趙志強 文孝榮 高雁 李玉國 史應武 楊紅梅 曾軍* 王奉斌

（1新疆農業(yè)科學院 核生物技術研究所，烏魯木齊830091；2新疆農業(yè)科學院 溫宿水稻試驗站，新疆 溫宿843100；3新疆農業(yè)科學院 微生物應用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物重點實驗室，烏魯木齊830091；4新疆農業(yè)科學院 糧食作物研究所，烏魯木齊830091；第一作者：zzq086＠163.com；*通訊作者：leo924.student＠sina.com；xjnkywfb＠163.com）

水稻是我國最重要的糧食作物之一，對保障國家糧食安全起著至關重要作用[1]。長期以來，水稻的高產種植主要匹配高氮肥來獲得，而過度增施氮肥不但造成生產成本增加，也造成大量氮肥流失，不僅污染土壤及地下水，也導致稻米品質下降[2-4]。2020年，隨著我國“雙減”（減肥減藥）政策全面實施，水稻生產減氮增效已成為研究熱點[5-8]。有研究表明，單純使用光合細菌（Photosynthetic bacteria，PSB）或者與其他肥料配合施用均能顯著提高土壤酶活性、水稻產量和稻米品質[9-12]。我國西北地區(qū)日照時間長，為PSB的生長提供了絕佳條件[13]。但目前對于PSB在水稻上的應用研究絕大多數還停留在實驗室盆栽階段，在實際生產中的應用研究較少。另外，由于PSB具有獨特的固氮機制，其與無機氮肥聯合施用是否能夠起到氮肥緩釋功效，目前尚未有相關報道。因此，本試驗通過研究PSB配合不同濃度尿素施用對土壤理化性質、土壤酶活性、水稻產量和稻米品質的影響，來探討利用微生物菌肥替代部分化肥的可能性，為水稻生產減氮增效提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗水稻品種為新粳伊7號。光合細菌由新疆農業(yè)科學院微生物應用研究所提供，主要成分為沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudanonas palustris）和類球紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）復合菌，總活菌數6.98×1011cfu/mL。

1.2 試驗設計

試驗于2019年設在新疆農業(yè)科學院察布查爾水稻試驗站。根據氮肥施用梯度設置5個處理，并以不施PSB和氮肥作為對照，具體見表1。試驗面積1 467 m2，使用水泥隔斷出6個獨立小區(qū)，每個小區(qū)面積245 m2。新粳伊7號5月6日人工插秧，行株距30.0 cm×12.5 cm，水稻生長期間共計追肥4次。

表1 水稻追肥量及施用時間 （單位：kg/667 m2）

1.3 測定項目及方法

1.3.1 樣品采集

水稻收獲后，采用“五點法”采集0～20 cm耕作層土壤就地混勻，除去土壤中的石子、作物根系等，然后均勻分成6份，3份自然風干進行土壤理化性質測定，3份于4℃下儲藏用于土壤酶活性檢測。水稻植株樣品采集亦按照“五點法”，人工割取水稻離地5 cm以上部位捆扎后均勻平攤晾曬，單獨脫粒等。

1.3.2 土壤理化因子

土壤總氮測定采用凱氏定氮法；土壤硝態(tài)氮測定采用《土壤硝態(tài)氮的測定 紫外分光光度法》（GB/T 3273-2016）；氨態(tài)氮測定采用《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取 分光光度法》（HJ632-2012），土壤總磷測定采用《土壤 總磷的測定堿熔-鉬銻抗分光光度法》（HJ632-2011），土壤有機質測定采用《重鉻酸鉀氧化-分光光度法》（HJ615-2011）。

1.3.3 土壤酶活性

土壤脲酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性測定采用相應試劑盒（購自于蘇州科銘生物技術有限公司）測定，具體操作參照說明書進行。

1.4 數據處理

使用SPSS 21.0軟件對土壤理化因子、酶活性和水稻性狀各項指標進行正態(tài)分布檢驗。對符合正態(tài)分布的數據之間比較采用獨立樣本T檢驗或者單因素方差分析，對不符合正態(tài)分布的數據采用非參數檢驗。使用R語言對數據進行多因子分析（冗余度分析，RDA）、處理間差異顯著性分析（PERMANOVA）和維恩圖分析[14]。

2 結果與分析

2.1 對土壤理化指標的影響

如圖1所示，與CK相比，T1處理土壤總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量差異不顯著，但有機質含量顯著升高，而總磷含量顯著降低。這可能與PSB的解磷和固碳功能相關。PSB與尿素聯合施用，土壤各項因子呈現出二項式變化趨勢，總體表現為隨著尿素用量增加各項理化指標含量先升高后下降，其中，T3和T4處理硝態(tài)氮、有機質含量較高，且顯著高于T1、T2和T5處理。T5處理土壤各項理化指標與僅施用PSB的T1處理相當，差異不顯著。

圖1 不同處理對水稻土壤理化性質的影響

2.2 對土壤酶活性的影響

如圖2所示，與CK相比，T1處理顯著降低土壤脲酶活性，但顯著增加了亞硝酸還原酶活性，對硝酸還原酶活性影響不顯著。隨著尿素施用量的增加，土壤脲酶活性呈極顯著的線性增長趨勢，硝酸還原酶活性呈現出二項式變化規(guī)律，以T3和T4處理活性高；而亞硝酸還原酶活性變化呈現出先下降后升高的變化趨勢，以T1處理最高，T3處理最低。從表2可見，脲酶活性與尿素施用量呈極顯著正相關，與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關。硝酸還原酶活性與氨態(tài)氮含量呈顯著正相關，其他土壤因子與酶活性之間的相關性不顯著。

表2 土壤理化因子與土壤氮轉化酶活性相關性分析

圖2 不同處理對水稻土壤酶活性的影響

利用多元相關性分析（RDA分析）構建變異解釋模型（圖3-A），結果顯示，T1和T2處理在RDA模型空間分布明顯與T3、T4和T5處理不同，表明土壤整體氮轉化酶活性在尿素不同施用水平上的差異性。模型結果顯示，氨態(tài)氮含量和尿素施用量為模型顯著的影響因子，其與脲酶和硝酸還原酶活性呈正相關關系，而與亞硝酸還原酶活性呈負相關關系，并且這2個因子對整體分異的解釋量為41.4%。偏RDA模型分析結果顯示（圖3-B），尿素為主要的變異解釋因子，其單獨對模型的解釋量高達37.2%，而所有土壤理化因子解釋量為22.94%，表明尿素對土壤氮轉化酶活性具有顯著的激活作用。

圖3 土壤理化指標和尿素施用濃度對土壤氮轉化酶活性的影響

2.3 對水稻農藝性狀、產量和品質的影響

如圖4所示，與CK相比，T1處理對水稻農藝性狀沒有顯著影響，但顯著增加水稻產量，增幅為5.19%；T1處理整精米率和精米率略低，但與CK相比差異不顯著。除精米率外，水稻穗長、株高、產量和整精米率均隨尿素施用量增加而呈顯著的線性增長，均以T4處理最高，T4處理產量達691.15 kg/667 m2，比T1處理增產93.28%。整精米率與尿素用量呈較為松散的線性相關，T2處理的整精米率最高，之后隨著尿素施用量增加而略微下降。精米率同樣是T2處理最高，之后隨著施用濃度增加而略微下降，但差異不顯著。從表3可見，尿素用量除與精米率相關性不顯著外，與株高、穗長、產量和整精米率呈極顯著或顯著正相關；脲酶活性與株高、穗長和產量呈極顯著正相關；總氮含量與精米率呈顯著正相關。

圖4 不同處理對水稻株高、穗長、產量、精米率和整精米率的影響

表3 土壤理化因子與水稻株高、穗長、產量、整精米率和精米率的相關性

多因子相關分析結果（圖5）顯示，尿素用量、脲酶活性和總氮含量是影響水稻穗長、株高的顯著影響因子，呈正相關關系，其中尿素用量為最主要影響因子，其對整個模型解釋量高達85.15%（圖5-A）。尿素用量和脲酶活性是水稻產量的顯著影響因子，其對模型解釋量為91.04%（圖5-B）。但僅尿素用量對精米率和整精米率影響顯著，其中對精米率的影響更大，尿素用量對模型的解釋量為92.22%（圖5-C）。進一步分析揭示，土壤酶活性對水稻農藝性狀和產量模型變異單獨解釋量均大于22%，而土壤因子單獨解釋量小于5%（圖5-D和圖5-E），土壤因子與土壤酶活性之間共同解釋量大于57%，表明水稻農藝性狀和產量主要受土壤理化因子與土壤酶活性的協同作用影響，而尿素的施入是引起該協同反應的主要原因。水稻品質結果顯示，品質單純受土壤因子影響僅有4.87%，而主要受土壤酶活性影響（81.26%），并且土壤因子與酶活之間交互作用較?。?.08%），說明水稻品質主要受土壤酶活性影響。

圖5 土壤理化指標和酶活性對水稻性狀、產量和品質的影響

3 討論

PSB是地球上最古老的一種原核生物之一，它在代謝過程中，能夠完成固碳、固氮、分解有機物3個自然界物質循環(huán)中極為重要的化學過程，因此，其也被廣泛的應用于作物防病促生、土壤改良、重金屬污染修復、污水凈化等領域[15-16]。本研究結果顯示，單純施用PSB能夠顯著增加土壤有機質含量，但土壤總磷含量顯著下降，這一研究結果與李麗娜等研究結果一致，這與PSB的解磷、固氮功能有關[17]。隨著不同用量尿素施入，土壤各項理化指標均呈現出先增加后降低的趨勢，這也與前人的研究結果一致，但施入過量的氮肥將會加劇土壤氮、磷等物質的徑流和淋洗損失[18]。因此，本研究利用PSB對氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的固定作用[19]，起到尿素緩釋效果，從而降低氮、磷等養(yǎng)分向深層移動和損失。PSB單獨施用顯著降低了土壤脲酶活性，但顯著增加了亞硝酸還原酶活性，這一結果與前人的研究結果正好相反[9]。脲酶活性與土壤總氮含量、總磷含量、硝態(tài)氮含量呈正相關關系，本研究結果顯示，這3個指標CK均高于T1處理，施加PSB后其活性并沒有增加的具體原因有待研究。PSB與尿素配合施用的4個處理，脲酶活性呈現出線性增加趨勢，這與尿素的誘導作用相關，以尿素用量為35 kg/667 m2時其活性達到最大，尿素用量再增加其活性下降，這可能與土壤中總磷含量、有機質含量下降造成對其限制作用有關。亞硝酸還原酶是氮循環(huán)過程中厭氧反硝化過程，施用PSB后其活性顯著升高，這與PSB具有該功能相關[20]，亞硝酸還原酶活性提高對于解除水稻土壤中亞硝酸鹽脅迫具有重要意義。亞硝酸還原酶活性隨著尿素用量增加而降低，總體呈現出僅施用PSB的處理或低氮處理活性高于高氮處理，這表明亞硝酸還原酶在低氮環(huán)境中通過維持高活性從而解除作物氮饑餓，這一結果也印證了PSB處理水稻產量顯著高于不施PSB處理。而隨著尿素用量增加，脲酶活性增加，土壤中的氨態(tài)氮增加，阻遏了亞硝酸還原酶活性，但隨著尿素用量繼續(xù)增加，氨態(tài)氮損失量也加大，進而使得在尿素高用量下亞硝酸還原酶活性上升。另外，水稻生長性能、產量均呈現出隨尿素用量增加而線性升高趨勢，其相關分析結果顯示，土壤酶活性為其最大影響因素，這一結果與前人的研究相一致[5-6,10-11]。

4 結論

單純使用PSB能夠顯著促進土壤反硝化酶活性和土壤磷的利用，從而解除作物氮饑餓，在低氮條件下提高作物產量。PSB與尿素聯合施用能夠顯著激活土壤脲酶活性和反硝化酶活性，從而改善水稻農藝性狀，促進產量增加和品質提升。