不同有機氮替代部分無機氮對水稻產(chǎn)量及土壤微生物的影響

崔月貞，吳玉紅，郝興順，張春輝，秦宇航，王曉娥，楊云霞

(漢中市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西漢中 723000)

化肥對促進農(nóng)作物生長具有重要作用，合理施肥是提高作物產(chǎn)量的重要保障[1]。但近年來，由于化肥的不合理使用，尤其是氮肥的過量使用，不僅制約了作物產(chǎn)量的提高，同時產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出[2-3]。有機肥富含有機質(zhì)、腐殖質(zhì)、微量營養(yǎng)元素、多種氨基酸、酶類和有益微生物[4]，用其替代化肥可以有效改善土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的平衡狀況，改良土壤理化性狀，增加土壤有機質(zhì)含量和養(yǎng)分的有效性，可實現(xiàn)在保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的情況下培肥土壤、提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，減少化肥施用量，從而提高肥料利用率，達到減排的效果[5]，這對減少土壤和面源污染具有重要作用。

土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色，土壤有機物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)換、土壤的形成、養(yǎng)分的循環(huán)利用等重要的生態(tài)學(xué)過程都受其影響[6]。此外土壤微生物物種多樣性及代謝活動與土壤肥力和生產(chǎn)力密切相關(guān)[7]，其參數(shù)可用于反映土壤質(zhì)量，真菌和細菌的比值通常被作為評價生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)控能力大小的重要指標[8]。而增施有機肥或用有機肥替代無機肥對調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，維持土壤肥力，提高微生物數(shù)量和活性，促進作物的養(yǎng)分吸收具有重要意義[9]。相關(guān)研究[10-11]表明，沼肥替代部分化肥可以提高小麥根際土壤微生物數(shù)量和酶活性，商品有機肥替代化肥能夠增強微生物群落代謝活性，提高土壤質(zhì)量。

漢中盆地是陜西省重要的水稻生產(chǎn)基地，水稻種植面積約占全省的70%，同時漢中盆地是南水北調(diào)中線工程的水源涵養(yǎng)地[12]。趙佐平[13]研究顯示該地區(qū)水稻氮肥使用量普遍較高，且化學(xué)氮肥的投入水平遠高于有機肥氮的量，潛在的面源污染問題較為突出。所以探索有機氮替代部分化肥氮技術(shù)，對提高漢中盆地水稻產(chǎn)量和肥料利用率，減少面源污染具有重要意義。目前，關(guān)于有機肥替代化肥在設(shè)施蔬菜、南方雙季稻和黃河三角洲水稻等方面均有不少研究[14-16]，但是針對不同有機肥替代化肥在陜西南部水稻及稻田土壤微生物上的研究較少。因此，本研究分別用沼渣有機肥、微生物有機肥和秸稈替代20%無機氮后，測定其對漢中盆地水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響，并測定其對水稻全生育期稻田土壤微生物數(shù)量動態(tài)變化的影響，旨在分析比較不同有機氮替代方法在陜西南部水稻和土壤微生物上的應(yīng)用效果，優(yōu)化化肥減量配施方法，為提高土壤質(zhì)量和培育土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)，也為稻田減肥減藥示范推廣提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2018年4月至9月在陜西省漢中市農(nóng)科所韓塘試驗基地進行。該地(33°8′3″N， 107°0′40″E)海拔約500 m，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，年平均氣溫約14 ℃，年均降水量800～ 1 000 mm，無霜期235 d，年均日曬時數(shù)約 1 400 h， ≥10 ℃的年積溫為4 480 ℃。供試土壤為水稻土，試驗前土壤基本理化性質(zhì)：pH為 6.58，有機質(zhì)15.64 g/kg、堿解氮124.37 mg/kg、速效鉀104.12 mg/kg、速效磷17.27 mg/kg。試驗以雜交秈稻‘荃香優(yōu)1521’為供試材料。

供試肥料尿素[w(N)≥46.4%]由四川美豐化工有限公司生產(chǎn)，過磷酸鈣 [w(P2O5)≥12%]由湖北祥云化工股份有限公司生產(chǎn)，鉀肥為氯化鉀[w(K2O)≥60%)]由湖北宜昌涌金工貿(mào)有限公司生產(chǎn)，沼渣有機肥 [w(N+P2O5+K2O)]≥5%由陜西軍鑫農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)，微生物有機肥[w(N+P2O5+K2O)≥32%]由山東金正大公司生產(chǎn)，油菜秸稈由漢中市農(nóng)科所韓塘實驗基地提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)不施肥(CK)、無機氮肥(100% N)沼渣有機肥替代20%無機氮(80%N+BRO)、微生物有機肥替代20%無機氮(80%N+BOF)、秸稈替代20%無機氮(80%N+SW)5 個處理，20%有機肥替代指通過有機肥中氮養(yǎng)分折合所替代的化學(xué)氮肥的百分比，各處理磷鉀肥用量相同。采用隨機區(qū)組試驗，各處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為 20 m2(4 m×5 m)，各小區(qū)間設(shè)置田埂，并用塑料膜包裹隔開，避免水肥相互滲透，田埂寬約0.4 m；試驗區(qū)間和四周設(shè)有灌溉渠，渠寬0.5 m，采用當(dāng)?shù)亓?xí)慣灌溉模式和田間管理方式。

化肥常規(guī)用量為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2。使用尿素[w(N)≥46.4%]、過磷酸鈣[w(P2O5)≥12%]、氯化鉀 [w(K2O)≥60%]，無機氮由尿素提供，各處理氮肥用量見表1。所有處理中氮肥70%做基肥，30%做分蘗肥，有機氮肥均做基肥一次性施用；磷肥、鉀肥做基肥一次性施用。

表1 不同處理氮肥用量Table 1 Nitrogen fertilizer amounts under different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測產(chǎn)及考種 水稻成熟后收割前，各處理隨機取10株，測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量，水稻收獲后，測定實收籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 土壤樣品采集 采用梅花5點取樣法，取0～20 cm耕作層土壤。采集時間為水稻生長發(fā)育的5個時期，即水稻移栽前(5月26日)、苗期(6月15日)、分蘗期(7月5日)、抽穗期(8月15日)和成熟期(9月14日)。

1.3.3 土壤微生物測定 采用稀釋涂平板法來測定土壤微生物的數(shù)量。具體操作步驟參考文獻[17]中的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsolft Excel 2010對試驗統(tǒng)計分析，并用 SPSS 12.0 進行方差分析，處理間采用Duncan’s新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機氮替代無機氮對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

表2表明，不同有機氮替代無機氮對水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響各不相同，對水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的影響差異顯著，對結(jié)實率和千粒質(zhì)量影響不顯著。有機氮替代無機氮可顯著提高有效穗數(shù)，80%N+BRO、80%N+BOF和80%N+SW較CK增幅分別為56.32%、60.92%和54.02%，但各施肥處理間差異不顯著；水稻穗粒數(shù)以 80%N+SW最高，顯著高于其他各處理，較CK和100% N增幅分別為10.78%和4.19%， 80%N+BRO和80%N+BOF顯著高于對照，低于100% N處理，但差異不顯著；有機氮替代無機氮可增加結(jié)實率和千粒質(zhì)量，但較CK差異不顯著；有機氮替代無機氮對水稻產(chǎn)量均有提高，其中80%N+BOF最高，較CK和100% N增幅分別為77.21%和2.72%，其次為80%N+SW產(chǎn)量高于CK和100% N，較CK增幅為74.21%，但各處理間差異性不顯著。

表2 不同有機氮替代無機氮對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Table 2 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on yield and yield components of rice

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng)Duncan’s新復(fù)極差法檢驗在P<0.05水平差異顯著。下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at level ofP<0.05 by Duncan’s new multiple range test. The same below.

2.2 不同有機氮替代無機氮對土壤細菌的影響

表3表明，土壤細菌數(shù)量在水稻整個生育期呈先降低再升高的趨勢，細菌數(shù)在 1.40×107～5.79×107cfu/g。施肥處理可提高稻田土壤細菌的數(shù)量，100%N顯著提高水稻苗期、分蘗期和孕穗期細菌數(shù)量，較CK增幅分別為12.83%、 15.79%和13.22%，但在成熟期差異不顯著；而有機肥替代無機氮可顯著提高水稻后期即孕穗期和成熟期細菌數(shù)量，其中80%N+BRO細菌數(shù)量均高于其他各處理，且顯著高于CK和100%N，在水稻苗期、分蘗期、孕穗期和成熟期較CK增幅分別為25.92%、50.89%、50.69%和53.22%；其次為80%N+BOF，較CK增幅分別為25.92%、 50.89%、50.69%和53.22%。

表3 不同有機氮替代無機氮對土壤細菌數(shù)量的影響Table 3 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil bacterial pupulation (×106)cfu/g

2.3 不同有機氮替代無機氮對土壤真菌的影響

表4表明，土壤真菌數(shù)量在水稻整個生育期呈先降低再升高的趨勢，真菌數(shù)在 2.20×104～5.11×104cfu/g。施肥處理可不同程度降低稻田土壤真菌數(shù)量，但常規(guī)施肥100%N降低差異不顯著；不同有機氮替代無機氮對稻田土壤真菌數(shù)量的影響各不相同，其中80%N+BOF降低水稻全生育期稻田土壤真菌數(shù)量，苗期、分蘗期、孕穗期和成熟期分別較CK分別降低35.0%、 13.74%、52.69%和5.33%；80%N+SW降低水稻苗期、孕穗期和成熟期土壤真菌的數(shù)量，較CK分別降低34.21%、41.94%和9.27%；80%N+BRO降低水稻孕穗期土壤真菌數(shù)量，較CK降低 34.84%。

表4 不同有機氮替代無機氮對土壤真菌數(shù)量的影響Table 4 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil fungi (×104)cfu/g

2.4 不同有機氮替代無機氮對土壤放線菌的影響

表5表明，土壤放線菌數(shù)量在水稻整個生育期呈先升高再降低的趨勢，放線菌數(shù)在 7.09×105～3.67×106cfu/g。有機氮替代無機氮可不同程度提高水稻各生育期土壤放線菌數(shù)量，其中80%N+BRO顯著高于其他各處理，較CK增幅分別43.48%、16.05%、31.56%和 35.67%；其次為80%N+BOF，較CK增幅分別 38.79%、 13.19%、31.56%和37.68%； 80%N+SW可提高水稻苗期放線菌數(shù)量，較CK增加 22.27%。

表5 不同有機氮替代無機氮對土壤放線菌數(shù)量的影響Table 5 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil actinomycetes (×105)cfu/g

2.5 不同有機氮替代無機氮對微生物結(jié)構(gòu)的影響

土壤中微生物中細菌/真菌的比值可作為土壤肥力的衡量指標，其與土壤養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)。圖1顯示，不同有機氮替代無機氮對水稻各生育期B/F(細菌/真菌)值均有不同程度提高，表明不同有機氮替代無機氮對水稻各生育期土壤肥力均有不同程度的提高，其中80%N+BOF在水稻各生育期B/F值最高，且在水稻苗期和分蘗期顯著高于其他處理，在苗期、分蘗期、孕穗期和成熟期較CK增幅分別為46.32%、52.89%、 51.16%和28.39%；在孕穗期和成熟期 80% N+BRO較CK分別增加為43.11%、 27.05%、48.50%和22.78%。

圖2顯示，稻田土壤微生物3大菌種百分比(真菌、細菌和放線菌)隨著水稻生育期的改變而不斷產(chǎn)生變化，尤其在水稻分蘗期和孕穗期群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，土壤細菌百分百顯著下調(diào)，而生物有機肥(80%N+BOF)和沼渣有機肥 (80%N+BRO)替代無機氮減小了微生物菌種百分比的變化，起到了維持群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。

3 討 論

微生物有機肥含有豐富的有益微生物、活性酶和微量元素，增施微生物有機肥或用其替代部分化肥可促進植物生長、提高作物產(chǎn)量，劉玉英等[18]研究發(fā)現(xiàn)，適量施入有機無機肥可以不同程度增加結(jié)球甘藍的生物產(chǎn)量、平均單球質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量；徐立功等[19]研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥替代部分化肥可顯著促進番茄植株的生長，提高產(chǎn)量。另外，眾多研究結(jié)果表明有機氮替代無機氮在小麥、蕎麥[20]和黃瓜[21]等多種作物上均具有增產(chǎn)效果。同樣，本研究結(jié)果表明，用微生物有機肥替代部分無機氮提高了水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素，對水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的提高最為顯著，水稻籽粒產(chǎn)量較CK和100%N籽粒產(chǎn)量分別增加77.21%和2.72%，這與前人研究結(jié)果一致。

不同小寫字母表示差異顯著 Different lowercase letters indicate significant difference

圖2 不同有機氮替代無機氮對3類微生物百分比的影響Fig.2 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on percentage of three kinds of microorganisms

微生物菌肥是在復(fù)混肥的基礎(chǔ)上接種有益微生物而生產(chǎn)的一種肥料，具有預(yù)防和減輕作物病蟲害的作用，靳海波等[22]研究發(fā)現(xiàn)，增施生物有機肥GSJ-1顯著降低了土壤中馬鈴薯瘡痂病病原菌含量。李春花等[23]研究不同生物有機肥對蕎麥病害及產(chǎn)量的影響結(jié)果表明，施用生物有機肥可以有效降低蕎麥褐斑病發(fā)病率。在本研究中，發(fā)現(xiàn)微生物有機肥部分替代無機氮顯著降低稻田土壤中真菌數(shù)量，且在水稻孕穗期和成熟期效果最顯著，而植物病害的70%～80%均是由真菌造成的[24]，水稻多種真菌病害如稻瘟病、紋枯病和稻曲病等，多在水稻后期嚴重發(fā)生[25]，因此推測微生物有機肥替代無機氮對水稻病害具有一定的防治作用，降低了因土壤帶菌引起的土傳病害發(fā)病機率，但具體是否能夠抑制土壤中病原真菌、抑制何種病原真菌以及其如何發(fā)揮防控作用等，還有待進一步探索與研究。

土壤中微生物可作為土壤肥力的衡量指標，細菌、放線菌數(shù)量與土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)[26]，真菌由于自身菌絲體的特性，養(yǎng)分貧瘠條件更適于生長[27]，而在本試驗中分別用微生物有機肥和沼渣有機肥替代無機氮對細菌和放線菌均有所提高，但兩者間之間差異不顯著，而且在水稻生長后期(孕穗期和成熟期)微生物有機肥真菌數(shù)量顯著低于沼渣有機肥，說明兩種有機肥替代無機氮肥在水稻生長前期均能顯著提高土壤養(yǎng)分含量，而且微生物有機肥較沼渣有機肥肥效更為持久，在水稻生長后期不僅能滿足作物生長對養(yǎng)分的需求，而且能滿足土壤微生物對養(yǎng)分的需求。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)極易受外界環(huán)境和人類活動的影響[28]，不同作物、生長季節(jié)和施肥處理等均可使群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[29]，同樣在本研究中稻田土壤微生物菌種百分比隨著水稻生育期的改變而不斷產(chǎn)生變化，尤其在水稻分蘗期和孕穗期群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，土壤細菌百分比顯著下調(diào)，而生物有機肥和沼渣有機肥替代無機氮減小了微生物菌種百分比的變化，起到了維持群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。另外，微生物有機肥替代無機氮后細菌/真菌值在水稻各生育期均高于沼渣有機肥替代無機氮肥，尤其在水稻苗期、分蘗期和孕穗期效果顯著，說明微生物有機肥對群落結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和改善作用方面優(yōu)于沼渣有機肥，但具體是如何調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及菌種間關(guān)聯(lián)關(guān)系，還有待進一步采用高通量測序等技術(shù)手段進行分析探討。

4 結(jié) 論

微生物有機肥替代20%無機氮肥在水稻上應(yīng)用效果較好，可顯著增加水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，較CK和100%N水稻產(chǎn)量增加77.21%和 2.72%，且可提高水稻各生育期土壤細菌、放線菌數(shù)量和B/F值、降低真菌數(shù)量，有利于土壤微生物結(jié)構(gòu)的改善，為適宜于漢中盆地水稻上氮肥料減量配施的方法。