生物肥氮肥耦合對水稻資源利用的影響

張 雪，王 立，馬 放，張淑娟，徐亞男，李 哲，傅生杰

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱)

生物肥料因其高效、環保、易推廣的優良特性成為目前生態農業研究中的熱門領域.其中，叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)因其能夠促進植物對養分的吸收［1－3］，提高植物的抗逆性［4］以及抗病蟲害［5］等促生優勢而成為生物肥料的主體生物.摩西球囊霉 (Glomus mosseae)是在全世界分布最廣泛的AM真菌之一［6］，存在于紫色土、紅壤、黃壤以及水稻土［7］等多種土壤類型中，并且對陸生［8］和水生［9］等多種生境均具有較強的適應能力，因此，可以作為優良的生物肥料制作主體.G.mosseae是稻田中的土著菌種［10］，與水稻有較好的互利共生關系［11］，但是由于水稻長期處于淹水狀態，G.mosseae的生長和促生作用受到抑制［12］，為此，以稻田生態系統為研究對象，研究在施加氮肥、施加生物肥以及氮肥生物肥聯合的強化方式下，G.mosseae的侵染狀況及其對水稻生長和生產效果的影響.

1 試驗

1.1 分布區自然概況

試驗地點位于黑龍江省雙城市朝陽鄉政安村.雙城市位于黑龍江南部(E:125°41'－126°42'，N:45°08'－45°43')，屬中溫帶氣候，年平均溫度3.5℃，年降水量為481.5mm.水熱同季，適合作物生產，耕地總面積22.50×104hm2，其中灌溉水田面積0.57×104hm2，是我國主要的糧食作物產區.周邊水系發達，南、西以拉林河為界，農田灌溉水源即引自拉林河，是優良的水稻產地.

1.2 研究對象與方法

實驗對象為水稻(Oryza sativa L.)，生物肥核心菌種為摩西球囊霉(G.mosseae).

試驗區設在距農田防護林50m的位置.每個試驗小區由厚度為2 mm的防水材料圍隔，各小區之間間隔1m，每小區面積為6m×6m=36m2，其中插入地下部分深50cm，地上部分高于農田土壤表層30cm，水分管理單獨進行.

水稻于育秧階段(2010年4月末)接種菌根真菌G.mosseae，菌劑以高梁為宿主擴繁，包括基質和植物根段，施加到育秧盤，施加量為30g/盤.2010年6月中旬進行移栽，并按照正常和接菌秧苗分別移栽到相應的小區.施加復合肥(N－P2O3－K2O)作為基肥，施肥量360kg·hm－2，6月下旬追施分蘗肥硫酸銨140kg·hm－2.在追肥階段，設置4個處理:空白對照(CK)、單獨追施氮肥(N)、單獨追施菌肥(M)、追施氮肥和菌肥(NM)(菌肥旱育秧階段已經施過).每個處理重復3次，共12個小區.田間水分管理:返青期灌溉深水，水深為苗高的三分之二;分蘗初期保持水層5～10cm，分蘗末期落干曬田;穗分化期保持4～6cm水層，而后自然落干.

于水稻幼苗期、拔節期、孕穗期檢測AMF的侵染狀況，孕穗期考察水稻的光合生理指標(凈光合速率rnp、氣孔導度Cs、蒸騰速率rT和水分利用效率EWU)，收獲階段考察水稻生長與生產相關的指標.

AMF侵染率/%=(侵染根段數/觀察根段數)×100，

根冠比=地下生物量/地上生物量，

1.3 統計分析及軟件

應用SAS8.1軟件對數據進行統計分析，采用Student-Newman-Keuls多重比較檢驗各處理平均值間的差異，統計學意義水平為5%.

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式下菌根形成情況

為考察菌根系統的形成情況，于水稻生長的不同時期檢測G.mosseae在根際的定殖情況，結果以菌絲侵染率表示，見圖1.

圖1 不同處理中水稻根部G.mosseae侵染率

由圖1可以看出，各處理條件下，G.mosseae的侵染率均隨著水稻的生長而逐漸降低，幼苗期水稻處于旱育秧階段，G.mosseae侵染率高，拔節時期水稻經歷了灌水浸田管理，G.mosseae的侵染率明顯下降.

結果表明，拔節時期G.mosseae對水稻的侵染比較穩定，與CK相比，N、M和NM處理下侵染率分別提高2.4%、47.0%和116.9%，其中NM侵染率最高.自然條件下(CK處理)，G.mosseae對水稻有少量侵染，氮肥和菌肥的施加均能夠提高原生環境中G.mosseae對水稻的侵染率.其中，氮菌的聯合在侵染穩定時期使G.mosseae的侵染效果最佳，還能提高共生系統的穩定性和抗環境沖擊能力，在水稻淹水狀態下，仍能保持13.5%～18.0%的穩定侵染，緩沖了水淹脅迫作用，保證了后續侵染的維持.因此，對于 G.mosseae的侵染狀況，氮肥與生物肥同施為最佳處理條件.

2.2 不同施肥方式下水稻的光合生理

于孕穗期考察水稻的光合速率、氣孔導度和水分利用效率等生理活性指標，考察菌根作物與非菌根作物在光合作用方面的差異，結果見表1.

表1 不同施肥條件下水稻生理活性指標

結果表明，N處理、M處理和NM處理下的凈光合速率均顯著高于CK，在3種施肥處理(N、M和NM)中，NM的凈光合速率最大，較N和M分別提高4.5%和5.0%.

在同施化肥的處理中，接菌處理NM的水分利用效率顯著高于不接菌處理N，比N處理提高23.9%，說明接菌處理能夠提高水稻對水資源利用率.盡管氮肥和菌肥單獨施用，其氣孔導度和光合利用效率差異無統計學意義，但是單獨接菌處理M使水稻具有最高的水分利用效率，比單獨施氮肥處理N提高45.2%.

上述結果表明，氮菌聯合施用使作物對光能和水分等資源的利用方式最合理，氮菌共施所獲得的綜合效益最高，是水稻有效利用資源的最優化措施.

2.3 不同施肥方式下水稻總生物量

植物各器官在總生物量中所占的比重不同，體現了不同的生態分配對策.通過比較根冠比，可以揭示菌根作物與非菌根作物在水稻生物量分配對策上的差異，于水稻收獲期檢測水稻總生物量，結果如圖2所示.可以看出，相對于CK，施氮處理(N和NM)能夠顯著提高水稻地上部分生物量(P＜0.05)，分別提高22.8%和37.0%，M處理與CK差異無統計學意義;N、M和NM處理其地下生物量均顯著高于 CK，分別提高 12.3%、41.5%和35.0%，其中M對地下生物量促進程度最大.

由水稻的根冠比可知，N處理的根冠比低于CK，M處理高于CK，說明單施氮肥處理對地上生物量的促進程度較大，單施菌肥處理能夠促進地下部分的生長，而氮菌聯合能夠同時促進地上和地下部分的生長.

2.4 不同施肥方式下水稻產量

產量是衡量水稻生產能力的重要指標.于收獲階段考察水稻實際產量，結果見圖3.可以看出，與CK相比，N、M和NM處理均能夠提高水稻產量，其中N與NM能夠顯著提高作物產量，分別提高15.4%和21.0%;在3種施肥方式中，N與M處理的產量差異有統計學意義，這表明單獨施加菌肥影響作物生長和菌根效能的發揮，菌肥單獨作用不能保證作物產量，菌肥不能完全代替化肥;NM處理產量最高，在同施化肥的處理中，接菌處理NM的產量比傳統田間管理提高4.8%，說明在相同化肥施加量下，氮肥和菌肥聯合能夠提高氮肥的效率，進而提高作物產量，效果好于單獨施加氮肥的處理，氮菌聯合是最有利于作物生長的施肥方式.

圖2 水稻收獲階段生物量

圖3 不同處理水稻的產量

對于作物產量構成因素的分析有助于揭示不同處理對產量影響的內在機理，找到最佳的促產控制手段.不同施肥方式在水稻產量構成因素中的差別見表2.

表2 不同施肥方式的水稻產量構成因素

由表2可知，相對于CK處理，N、M和NM 3種施肥方式下，水稻的有效穗數、實粒數和千粒質量均得到提高，其中NM處理的綜合效應最顯著.在3種強化措施中，接菌的M和NM處理，總體上水稻的有效穗數和實粒數比不接菌的N處理高，而水稻千粒質量均顯著低于不接菌處理(P＜0.05)，尤其是NM處理，其有效穗數和實粒數分別比不接菌的N處理提高20.6%和14.3%，而千粒質量降低9.6%，差異有統計學意義.這說明相對于未接菌水稻，接菌處理使水稻粒數增多而個體減小，因此，NM共施耦合效應對作物產量的促進是通過強化大量小種子的對策來實現.

3 討論

2.1節的結論表明，相對于不接菌處理(CK和N)，菌劑施加(M)能夠極顯著提高作物侵染率，但是由于水淹耕種帶來的耗損明顯，不能完全替代傳統肥料，NM共施對環境干擾的緩沖能力較強，在經歷灌水浸田后仍能維持穩定的侵染率，因此，氮菌共施為最佳田間管理條件.

在水稻孕穗期間，3種施肥強化措施中，氮菌聯合使水稻的凈光合速率最大，這與其氣孔導度的增大有關，通常氣孔開度越大，單位時間內葉片吸收的二氧化碳越多，從而能夠有效提高作物同化固定碳源的能力，為水稻生殖生長做好充足的物質儲備.同時，接菌處理(M和NM)的水分利用效率明顯高于施肥處理(N)，尤其是NM處理能夠同時提高光合速率并減少水分散失的風險.結合G.mosseae生長需要適當通氣度、減少水層的特性，菌肥共施可以作為節水灌溉的一種耕作方式［13］，適合水資源緊張地區的水稻種植，可以作為田間水分管理的指導.

由2.3節水稻根冠比的結論可知，接菌能夠促進作物地下部分的生長，對于菌根化作物，其地下生物量除了植物根系外，還包括根外菌絲，它的量能夠呈指數增長并無限擴展［14］，因此，接種G.mosseae的作物其根部質量會增加，根系及根外菌絲的擴展有利于大面積吸收水分和營養元素，促進作物生長.氮菌同施能夠使水稻地上和地下的生長同時得到促進，既有利于光合器官的構建，促進作物同化吸收碳源并積累干物質，又利于根部對水分及營養的攝取，進而源源不斷地提供給地上部分，為光合器官的構建及同化作用提供原料.

為保證物種的延續，作物對生殖資源的分配存在不同的對策，通過產生少量個體大的后代以提高個體競爭能力的對策為K對策，產生大量個體小的后代以提高存活能力，在生存進化中以量取勝的對策為r對策［15-16］.水稻的生殖對策屬于r對策，通過產生大量的小種子將大部分能量用于繁殖，提高存活力，使種群增長到最大.本文產量構成因素中，相對于傳統田間管理(N)，接菌處理(NM)能夠顯著提高水稻的有效穗數和實粒數，降低其千粒質量，并且促進了產量的提高，表明接種G.mosseae能夠使水稻產出更大量的小種子，強化水稻r對策的繁殖策略，進一步提高其存活能力.

因此，生物肥料既可以提高作物產量，又可以節約灌水，同時制作成本低廉，可作為一種高效、環保、經濟的綠色肥料.

4 結論

1)各處理條件下，G.mosseae的侵染率從旱育秧階段至移栽后，均隨著水稻的生長而逐漸降低;氮肥(N)和菌肥(M)的施加能夠提高原生環境中G.mosseae的侵染率，分別比CK提高2.4%和47.0%;在3種強化措施中，NM的侵染率最高，在水稻淹水狀態下，仍能保持 13.5% ～18.0%的穩定侵染.G.mosseae在水生環境中的損耗特性決定生物肥不能完全替代傳統肥料，NM聯合施用能夠獲得最穩定的田間共生系統.

2)在3種施肥處理(N、M和NM)中，NM的凈光合速率最大，較N和M分別提高4.5%和5.0%，接菌處理(M和NM)可有效提高作物水分利用效率，相對于N分別提高45.2%和23.9%.NM耦合效應對作物的促進能夠保證作物具有最佳的光合和水分利用效率.

3)相對于CK，施氮處理(N和NM)能夠顯著提高水稻地上部分生物量(P＜0.05)，分別提高22.8%和37.0%;接菌處理(M和NM)顯著提高地下生物量，分別提高41.5%和35.0%，其中NM耦合效應能夠同時促進地上和地下部分的生長.

4)在3種施肥方式中，NM處理產量最高，比傳統田間管理提高4.8%，氮菌聯合是最有利于作物生長的施肥方式;在相同化肥施加量下，相對于未接菌水稻，接菌處理的有效穗數和實粒數分別提高20.6%和14.3%，通過大量小種子的方式獲得高產.

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