《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Biofilm biofertilizer mitigates water stress in rice: impact on growth, yield, and grain quality
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摘要
引言：水稻（Oryza sativa L.）栽培中的持续淹水模式在气候变化背景下对可持续农业和粮食安全构成挑战。生物膜生物肥料（biofilm biofertilizer, BFBF）能够在不降低产量的前提下改善土壤有机质和养分含量，但其在限水灌溉下对
摘要
引言：水稻（Oryza sativa L.）栽培中的持续淹水模式在气候变化背景下对可持续农业和粮食安全构成挑战。生物膜生物肥料（biofilm biofertilizer, BFBF）能够在不降低产量的前提下改善土壤有机质和养分含量，但其在限水灌溉下对作物水分利用和籽粒品质的影响尚未得到验证。本研究评估了在逐步限水灌溉条件下BFBF对水稻耗水量的影响。
方法：为期3个月的盆栽试验采用湿地品种（At 314）和旱地品种（Bg 251）两种水稻，两种施肥措施，即化学肥料（chemical fertilizer, CF）340 kg NPK ha?1，以及BFBF处理（225 kg NPK ha?1 + 2.5 L BFBF ha?1），并设置三种水分处理（淹水、100%田间持水量、65%田间持水量），采用三因素析因完全随机设计（n = 3）。记录总用水量、水分利用效率（water use efficiency, WUE）、净同化速率（net assimilation rate, NAR）、相对生长速率（relative growth rate, RGR）、产量构成因素、大量营养素（碳水化合物、蛋白质、脂质）和重金属含量；采用三因素方差分析（品种×肥料×水分）结合Tukey HSD检验（p < 0.05）评估显著性。
结果：仅在湿地品种中，BFBF显著降低了总用水量（淹水条件下约12%，100%田间持水量下约10%，65%田间持水量下无显著降低）。BFBF处理下籽粒镉（Cd）和铅（Pb）分别降低34%和81%。碳水化合物、蛋白质和脂质含量、铁（Fe）和锌（Zn）浓度以及产量构成因素不受施肥措施影响，仅随品种和/或水分处理而变化。在所有水分处理中，BFBF使NAR和RGR分别提高约33%和7%。总体而言，BFBF在产量和营养组成上与全量CF相当，同时在旱地限水条件下减少了用水量和重金属累积。
结论：综上，这些结果将BFBF定位为水稻栽培的候选抗旱策略，在降低水分需求和重金属累积的同时不损害籽粒产量或品质，尤其适用于旱地限水条件。需要在多季节田间试验中验证这些响应在大尺度上的表现。
在全球气候变化与水资源竞争加剧的背景下，水稻（Oryza sativa L.）作为高耗水作物，其传统淹水种植模式面临严峻的可持续性挑战。水稻生产消耗全球灌溉用水的34%–43%，而斯里兰卡传统水稻种植每生产1 kg稻米约需3000–5000 L水，远超小麦、大麦和玉米等旱地作物。节水灌溉虽可降低用水量，但常伴随养分吸收受限、光合作用与灌浆受损及品质下降等问题。因此，在不牺牲产量和品质的前提下减少水稻用水，成为保障全球粮食安全的重要课题。生物膜生物肥料（biofilm biofertilizer, BFBF）由真菌-细菌联合生物膜构成，能够在根际形成胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）基质，改善土壤结构和持水能力，并已被证明可在减少约35%化学肥料（chemical fertilizer, CF）用量的情况下维持或提高水稻产量。然而，BFBF能否在渐进限水灌溉条件下降低水稻耗水量并保持籽粒品质与安全，此前尚不清楚。为此，研究人员在斯里兰卡国家基础研究所（National Institute of Fundamental Studies, NIFS）开展了为期3个月的盆栽试验，比较了湿地品种At 314和旱地品种Bg 251在CF（340 kg NPK ha
?1）和BFBF（225 kg NPK ha
?1 + 2.5 L BFBF ha
?1）两种施肥措施以及淹水、100%田间持水量和65%田间持水量三种水分处理下的响应。研究结果表明，BFBF在湿地品种中可减少约10%–12%的用水量，同时将净同化速率（net assimilation rate, NAR）和相对生长速率（relative growth rate, RGR）分别提高约33%和7%，且不影响产量构成、籽粒营养组成和矿物质含量；在旱地品种65%田间持水量条件下，BFBF使籽粒镉（Cd）和铅（Pb）含量分别降低约60%和至检测限以下。该研究将BFBF确立为水稻抗旱栽培的候选投入品，对缺水地区水稻生产的可持续性具有重要意义。论文发表在《Frontiers in Sustainable Food Systems》。
关键技术方法方面，研究人员采用三因素（2品种×2施肥×3水分）析因完全随机设计（factorial completely randomized design, CRD），每种处理3次重复，共36盆；土壤取自斯里兰卡康提Kiribathkumbura的稻田土（Hydragric Anthrosols），水稻品种At 314和Bg 251来自Bathalagoda水稻研究所。试验期间通过土壤水分传感器每日监测并维持目标水分含量，记录每次灌溉水量以计算总用水量和水分利用效率（water use efficiency, WUE）；分别在移栽后4周和终收时采集植株，测定NAR和RGR；收获后测定产量构成因素；采用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）分析籽粒碳水化合物、蛋白质和脂质的相对含量，采用电感耦合等离子体发射光谱（inductively coupled plasma-optical emission spectrometry, ICP-OES）测定铁（Fe）、锌（Zn）、Cd和Pb含量；数据采用三因素方差分析（ANOVA）和Tukey诚实显著差异（Honestly Significant Difference, HSD）检验（p < 0.05）进行统计分析。
研究结果如下。水分利用及其效率：三因素方差分析显示，品种、施肥措施和水分处理均显著影响总用水量；BFBF仅在湿地品种的淹水和100%田间持水量条件下显著降低用水量（约12%和11%），在65%田间持水量下无显著差异，旱地品种各水分处理下BFBF与CF无显著差异；WUE不受施肥措施影响，仅受品种和水分处理影响。生长参数：BFBF较CF显著提高NAR和RGR，且不受水分处理影响，表明BFBF在减少35% CF投入的情况下仍能促进生物量积累。产量构成因素：施肥措施对籽粒产量、饱满粒百分率、穗数和百粒重均无显著影响，品种和水分处理是主要驱动因素；随着水分胁迫加剧，百粒重和饱满粒重显著下降。微量营养素含量：籽粒Fe含量受品种、水分处理及其交互作用影响，BFBF与CF无显著差异；Zn含量仅受水分处理影响，淹水条件下Zn含量显著低于限水处理。重金属含量：BFBF显著降低籽粒Cd和Pb含量，且这一效应在旱地品种65%田间持水量条件下最为明显；CF配合65%田间持水量处理导致旱地品种Cd和Pb含量最高，而相应BFBF处理使Pb降至检测限以下。碳水化合物、蛋白质和脂质：籽粒碳水化合物和蛋白质含量仅受品种影响，湿地品种显著高于旱地品种，施肥和水分处理无显著作用；脂质含量仅受品种与水分处理的交互作用影响。
讨论部分指出，BFBF降低湿地品种用水量的机制可能涉及根际生物膜改善土壤持水性和水分有效性、促进菌根共生及扩大根系水分获取范围，但研究仅测量了灌溉水量而非植株水分生理指标，因此尚不能将节水效应直接归因于植物水分利用效率的提高。BFBF在限水条件下降低旱地品种Cd和Pb含量的效应可能与其影响根际pH/氧化还原状态、重金属生物吸附或沉淀，以及水分胁迫下根系分泌物增强微生物活性有关。研究人员强调，BFBF与CF在产量和品质上的无显著差异应理解为在当前盆栽尺度（n = 3）下未检出差异，而非绝对等效；未来需开展多季节、多品种、更大样本量的田间试验加以确认。结论：本研究旨在确定BFBF能否在灌溉逐步受限的条件下降低水稻耗水量而不损害籽粒产量、营养品质和食品安全。结果表明，BFBF通过降低水分需求、维持生长和产量及籽粒品质，并防止限水条件下重金属累积，有助于增强水稻的抗旱韧性。因此，BFBF可被视为水稻栽培的候选抗旱投入品，对旱地限水生产系统具有明确的应用前景；但这些结论受单季、盆栽、重复数有限以及未测定基线土壤重金属等条件限制，仍需充分掌握的多年田间试验加以验证。
