汉中盆地水稻产量和土壤微生物对新型肥料的响应

崔月贞，吴玉红，郝兴顺*，张春辉，王 薇，冯瑞瑞，秦宇航，王晓娥

(1.汉中市农业科学研究所，陕西 汉中 723000；2.临渭区农业局，陕西 渭南 741000)

【研究意义】肥料是粮食增产的物质基础，也是作物生长的营养库，更是农业可持续发展的物质保证[1-2]，不仅能够为作物生长提供必需的营养元素，而且能够改变土壤性能，提高土壤肥力，对农业循环可持续发展具有重要意义[3]。新型肥料可通过多种方式提高利用率，改良土壤肥力, 又能刺激作物生长、提高作物品质，减少肥料对环境造成的污染。如腐殖酸氮肥本身含有羟基、羧基和酚羟基等活性基团，这决定了其具有较强的吸附和离子交换能力，以及络合、缓冲作用[4]；控释氮肥的施用能不同程度地降低氮素的氨挥发和淋溶损失[5-6]，并有效控制氮素释放速率，满足作物生育后期氮素的供应[7-8]，对提高作物产量和品质具有重要作用。【前人研究进展】土壤微生物作为土壤生态系统的重要参与者，不仅可以转化土壤有机质、腐殖质及植物营养等，还能修复受污染的土壤，对提高土壤质量和实现土壤的可持续利用起到主导作用[9-10]。土壤微生物参数可用于反映土壤质量，真菌和细菌的比值通常被作为评价生态系统自我调控能力大小的重要指标[11-12]。土壤微生物易受土壤环境条件的影响，不同肥料处理对土壤中微生物种类和数量影响不同，王华等[13]研究不同肥料对油茶林土壤微生物的影响，发现肥料处理对土壤细菌和放线菌数量具有明显的促进作用，蒋宇航等[14]发现不同肥料可不同程度提高根际土壤微生物群落丰度以及菌群多样性。宋庆丰等[15]发现新型肥料均能不同程度上增加风化土壤中微生物数量。汉中盆地是陕西省重要的粮油生产基地，该地水田约占全省的75 %，水稻和油菜产量约是全省的80 %和70 %，并且汉中盆地是南水北调中线工程的水源涵养地[16]。所以，探究该地水稻及土壤微生物对新型肥料的响应，对提高汉中盆地水稻产量及肥料利用率、减少面源污染具有重要意义。【本研究切入点】目前，针对北方旱地、南方双季稻区土壤微生物的研究已有不少[17-18]，而针对新型肥料对陕西南部水稻及土壤微生物的研究较少。【拟解决的关键问题】因此，本研究选用新型肥料腐殖酸氮肥、脲酶抑制剂、有机包膜纯净肥和90 d控释肥，测定其对汉中盆地水稻产量、构成要素和土壤微生物的影响，旨在明确不同新型肥料对水稻全生育期土壤微生物动态变化的影响，为施肥效应以及微生物响应机制的研究奠定基础，筛选出应用效果好且有利于改善土壤微生物结构的新型肥料，为提高汉中盆地水稻产量及肥料利用率、减少面源污染提供科学依据，也为新型肥料在陕西南部的区域试验及减肥减药的示范推广提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2018年4-9月在陕西省汉中市韩塘试验基地进行。该地(33°8′3″N，107°0′40″E)，海拔约500 m，属亚热带湿润季风性气候，年平均气温约14 ℃，年均降水量800～1000 mm，无霜期235 d，年均日晒时数约1400 h，≥10 ℃的年积温为4480 ℃。供试土壤为水稻土，试验前土壤基本理化性质：pH 6.58，有机质15.64 mg/kg、碱解氮124.37 mg/kg、速效钾104.12 mg/kg、速效磷17.27 mg/kg。试验以杂交籼稻荃香优1521为供试材料。

供试肥料。尿素 (N 46.4 %)购自于四川美丰化工有限公司；过磷酸钙(P2O512 %)购自于由湖北祥云化工股份有限公司；钾肥为氯化钾(含K2O 60 %)购自于湖北宜昌涌金工贸有限公司经销；腐殖酸氮肥购自于山东农大肥业科技有限公司；有机微生物包膜纯净肥购自于北京正方向生物开发有限公司；脲酶抑制剂为化学制品单剂，购自于山东千贝化工有限公司；纳米碳增效肥购自于山西华农纳米科技有限公司；90 d控释氮肥由广东农科院研制，购自于山东金正大生态工程股份有限公司。

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，每个处理3次重复。共设 7 个处理，分别为：不施肥(CK)；常规施肥(F)；腐殖酸氮肥(HA)；有机包膜纯净肥(OPF)；脲酶抑制剂(UI)；纳米碳增效肥(NSF)；90 d控释肥(CRF)。每个小区面积20 m2(4 m×5 m)，小区田埂设农膜，各小区用包膜田埂隔开间，避免水肥相互渗透，田埂宽约0.4 m；试验区间和四周设有灌溉渠，渠宽0.5 m，采用当地习惯灌溉模式和田间管理方式。

施肥量及施肥方式。施氮量 N 180 kg/hm2、施磷量 P2O590 kg/hm2、施钾量K2O 105 kg/hm2，同等含氮量的新型肥料。F、HA、OPF、UI、NSF和CRF处理氮肥分2次施用：70 %做基肥，30 %做分蘖肥；磷肥、钾肥做基肥一次性施用。

1.3 样品采集

土壤样品采集：采用梅花5点取样法采集土样，采集深度为耕作层的0～20 cm。采集时间为水稻生长发育的5个时期，分别为水稻移栽前(5月26日)、苗期(6月15日)、分蘖期(7月5日)、抽穗期(8月15日)和成熟期(9月14日)。

1.4 测定方法

测产及考种：水稻成熟后收割前，每个处理随机取10株水稻，测定穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率、千粒重等数据，水稻收获后，测定实收籽粒产量。

土壤微生物测定：用稀释涂平板法来测定土壤微生物的数量。将各小区5点土壤样混匀，剔除残茬等杂物，过2 mm筛，风干，每份土样称取3 g，加入无菌水 18 mL，震荡 30 min，参考文献[19]中方法，10倍稀释法稀释后，取100 μl·10-2浓度的悬浮液，涂于马丁氏平板培养基，25 ℃恒温培养3 d，统计真菌菌落数；取100 μl·10-5浓度的悬浮液，涂于LB平板培养基28 ℃恒温培养2 d，统计细菌菌落数；取100 μl·10-3浓度的悬浮液，涂于高氏一号平板培养基，28 ℃恒温培养5 d，统计放线菌菌落数，计算每克土(干重)的含菌量。

1.5 数据处理

采用数据Excel统计数据，并用 SPSS 12.0 进行方差分析，各处理之间采用Duncan氏新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 新型肥料对水稻产量及构成要素的影响

图1显示，不同新型肥料对水稻产量均有提高，且差异性显著，其中CRF最高，较CK和F增幅分别为86.84 %和8.3 %，UI、OPF和HA，较CK增幅分别为66.63 %、64.03 %和63.58 %，HA、OPF和UI低于F，但各处理间差异性均不显著；NSF明显低于F，且差异性显著。

表1表明，不同新型肥料对水稻产量构成要素的影响各不相同，新型肥料对有效穗数和千粒重的影响差异显著，对穗粒数和结实率影响不明显。水稻有效穗数以OPF处理最高，可达20.43 ×104穗/hm2，显著高于CK和F，较CK增幅为74.43 %，其次为UI和CRF高于空白CK和F，较CK分别增多69.71 %和63.22 %，但与F之间差异性不明显；千粒重以NSF最高，其次为UI和HA，处理之间差异性不显著，但均高于CK和常规处理；在穗粒数上以CRF最高，可达142.02粒/穗，各处理间差异性不显著，但显著高于NSF；NSF的结实率最高，OPF结实率最低，但不同处理间差异性不显著。

图1 不同新型肥料对水稻产量的影响Fig.1 Effects of different new fertilizers on yield of rice

2.2 不同新型肥料对土壤细菌的影响

表2表明，土壤细菌数量在水稻整个生育期呈先降低再升高的趋势，细菌数目在 1.40×107～5.79×107cfu/g 范围内波动。不同新型肥料对各生育期土壤细菌数量的影响各不相同，其中CRF在水稻各生育期细菌数量均高于CK，尤其在苗期、孕穗期和成熟期显著高于其他各处理，较CK增幅分别为28.20 %、55.0 %和72.96 %；HA在水稻苗期、分蘖期和孕穗期土壤细菌数量高于CK和F，较CK增幅分别为24.41 %、37.82 %和35 %；UI在前期对细菌数量影响不明显，且在苗期显著低于CK，但在成熟期细菌数量显著高于CK和F，较CK增幅为64.85 %。

表1 不同新型肥料对水稻产量构成要素的影响

注：表中数据为平均数±标准差。同列数据后小写字母表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平差异显著。下同。

Note： Date are mean ± SD. Different lowercase letters in the same column indicate significantP<0.05 level by Duncan’s new multiple range test. The same as below.

表2 不同新型肥料对水稻各生育期土壤细菌数量(×106cfu/g)的影响

2.3 不同新型肥料对土壤真菌的影响

表3表明，土壤真菌数量在水稻整个生育期呈先降低再升高的趋势，真菌数目在 1.63×104～6.37×104cfu/g 范围内波动。不同新型肥料不同程度的降低了稻苗期、分蘖期和孕穗期真菌数量，但在成熟期又开始升高。其中OPF在水稻苗期、分蘖期和孕穗期真菌数量最低，较CK分别降低96.89 %、62.18 %和88.26 %，其次为UI，较CK分别降低90.00 %、51.20 %和22.37 %；CRF在水稻各生育期真菌数量均低于CK，但差异性不显著，较降低为23.78 %、26.72 %、18.32 %和11.92 %。

2.4 不同新型肥料对土壤放线菌的影响

表4表明，土壤放线菌数量在水稻整个生育期呈先升高再降低的趋势，放线菌数目在 7.09×105～4.68×106cfu/g 范围内波动。新型肥料不同程度的提高了苗期土壤放线菌数量，分蘖期后又降低了放线菌数量，在苗期以UI、CRF、NSF和OPF处理放线菌数量依次最高，显著高于CK和F处理，其中HA在苗期、孕穗期和成熟期均提高了放线菌数量，且在孕穗期和成熟期放线菌数量显著高于其他各处理，增幅分别为28.40 %、46.67 %和88.03 %；CRF在苗期和成熟期提高土壤放线菌数量，增幅分别为79.18 %和78.37 %；NSF在苗期和孕穗期提高土壤放线菌数量，增幅分别为74.49 %和17.24 %；UI和OPF在苗期提高土壤放线菌数量，增幅分别为82.8 %和70.59 %。

表3 不同处理对水稻各生育期土壤真菌数量(×104cfu/g)的影响

表4 不同处理对水稻各生育期土壤放线菌数量(×105cfu/g)的影响

图2 不同新型肥料对稻田土壤微生物总数量的影响Fig.2 Effects of different new fertilizations on the total number of soil microorganism at rice field

2.5 不同新型肥料对土壤微生物总数的影响

图2显示，在水稻整个生育期土壤微生物总数量呈先降低再升高的趋势，微生物总数目在1.35×107～6.01×107cfu/g 范围内波动。新型肥料不同程度地提高了微生物总数量，CRF效果在苗期和成熟期提高最多，较F提高8.17 %和65.42 %，HA在苗期和分蘖期较F提高4.36 %和4.93 %，UI在成熟期较F提高55.66 %。

2.6 不同新型肥料对细菌/真菌的影响

图3显示，不同新型肥料对水稻各生育期B/F(细菌/真菌)值的影响不同，在苗期、分蘖期和孕穗期均有不同程度的提高B/F值，使群落结构向细菌型调整，但对成熟期B/F值的影响均不显著。只有CRF在全生育期对B/F值均有所提高，且在成熟期B/F值显著高于其他处理。HA在苗期和分蘖期B/F值最高，UI在孕穗期B/F值最高，均显著高于其他各处理。

图3 不同新型肥料对水稻各生育期土壤细菌/真菌(B/F)值的影响Fig.3 Effects of different new fertilizations on bacterial/ fungi value at different growth stage of rice

图4 不同新型肥料对水稻各生育期土壤微生物分比的影响Fig.4 Effects of different new fertilizations on percentage of soil microorganisms at different growth stage of rice

图4显示，土壤微生物群落结构随着水稻的生长产生不断的变化，细菌的比例呈先下降再升高的趋势，放线菌的比例呈先升高再降低的趋势，真菌比例逐渐升高。新型肥料在分蘖期后较CK维持了土壤结构的变化，其中CRF、UI和OPF效果最为明显，且CRF降低了成熟期真菌比例。HA在苗期和分蘖期较CK有效维持了微生物结构的改变，减小了细菌比例下调的幅度。

3 讨 论

新型氮肥具有比常规肥料更高效和更稳定的氮素供应能力，可通过提高有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重等产量构成要素来达到水稻增产的效果[20-21]。本试验中，新型肥料对有效穗数和千粒重影响差异较为显著，其中90 d控释肥提高有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重来促进水稻增产，其籽粒产量较对照和常规施肥增幅分别为86.84 %和8.3 %，这与王斌等人[22]研究结果一致，控释肥具有高肥力和长肥效作用，可通过提高产量构成要素来达到高产、稳产的效果。张文学[23]等发现施用尿素添加脲酶抑制剂可显著提高水稻产量，本研究结果显示脲酶抑制剂可通过提高有效穗数和千粒重达到增产效果。

微生物群落在土壤生态系统中对营养元素循环、有机物质的形成和分解、土壤肥力的保持和提高、植物的生长发育的调节、作物病虫害防治等方面有着极其重要的作用[24]，但土壤微生物极易受外界环境和人类活动的影响，不同的作物、生长季节、施肥方式和温度等都对土壤微生物的数量和群落结构产生影响[25]。本试验发现不同水稻生育期对土壤微生物的数量影响较大，其中土壤细菌数量在全生育期呈先降低再升高的趋势，放线菌数量呈先升高在降低的趋势，这与余文英等[26]研究发现的在黄瓜初花期细菌数量表现出下降趋势，初花期和结果期放线菌数量均呈明显上升趋势结果一致。本研究还发现在水稻全生育期土壤微生物总数量呈先降低再升高的趋势，原因可能在于当植物进入生长期后需要从土壤中汲取大量的水分和营养物质等，与土壤微生物之间形成了一定的竞争关系，导致微生物数量下降，随着水稻生长后期至成熟期养分需求的减少，微生物数量又开始回升。

施肥可以提供土壤微生物所需的营养物质并可使微生物群落结构发生变化[10]，在本研究中发现新型肥料可提高土壤细菌和放线菌的数量，降低真菌数量，提高B/F值，使微生物结构向细菌型结构调整，这与夏昕[27]等研究长期不同施肥条件下红壤性水稻土微生物群落结构的变化中发现的施肥可以提高细菌数量、降低真菌/细菌比例结果一致。土壤中三大类微生物区系比例是土壤肥力的衡量指标，细菌、放线菌数量与土壤理化性质、土壤养分含量呈显著正相关，而真菌与养分含量之间相关性较差[28]。本研究中在整个生育期90 d控释肥处理下、水稻生长前期(苗期和分蘖期)腐殖酸氮肥处理下、水稻生长后期(孕穗期和成熟期)有机包膜纯净肥处理下，土壤细菌和放线菌的数量、B/F值显著高于对照，表明90 d控释肥对水稻整个水稻生育期、腐殖酸氮肥对生长前期、有机包膜纯净肥对后期稻田土壤施肥效果好，通过增加微生物数量、调高B/F比值提高了稻田土壤肥力。

水稻成熟期不同新型肥料对B/F值的影响均不显著，原因可能在于成熟期肥料有效成分消耗殆尽，不利于土壤细菌的繁殖，而真菌由于自身菌丝体的特性，养分贫瘠条件更适于生长[29]，因此，新型肥料对成熟期B/F值提高不明显，甚至有所下调。然而90 d控释肥恰恰相反，不仅可在全生育期对B/F值均有所提高，且在成熟期效果最为显著，原因可能在于控释肥的长效性，不仅能满足水稻全生育期作物对养分的需求[30]，也能满足土壤微生物对养分的需求。

土壤微生物群落结构随着水稻的生长而不断产生的变化，水稻分蘖期后新型肥料起到了维持土壤结构的作用，其中90 d控释肥、脲酶抑制剂和有机包膜纯净肥效果最为明显，且90 d控释肥降低了成熟期真菌比例，而植物病害的70 %～80 %均是由真菌造成的[31]，因此，可推测控释肥在减轻水稻成熟期病害方面发挥了重要作用，但是否且如何发挥作用还有待进一步验证。

4 结 论

90 d控释肥可显著增加水稻有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重，籽料产量较对照和常规施肥增幅分别为86.84 %和8.3 %；脲酶抑制剂、有机包膜纯净肥和腐殖酸氮肥的水稻籽料产量较对照增幅分别66.63 %、64.03 %和63.58 %。

水稻整个生育期土壤细菌和真菌数量先降低再升高，放线菌先升高再降低；90 d控释肥在整个生育期、腐殖酸氮肥生长前期、有机包膜纯净肥在后期均提高细菌数量和B/F值、降低真菌数量，减小微生物群落结构变化。90 d控释肥、有机包膜纯净肥和腐殖酸氮肥在水稻上应用效果较好，可提高作物产量及微生物数量，且有利于改善土壤微生物结构，为适宜在汉中盆地水稻上使用的新型肥料。