秸稈還田條件下固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13對水稻產量及稻米品質的影響

宋維民 王麗艷 郭永霞 孫強 呂艷東 荊瑞勇 王海澤

摘要：【目的】研究秸稈還田條件下施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13對水稻產量及品質的影響，為2種微生物肥料在秸稈還田中的應用提供實踐經驗和理論依據。【方法】以水稻品種龍粳31為試驗材料，設常規施肥（CK）、施用固氮藍藻復合菌劑（LZ）、施用促生細菌SM13（SM）及混施固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13（SL）共4個處理。測定水稻主要生育期的葉面積及干物質質量，在水稻成熟后考察水稻穗部性狀和產量，在稻米理化性質穩定后測定稻米加工、外觀、營養和食味品質，對比分析不同處理對水稻產量及稻米品質的影響。【結果】與CK相比，LZ處理的水稻灌漿期干物質質量顯著增加26.40%（P<0.05，下同）;SL處理顯著降低了一次枝梗結實率，LZ處理顯著降低了二次枝梗的千粒重;SM、SL和LZ處理的產量分別增加10.00%、9.80%和8.78%。單施固氮藍藻復合菌劑或促生細菌SM13及二者混施對稻米加工、外觀和營養品質無顯著影響（P>0.05），但SM和SL處理顯著改善了稻米食味品質，其口感值和食味值較CK分別提高7.23%、4.87%和7.22%、5.74%。相關分析結果表明，產量及其構成與水稻穗部性狀存在不同程度的相關性，其中產量與穗質量呈極顯著正相關（P<0.01），與二次枝梗枝梗數呈顯著正相關。【結論】在秸稈還田條件下固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13具備提高水稻產量的潛力，且促生細菌SM13能在一定程度上改善稻米食味品質。

關鍵詞： 秸稈還田;固氮藍藻復合菌劑;促生細菌SM13;水稻;產量;品質

中圖分類號： S511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）03-0762-07

Effects of nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculant and growth-promoting bacteria SM13 on yield and quality of rice with straw turnover

SONG Wei-min， WANG Li-yan， GUO Yong-xia， SUN Qiang， LYU Yan-dong，

JING Rui-yong*， WANG Hai-ze*

（Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， Heilongjiang? 163319， China）

Abstract：【Objective】The effects of nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculant and growth-promo-ting bacteria SM13 on rice yield and quality were investigated with straw turnover， which provided a theoretical basis for the application of microbial fertilizer. 【Method】The rice variety Longjing 31 was used as the tested material. Four treatments were designed， namely， conventional fertilization（CK）， treatment applied with nitrogen-fixing cyanobacteria? complex microbial inoculant（LZ）， treatment applied with growth-promoting bacterium SM13（SM）， treatment applied with both of nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculant and growth-promoting bacterium SM13（SL）. The leaf area and dry matter weight of rice in the main growing stages were measured， the spike traits and yield of rice were investigated after maturity， and the processing， appearance， nutrition， and taste quality of rice were measured after the physical and chemical properties of rice were stabilized， and the effects of different treatments on rice yield and rice quality were compared and analyzed. 【Result】Compared with CK treatment， the dry matter weight of rice under LZ treatment was significantly increased by 26.40% at the grain filling stage（P<0.05， the same below）， SL treatment significantly reduced the seed setting rate of primary branches， and LZ treatment significantly reduced the 1000-grain weight of secondary branches. The yield of SM，SL and LZ increased by 10.00%， 9.80% and 8.78% compared with CK， respectively. There was no significant effect on rice processing， appearance and nutritional quality by the single application of nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculant， growth-promoting bacteria SM13 and the combination of the two（P>0.05）. But SM and SL treatments significantly improved rice taste quality compared with CK treatment， the texture and taste values increased by 7.23%， 4.87% and 7.22%， 5.74% respectively compared with CK. Correlation analysis indicated that there were different levels of correlation between yield and rice spike traits. There was extremely significant positive correlation between yield and panicle weight（P<0.01）， and significant positive correlation between yield and secondary branch number. 【Conclusion】The application of nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculants and growth-promo-ting bacteria SM13 has the potential to increase rice yield with straw turnover， and growth-promoting bacteria SM13 can enhance rice taste quality to a certain extent.

Key words： straw turnover; nitrogen-fixing cyanobacteria complex microbial inoculants;growth-promoting bacteria SM13; rice; yield; quality

Foundation item： National Key Research and Development Program of China（2018YFD0300104）; National Natural Science Foundation of China（31870477）; Heilongjiang Natural Science Foundation（C2018046）; Heilongjiang Bayi Agricultural University Doctor Start-up Fund Project（XDB2016-02）

0 引言

【研究意義】隨著我國農業生產的高速發展，秸稈年生產總量呈現不斷增長趨勢，其中稻稈產量所占比重較大（朱建春等，2012）。秸稈中含有多種大量及微量元素，在農業發展中是一類可利用的重要資源之一（韓魯佳等，2002）。雖然秸稈還田技術在不斷完善，但秸稈還田過程中一直存在著難降解和傳遞病原菌等一系列問題（伍佳等，2019），且秸稈在還田過程中常表現出與作物 “爭氮”的現象，影響水稻植株生長（劉世平等，2007）。增施氮肥是解決作物生長缺氮的重要手段之一，但施用氮肥過量常會造成農田生態環境污染。因此，通過研發綠色高效且具備固氮作用及促生功能的微生物肥料，以解決秸稈還田條件下水稻生長過程中對氮素的需求與缺少氮素時增施氮肥對環境造成污染的矛盾，可為微生物肥料在農業秸稈還田中的應用提供一定的實踐經驗和理論基礎。【前人研究進展】研究表明，固氮藍藻是一類具有固氮作用的革蘭氏陰性菌，能對土壤進行氮素調控（Latysheva et al.，2012），某些類群還具備分泌吲哚-3-乙酸（IAA）的生物學特性（Boopathi et al.，2013），能提高水稻等農作物的產量（Song et al.，2005;Admasie et al.，2019）。因此，固氮微生物在秸稈還田中進行的生物固氮意義重大。Saadatnia和Riahi（2009）通過固氮藍藻微生物肥料試驗，發現固氮藍藻能顯著促進水稻幼苗根系生長，且利于盆栽水稻生長。Prasanna等（2009）對分離出的多株固氮藍藻進行盆栽試驗，結果表明近半數固氮藍藻接種后可改善土壤肥力，提高作物產量。Pereira等（2009）研究發現，減施氮肥與固氮藍藻肥料配施處理土壤氮素水平顯著提高，且其作物產量和品質與常規施肥處理無顯著差異。Rocheli等（2016）對埃塞爾比亞的3種常見作物進行固氮藍藻肥料試驗，結果表明施用固氮藍藻可增加土壤養分，提高作物產量。Zhou等（2020）研究表明，對水稻紋枯病有顯著抑制作用的3株固氮藍藻的分泌物能抑制病原菌生長，且接種到稻田能提高水稻產量。此外，近年來植物促生細菌（Plant growth-promoting bacteria，PGPR）在農業領域中的應用成果也受到廣泛關注。植物促生細菌是一類具備生防作用（Etesami and Alikhani，2016;Rais et al.，2018）、促生作用和誘導植株產生抗逆性的菌株（Glick，2012;Vurukonda et al.，2016;Sarkar et al.，2018）。Lavakush等（2014）進行植物促生細菌與磷肥配施的盆栽試驗，結果表明不同磷肥水平下接種植物促生細菌均提高了盆栽水稻的產量。Rocheli等（2016）開展了植物促生細菌與減施氮肥的水稻田間試驗，發現施用植物促生細菌有利于植株與土壤間的養分循環，且減氮時施用植物促生細菌對產量無顯著影響。Rais等（2018）研究發現，在田間接種拮抗芽孢桿菌可抑制田間水稻稻瘟病發病率，提高水稻產量。Xiao等（2020）在砷污染的田間進行接種植物促生細菌試驗，發現可降低砷對稻米的危害，同時促進水稻產量增加。【本研究切入點】前人已開展了大量有關固氮藍藻與植物促生細菌的相關研究（Obana et al.，2007;Rocheli et al.，2016;Bakhshande et al.，2017）。本課題組前期試驗也證實固氮藍藻復合菌劑有促進秸稈降解的潛力，且微生物肥料能提高水稻產量（楊帆等，2019;宋維民等，2020），但關于秸稈還田條件下固氮藍藻和植物促生細菌微生物肥料對水稻產量及稻米品質調控的作用效果尚未可知，仍需進一步研究。【擬解決的關鍵問題】以水稻品種龍粳31為試驗對象開展田間小區試驗，在稻稈全量還田條件下，以常規施肥處理為對照，設單施固氮藍藻復合菌劑、促生細菌SM13及二者混施處理，對比分析不同處理水稻主要生育期的葉面積和干物質質量及水稻產量、稻米品質的差異，明確不同處理在稻稈還田條件下對水稻產量和稻米品質的影響，為固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13在秸稈還田中的應用提供實踐經驗和理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料與試驗區概況

供試水稻品種：龍粳31。供試肥料：固氮藍藻菌劑是由本實驗室（黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院微生物實驗室，下同）從稻田土壤及水體中分離出的復合藻類菌系（宋維民等，2020）;促生細菌SM13是本實驗室從水稻根際內分離純化出的一株枯草芽孢桿菌（韓如月，2019）。

1. 2 試驗方法

試驗于2019年在黑龍江農墾總局齊齊哈爾分局查哈陽農場開展。供試土壤有機質含量26.85 g/kg、堿解氮含量121.42 mg/kg、有效磷含量13.31 mg/kg、速效鉀含量96.30 mg/kg，土壤pH 8.03。

試驗采用單因素田間小區設計，在秸稈全量還田條件下施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13菌劑，設4個處理：常規施肥處理（CK）、施用固氮藍藻復合菌劑處理（LZ）、施用促生細菌SM13菌劑處理（SM）、同時施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13菌劑處理（SL）。固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13菌劑的施用均參照宋維民等（2020）的方法進行，田間小區面積405 m2。2019年4月10日水稻播種，5月14日秧苗移栽。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 葉面積和干物質質量 于水稻分蘗期、齊穗期和灌漿期測定各處理的水稻葉面積和干物質質量。

在測定水稻葉面積之前選取各田間小區長勢均勻的地段設置調查點，田間調查點包括不間斷的20穴水稻植株，以調查點內植株平均莖數數值為標準采集相同莖數的水稻葉面積測定樣品，將樣品帶回室內后測定并記錄每株水稻葉片的葉寬和葉長最大數值，采用長寬法及干質量法計算植株總葉面積：測量葉面積=葉面積系數（0.75）×葉寬×葉長，總葉面積=測量葉葉面積/測量葉片干質量×總葉片干質量。

測定葉面積后，取植株地上部分測定干物質質量，105 ℃靜置30 min，80 ℃烘至恒重后，稱重即為干物質質量。

1. 3. 2 水稻產量 水稻成熟后，每處理選取具有代表性的6穴用于考種計產，測定水稻穗部農藝性狀產量及其構成。

1. 3. 3 稻米品質 將收獲的水稻自然風干脫谷，待稻米理化性質穩定后，參照GB/T 17891—2017《優質稻谷》測定稻米品質，使用稻米碾磨機、ES-1000便攜式品質分析儀（日本靜岡機械株式會社）、VECTOR22/N型近紅外光譜儀（德國BRUKER公司）和米飯食味計-STA1A（日本佐竹公司）測定稻米加工、外觀、營養與食味品質。

1. 4 統計分析

采用Excel 2007、SPSS 20.0和Origin 2017進行數據的統計分析和圖表制作。

2 結果與分析

2. 1 不同處理的水稻葉面積和干物質質量比較

由圖1可看出，水稻分蘗期、齊穗期和灌漿期各處理的水稻葉面積無顯著差異（P>0.05，下同）;水稻分蘗期和齊穗期LZ、SM和SL處理的水稻干物質質量也與CK無顯著差異，而灌漿期LZ處理的水稻干物質質量較CK顯著提高26.40%（P<0.05，下同）。可見，施用固氮藍藻復合菌劑有利于水稻灌漿期的干物質積累。

2. 2 不同處理的水稻穗部性狀比較

由表1可知，不同處理間水稻穗質量、穗長和穗部著粒密度無顯著差異;SL處理的一次枝梗結實率顯著低于CK和SM處理;LZ處理的二次枝梗枝梗數顯著低于SL處理，千粒重較CK顯著降低。可見，施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13對水稻一次枝梗和二次枝梗性狀有一定影響。

2. 3 不同處理的水稻產量比較

由表2可知，施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13后，各處理的每穴穗數、穗粒數、結實率、千粒重和產量均與CK無顯著差異，但SM、SL和LZ處理的水稻平均產量分別較CK提高10.00%、9.80%和8.78%。說明施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13在秸稈全量還田條件下具備一定的水稻增產能力。

2. 4 不同處理的稻米營養、加工、外觀及食味品質比較

由表3和表4可知，與CK相比，施用固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13對各處理稻米的營養、加工和外觀品質無顯著影響;而在食味品質的比較中，SM和SL處理的香氣和完整性得分較CK分別顯著降低1.78%、2.33%和4.13%、4.27%，SM處理的光澤得分較CK顯著提高5.29%，SM和SL處理的口感和食味得分均顯著高于CK，分別提高7.23%、4.87%和7.22%、5.74%。綜上所述，單獨施用促生細菌SM13及混施固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13均能在一定程度上改善稻米食味品質。

2. 5 產量及其構成與水稻穗部性狀的相關分析

對產量及其構成與水稻穗部性狀相關指標進行相關分析，結果（表5）顯示，每穴穗數與穗質量呈極顯著正相關（P<0.01，下同），每穴穗數與著粒密度和一次枝梗枝梗數分別呈極顯著和顯著負相關;穗粒數與穗長、著粒密度、一次枝梗的枝梗數和粒數、二次枝梗的枝梗數和粒數呈極顯著或顯著正相關;結實率與一次枝梗結實率和二次枝梗結實率均呈極顯著正相關，與二次枝梗粒數呈顯著負相關;千粒重與一次枝梗的結實率和千粒重及二次枝梗千粒重呈顯著或極顯著正相關;產量與穗質量和二次枝梗枝梗數分別呈極顯著和顯著正相關。

3 討論

秸稈的分解及土壤中微生物的活動會引起土壤氮素含量下降 （Jawso and Elliott，1986），導致作物生長中缺少氮素供應，進而影響植株生長，同時秸稈腐熟的速率呈現出“先快后慢”的趨勢（劉世平等，2007）。本研究發現，在秸稈還田條件下施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13后對水稻葉面積無顯著影響，且單施固氮藍藻復合菌劑顯著提高了灌漿期水稻的干物質積累量，這可能是固氮藍藻將氮素轉化為植物可吸收的銨態氮與秸稈養分的釋放促進了植株的生長，進而增加了水稻的干物質質量。而隨著土壤氮素水平的提高，水稻干物質快速累積時期延長，干物質質量也會隨之增加（李曉峰等，2017），這也為后期養分向籽粒的運輸提供了有利條件。

前人研究表明，固氮藍藻能促進水稻生長，誘導植株產生抗性，增加水稻產量（Zhou et al.，2020）。本課題組前期研究也發現稻田中接種固氮藍藻和促生細菌SM13能提高水稻產量（宋維民等，2020）。本研究結果表明，在秸稈全量還田條件下，單獨施用促生細菌SM13或固氮藍藻復合菌劑及二者混施處理較常規施肥處理的水稻產量分別提高10.00%、9.80%和8.78%，且在相關分析中發現，與產量呈極顯著和顯著正相關的是穗質量和二次枝梗枝梗數，且與穗質量呈極顯著正相關的為每穴穗數，與二次枝梗枝梗數呈極顯著正相關的為穗粒數，而單施固氮藍藻復合菌劑、促生細菌SM13及二者混施后水稻穗質量、二次枝梗枝梗數、每穴穗數和穗粒數分別表現出不同程度的增幅，這可能是本研究中水稻增產的主要原因。盡管該結果與前期研究結果相似，但與非秸稈還田下的水稻增產相比，推測本研究中秸稈還田條件下水稻增產的原因可能是固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13在秸稈腐熟時仍能進行有效固氮作用及分泌生長激素，從而促進水稻植株生長，進而提高了水稻產量。前人關于固氮藍藻與植物促生細菌在農作物中應用的報道結果多為可提高產量（Rocheli et al.，2016），但其中藻類肥料與秸稈還田的研究報道較少見，有研究表明秸稈的浸泡液等對藻類生長有一定的抑制作用（蘇文等，2017），這可能是影響藻類肥料在秸稈還田中應用的原因之一。而本研究在秸稈全量還田條件下施用固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13后，水稻產量增幅較明顯。可見，本研究中的固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13在秸稈還田技術中有著一定的應用價值，有待進一步的開發利用。

稻米品質的優劣受多種因素調控。不同氮肥運籌水平下，秸稈還田能提高稻米粘稠度和蛋白質含量，顯著降低外觀品質（嚴奉君等，2015），但秸稈還田后提高了稻米的食味品質，其營養和外觀品質也有所改善（劉世平等，2007;嚴奉君等，2015;陳夢云等，2017）。本研究結果表明，秸稈還田條件下，單施促生細菌SM13或固氮藍藻復合菌劑及混施處理對稻米營養、加工和外觀品質均無顯著影響，但單施促生細菌SM13及混施處理均顯著改善了稻米食味品質，這可能與促生細菌SM13的促生特性有關，其在分泌生長激素的同時，也可抑制植物病原真菌的入侵，預防水稻植株真菌性病害的發生，促進籽粒的形成，進而提高稻米食味品質。本研究結果明確了秸稈還田條件下施用固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13對水稻產量及稻米品質的作用效果，但其作用機理尚不明確，仍需進一步研究。

4 結論

在秸稈還田條件下，施用固氮藍藻復合菌劑與促生細菌SM13具備提高水稻產量的潛力，且促生細菌SM13能在一定程度上改善稻米食味品質。可見，固氮藍藻復合菌劑和促生細菌SM13作為微生物肥料在秸稈還田中具備一定的應用潛力，有待進一步開發利用。

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（責任編輯 王 暉）