不同有机氮替代部分无机氮对水稻产量及土壤微生物的影响

崔月贞，吴玉红，郝兴顺，张春辉，秦宇航，王晓娥，杨云霞

(汉中市农业科学研究所，陕西汉中 723000)

化肥对促进农作物生长具有重要作用，合理施肥是提高作物产量的重要保障[1]。但近年来，由于化肥的不合理使用，尤其是氮肥的过量使用，不仅制约了作物产量的提高，同时产生的农业面源污染问题日益突出[2-3]。有机肥富含有机质、腐殖质、微量营养元素、多种氨基酸、酶类和有益微生物[4]，用其替代化肥可以有效改善土壤氮、磷、钾等养分的平衡状况，改良土壤理化性状，增加土壤有机质含量和养分的有效性，可实现在保证作物高产稳产的情况下培肥土壤、提高生态系统生产力，减少化肥施用量，从而提高肥料利用率，达到减排的效果[5]，这对减少土壤和面源污染具有重要作用。

土壤微生物在生态系统中扮演重要角色，土壤有机物质的分解与转换、土壤的形成、养分的循环利用等重要的生态学过程都受其影响[6]。此外土壤微生物物种多样性及代谢活动与土壤肥力和生产力密切相关[7]，其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[8]。而增施有机肥或用有机肥替代无机肥对调节土壤营养物质的循环，维持土壤肥力，提高微生物数量和活性，促进作物的养分吸收具有重要意义[9]。相关研究[10-11]表明，沼肥替代部分化肥可以提高小麦根际土壤微生物数量和酶活性，商品有机肥替代化肥能够增强微生物群落代谢活性，提高土壤质量。

汉中盆地是陕西省重要的水稻生产基地，水稻种植面积约占全省的70%，同时汉中盆地是南水北调中线工程的水源涵养地[12]。赵佐平[13]研究显示该地区水稻氮肥使用量普遍较高，且化学氮肥的投入水平远高于有机肥氮的量，潜在的面源污染问题较为突出。所以探索有机氮替代部分化肥氮技术，对提高汉中盆地水稻产量和肥料利用率，减少面源污染具有重要意义。目前，关于有机肥替代化肥在设施蔬菜、南方双季稻和黄河三角洲水稻等方面均有不少研究[14-16]，但是针对不同有机肥替代化肥在陕西南部水稻及稻田土壤微生物上的研究较少。因此，本研究分别用沼渣有机肥、微生物有机肥和秸秆替代20%无机氮后，测定其对汉中盆地水稻产量及构成要素的影响，并测定其对水稻全生育期稻田土壤微生物数量动态变化的影响，旨在分析比较不同有机氮替代方法在陕西南部水稻和土壤微生物上的应用效果，优化化肥减量配施方法，为提高土壤质量和培育土壤肥力提供科学依据，也为稻田减肥减药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月至9月在陕西省汉中市农科所韩塘试验基地进行。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～ 1 000 mm，无霜期235 d，年均日晒时数约 1 400 h， ≥10 ℃的年积温为4 480 ℃。供试土壤为水稻土，试验前土壤基本理化性质：pH为 6.58，有机质15.64 g/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[w(N)≥46.4%]由四川美丰化工有限公司生产，过磷酸钙 [w(P2O5)≥12%]由湖北祥云化工股份有限公司生产，钾肥为氯化钾[w(K2O)≥60%)]由湖北宜昌涌金工贸有限公司生产，沼渣有机肥 [w(N+P2O5+K2O)]≥5%由陕西军鑫农业发展有限公司生产，微生物有机肥[w(N+P2O5+K2O)≥32%]由山东金正大公司生产，油菜秸秆由汉中市农科所韩塘实验基地提供。

1.2 试验设计

试验设不施肥(CK)、无机氮肥(100% N)沼渣有机肥替代20%无机氮(80%N+BRO)、微生物有机肥替代20%无机氮(80%N+BOF)、秸秆替代20%无机氮(80%N+SW)5 个处理，20%有机肥替代指通过有机肥中氮养分折合所替代的化学氮肥的百分比，各处理磷钾肥用量相同。采用随机区组试验，各处理3次重复。小区面积为 20 m2(4 m×5 m)，各小区间设置田埂，并用塑料膜包裹隔开，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。

化肥常规用量为N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2。使用尿素[w(N)≥46.4%]、过磷酸钙[w(P2O5)≥12%]、氯化钾 [w(K2O)≥60%]，无机氮由尿素提供，各处理氮肥用量见表1。所有处理中氮肥70%做基肥，30%做分蘖肥，有机氮肥均做基肥一次性施用；磷肥、钾肥做基肥一次性施用。

表1 不同处理氮肥用量Table 1 Nitrogen fertilizer amounts under different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测产及考种 水稻成熟后收割前，各处理随机取10株，测定有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量，水稻收获后，测定实收籽粒产量。

1.3.2 土壤样品采集 采用梅花5点取样法，取0～20 cm耕作层土壤。采集时间为水稻生长发育的5个时期，即水稻移栽前(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)。

1.3.3 土壤微生物测定 采用稀释涂平板法来测定土壤微生物的数量。具体操作步骤参考文献[17]中的方法。

1.4 数据处理

采用Microsolft Excel 2010对试验统计分析，并用 SPSS 12.0 进行方差分析，处理间采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同有机氮替代无机氮对水稻产量及构成要素的影响

表2表明，不同有机氮替代无机氮对水稻产量构成要素的影响各不相同，对水稻有效穗数和穗粒数的影响差异显著，对结实率和千粒质量影响不显著。有机氮替代无机氮可显著提高有效穗数，80%N+BRO、80%N+BOF和80%N+SW较CK增幅分别为56.32%、60.92%和54.02%，但各施肥处理间差异不显著；水稻穗粒数以 80%N+SW最高，显著高于其他各处理，较CK和100% N增幅分别为10.78%和4.19%， 80%N+BRO和80%N+BOF显著高于对照，低于100% N处理，但差异不显著；有机氮替代无机氮可增加结实率和千粒质量，但较CK差异不显著；有机氮替代无机氮对水稻产量均有提高，其中80%N+BOF最高，较CK和100% N增幅分别为77.21%和2.72%，其次为80%N+SW产量高于CK和100% N，较CK增幅为74.21%，但各处理间差异性不显著。

表2 不同有机氮替代无机氮对水稻产量及产量构成要素的影响Table 2 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on yield and yield components of rice

注：同列数据后不同小写字母表示经Duncan’s新复极差法检验在P<0.05水平差异显著。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 不同有机氮替代无机氮对土壤细菌的影响

表3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，细菌数在 1.40×107～5.79×107cfu/g。施肥处理可提高稻田土壤细菌的数量，100%N显著提高水稻苗期、分蘖期和孕穗期细菌数量，较CK增幅分别为12.83%、 15.79%和13.22%，但在成熟期差异不显著；而有机肥替代无机氮可显著提高水稻后期即孕穗期和成熟期细菌数量，其中80%N+BRO细菌数量均高于其他各处理，且显著高于CK和100%N，在水稻苗期、分蘖期、孕穗期和成熟期较CK增幅分别为25.92%、50.89%、50.69%和53.22%；其次为80%N+BOF，较CK增幅分别为25.92%、 50.89%、50.69%和53.22%。

表3 不同有机氮替代无机氮对土壤细菌数量的影响Table 3 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil bacterial pupulation (×106)cfu/g

2.3 不同有机氮替代无机氮对土壤真菌的影响

表4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，真菌数在 2.20×104～5.11×104cfu/g。施肥处理可不同程度降低稻田土壤真菌数量，但常规施肥100%N降低差异不显著；不同有机氮替代无机氮对稻田土壤真菌数量的影响各不相同，其中80%N+BOF降低水稻全生育期稻田土壤真菌数量，苗期、分蘖期、孕穗期和成熟期分别较CK分别降低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数量，较CK分别降低34.21%、41.94%和9.27%；80%N+BRO降低水稻孕穗期土壤真菌数量，较CK降低 34.84%。

表4 不同有机氮替代无机氮对土壤真菌数量的影响Table 4 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil fungi (×104)cfu/g

2.4 不同有机氮替代无机氮对土壤放线菌的影响

表5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，放线菌数在 7.09×105～3.67×106cfu/g。有机氮替代无机氮可不同程度提高水稻各生育期土壤放线菌数量，其中80%N+BRO显著高于其他各处理，较CK增幅分别43.48%、16.05%、31.56%和 35.67%；其次为80%N+BOF，较CK增幅分别 38.79%、 13.19%、31.56%和37.68%； 80%N+SW可提高水稻苗期放线菌数量，较CK增加 22.27%。

表5 不同有机氮替代无机氮对土壤放线菌数量的影响Table 5 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on soil actinomycetes (×105)cfu/g

2.5 不同有机氮替代无机氮对微生物结构的影响

土壤中微生物中细菌/真菌的比值可作为土壤肥力的衡量指标，其与土壤养分含量呈显著正相关。图1显示，不同有机氮替代无机氮对水稻各生育期B/F(细菌/真菌)值均有不同程度提高，表明不同有机氮替代无机氮对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，且在水稻苗期和分蘖期显著高于其他处理，在苗期、分蘖期、孕穗期和成熟期较CK增幅分别为46.32%、52.89%、 51.16%和28.39%；在孕穗期和成熟期 80% N+BRO较CK分别增加为43.11%、 27.05%、48.50%和22.78%。

图2显示，稻田土壤微生物3大菌种百分比(真菌、细菌和放线菌)随着水稻生育期的改变而不断产生变化，尤其在水稻分蘖期和孕穗期群落结构发生较大变化，土壤细菌百分百显著下调，而生物有机肥(80%N+BOF)和沼渣有机肥 (80%N+BRO)替代无机氮减小了微生物菌种百分比的变化，起到了维持群落结构稳定性的作用。

3 讨 论

微生物有机肥含有丰富的有益微生物、活性酶和微量元素，增施微生物有机肥或用其替代部分化肥可促进植物生长、提高作物产量，刘玉英等[18]研究发现，适量施入有机无机肥可以不同程度增加结球甘蓝的生物产量、平均单球质量、小区产量；徐立功等[19]研究发现，生物有机肥替代部分化肥可显著促进番茄植株的生长，提高产量。另外，众多研究结果表明有机氮替代无机氮在小麦、荞麦[20]和黄瓜[21]等多种作物上均具有增产效果。同样，本研究结果表明，用微生物有机肥替代部分无机氮提高了水稻产量构成要素，对水稻有效穗数和穗粒数的提高最为显著，水稻籽粒产量较CK和100%N籽粒产量分别增加77.21%和2.72%，这与前人研究结果一致。

不同小写字母表示差异显著 Different lowercase letters indicate significant difference

图2 不同有机氮替代无机氮对3类微生物百分比的影响Fig.2 Effects of partial replacement of chemical fertilizer by organic manure on percentage of three kinds of microorganisms

微生物菌肥是在复混肥的基础上接种有益微生物而生产的一种肥料，具有预防和减轻作物病虫害的作用，靳海波等[22]研究发现，增施生物有机肥GSJ-1显著降低了土壤中马铃薯疮痂病病原菌含量。李春花等[23]研究不同生物有机肥对荞麦病害及产量的影响结果表明，施用生物有机肥可以有效降低荞麦褐斑病发病率。在本研究中，发现微生物有机肥部分替代无机氮显著降低稻田土壤中真菌数量，且在水稻孕穗期和成熟期效果最显著，而植物病害的70%～80%均是由真菌造成的[24]，水稻多种真菌病害如稻瘟病、纹枯病和稻曲病等，多在水稻后期严重发生[25]，因此推测微生物有机肥替代无机氮对水稻病害具有一定的防治作用，降低了因土壤带菌引起的土传病害发病机率，但具体是否能够抑制土壤中病原真菌、抑制何种病原真菌以及其如何发挥防控作用等，还有待进一步探索与研究。

土壤中微生物可作为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[26]，真菌由于自身菌丝体的特性，养分贫瘠条件更适于生长[27]，而在本试验中分别用微生物有机肥和沼渣有机肥替代无机氮对细菌和放线菌均有所提高，但两者间之间差异不显著，而且在水稻生长后期(孕穗期和成熟期)微生物有机肥真菌数量显著低于沼渣有机肥，说明两种有机肥替代无机氮肥在水稻生长前期均能显著提高土壤养分含量，而且微生物有机肥较沼渣有机肥肥效更为持久，在水稻生长后期不仅能满足作物生长对养分的需求，而且能满足土壤微生物对养分的需求。

土壤微生物群落结构极易受外界环境和人类活动的影响[28]，不同作物、生长季节和施肥处理等均可使群落结构发生改变[29]，同样在本研究中稻田土壤微生物菌种百分比随着水稻生育期的改变而不断产生变化，尤其在水稻分蘖期和孕穗期群落结构发生较大变化，土壤细菌百分比显著下调，而生物有机肥和沼渣有机肥替代无机氮减小了微生物菌种百分比的变化，起到了维持群落结构稳定性的作用。另外，微生物有机肥替代无机氮后细菌/真菌值在水稻各生育期均高于沼渣有机肥替代无机氮肥，尤其在水稻苗期、分蘖期和孕穗期效果显著，说明微生物有机肥对群落结构调节和改善作用方面优于沼渣有机肥，但具体是如何调控土壤微生物群落结构及菌种间关联关系，还有待进一步采用高通量测序等技术手段进行分析探讨。

4 结 论

微生物有机肥替代20%无机氮肥在水稻上应用效果较好，可显著增加水稻有效穗数和穗粒数，较CK和100%N水稻产量增加77.21%和 2.72%，且可提高水稻各生育期土壤细菌、放线菌数量和B/F值、降低真菌数量，有利于土壤微生物结构的改善，为适宜于汉中盆地水稻上氮肥料减量配施的方法。