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(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)),150090哈爾濱;2.中國(guó)市政華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,300074天津)
稻米品質(zhì)受土壤生態(tài)因子[4]、施肥種類[5]、施肥水平[6]和農(nóng)藝性狀[7]等多種因素的影響.其中稻米的加工品質(zhì)受水稻株高、有效穗數(shù)和經(jīng)濟(jì)系數(shù)的影響[8].而稻米的外觀品質(zhì)與株高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7-8],同時(shí),抽穗后較高群體的光合速率也會(huì)降低稻米的外觀品質(zhì)[9].另外,稻米的蒸煮品質(zhì)、外觀品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)還受水稻根系化學(xué)訊號(hào)的調(diào)節(jié)[10].過(guò)去國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻米品質(zhì)的研究大多集中在生態(tài)條件、農(nóng)藝性狀及生理特征等方面.叢枝菌根技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種綠色農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治技術(shù)[11],主要通過(guò)促進(jìn)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收來(lái)減少農(nóng)用化學(xué)品的施用量,進(jìn)而從源頭上減少非點(diǎn)源污染物的來(lái)源[12].前期研究證明,叢枝菌根技術(shù)不能完全替代化肥的施用[13-14],與化肥共施是今后農(nóng)田非點(diǎn)源污染源頭減量的發(fā)展方向.本文從與水稻共生的微生物與稻米品質(zhì)的關(guān)系入手,探討生物因子對(duì)稻米品質(zhì)的影響,以期為稻米品質(zhì)的改善提供新思路.
試驗(yàn)在城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的“農(nóng)藥化肥源頭減量技術(shù)示范基地”進(jìn)行.該基地位于黑龍江省雙城市朝陽(yáng)鄉(xiāng)政安村,西為拉林河,北靠松花江,三面環(huán)水環(huán)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(jī)質(zhì)為26.32 g·kg-1,水解性氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yàn)樣地方位
試驗(yàn)作物為水稻(Oryza sativa L.),合粳一號(hào).采用的叢枝菌根真菌(AMF)為摩西球囊霉(Glomus mosseae),保藏在中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心,保藏號(hào)為CGMCC No.3012.
試驗(yàn)設(shè)接種叢枝菌根真菌(AMF)和施肥兩個(gè)處理.其中接種處理有接種AMF和不接種AMF兩個(gè)水平.接種在育秧盤(pán)(58 cm×28 cm×3 cm)中進(jìn)行,具體做法是先在水稻育秧盤(pán)內(nèi)放過(guò)篩后的秧床用土,并用木板刮平,厚度為2.5 cm.每育秧盤(pán)均勻拌入 AMF菌劑250 g(孢子數(shù)為33~35 g-1).并均勻撒入40 g發(fā)芽率達(dá)95%以上的水稻種子.最后秧床覆蓋過(guò)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(gè)育秧盤(pán).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(dāng)?shù)厮狙砻绲墓芾矸绞竭M(jìn)行.6周后將兩種秧苗分別移栽到大田不同的小區(qū)內(nèi).
試驗(yàn)區(qū)與農(nóng)田防護(hù)林距離50 m,外設(shè)寬6 m的農(nóng)田保護(hù)區(qū).小區(qū)面積36 m2,內(nèi)設(shè)1 m寬的保護(hù)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(qū)設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)水口和出水口.小區(qū)間隔2 m,空間隔離(見(jiàn)圖2).移栽時(shí)每個(gè)小區(qū)20垅,每垅40穴,每穴3棵基本苗.移栽后的兩種水稻分別進(jìn)行施肥和不施肥兩種處理.每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì).施肥分4次進(jìn)行,底肥為高濃度水稻復(fù)合肥(N-P2O3-K2O:16-17-12,總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)管理方式進(jìn)行.
圖2 試驗(yàn)設(shè)置示意
AMF侵染率按網(wǎng)格交叉法測(cè)定.根系樣品用蒸餾水沖洗干凈,并剪成1 cm左右長(zhǎng)度的根段;于10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jīng)過(guò)上述處理的根樣,用鑷子和解剖針挑選出25條粗細(xì)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(cè)定100條根段.根據(jù)每條根段上菌根結(jié)構(gòu)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(shù).
總的來(lái)說(shuō),在子宮肌瘤患者圍手術(shù)期護(hù)理中運(yùn)用層次需要論,可以改善患者的心理狀態(tài),提高患者的生活質(zhì)量,具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。
式中:Ⅰ為各侵染率下根段的條數(shù);Ⅰ0為侵染率為零的根段條數(shù);Ⅰ1為侵染率為1% ~10%的根段條數(shù);以此類推;Ⅰ10為侵染率為90% ~100%的根段條數(shù).
待水稻成熟后,各個(gè)小區(qū)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(zhì)穩(wěn)定后送農(nóng)業(yè)部谷物及制品檢驗(yàn)中心(哈爾濱)對(duì)稻米品質(zhì)進(jìn)行測(cè)定.糙米率、精米率和堊白大小按《NY/T83—1988米質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定.整精米率按照《GB1350—1999附錄A優(yōu)質(zhì)稻谷》測(cè)定.粗蛋白按照《NY/T3—1982米質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定.直鏈淀粉按照《NY/T55—1987米質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定.堊白米率和堊白度按照《GB/T17891—1999優(yōu)質(zhì)稻谷》測(cè)定.膠稠度按照《GB/T5497—1985優(yōu)質(zhì)稻谷》測(cè)定.氨基酸按照《GB/T5009.124—2003優(yōu)質(zhì)稻谷》測(cè)定.稻米中鐵、鋅和硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按微波消解-電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法進(jìn)行測(cè)定.
試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)后進(jìn)行方差分析.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS21.0軟件進(jìn)行分析.
在水稻收獲期測(cè)定了AMF在水稻根系的侵染率(見(jiàn)圖3)和水稻產(chǎn)量(見(jiàn)圖4).可以看出,化肥的施加和AMF接種對(duì)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(wú)關(guān).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(zhǎng).如圖4所示,施肥處理和AMF接種二者單獨(dú)使用均顯著提高了水稻的產(chǎn)量.但二者共同作用,與單獨(dú)接種AMF相比,水稻產(chǎn)量進(jìn)一步提高;而與單獨(dú)施肥條件相比,水稻產(chǎn)量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.可見(jiàn)在施肥條件下接種AMF并不能有效提高水稻產(chǎn)量.
圖3 不同處理對(duì)AMF在水稻根系侵染率的影響
圖4 不同處理對(duì)AMF在水稻產(chǎn)量的影響
加工品質(zhì)又叫碾磨品質(zhì),反應(yīng)稻米對(duì)加工的適應(yīng)性.稻米的加工品質(zhì)主要取決于籽粒的灌漿特性、胚乳結(jié)構(gòu)及糠層厚度等,如籽粒充實(shí)、胚乳結(jié)構(gòu)致密、硬性好的谷粒,加工適應(yīng)性較好.其中整精米率是影響稻米商品價(jià)值的主要因素,整精米率高,意味著稻谷食用部分大,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,且有利于提高優(yōu)質(zhì)稻米的商品價(jià)值.
如圖5所示,化肥的施加和AMF接種對(duì)稻谷加工品質(zhì)的影響顯著不同.其中化肥的施加對(duì)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(duì)加工的適應(yīng)性.而接種AMF對(duì)稻谷加工品質(zhì)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(duì)整精米率的負(fù)面效應(yīng)降低了稻谷食用部分所占比例,進(jìn)而嚴(yán)重影響了稻米的商品價(jià)值.而在施肥條件下,接種AMF對(duì)體現(xiàn)稻米加工品質(zhì)的3個(gè)指標(biāo)均無(wú)顯著影響.以上結(jié)果說(shuō)明單獨(dú)接種AMF降低了水稻的加工品質(zhì),但與化肥共施后其對(duì)稻米加工品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)消失.因此,接種AMF可與化肥共施來(lái)保證稻谷的加工品質(zhì)及商品價(jià)值.
水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的形成包括3個(gè)方面,即物質(zhì)生產(chǎn)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和物質(zhì)分配.只有這3方面相協(xié)調(diào)時(shí)水稻才能形成較高的產(chǎn)量和品質(zhì)[15].有研究表明,齊穗后水稻群體光合速率的提高,會(huì)導(dǎo)致碳水化合物轉(zhuǎn)化成淀粉的速度加快,從而使稻米胚乳內(nèi)的淀粉間隙加大,籽粒充實(shí)度變差,最終降低稻米的加工品質(zhì)[9].另外,AM共生結(jié)構(gòu)能夠提高宿主光合速率[16-17].本實(shí)驗(yàn)在前期階段亦發(fā)現(xiàn)接種AMF能夠提高水稻抽穗后光合作用速率[18].可見(jiàn),接種AMF對(duì)水稻加工品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)源于對(duì)光合作用的改善.
圖5 不同處理對(duì)稻米加工品質(zhì)的影響
在水稻米貿(mào)易中,外觀性狀在一定程度上決定了市場(chǎng)上稻米的價(jià)格.我國(guó)目前出口的優(yōu)質(zhì)米關(guān)于堊白性狀的標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)堊白.在本試驗(yàn)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(jiàn)化肥的施加降低了稻米的外觀品質(zhì)(如圖6所示).AMF接種對(duì)稻米外觀品質(zhì)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(zhì).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(zhì).可見(jiàn)在不施加肥料的條件下稻米外觀品質(zhì)較好,而傳統(tǒng)的施肥和單獨(dú)接種AMF均降低了稻米的外觀品質(zhì).化肥的施加與接種AMF共同作用則能改善稻米的外觀品質(zhì),從而提高稻米吸引消費(fèi)者的能力.
圖6 不同處理對(duì)稻米外觀品質(zhì)的影響
有研究表明,中國(guó)東北地區(qū)稻米的一些外觀品質(zhì)與國(guó)家優(yōu)質(zhì)指標(biāo)有較大差距,達(dá)標(biāo)率低的性狀是堊白米率和堊白度[19].本試驗(yàn)施加化肥后稻米的堊白米率高達(dá)5.5%,已不屬于優(yōu)質(zhì)稻范疇,這與前人研究結(jié)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(zhì)的等級(jí),即將稻米品質(zhì)從非優(yōu)質(zhì)稻提升至三級(jí)優(yōu)質(zhì)稻.另外,前期研究表明,AMF接種能夠增加水稻株高[20].水稻農(nóng)藝性狀與稻米品質(zhì)相關(guān)關(guān)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(zhì)較好[9].盡管株高與加工品質(zhì)關(guān)系密切的機(jī)理還不明確,但這能夠說(shuō)明施肥條件下接種AMF可能通過(guò)影響水稻株高而提高稻米的外觀品質(zhì).
稻米的膠稠度是衡量米飯軟硬的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)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(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是衡量稻米蒸煮和食味品質(zhì)的指標(biāo)之一,但其對(duì)稻米品質(zhì)的影響具有兩面性.一方面,蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的稻米顏色淺黃,貯藏過(guò)程中容易變質(zhì),有時(shí)還有令人“倒胃口”的氣味.因此,稻米的高蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)意味著較低的外觀品質(zhì)與食味品質(zhì).另一方面,稻米蛋白質(zhì)含有的谷蛋白易消化吸收,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,被認(rèn)為是品質(zhì)最好的植物蛋白質(zhì).因此,如何權(quán)衡粗蛋白這兩方面的作用值得探討.此外,直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠反映稻米的蒸煮品質(zhì).直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)低的稻米,直鏈淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量也相對(duì)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(zhì).但是AMF接種對(duì)稻米膠稠度的作用受土壤營(yíng)養(yǎng)條件的影響.在不施加化肥的條件下,AMF接種對(duì)稻米膠稠度無(wú)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(guó)際水稻研究所制定的標(biāo)準(zhǔn)相比,施肥條件下接種AMF的稻米膠稠度仍處于“軟”水平.可見(jiàn),施肥條件下接種AMF并不會(huì)對(duì)稻米的蒸煮品質(zhì)造成本質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)圖8).可見(jiàn),無(wú)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(zhì)量分?jǐn)?shù),提高稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì).但是AMF接種生產(chǎn)的稻米容易變質(zhì),產(chǎn)生令人不愉快的氣味,因此,需要較好的儲(chǔ)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(zhì)量分?jǐn)?shù),改善了稻米的粘聚性和食味.
圖7 不同處理對(duì)稻米蒸煮品質(zhì)的影響
圖8 不同處理對(duì)稻米食味品質(zhì)的影響
可見(jiàn),AMF接種與化肥配施不僅提高了稻米的蒸煮品質(zhì)和食味品質(zhì),而且在一定程度上改善了稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì).
營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)是指稻米營(yíng)養(yǎng)成分的豐富程度,氨基酸總量和人體必需氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是表示稻米營(yíng)養(yǎng)成分豐富程度的重要指標(biāo).其中,人體必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)稻米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值尤為重要,因?yàn)檫@些氨基酸在人體內(nèi)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(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)研究施肥和AMF接種對(duì)稻米中氨基酸總量及人體必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,為高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的水稻生產(chǎn)提供依據(jù).如表1所示,AMF接種對(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)也不受施肥和AMF接種的影響.
表1 不同處理對(duì)稻米氨基酸總量和人體必需氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 %
微量元素鐵、鋅和硒是與人體健康密切相關(guān)的必需營(yíng)養(yǎng)元素.提高稻米中的微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其生物有效性是改善稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo),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(duì)稻米硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著影響.與不施肥對(duì)照相比,施用化肥降低了稻米中鐵和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù),接種AMF在不施肥條件下對(duì)鐵和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著影響,而在施肥條件下與不接種AMF處理相比,接種AMF對(duì)二者有不同程度的改善,從而施肥對(duì)稻米鐵和鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的副作用消失.有研究表明鋅與磷存在拮抗效應(yīng),即磷施加過(guò)量后會(huì)影響水稻對(duì)鋅的吸收,導(dǎo)致鋅缺乏[21].此外,磷肥也能夠降低稻米中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[22].國(guó)際水稻研究所還發(fā)現(xiàn)了稻米鐵和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)[23].在本實(shí)驗(yàn)中,二者對(duì)化肥施加和AMF接種的響應(yīng)也是一致的.可見(jiàn),AMF在改善植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)方面起著重要作用.
圖9 不同處理對(duì)稻米礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
Cavagnaro[24]發(fā)現(xiàn)AM共生結(jié)構(gòu)甚至能夠在大田條件下提高宿主鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù).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(shí)鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了50%[25].在本試驗(yàn)施肥條件下,AMF接種將稻米鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高44%.AMF接種是否提高宿主鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)受AMF菌種和宿主種類的影響.在本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)水稻接種AMF(摩西球囊霉)保證了施肥條件下稻米鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù).而對(duì)小麥、水稻和黑莓接種根內(nèi)球囊霉發(fā)現(xiàn),AMF只提高了小麥鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù),對(duì)水稻鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)顯著影響[26].原因可能是不同AMF菌種對(duì)宿主礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的影響不同[27].
1)AMF接種與化肥施加共同作用可改善稻米的外觀品質(zhì),將稻米品質(zhì)從非優(yōu)質(zhì)稻提升至三級(jí)優(yōu)質(zhì)稻.
2)AMF接種與化肥共施還提高了稻米的蒸煮品質(zhì)和食味品質(zhì),保證了鐵和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù),改善了稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì).而不施肥條件下,AMF接種降低了稻谷的加工品質(zhì)和外觀品質(zhì),對(duì)蒸煮、食味及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)無(wú)顯著影響.
3)從改善稻米品質(zhì)的角度出發(fā),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(zhì).
4)叢枝菌根技術(shù)在稻米生產(chǎn)中能夠提高稻米品質(zhì),對(duì)促進(jìn)農(nóng)民增收、企業(yè)增效具有重要意義,可以在水稻優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用.
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