基于光合菌剂的复合微生物菌肥对水稻产量及土壤酶活性的影响

符 菁，赵 远*，赵利华，张玉虎，荆玉琳,，胡 茜，张 艺，张 晟*，卫国华，申荣艳，朱雅红

(1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164； 2.新疆光合元生物科技有限公司，新疆 昌吉 831100；3.首都师范大学，北京 100037；4.绩溪县农业委员会，安徽 绩溪 245300)

【研究意义】水稻是我国主要的粮食作物，近年来，随着城市化、工业化的发展，水稻的生产出现碎片化边缘化的趋势，在这个问题上，对于合理利用种植区域并如何利用微生物菌促进水稻的增产有着重要意义[1-3]。光合细菌(Photosynthetic Bacteria,简称PSB)可以作用于土壤微生态结构并对其加以改善与调节，不但能够促进土壤物质的转化方式和循环途径，而且能加强土壤肥力，为植物提供更多的可利用物质，同时又能抵制病虫害的衍生和降低植物的发病率[4-5]；复合微生物菌肥(Compound microbial fertilize)是一种含有光合菌、芽孢杆菌等有益微生物和作物生长所需要的有机质、多种微量元素等所制成的一种新型多功能复合微生物肥料，内含植物生长发育所必须的活性物质如有机质、氨基酸和维生素、各种水解酶和抑制病虫害等。【前人研究进展】土壤酶是一种生物活性物质，它能催化微生物、动植物残体在土壤中的分解或者活化，其土壤酶活性可以体现出土壤综合肥力特征及土壤养分转化过程，反映各种生化过程在土壤上的强弱和方向，作为土壤生物学活性和生产力的指标[6-7]。王梦雅等[8]研究表明，与对照相比，土著菌扩繁剂对脲酶活性有显著提高(1.03 mg/(g·24h))。张丽娟等[9]研究微生物菌肥施入对黄河上游地区土壤酶活性的影响，结果表明微生物菌肥能够提高哈密瓜土壤脲酶、蔗糖酶以及过氧化氢酶活性。珊丹等[10]就微生物菌肥对草原矿区排土场土壤微生物与土壤酶活性的影响进行研究，结果表明施加微生物菌肥与对照相比分别增加土壤中脲酶(29.0 %)、蔗糖酶(92.6 %)、碱性磷酸酶(25.7 %)、过氧化氢酶活性(75.7 %)。【本研究切入点】由于前人对作物整个生长周期的研究过少，本实验则是针对水稻整个生育期土壤酶活性变化的研究。因此，在盆栽试验的条件下，为进一步了解复合微生物菌肥对水稻产量、产量性状以及对水稻不同生育期土壤酶活性的影响，本试验将常规施肥、光合菌和复合微生物菌肥作为肥料施入土壤，通过合理施肥设计、盆栽实验确定复合微生物菌肥对土壤酶活性具有明显促进作用，其效果优于光合菌、常规施肥处理。【拟解决的关键问题】本试验所使用的复合微生物菌肥其优点是用量少、价格低廉、对环境无污染和肥效持久、稳定，并且具有增加土壤养分、改善微生物区系及作物营养、提高土壤酶活性、促进作物生长发育和增加作物产量的重要作用，在现代农业中有着广阔的应用前景，为今后复合微生物菌肥的大面积推广提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

盆栽试验于2017年6月29日至11月6日在江苏省常州大学进行，属于亚热带季风气候，年平均降水量1084 mm，年平均温度16.0 ℃，阳光日照数1943 h，供试土壤为水稻土，取自镇江丹阳水稻田，每盆盆底面积为0.07 m2，底部密封，防止漏水漏肥。

1.2 供试材料

以水稻作为研究对象，水稻种子购自农技站，供试水稻品种为南粳5055号；每盆装入风干土6 kg，栽种3穴，每穴2株。供试肥料为新疆光合元生物科技有限公司生产的复合微生物肥料和光合细菌菌剂，主要技术指标均为有效活菌数≥2.0亿/mL，使用时按比例用水稀释。氮肥为颗粒状尿素，含N46 %；磷肥为粉末状过磷酸钙，P2O5含量12 %；钾肥为粉末状红色氯化钾，K2O含量60 %；鸡粪购自新疆某养殖场。复合微生物肥料主要成分配比为：鸡粪发酵液35 %，光合菌(Photosynthetic bacteria)15 %，芽孢菌(Bacillus)8 %，N+P2O5+K2O总养分10 %，腐殖酸25.5 %，微量元素0.5 %等。

1.3 试验设计

盆栽试验共设置3个处理，分别为常规施肥(CK)、光合菌剂配施化肥(P1)、复合微生物菌肥(P2)，每个处理3个重复，共9盆，保证持水量为田间持水量的60 %，各处理放置在室外自然光下生长。P1、P2处理菌剂施用量均为24 g/m2，CK处理施加等量清水，分别在水稻分蘖期根灌1次，在抽穗期时喷施1次。各处理以每盆施入磷酸二氢钾1.71 g、氯化钾0.5 g作为基肥；追肥分别在水稻分蘖期和抽穗期，CK、P1处理追施尿素9.43 g/m2，P2处理不作其他肥施入，各处理作物生长作统一管理。

1.4 测定项目及分析方法

(1)采样及处理。水稻生长每个时期(返青期、分蘖期、晒田期、抽穗期、开花结实期、收割期)，按五点法进行采样，将土壤混合约300 g装入自封袋，带回实验室自然风干，取风干土经研磨过20目筛后装入自封袋测其水稻产量、产量性状及土壤酶活性。

表1 供试土壤基本理化性质

(2)分析方法[11]。磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法，活性以24 h后1 g土壤中释放出的酚的质量(mg)表示；过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法，活性以0.2 g风干土在0.5 h内消耗的0.002 mol/L KMnO4体积(mL)表示；蔗糖酶活性测定采用3，5 二硝基水杨酸比色法，活性以24 h后1 g风干土生成葡萄糖质量(mg)表示[12]；FDA水解酶活性采用荧光素比色法，其活性以1 g土壤1 h产生荧光素的微克数表示[13]；水稻产量及产量性状调查：在水稻收割期时各盆取样后，记录水稻平均株穗数、株高、穗长；每穗粒数、结实率和千粒重，待稻谷风干后脱粒测其产量[14]。

(3)数据统计。试验数据采用Excel2016进行处理，利用SPSS 22.0 软件进行数据统计及差异显著性分析(P<0.05)，利用0rigin8.5对数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 复合微生物菌肥对水稻产量的影响

水稻产量可以体现出土壤的肥沃程度以及土壤养分的稳定输出。从表2可以看出，P2处理的产量显著高于常规施肥处理，其中P2处理和P1处理明显比常规施肥处理增产57.26 %和13.54 %。复合微生物菌肥在施入到土壤后，能够满足水稻生长所需的氮素营养及微量元素，促进土壤有机质的分解与转化，使土壤有益微生物迅速增殖，由于微生物活动可使土壤疏松从而提高了土壤的通透性，改善了土壤结构。在水稻分蘖期施用复合微生物菌肥，能够令土壤中有益微生物数量增加后产生对作物有用的代谢产物，这些代谢产物可以促进作物生长并为作物供给足够的养分进而达到增产目的。

2.2 复合微生物菌肥对水稻产量性状的影响

从表3可看出，复合微生物菌肥显著提高了每穗粒数和实粒数，与CK处理相比，每穗粒数提高了34.29 %，实粒数提高了37.11 %；P1处理比CK处理的每穗粒数提高了3.81 %，实粒数提高了4.12 %。复合微生物菌肥处理使水稻的穗长、有效穗数、每穗粒数、实粒数和千粒重都有所增加，但结实率的差异不显著。水稻的产量与每平方米穗数、每穗粒数、结实率及粒重(千粒重)4个因素密切相关[15-16]，本实验施加复合微生物菌肥可满足氮磷钾养分对水稻生长的补给，提高肥料利用率，促进水稻有效分蘖，提高每穗粒数和改善土壤团粒的结构；与此同时也提高土壤酶活性在一定程度上影响水稻的最终产量及产量性状。

表2 复合微生物菌肥对水稻产量的影响

2.3 复合微生物菌肥对土壤磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶是一类对土壤有机磷化合物具有催化水解作用的酶，在土壤中主要以吸附状态的形式存在，磷酸酶活性对作物的生长协调有效磷能力密切相关，其活性与肥力水平呈正相关，与土层深度呈负相关[17]。如图1所示，在水稻返青期时，无论是P2处理还是P1处理的土壤磷酸酶活性均显著高于CK处理，分别高于3.99和6.15 mg/g。在水稻分蘖期时，P2处理的土壤磷酸酶活性显著高于P1、CK处理，分别高于23.26和29.07 mg/g，在此时期土壤磷酸酶活性达到最高值，这是源于复合微生物菌肥内含有丰富的活性物质对土壤磷酸酶活性产生影响，使土壤磷酸酶促进作物对磷素营养的吸收利用，增强土壤速效磷的有效性。在水稻收割期时，P2处理的土壤磷酸酶活性显著高于P1、CK处理，分别高于8.72和10.38 mg/g。在水稻整个生育期看来，P2处理的土壤磷酸酶活性始终显著高于CK处理，其P2处理的土壤磷酸酶活性的变化趋势为先上升至最高峰后下降，在水稻生育中期至后期则是缓慢下降后上升。由于磷酸酶活性在水稻生长发育前期显著增高，使土壤中含磷养分的释放和利用得以提高，在这一时期水稻对磷养分的需求也比较高，因此可为水稻提供了充足的磷养分，对水稻生长具有重要作用。综上，P2处理的土壤磷酸酶活性效果始终优于CK处理。

表3 复合微生物菌肥对水稻产量性状的影响

同一采样时间不同处理的折线上，有一个相同小写字母者，表示差异不显著；不同小写字母之间表示差异显著(Duncan’s法，P<0.05，n=3)，下同图1 复合微生物菌肥对土壤磷酸酶活性的影响Fig.1 Effect of compound microbial fertilizer on soil phosphatase activity

2.4 复合微生物菌肥对土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶能够广泛存在于土壤中和生物体内，可以有效参与物质和能量在土壤中的相互转换，对过氧化氢进行催化分解后可以防止它对生物体产生毒害作用，在一定程度上其活性可表征土壤腐殖质化强度大小和土壤生物氧化过程的强弱，土壤中过氧化氢酶活性主要与土壤有机质及微生物数量有关[18-19]。如图2所示，在水稻返青期时，由于底物养分比较充足，土壤酶活性最强，P2处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于P1、CK处理，分别高7.17 %和14.56 %。在水稻分蘖期至抽穗期时，P1处理的土壤过氧化氢酶活性影响并无显著差异，而且与CK处理的土壤过氧化氢酶活性变化呈下降趋势。在水稻晒田期以后，CK处理的土壤过氧化氢酶活性属于缓慢下降的趋势，故CK处理未能有效促进土壤中好氧微生物的增长，从而使土壤中过氧化氢酶活性的变化较小。在水稻抽穗期时，P2处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于P1、CK处理，分别高31.77 %和41.96 %，这是由于复合微生物菌肥的施用为土壤提供了有益微生物及功能菌，丰富并且优化了土壤生物种群结构，使过氧化氢酶活性迅速上升。在水稻开花结实期时，P1处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于P2、CK处理，分别高6.60 %和44.56 %，在这一时期，土壤中由于添加光合菌剂改善土壤群落结构，增强土壤肥力，促进土壤物质转换和循环，故施加P1处理能够使土壤过氧化氢酶活性上升。在水稻收割期时，P2处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于P1、CK处理，分别高26.06 %和44.43 %。综上，从整个水稻生育期看来，P2处理的土壤过氧化氢酶活性始终高于CK处理，其效果优于P1和CK处理。

图2 复合微生物菌肥对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.2 Effect of compound microbial fertilizer on the activity of soil catalase

2.5 复合微生物菌肥对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶广泛存在于土壤中，能够将植物不能吸收的蔗糖分解成被植物和微生物共同利用的营养物质，其活性在一定程度上反映土壤的呼吸强度，参与土壤中碳水化合物的转化，是土壤肥力水平的一个重要指标[20]。如图3所示，土壤蔗糖酶随着土层深度的增加，其表现的变化趋势大致相同。在水稻返青期时，由于底物营养比较充足，积累了许多腐殖质，而且此时土壤的水热条件和通透性情况相对较好，所以P2处理、P1和CK处理的土壤蔗糖酶活性范围均在320～345 mg/g左右。在水稻分蘖期时，P2处理的土壤蔗糖酶活性显著高于P1、CK处理，分别高出45.60 %和409.61 %，由于水稻在生长前期所需养分较高，根系代谢旺盛，施加复合微生物菌肥可使微生物和酶代谢活动增强，呼吸强度比较大，使其土壤蔗糖酶活性达到了最大值。在水稻晒田期时，虽然P2处理和P1处理的土壤蔗糖酶活性呈大幅度下降，但P2处理的土壤蔗糖酶活性显著高于P1、CK处理，分别高出15.15 %和17.9 %(P<0.05)。在水稻抽穗期时，由于水稻根系对养分吸收及分泌代谢物的速度变缓，微生物新陈代谢活动减弱，导致微生物总量减少，而蔗糖酶作为有机物分解营养物质的一种转化酶，其活性与微生物代谢活动成正相关，故在此时期各处理的土壤蔗糖酶活性降幅均到达到最小值，且各处理相互间差异不显著。从整个水稻生育期看来，P2处理的土壤蔗糖酶活性的变化趋势为先上升后下降再缓慢上升，酶活性始终高于P1、CK处理，这可能是由于施加复合微生物菌肥到土壤中，不仅能够带来大量有机碳而且能够丰富微生物区系并有助于提高酶活性。综上，P2处理的土壤蔗糖酶活性效果优于P1、CK处理，在水稻分蘖期时蔗糖酶活性到至峰值。

图3 复合微生物菌肥对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 The effect of compound microbial fertilizer on soil sucrase activity.

2.6 复合微生物菌肥对FDA水解酶活性的影响

荧光素二乙酸(Fluorescein diacetate，FDA)是一种无色化合物，主要来源于微生物细胞及部分动植物残体的分解，广泛存在于土壤中，可被酯酶、蛋白酶及脂肪酶等多种非专一性酶水解，酶解终产物为有色的荧光素(fluorescein)[21]。如图4可以看出，CK、P1和P2这3个处理的土壤FDA水解酶活性在水稻整个生长周期的变化趋势大致相同。在水稻返青期时，3个处理的土壤FDA水解酶活性均无显著差异。在水稻分蘖期时，P2处理的土壤FDA水解酶活性显著高于P1、CK处理，分别高17.09 %和18.42 %，在此时期P2处理的土壤FDA水解酶活性达到峰值。在水稻抽穗期时，P2处理和P1处理的土壤FDA水解酶活性均显著高于CK处理19.18 %和15.45 %。随着水稻的生长发育，各处理的土壤FDA水解酶活性呈现先上升后下降再缓慢上升的趋势；其中，P2处理的土壤FDA水解酶活性始终显著高于CK处理，高出范围为6.37 %～19.18 %；对于P1处理的土壤FDA水解酶活性而言并无显著影响。综上，P2处理能显著提高土壤FDA水解酶活性，其效果优于P1、CK处理。

2.7 土壤酶与水稻产量性状的Pearson 相关性分析

对采集的土壤样品中，经过添加不同的微生物制剂处理后对土壤酶活性及水稻产量性状则会产生截然不同的影响。针对土壤酶活性，分析土壤酶之间、水稻产量性状之间以及土壤酶对水稻产量性状之间的变化关系，并通过IBM SPSS Statistics 22.0 软件对各指标之间进行双变量相关性分析(表4)。

图4 复合微生物菌肥对FDA水解酶活性的影响Fig.4 The effect of compound microorganism fertilizer on the activity of FDA hydrolytic enzyme

对土壤酶之间进行相关性分析：磷酸酶与过氧化氢酶、蔗糖酶，过氧化氢酶与蔗糖酶均呈极其显著性正相关关系(P<0.01)其中，FDA水解酶与各土壤酶间存在较弱的正相关。

对水稻产量性状之间进行相关性分析：株高与产量、穗长与每穗粒数均呈现显著性正相关关系(P<0.05)，每穗粒数与产量呈极其显著正相关关系(P<0.01)，结实率与各水稻产量性状呈较弱的负相关(P>0.05)。

将土壤酶与水稻产量性状之间进行相关性分析：产量与磷酸酶呈显著正相关(P<0.05)，与过氧化氢酶呈极显著正相关关系(P<0.01)。

3 讨 论

施用复合微生物菌肥对水稻增产和产量性状具有一定的促进作用，在前期研究上也得到同样的结果。光合细菌的代谢产物拥有极为丰富的营养物质，富含各种B族维生素、促生长因子、辅酶Q和抗病毒因子等生理活性物质，能激发细胞的活性，提高光合作用能力[22]。本试验所使用的复合微生物菌肥拥有独特的微生物作用及作物生长所需的营养成分，并且在不同的施用方式和施用时间上，对水稻产量以及产量性状的作用机理也不相同；在水稻返青期时，复合微生物菌肥用于水稻灌根处理，有助于光合细菌在适宜的土壤环境中生存，光合细菌活性的提高有利于满足水稻生长所需的养分，促使水稻根系得以吸收与发育，加快水稻植株的生长，提高植株存活率，这与李洁等[23]在施用光合细菌在种植业上所得到的分析结果一致；在水稻分蘖期进行叶面喷施，促进水稻叶面进行光合作用，能够提高水稻分蘖数，促进水稻生长发育进而使水稻增产。

表4 土壤酶与水稻产量性状Pearson相关性分析

注：r值表示Pearson相关系数。P值表示显著性(双侧)，其中*在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的；**在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是极显著的。

土壤酶作为土壤的一个组成部分，对土壤营养物质转化、有机质分解、污染物降解以及修复等当面发挥着重要作用，土壤酶活性与作物土壤的肥力状况紧密相关，故此可作为评价土壤肥力水平和生物活性的有效指标[24-26]。磷酸酶与土壤中磷的转化密切相关，提高了作物可利用磷的含量，因此可以提高作物产量[27]；土壤磷酸酶能促进土壤磷素的营养释放和有机磷的水解矿化, 土壤中磷酸酶的存在可增强土壤磷素的有效性[28]；本试验施用复合微生物菌肥对土壤磷酸酶活性均有显著提高，其整体变化趋势为先增后降再上升；在水稻分蘖期时，土壤磷酸酶活性达到最高值，这是因为土壤磷酸酶与土壤中养分磷的含量有直接相关性，也说明了此时的土壤环境及养分得到改善与提高。过氧化氢酶能够催化过氧化氢迅速转化为其他无害或者毒性较小的物质，用以阻断一些细胞毒性物质对生物体的毒害作用，其活性能反映土壤中有机物的进程[29-30]；从水稻生长周期整体看来，施用P2处理的土壤过氧化氢酶活性为先下降后呈现无规律变化的趋势。蔗糖酶是一种参与碳代谢和碳循环的酶，其活性不仅可显示出土壤有机碳的累积与分解转化的规律，而且还与土壤中有机质含量相关，而土壤有机质作为土壤碳源、氮源及其他各种养分的储存库，分解后具有多种机质能为土壤微生物生命活动提供能源，提高土壤微生物丰富度，增加土壤酶的分泌量和活性；本实验中土壤蔗糖酶活性呈先上升后下降再趋于平缓的趋势，其中，P2处理对土壤蔗糖酶活性显著高于P1、CK处理。FDA水解酶能够反映出土壤有机质的转化及土壤中微生物的活性，可作为评价土壤微生物量和活性的重要指标[31]；本文研究了施用复合微生物菌肥在水稻不同生育期提高了FDA水解酶活性，其变化趋势呈现先上升后下降再上升，而CK处理则会导致酶活性下降。

土壤酶主要来自于微生物和其他有机物质, 土壤酶在加快土壤有机质降解、养分转化循环过程中具有关键作用，促进作物生长和产量增加，而不良的土壤环境条件和长时间大量化肥的使用对土壤酶活性都有着显著的影响[32]。化肥的过度依赖和不合理施用导致自身利用率不高且引致一系列问题的出现，如土壤性状的恶化、土壤固结与酸化、土壤养分结构的失调所产生的环境污染等，严重威胁着我国农业生态环境。在稳产增产前提下，开发和使用新型肥料，减少生产中化肥的投入使用，实现减肥目标，是我国当前水稻生产中的一项重要任务，而复合微生物菌肥是近年发展起来的一种新型肥料，含有大量光合菌、芽孢杆菌等有益微生物，其作用是通过微生物活动可改善作物的生长环境，刺激作物生长发育，发挥土壤潜在肥力，提高农产品的产量和质量。本研究表明，协同光合菌、芽孢杆菌作用的复合微生物菌肥施入到土壤后可使土壤酶活性迅速提高，说明土壤中含有大量的有机碳能为土壤微生物提供养分和能量，表明采用复合微生物菌肥替代化肥的施用，可使环境不产生污染且不破坏原有养分含量及土壤结构的前提下对水稻结束生长后达到增产丰收的效果。

4 结 论

施用复合微生物菌肥对水稻产量、产量性状和土壤酶活性具有一定的影响。本实验中，与CK处理相比，P1处理与P2处理均能提高水稻产量，其中，对促进水稻产量增加效果方面，P2处理增产效果更为明显。试验结果表明，复合微生物菌肥能够促进土壤有效养分的吸收和转化，水稻不同的生育期对土壤酶活性也各不相同，在不同程度上提高了土壤磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和FDA水解酶活性。复合微生物菌肥在不破坏土壤自然环境结构的前提下，土壤中微生物总量增加，改善土壤的理化性状，促进水稻的生长和满足土壤养分的持续供应，增强了水稻的抗逆性，促进水稻的光合作用，进而使水稻达到增产的目的。