量增加12.4%、叶绿素a含量增加22.2%、叶绿素b含量降低15.7%，且差异显著（P＜0.05）；在河沙基质中添加微藻生物肥比对照组的总叶绿素含量增加19.2%、叶绿素a含量增加19.9%、叶绿素b含量降低16.4%，且差异显著（P＜0.05）。所有施用微藻肥的处理总叶绿素含量均高于对照组。可见，微藻肥能够促进叶绿素合成。

2.2 在不同基质中秧苗生物量比较

在土壤基质中添加微藻生物肥组的总生物量为22.42 g，对照组的总生物量为21.47 g，且差异不显著（P＞0.05）；在河沙基质中添加微藻生物肥组的总生物量为11.23 g，对照组的总生物量为11.50 g，且差异不显著（P＞0.05），微藻生物肥对稻苗生物量的影响在土壤和河沙基质中均不显著；在纯化水基质中添加微藻生物肥组的总生物量为8.10 g，对照组的总生物量为9.60 g，且差异显著（P＜0.05），结果表明，在不同的基质中，微藻生物肥对秧苗总生物量影响不同，在水培中效果显著。

2.3 在不同基质中秧苗地上地下部分的比较

在土壤基质中添加微藻生物肥组秧苗苗高40.3 cm，对照组秧苗苗高39.9 cm，差异不显著（P＞0.05）；在河沙基质中添加微藻生物肥组秧苗苗高21.0 cm，对照组秧苗苗高21.5 cm，差异不显著（P＞0.05），微藻生物肥对秧苗苗高的影响在土壤和河沙基质中均不显著；在纯化水基质中添加微藻生物肥组秧苗苗高15.4 cm，对照组秧苗苗长14.6 cm，差异显著（P＜0.05）。按基质对肥效影响试验设计方案，测定微藻生物肥在不同基质上对秧苗生长的影响，结果表明，土壤与河沙基质试验中，苗高无显著差异（P＞0.05），而水培试验差异显著，微藻生物肥比基质组秧苗平均高5%。

从图2、3、4可以看出，不仅水培苗、沙培苗和土壤培育苗根系形态存在较大差异，而且在空白、基质和基质+微藻之间的形态也存在差异。

根据水培稻苗洗根分析结果可以看出（表1），水培苗根系的根总长度、根尖数、分叉数和交叉数在3种培养方式下无显著差异（P＞0.05），而投影面积和根表面积差异显著（P＜0.05），根平均直径和体积差异极显著，基质+微藻比空白组投影面积增加43.28%，根表面积增加51.66%，根平均直径增加16.22%，体积增加50%；基质+微藻比基质组投影面积增加35.21%，根表面积增加23.08%，根平均直径增加14.29%，体积增加25%。

表1 水培稻苗根系分析Tab.1 Results of root system analysis of hydroponically grown rice seedlings

从沙培稻苗洗根分析结果（表2）可以看出，沙培苗根系的根总长度、根尖数、分叉数和交叉数在3种培养方式下无显著差异（P＞0.05），而投影面积、根表面积、根平均直径和体积差异显著（P＜0.05），基质+微藻比空白组投影面积增加25%，根表面积增加25.07%，根平均直径增加17.14%，体积增加17.14%；基质+微藻比基质组投影面积增加5.83%，根表面积增加25.44%，根平均直径增加20.59%，体积增加20.59%。

表2 沙培稻苗根系分析Tab.2 Results of root system analysis of r ice seedlings in sand

从土壤培育稻苗洗根（表3）分析结果可以看出，土壤培育苗根系的根体积、根尖数、分叉数和交叉数在3种培养方式下无显著差异（P＞0.05），根总长度差异显著（P＜0.05），而投影面积、根表面积和根平均直径差异极显著（P＜0.01），基质+微藻比空白组根总长度增加26.89%，投影面积增加35.67%，根表面积增加35.64%，根平均直径增加22.86%；基质+微藻比基质组根总长度增加52.64%，投影面积增加49.69%，根表面积增加49.69%，根平均直径增加19.44%。

表3 土壤培育稻苗根系分析Tab.3 Results of root system analysis of rice seedlings grown in soil

从表1~3可以看出，稻苗的根表面积和平均根直径都表现为基质+微藻与空白组和基质组存在显著差异（P＜0.05），而空白和基质间则无显著差异（P＞0.05）。基质+微藻与基质组对照相比，水培、沙培和土壤培育的平均根直径分别增加14.29%、20.59%和19.44%，根表面积分别增加23.08%、25.44%和49.69%，3种培养方式下均有显著差异（P＜0.05），且微藻+基质组均高于基质组与空白组。表明微藻肥能够壮根和增加根吸收表面积，同时系统分析的根尖数、分叉数和交叉数均没有显著性且数据变化较大，存在的问题还需要研究分析。

无论是水培、沙培还是土壤培育的稻苗根系，不同基质对根系的投影面积、表面积和平均直径3项指标有显著影响。不同基质对土壤培育苗根系总长影响显著而对根系总体积影响不显著。综合来看，不同基质对根系的投影面积、表面积和平均直径3项指标有显著影响是一致的，同时培养基对于其影响也极显著。

3 结论与讨论

生物肥料有着微量高效、对环境无危害的特点，不会出现化学肥料污染水源、破坏土壤质量等各种环境问题[10]。我国是世界化肥消费大国，对化肥有很大的需求，微藻作为一种生物肥料，具有很大的优势，发展空间广阔。刘淑芳等[17]研究表明，使用了混合蛋白核小球藻、卷曲鱼腥藻和四尾栅藻的生物肥料可以促进黄瓜的生长，还能显著改善土壤品质。王荣敏[19]研究了蓝藻和绿藻组成的肥液对于桃子生长发育的影响，结果表明，微藻肥可以有效增加果质量和固形物含量。FAHEED等[21]研究了小球藻对生菜的影响，结果表明，经过藻液处理可以显著提高种子的发芽速率，在土壤中添加藻液也增加了幼苗的鲜质量、干质量和色素含量。GRZESIK等[22]通过使用蓝藻和绿藻改善玉米种子萌发、幼苗生长和代谢活性，结果表明，单株培养的微藻均能显著提高玉米幼苗的生长，并强化了酶的代谢活性。

通过室内花土、河沙、水培进行水稻秧苗试验，发现使用微藻的稻苗叶绿素含量比对照组均有所增加；通过根系分析对比根长，表明微藻液能够显著增加根的总表面积和根的平均直径，综合叶绿素含量测定结果和根系分析结果，表明微藻可以增加叶绿素的含量来增强光合作用，提高有机物的积累，通过增加根的总表面积和根的粗度以达到生态位，实现壮苗和提高根系对营养和水分的吸收以达到增产的效果。在纯水培育中，微藻生物肥比空白组投影面积增加43.28%，根表面积增加51.66%，根平均直径增加16.22%；微藻生物肥比基质组投影面积增加35.21%，根表面积增加23.08%，根平均直径增加14.29%，同时生物量与地上部分生长试验中仅在纯水培养差异显著，在水培培育中，影响稻苗生长的因素相对较小，同时更利于微藻的生长，有助于探究微藻对农作物生长的影响；在土壤培育中，微藻生物肥比空白组根表面积增加35.64%，根平均直径增加22.86%；微藻生物肥比基质组根总长度增加52.64%，投影面积增加49.69%，根表面积增加49.69%，根平均直径增加19.44%，这与董国忠等[23]和薄自伟[24]等研究结果一致。

本研究通过从根投影面积反映根系在剖面的形态，总表面积反映根系与土壤的接触面积，也能反映根系在水中的吸收营养和水分的面积，根平均直径能够反映根粗壮程度。分析不同介质对根系表面积和平均直径的影响具有实际意义，研究结果为微藻作为生物肥提高水稻品质提供理论依据。