叢枝菌根真菌與化肥共施對水稻品質的改善作用

張淑娟，王 立，馬 放，張 雪，徐亞男，李 哲，姜曉峰

(1.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090哈爾濱;2.中國市政華北設計研究總院有限公司，300074天津)

稻米品質受土壤生態因子［4］、施肥種類［5］、施肥水平［6］和農藝性狀［7］等多種因素的影響.其中稻米的加工品質受水稻株高、有效穗數和經濟系數的影響［8］.而稻米的外觀品質與株高呈負相關關系［7-8］，同時，抽穗后較高群體的光合速率也會降低稻米的外觀品質［9］.另外，稻米的蒸煮品質、外觀品質和營養品質還受水稻根系化學訊號的調節［10］.過去國內外學者對稻米品質的研究大多集中在生態條件、農藝性狀及生理特征等方面.叢枝菌根技術是近年發展起來的一種綠色農業非點源污染防治技術［11］，主要通過促進作物對營養物質的吸收來減少農用化學品的施用量，進而從源頭上減少非點源污染物的來源［12］.前期研究證明，叢枝菌根技術不能完全替代化肥的施用［13-14］，與化肥共施是今后農田非點源污染源頭減量的發展方向.本文從與水稻共生的微生物與稻米品質的關系入手，探討生物因子對稻米品質的影響，以期為稻米品質的改善提供新思路.

1 試 驗

1.1 試驗用地與試驗材料

試驗在城市水資源與水環境國家重點實驗室的“農藥化肥源頭減量技術示范基地”進行.該基地位于黑龍江省雙城市朝陽鄉政安村，西為拉林河，北靠松花江，三面環水環繞市界，具體地理位置為45°13.819＇N，126°22.611＇E(圖 1).涉及的水稻土類型為潴育型，有機質為26.32 g·kg-1，水解性氮質量分數為125.25 mg·kg-1，速效磷為120.63 mg·kg-1，速效鉀為17.59 mg·kg-1.

圖1 試驗樣地方位

試驗作物為水稻(Oryza sativa L．)，合粳一號.采用的叢枝菌根真菌(AMF)為摩西球囊霉(Glomus mosseae)，保藏在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏號為CGMCC No.3012.

1.2 試驗方法

試驗設接種叢枝菌根真菌(AMF)和施肥兩個處理.其中接種處理有接種AMF和不接種AMF兩個水平.接種在育秧盤(58 cm×28 cm×3 cm)中進行，具體做法是先在水稻育秧盤內放過篩后的秧床用土，并用木板刮平，厚度為2.5 cm.每育秧盤均勻拌入 AMF菌劑250 g(孢子數為33～35 g-1).并均勻撒入40 g發芽率達95%以上的水稻種子.最后秧床覆蓋過篩后的秧床用土，厚度約為0.5 cm.不接種的水稻秧苗用滅菌后的AMF菌劑代替.接種和不接種的水稻秧苗各10個育秧盤.秧床四周用包裹塑料薄膜的磚塊隔離，做好隔斷.秧苗的水分和肥料管理按當地水稻秧苗的管理方式進行.6周后將兩種秧苗分別移栽到大田不同的小區內.

試驗區與農田防護林距離50 m，外設寬6 m的農田保護區.小區面積36 m2，內設1 m寬的保護行.邊界用高80 cm的土工膜做隔斷處理，其中50 cm作地下水文阻斷，30 cm為地上的水文阻斷，每小區設置單獨的進水口和出水口.小區間隔2 m，空間隔離(見圖2).移栽時每個小區20垅，每垅40穴，每穴3棵基本苗.移栽后的兩種水稻分別進行施肥和不施肥兩種處理.每個處理3個重復，采用隨機區組設計.施肥分4次進行，底肥為高濃度水稻復合肥(N-P2O3-K2O:16-17-12，總養分質量分數大于45%)，施肥量為50 g·m-2.移栽后第2天、第15天和第30天追肥.第1次和第3次追加硫酸銨，追加量分別為6.0和10.0 g·m-2.第2次追加尿素，追加量為12.5 g·m-2.稻田水分管理按當地高產管理方式進行.

圖2 試驗設置示意

1.3 數據采集與處理

AMF侵染率按網格交叉法測定.根系樣品用蒸餾水沖洗干凈，并剪成1 cm左右長度的根段;于10%(質量分數)的KOH溶液中100℃下脫色30 min至透明，用蒸餾水沖洗干凈;2%鹽酸中和3～5 min，用蒸餾水沖洗干凈;酸性品紅染色液90℃染色30 min.將經過上述處理的根樣，用鑷子和解剖針挑選出25條粗細一致的根段整齊地排列在干凈的載玻片上，加蓋潔凈的蓋玻片后在顯微鏡下觀察.每處理測定100條根段.根據每條根段上菌根結構多少按0%，10%，20%，30%，40%…100%的侵染比例給出每條根段的侵染率，代入以下公式:

侵染率(%)=∑(0%×Ⅰ0+10%×Ⅰ1+20% ×Ⅰ2+…+100% ×Ⅰ10)÷觀察總根段數．

總的來說，在子宮肌瘤患者圍手術期護理中運用層次需要論，可以改善患者的心理狀態，提高患者的生活質量，具有一定的臨床應用價值。

式中:Ⅰ為各侵染率下根段的條數;Ⅰ0為侵染率為零的根段條數;Ⅰ1為侵染率為1% ～10%的根段條數;以此類推;Ⅰ10為侵染率為90% ～100%的根段條數．

待水稻成熟后，各個小區單打單收.去雜后存放90 d以上，待水稻含水率在13%左右，且理化性質穩定后送農業部谷物及制品檢驗中心(哈爾濱)對稻米品質進行測定.糙米率、精米率和堊白大小按《NY/T83—1988米質測定方法》測定.整精米率按照《GB1350—1999附錄A優質稻谷》測定.粗蛋白按照《NY/T3—1982米質測定方法》測定.直鏈淀粉按照《NY/T55—1987米質測定方法》測定.堊白米率和堊白度按照《GB/T17891—1999優質稻谷》測定.膠稠度按照《GB/T5497—1985優質稻谷》測定.氨基酸按照《GB/T5009.124—2003優質稻谷》測定.稻米中鐵、鋅和硒的質量分數按微波消解-電感耦合等離子體-原子發射光譜法進行測定.

試驗數據通過正態分布檢驗和方差齊性檢驗后進行方差分析.數據統計采用SPSS21.0軟件進行分析.

2 結果與討論

2.1 化肥的施加和AMF接種對水稻根系AMF侵染率及水稻產量的影響

在水稻收獲期測定了AMF在水稻根系的侵染率(見圖3)和水稻產量(見圖4).可以看出，化肥的施加和AMF接種對AMF在水稻根系侵染率的影響顯著不同.在不接種條件下，AMF在水稻根系的侵染率低于5%，且與是否施肥無關.接種AMF能夠顯著改善AMF在水稻根系的定殖情況.而化肥的施加抑制了接種的AMF在根系的生長.如圖4所示，施肥處理和AMF接種二者單獨使用均顯著提高了水稻的產量.但二者共同作用，與單獨接種AMF相比，水稻產量進一步提高;而與單獨施肥條件相比，水稻產量差異無統計學意義.可見在施肥條件下接種AMF并不能有效提高水稻產量.

圖3 不同處理對AMF在水稻根系侵染率的影響

圖4 不同處理對AMF在水稻產量的影響

2.2 化肥的施加和AMF接種對稻谷加工品質的影響

加工品質又叫碾磨品質，反應稻米對加工的適應性.稻米的加工品質主要取決于籽粒的灌漿特性、胚乳結構及糠層厚度等，如籽粒充實、胚乳結構致密、硬性好的谷粒，加工適應性較好.其中整精米率是影響稻米商品價值的主要因素，整精米率高，意味著稻谷食用部分大，經濟價值高，且有利于提高優質稻米的商品價值.

如圖5所示，化肥的施加和AMF接種對稻谷加工品質的影響顯著不同.其中化肥的施加對糙米率、精米率和整精米率均有不同程度的改善，即化肥的施加提高了水稻對加工的適應性.而接種AMF對稻谷加工品質的作用受土壤肥料條件的影響.在不施肥條件下，接種AMF顯著降低了稻谷的糙米率、精米率和整精米率.其中，AMF接種對整精米率的負面效應降低了稻谷食用部分所占比例，進而嚴重影響了稻米的商品價值.而在施肥條件下，接種AMF對體現稻米加工品質的3個指標均無顯著影響.以上結果說明單獨接種AMF降低了水稻的加工品質，但與化肥共施后其對稻米加工品質的負面效應消失.因此，接種AMF可與化肥共施來保證稻谷的加工品質及商品價值.

水稻產量和品質的形成包括3個方面，即物質生產、物質轉運和物質分配.只有這3方面相協調時水稻才能形成較高的產量和品質［15］.有研究表明，齊穗后水稻群體光合速率的提高，會導致碳水化合物轉化成淀粉的速度加快，從而使稻米胚乳內的淀粉間隙加大，籽粒充實度變差，最終降低稻米的加工品質［9］.另外，AM共生結構能夠提高宿主光合速率［16-17］.本實驗在前期階段亦發現接種AMF能夠提高水稻抽穗后光合作用速率［18］.可見，接種AMF對水稻加工品質的負面效應源于對光合作用的改善.

圖5 不同處理對稻米加工品質的影響

2.3 化肥的施加和AMF接種對稻米外觀品質的影響

在水稻米貿易中，外觀性狀在一定程度上決定了市場上稻米的價格.我國目前出口的優質米關于堊白性狀的標準是無堊白.在本試驗中，化肥的施加提高了稻米的堊白米、率堊白大小和堊白度.可見化肥的施加降低了稻米的外觀品質(如圖6所示).AMF接種對稻米外觀品質的作用受施肥條件的影響.在不施肥條件下，與不接種處理相比，AMF接種提高了稻米的堊白米率、堊白大小和堊白度，因而降低了稻米的外觀品質.但在施肥條件下，AMF接種降低了稻米的堊白米率、堊白大小和堊白度，從而改善了稻米的外觀品質.可見在不施加肥料的條件下稻米外觀品質較好，而傳統的施肥和單獨接種AMF均降低了稻米的外觀品質.化肥的施加與接種AMF共同作用則能改善稻米的外觀品質，從而提高稻米吸引消費者的能力.

圖6 不同處理對稻米外觀品質的影響

有研究表明，中國東北地區稻米的一些外觀品質與國家優質指標有較大差距，達標率低的性狀是堊白米率和堊白度［19］.本試驗施加化肥后稻米的堊白米率高達5.5%，已不屬于優質稻范疇，這與前人研究結果一致.但是，AMF接種與化肥施加共同作用則改變了稻米外觀品質的等級，即將稻米品質從非優質稻提升至三級優質稻.另外，前期研究表明，AMF接種能夠增加水稻株高［20］.水稻農藝性狀與稻米品質相關關系的研究表明，株高較高的水稻稻米堊白性狀不顯著，外觀品質較好［9］.盡管株高與加工品質關系密切的機理還不明確，但這能夠說明施肥條件下接種AMF可能通過影響水稻株高而提高稻米的外觀品質.

2.4 化肥的施加和AMF接種對稻米蒸煮和食味品質的影響

稻米的膠稠度是衡量米飯軟硬的標準，對米飯軟硬適口性有重要影響.膠稠度大的稻米做出的米飯較柔軟.稻米中粗蛋白質質量分數也是衡量稻米蒸煮和食味品質的指標之一，但其對稻米品質的影響具有兩面性.一方面，蛋白質質量分數高的稻米顏色淺黃，貯藏過程中容易變質，有時還有令人“倒胃口”的氣味.因此，稻米的高蛋白質質量分數意味著較低的外觀品質與食味品質.另一方面，稻米蛋白質含有的谷蛋白易消化吸收，營養價值較高，被認為是品質最好的植物蛋白質.因此，如何權衡粗蛋白這兩方面的作用值得探討.此外，直鏈淀粉質量分數能夠反映稻米的蒸煮品質.直鏈淀粉質量分數高的稻米，米飯硬而松散，柔軟性和粘性都差，食味不好.直鏈淀粉質量分數低的稻米，直鏈淀粉的相對分子質量也相對較低，米飯柔軟和粘聚性都好，食味也好，冷飯重蒸仍如新鮮飯一樣.

如圖7所示，施肥能夠提高稻米的膠稠度，使蒸煮的米飯較柔軟，改善了稻米的蒸煮品質.但是AMF接種對稻米膠稠度的作用受土壤營養條件的影響.在不施加化肥的條件下，AMF接種對稻米膠稠度無顯著影響.而在施肥條件下，AMF接種顯著降低了稻米的膠稠度.與國際水稻研究所制定的標準相比，施肥條件下接種AMF的稻米膠稠度仍處于“軟”水平.可見，施肥條件下接種AMF并不會對稻米的蒸煮品質造成本質的影響.

與不接種處理相比，AMF接種在兩種施肥條件下均顯著提高了稻米粗蛋白的質量分數(見圖8).可見，無論是否與化肥配合使用，AMF接種均能夠提高稻米中谷蛋白的質量分數，提高稻米的營養品質.但是AMF接種生產的稻米容易變質，產生令人不愉快的氣味，因此，需要較好的儲藏條件.此外，在兩種施肥條件下，AMF接種還降低了稻米的直鏈淀粉質量分數，改善了稻米的粘聚性和食味.

圖7 不同處理對稻米蒸煮品質的影響

圖8 不同處理對稻米食味品質的影響

可見，AMF接種與化肥配施不僅提高了稻米的蒸煮品質和食味品質，而且在一定程度上改善了稻米的營養品質.

2.5 化肥的施加和AMF接種對稻米氨基酸總量和人體必需氨基酸質量分數的影響

營養品質是指稻米營養成分的豐富程度，氨基酸總量和人體必需氨基酸的質量分數是表示稻米營養成分豐富程度的重要指標.其中，人體必需氨基酸質量分數的高低對稻米的營養價值尤為重要，因為這些氨基酸在人體內不能合成，需要從食物中攝取.這些人體必需氨基酸包括亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、賴氨酸和蘇氨酸.

本項試驗通過研究施肥和AMF接種對稻米中氨基酸總量及人體必需氨基酸質量分數的影響，為高產、高效、優質的水稻生產提供依據.如表1所示，AMF接種對稻米氨基酸總量影響不顯著.另外，亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、蘇氨酸這些人體必需氨基酸質量分數也不受施肥和AMF接種的影響.

表1 不同處理對稻米氨基酸總量和人體必需氨基酸質量分數的影響 %

2.6 化肥的施加和AMF接種對稻米礦質元素質量分數的影響

微量元素鐵、鋅和硒是與人體健康密切相關的必需營養元素.提高稻米中的微量元素質量分數及其生物有效性是改善稻米營養品質的重要指標，研究稻米中微量元素的變化及其影響因素具有重要意義.

如圖9所示，化肥的施加和AMF接種對稻米硒質量分數無顯著影響.與不施肥對照相比，施用化肥降低了稻米中鐵和鋅的質量分數，接種AMF在不施肥條件下對鐵和鋅的質量分數無顯著影響，而在施肥條件下與不接種AMF處理相比，接種AMF對二者有不同程度的改善，從而施肥對稻米鐵和鋅質量分數的副作用消失.有研究表明鋅與磷存在拮抗效應，即磷施加過量后會影響水稻對鋅的吸收，導致鋅缺乏［21］.此外，磷肥也能夠降低稻米中鐵的質量分數［22］.國際水稻研究所還發現了稻米鐵和鋅的質量分數正相關［23］.在本實驗中，二者對化肥施加和AMF接種的響應也是一致的.可見，AMF在改善植物礦質營養方面起著重要作用.

圖9 不同處理對稻米礦質元素質量分數的影響

Cavagnaro［24］發現AM共生結構甚至能夠在大田條件下提高宿主鋅的質量分數.與不能形成菌根的變異植株相比，在大田條件下，被AMF侵染的番茄地上部分和果實鋅質量分數提高了50%［25］.在本試驗施肥條件下，AMF接種將稻米鋅質量分數提高44%.AMF接種是否提高宿主鐵質量分數受AMF菌種和宿主種類的影響.在本實驗中，對水稻接種AMF(摩西球囊霉)保證了施肥條件下稻米鐵的質量分數.而對小麥、水稻和黑莓接種根內球囊霉發現，AMF只提高了小麥鐵質量分數，對水稻鐵質量分數無顯著影響［26］.原因可能是不同AMF菌種對宿主礦質營養的影響不同［27］.

3 結論

1)AMF接種與化肥施加共同作用可改善稻米的外觀品質，將稻米品質從非優質稻提升至三級優質稻.

2)AMF接種與化肥共施還提高了稻米的蒸煮品質和食味品質，保證了鐵和鋅的質量分數，改善了稻米的營養品質.而不施肥條件下，AMF接種降低了稻谷的加工品質和外觀品質，對蒸煮、食味及營養品質無顯著影響.

3)從改善稻米品質的角度出發，AMF接種不能完全替代化肥，化肥也不能替代AMF接種，只有AMF接種和化肥共施才能改善水稻品質.

4)叢枝菌根技術在稻米生產中能夠提高稻米品質，對促進農民增收、企業增效具有重要意義，可以在水稻優質生產中推廣應用.

［1］PENG S B，KHUSH G S，VIRK P，et al.Progress in ideotype breeding to increase rice yield potential［J］.Field Crops Research，2008，108(1):32-38.

［2］HUANG J，HU R，ROZELL E，et al.Insect-resistant GM rice in farmers＇fields:assessing productivity and health effects in China［J］.Science， 2005， 308(5722):688-690.

［3］胡培松，翟虎渠，萬建民.中國水稻生產新特點與稻米品質改良［J］.中國農業科技導報，2002，4(4):33-39.

［4］夏建國，鄧良基，譚宏，等.影響稻米品質的主要土壤生態因子研究［J］.四川農業大學學報，2000，18(4):343-347.

［5］JHA M N，PRASAD A N.Useful carriers for cyanobacteria:their response to cyanobacterial growth，acetylenereductase activity，cyanobacterial grazers and paddy yield in calcareous soil［J］.World Journal of Microbiology ＆Biotechnology，2005，21(8/9):1521-1527.

［6］JHA M N，PRASAD A N.Efficacy of new inexpensive cyanobacterial biofertilizer including its shelf-life［J］.World Journal of Microbiology＆ Biotechnology，2006，22(1):73-79.

［7］耿立清.植株農藝性狀與稻米品質關系的研究進展［J］.中國稻米，2005(1):12-13.

［8］姚國新，高山，陳素生.寧夏引進優質水稻品種的主要農藝性狀和部分品質性狀的分析［J］.寧夏農學院學報，2003，24(1):3-5，13.

［9］趙全志，吳坤，李夢琴，等.水稻群體光合速率的比較及其與稻米碾磨和外觀品質的關系［J］.中國糧油學報，2005，20(2):8-11.

［10］楊建昌，常二華，張文杰，等.根系化學訊號與稻米品質的關系［J］.中國農業科學，2006，39(1):38-47.

［11］王立，賈文奇，馬放，等.菌根技術在環境修復領域中的應用及展望［J］.生態環境學報，2010，19(2):487-493.

［12］張淑娟，王立，馬放，等.叢枝菌根(AM)對水稻生長促進及化肥減量研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2010，42(6):958-962.

［13］馬放，李哲，王立，等.叢枝菌根真菌對農藥三環唑的殘留減量研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2013，45(4):58-63.

［14］馬放，劉貴祥，王立，等.AMF對早熟禾建植及氮，磷截留能力的強化作用［J］.中國給水排水，2013，29(13):64-68.

［15］張淑娟，王立，馬放，等.菌肥及其與氮磷配施對水稻生產及分配的影響［J］.哈爾濱工業大學學報，2012，44(6):33-36.

［16］李敏，劉潤進，李曉林.大田條件下叢枝菌根真菌對西瓜生長和枯萎病的影響［J］.植物病理學報，2004，34(5):472-473.

［17］朱先燦，宋鳳斌，徐洪文.低溫脅迫下叢枝菌根真菌對玉米光合特性的影響［J］.應用生態學報，2010，21(2):470-475.

［18］SMITH S E，READ D J.Mycorrhizal symbiosis［M］.3rd ed.San diego，U.S.:Academic Press，2008.

［19］El-SHARKAWI H，HONNA T，YAMAMOTO S，et al.Biological nitrogen fixation by native microorganisms in a waste-amended paddy soil［J］.Journal of Sustainable Agriculture，2007，29(4):23-38.

［20］張淑娟.叢枝菌根在水稻清潔生產中的應用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2010.

［21］付力成.葉面噴施鋅肥對水稻鋅吸收，分配及積累的影響［D］.杭州:浙江大學，2011.

［22］俄勝哲，袁繼超，丁志勇，等.氮磷鉀肥對稻米鐵、鋅、銅、錳、鎂、鈣質量分數和產量的影響［J］.中國水稻科學，2005，19(5):434-440.

［23］ABILGOS R，MANAOIS R，CORPU Z，et al.Breeding for iron-dense rice in the Philippines［J］.Philippine Journal of Crop Science，2002，27(79):23-26.

［24］CAVAGNARO T R.The role of arbuscular mycorrhizas in improving plant zinc nutrition under low soil zinc concentrations:a review［J］.Plant and Soil，2008，304(1/2):315-325.

［25］CAVAGNARO T R，JACKSON L E，SIX J，et al.Arbuscular mycorrhizas， microbial communities，nutrient availability，and soil aggregates in organic tomato production［J］.Plant and Soil，2006，282(1/2):209-225.

［26］M?DER P，KAISER F，ADHOLEYA A，et al.Inoculation of root microorganisms for sustainable wheat—rice and wheat—black gram rotations in India［J］.Soil Biology and Biochemistry，2011，43(3):609-619.

［27］CHEN X H，ZHAO B.Arbuscular mycorrhizal fungi mediated uptake of nutrient elements by Chinese milk vetch(Astragalus sinicus L．)grown in lanthanum spiked soil［J］.Biology and Fertility of Soils，2009，45(6):675-678.