微生物菌肥对水稻产量及土壤成分的影响研究

张莹莹，李新畅，檀建新，丁贵江，张 婷，陈 磊，郑 然，任 杰，石爱丽

(1.承德市农林科学院，河北 承德 067000; 2.河北农业大学 食品科技学院，河北 保定 071000; 3.宁夏盐 池县自然资源局，宁夏 吴忠 751500; 4.承德市农村土地承包经营权流转管理服务中心，河北 承德 067000 )

1 引言

水稻作为我国主要粮食作物，总产量约为2.08亿t，占我国总粮食产量的37.2%[1，2]。冀北地区属于北方半湿润单季稻作区，受气候限制水稻一年一季，为追求产量施用大量化肥，不利于农业的可持续发展。长期施用过量化肥不仅会浪费肥料，导致土壤有机质含量下降和土壤酸化，使植物体内吸收大量的重金属元素，导致作物产量和品质下降，且重金属元素会通过食物链最终在人体内富集[3]。随着绿色种植，绿色粮食的理念不断被人们接受，微生物菌肥作为一种新型的生物肥因其环境友好、功能全面等特点被农业工作者用来代替传统肥料和化学肥料，以满足人们对绿色粮食的需求，是当前使用较多的生物肥料[4]。微生物菌肥中含有80多种活性微生物，将对作物有益微生物菌群(EM 菌)混合到有机肥料中，作为基肥施用到土壤中[5～7]。通过实现一次性施肥就能满足作物整个生长期的养分需求，有利于培育健壮植株，在提高肥料利用率的同时，大幅度减少了劳动成本投入[8]。微生物菌肥还可以有效缓解农作物因连作和工业化肥滥用产生的问题，起到良性调节作用，产生正向效果[9]。吴昊等通过田间小区试验发现施用3000 kg/hm2复合微生物菌剂肥处理效果最佳，水稻增产率增加了34.92%。同时，增加了土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量，提高了水稻土壤的养分含量[4]。胡基华等通过田间小区试验发现减施化肥配施微生物菌肥使大豆产量增加4.72%[10]。微生物菌肥可以提高玉米[11]、谷子[7]、大豆[12]和番茄[13]等作物的产量和品质。

目前新型肥料的应用研究虽然较宽泛，结论不尽相同，尤其在冀北地区进行微生物菌肥替代其他肥料施用对水稻高产优质作用的研究少之又少。以水稻作为研究对象，在水稻种植中以微生物菌肥、有机肥、牛粪和羊粪作为基底肥，通过田间小区试验，探究不同种类肥料及施肥量对水稻产量的影响；对施用微生物菌肥的栽培土壤中的养分、重金属等指标进行测定；明确微生物菌肥对当地水稻产量和土壤的影响。旨在为促进水稻产量，保护土壤结构，为水稻的高效优质栽培提供参考。

2 材料和方法

2.1 实验地概况

试验于2021年在河北省隆化县张三营镇进行。水资源丰富，土壤质地为褐色砂土，土壤pH=6.9，全氮1.05 g/kg、全磷0.50 g/kg、全钾36.4 g/kg，前茬作物为水稻，适宜机械化作业。

2.2 供试材料

供试水稻品种为五优稻一号，全生育期140 d，为黑龙江省五常市种子公司、黑龙江农业科学院第二水稻所选育。施用肥料种类：羊粪(Y)、牛粪(N)、兆沃田生物有机肥(承德沃田生物有机肥有限公司)(Z)、自制微生物菌肥(W)。

2.3 试验设计

采用随机区组设计，将肥料作为底肥进行撒施，试验梯度如表1所示，共21个处理，以不施肥作为对照，每个处理3次重复，小区面积为30 m2，插秧规格30.0 cm×14 cm(15881穴/667 m2)。其他农艺措施与田间管理均按当地要求进行统一管理。

表1 水稻底肥设计 kg/667m2

2.4 试验实施

2021年4月15日播种，5月25日将肥料作为底肥撒施，5月26日移栽，使用久保田SPW48C水稻旱地精量穴直播机(久保田农业机械(苏州)有限公司)进行机械化插秧。全生育期用大疆T20 无人机(深圳大疆创新科技有限公司)防治病虫草害，10月15日收获。

2.5 测定项目及方法

2.5.1 水稻植株性状及产量

在水稻成熟期，对角线五点取样，每点取1 m2，选取各处理小区水稻植株，实收测产。

2.5.2 土壤养分、重金属含量测定

水稻成熟期收获后采集施用微生物菌肥土壤(WF)和不施微生物菌肥土壤(CK)耕层0～20 cm土壤样品，用于养分、pH值和重金属等元素含量测定，由北京谱尼测试科技有限公司完成。

2.6 数据处理

利用 Microsoft Excel 2010 软件对数据进行记录和作图，采用SSPS 25.0 软件进行数据处理、差异显著性分析( Duncan 氏新复极差法，P<0.05)、独立样本t检验、相关性分析检验。采用matlab进行模型拟合分析。

3 结果与分析

3.1 不同肥料和用量对水稻产量的影响

不同肥料和施肥量处理对水稻实际产量和理论产量有显著影响(表2)。肥料种类对水稻实际产量有一定的影响(F=9.72，P=0.0001)，实际产量依次表现为微生物菌肥>有机肥>羊粪>牛粪。750 kg/667m2微生物菌肥处理实际产量最高，为516.01 kg/667m2，与1000 kg/667m2微生物菌肥处理产量无显著差异，显著高于其他处理。高于未施肥对照128.63%，较高于750 kg/667m2有机肥处理8.70%，高于750 kg/667m2牛粪处理67.74%，高于800 kg/667m2羊粪处理34.47%。肥料种类对水稻理论产量有一定的影响(F=79.57，P=0.0001)，理论产量依次表现为微生物菌肥>有机肥>羊粪>牛粪。750 kg/667m2微生物菌肥处理理论产量最高，为566.74 kg/667m2，高于未施肥对照193.60%，高于1000 kg/667m2微生物菌肥处理12.91%，高于800 kg/667m2有机肥处理22.31%，高于800 kg/667m2牛粪处理445.44%，高于800 kg/667m2羊粪处理31.31%。

表2 不同肥料种类和施肥量下的水稻产量 kg/667m2

3.2 微生物菌肥对土壤养分及重金属影响

微生物菌肥对稻田土壤养分变化的影响如图1所示，W和CK的pH值分别为6.90和6.83，其中施用微生物菌肥土壤的pH值略高。W和CK的全氮含量分别为1.78±0.05 g/kg和1.06±0.04 g/kg(t=21.67，df=8，P<0.01)；W和CK的全磷含量分别为0.65±0.02 g/kg和0.52±0.02 g/kg(t=9.961，df=8，P<0.01)；W和CK的全钾含量分别为37.62±0.38 g/kg和35.96±0.42 g/kg(t=6.46，df=8，P<0.01)；施用微生物菌肥的稻田土壤全氮、全磷、全钾含量极显著高于对照组(图1)。

微生物菌肥对稻田土壤重金属含量影响如图2所示，W和CK的锌含量分别为49.74±0.77 mg/kg和49.34±1.49 mg/kg(t=0.532，df=6.021，P>0.05)；W和CK的砷含量分别为5.14±0.15 mg/kg和6.16±0.09 mg/kg(t=-12.76，df=8，P<0.01)；W和CK的镉含量分别为0.11±0.01 mg/kg和0.18±0.01 mg/kg(t=-13.67，df=8，P<0.01)；W和CK的铜含量分别为13.70±0.07 mg/kg和14.02±0.08 mg/kg(t=-6.53，df=8，P<0.01)；W和CK的铅含量分别为12±0.18 mg/kg和22.12±0.21 g/kg(t=-79.02，df=8，P<0.01)；W和CK的汞含量分别为0.007±0.00001 mg/kg和0.0398±0.002 mg/kg(t=-49.42，df=8，P<0.01)；W和CK的镍含量分别为17.00±0.07 mg/kg和17.02±0.14 mg/kg(t=-0.272，df=8，P>0.05)；W和CK的铬含量分别为27.00±0.07 mg/kg和37.86±0.25 mg/kg(t=-93.12，df=4.631，P<0.01)；施用微生物菌肥的稻田土壤内的砷镉铜铅汞铬含量极显著低于对照组，锌镍的含量在二者之间差异不显著。

柱上星号表示施用微生物菌肥土壤与未施用微生物菌肥土壤中营养物质含量(独立样本T检验，P< 0.001，下同。

图2 施用微生物菌肥土壤与未施用微生物菌肥土壤中营养物质含量

3 结论与讨论

水稻优质高产对于国家粮食安全、农业绿色和地方经济持续发展具有重要的意义。本文探究了肥料种类和施肥量对水稻产量和稻田土壤养分的影响。实际产量表现为：微生物菌肥>有机肥>羊粪>牛粪，施用微生物菌肥对水稻产量有促进作用。施用750 kg微生物菌肥效果最佳，水稻亩产516.01 kg，高于未施肥128.63%，高于亩施750 kg有机肥8.70%。前人研究表明微生物菌肥对水稻产量有正向促进作用[14～18]。土壤肥力的提升与水稻增产密切相关[19～21]，施用微生物菌肥后，土壤中全氮、全磷和全钾含量较未施肥提高了40.4%，25.00%，4.6%；重金属砷、镉、铜、铅和汞含量下降19.84%、38.8%、2.20%、45.75%和82.40%。明显改善了土壤理化性质、有效缓解了土壤肥力下降，提高了土壤养分含量。说明合理适量地施用微生物菌肥能够提高土壤养分、降低重金属含量，增加水稻产量和品质。前人研究证实，微生物菌肥能优化土壤环境，施用微生物菌肥在作物上有增产提质的效果。综合分析，施用750 kg/667m2微生物菌肥作为基底肥，适宜在北方半湿润单季稻作区水稻高产栽培中推广应用。