生物源土壤改良剂对水稻产量、抗性及稻米品质的影响

王松 张呈龙 刘闯 张小凡,2*

（1上海又然生态科技有限公司，上海 201111；2 上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240；第一作者：1006songsong@163.com；*通讯作者：xf_zhang@sjtu.edu.cn）

水稻是世界一半以上人口及约60%中国人口的主食[1-2]。我国是世界上水稻主要生产国。在过去的几十年里，我国水稻的增产主要是通过施用大量化肥来实现，然而，长期大量施用化肥会使土壤出现板结、结构破坏和有机质含量下降，引起土壤酸化、氮肥利用率下降，进而导致农田面源污染加剧和水稻产量下降[3-4]。在稻田中，氨挥发是氮损失的主要途径，占施氮总量的10%～60%。研究表明，农业是NH3排放的主要来源，占总排放量的80%～90%。NH3的再沉积可直接或间接导致土壤酸化、水体富营养化和生物多样性丧失[5-6]。

化肥和合成农药的过度使用除了会造成严重的环境问题外，也不利于人类健康。近年消费者对有机食品的认识不断提高[7]。有机类肥料可以改善土壤结构和养分含量[8-12]，有机耕作习惯对环境造成的破坏相对较轻，且更具有可持续性，生产的农产品往往味道鲜美，也更安全[13]。然而，与传统耕作习惯相比，有机生产的作物产量较低且不稳定[14-15]。因此，如何改善土壤环境，又能保证相对稳定的产量及产品品质，最大程度发挥土壤自身功效是农业和环境领域所关注的课题。

土壤改良剂是一种主要用于改良土壤物理、化学和生物性质的物料，具有提高退化土壤生产力的功效[16-17]。目前研究较多的是沸石、石膏、煤灰和聚丙烯酰胺等单一成分的改良剂，效果有限且会带来新的问题[18-19]。为此，本研究以沪软1212 为试验材料，探讨了不同施肥方式对水稻产量、品质、抗性及生态环境的影响，以期为科学利用有机类肥料和土壤改良剂提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种：沪软1212，由上海市农业科学院提供。供试肥料：生物源土壤改良剂（上海又然生态科技有限公司生产，主要技术指标：有机质≥50.0%，N+P2O5+K2O≥4.0%，有效活菌数≥2.0×108cfu/g，主要菌株为Bacillus megaterium、Bacillus mucilaginosus 及Bacillus azolofixans 等，具有溶磷、解钾、固氮等功能）；氮肥（陕西渭河煤化工集团有限公司生产，主要技术指标：N≥46.0%）；复合肥（上海惠尔利农资有限公司提供，主要技术指标：N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）。

1.2 试验设计

本研究于2020 年4 月至2021 年11 月连续2 年在上海市闵行区马桥镇上海又延农业专业合作社（121°35’E，31°00’N）进行。试验面积1.8 hm2。试验设3 个处理：T1，底肥、追肥均使用化肥（常规种植，用量共为60 kg/667 m2）；T2，使用生物源土壤改良剂作底肥（替代总化肥量以氮肥为基准，用量为500 kg/667 m2），不添加追肥；T3，用生物源土壤改良剂作底肥（用量为500 kg/667 m2），化肥作追肥（用量为25 kg/667 m2）。每个处理面积2 000 m2，3 次重复，共6 000 m2。

1.3 试验方法

4 月25 日至5 月15 日翻耕土地2 次，5 月10 日育秧，5 月25 日至5 月26 日施底肥（化肥颗粒状，人工背负式机器喷洒施用；生物源土壤改良剂粉状，牵引式抛洒车施用），6 月5 日机插秧2.1 万丛/667 m2。6 月10日至6 月15 日施返青肥；7 月10 日至7 月20 日施分蘖肥，8 月20 日至8 月30 日施孕穗肥，具体如表1 所示。2021 年9 月25 日后水稻进入成熟期，10 月10 日至10 月29 日收获。分别于水稻分蘖期和成熟期测量植株高度、有效分蘖数、根须长度和根须面积等指标。

表1 各处理施肥方案 （单位：kg/667 m2）

1.4 测定项目及方法

1.4.1 植株性状

测定植株高度、有效分蘖数、根须长度、根须面积、茎基粗度、茎壁厚度；水稻收割后按处理区计总产量。株高和根须长采用卷尺测定，根须面积采用切片投影法测定，茎基粗度、厚度采用游标卡尺测量。

1.4.2 稻米养分含量

测定稻米蛋白质、直链淀粉以及磷、钾、钙、铁、镁等营养元素含量。大米中蛋白质含量测定采用GB/T5009.5-2016，直链淀粉含量测定采用GB/T 15683-2008，钙含量测定采用GB 5009.92-2016，铁含量测定采用GB 5009.268-2016，钾含量测定采用GB 5009.91-2017，镁含量测定采用GB 5009.241-2017，磷含量测定采用GB 5009.87-2016。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 软件进行数据统计和处理，使用SPSS 20.0 软件对不同处理间差异进行显著性检验，应用最小显著差异法（LSD）进行多重比较，不同处理间差异显著性（P＜0.05）用小写字母标注。2 年数据趋势基本一致，本文采用2021 年数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻生长周期的影响

T2 处理在插秧后的第7 d 进入返青期，第22 d 进入分蘖期，第70 d 叶枕平，第87 d 齐穗，第125 d 成熟，比T1 处理生育期分别早2、7、10、12 和19 d；T3 处理则分别比T1 处理早2、3、6、8 和9 d（图1）。

图1 不同施肥处理对水稻生长周期的影响

2.2 不同施肥处理对水稻植株发育的影响

由表2 可见，T3 处理株高、分蘖数（穗数）、根须长及根须面积都优于T1 和T2 处理。在分蘖期，除植株高度T1 处理与T2 处理差异不显著外，其他指标各处理间差异均达显著水平；在成孰期，T3 处理的有效分蘖数、根须长度和根须面积显著高于T1 处理。

表2 不同施肥处理对水稻各生育期生物学指标的影响

2.3 不同施肥处理对水稻产量的影响

如图2 所示，T2 处理产量最低，为433 kg/667 m2，显著低于T1 和T3 处理；生物源土壤改良剂和化肥配施的T3 处理产量最高，为585 kg/667 m2，显著高于T1和T2 处理。

图2 不同施肥处理对水稻产量的影响

2.4 不同施肥处理对水稻抗病虫害、抗倒伏能力的影响

如表3 所示，在T2 和T3 处理区，杀虫剂及防治病害农药的使用次数和施用量明显少于T1 处理区，说明生物源土壤改良剂可以使植株健壮，增强了水稻对稻飞虱和稻纵卷叶螟等害虫的抗性，且生物源土壤改良剂中的微生物菌群有机成分使水稻增强了对纹枯病的抗性。

表3 不同施肥处理的药剂使用情况

由表4 可见，T3 处理的茎基部第2 节粗度略高于T1 处理，差异不显著，但其茎壁厚度显著厚于T1 处理。由图3 可见，在2021 年6 号台风“烟花”及14 号台风“灿都”影响下，T3 处理（左侧）的水稻几乎未发生倒伏（T2 处理亦未发生倒伏，数据未显示），T1 处理却发生大面积倒伏。说明生物源土壤改良剂能增强水稻的抗倒伏性，这与邓文等[20]研究结果一致。

图3 不同处理对水稻抗倒伏能力的影响

2.5 不同施肥处理对稻米养分含量的影响

由表5 可见，T2 处理和T3 处理的蛋白质含量和直链淀粉含量均均显著低于T1 处理，但T2 和T3 处理间差异不显著；稻米中的磷、钾、钙、铁及镁等营养素含量不同处理间差异均为显著，以T3 处理最高。

3 讨论

3.1 不同施肥处理对水稻生长发育及产量的影响

由上述结果可知，施用生物源土壤改良剂处理的水稻生长速度明显快于单施化肥处理，表明生物源土壤改良剂能有效促进水稻的功能分化与生长。但是，根据现有的数据，我们还无法解释单施生物源土壤改良剂的处理（T2）比生物源土壤改良剂和化肥配施的处理（T3）生长更快的原因，这一现象还有待于进一步研究。高菊生等[21]研究认为，有机绿肥与化学肥料配施能加速水稻分蘖，促进水稻生长；连续施用有机肥料能促使水稻提早成熟，生育期缩短3～4 d。吴晓峰等[22]研究结果表明，施用有机肥料可使水稻生育期缩短2 d，还可提高水稻有效穗数和结实率，促进水稻籽粒灌浆结实，增加千粒重。

传统的水稻种植方式是浅层土壤中播撒或混合基施化肥。这种方法提高了表层土壤和灌溉水中的NH4-N 含量[23]。但在早期生长阶段，水稻根系小，植株对氮的需求量较低[24]，造成未被水稻幼苗吸收的氮流失。随着植株的进一步生长，营养需求增加，而土壤或灌溉水中的氮浓度逐渐降低。因此，化肥提供的氮与作物氮需求不同步。单独使用化肥可能导致氮损失和低氮回收率，进而影响水稻的生长速度，同时也增加了水体富营养化造成的环境污染风险和经济损失[25]。

株高是植物形态学调查工作中最基本的指标之一，能客观表示植物生长的优劣[26]，根系是水稻不可缺少的器官，直接影响着水稻的产量、品质和抗逆性，以及对环境条件的适应性等[27]，且根系与地上部生长有密切联系，二者生物量通常成比例发展[28]。王延军等[29]研究表明，生态肥和有机类肥料配施能促进水稻根系发育，形成利于吸收养分的状态。李先等[30]研究认为，有机类肥料有利于水稻根系深扎，增强水稻对肥料氮及土壤氮的有效利用。MOE 等[31]研究了有机类肥料和化肥对籼稻品种Manawthukha 和粳稻品种Genkitsukushi 生长和产量的影响，发现施用有机-无机复合肥处理的SPAD 值、株高和分蘖数均高于施用化肥处理。

有研究认为，单施有机类肥料比单施化肥增产[11]。还有研究结果表明，由于养分含量相对较低且植物养分释放缓慢的原因，仅施有机类肥料无法满足植物的需求，化学肥料和有机类肥料配施才可改善植株生长，提高水稻产量和稻米品质[32]。

3.2 不同施肥处理对水稻抗性的影响

杨巧红[33]研究表明，施用有机类肥料可以增强水稻抗纹枯病的能力。ENGKA 等[34]发现，施用有机类肥料能使植物更健壮，更能抵抗水稻二化螟，此外，还可以降低生产成本，并且对环境友好。水稻倒伏是水稻生长发育过程中一种比较常见的生理性障碍，是水稻高产、稳产、优质的主要限制因素之一[35-36]。本研究表明，施用生物源土壤改良剂能增加茎基部第2 节粗度和茎壁厚度，增强水稻的抗倒伏性。

3.3 不同施肥处理对稻米品质的影响

稻米中的蛋白质、直链淀粉含量直接关系到其口感，一般认为蛋白质和直链淀粉含量低的稻米食味更好。而稻米中的磷、钾、钙、铁及镁等营养素直接关系到人们的身体健康。刘家龙等[37]研究表明，施用有机类肥料能在一定程度上提高稻米外观品质以及加工品质，包括降低垩白粒率和垩白度，提高整精米率，降低直链淀粉含量，提高稻米适口性。李先等[30]研究认为，与单施化肥相比，有机肥和无机肥配施可降低稻米垩白度和直链淀粉含量，提高稻米胶稠度、外观品质和蒸煮品质。

4 结论

施用了生物源土壤改良剂的T2、T3 处理无论在水稻生长速度、植株性状、抗胁迫能力及稻米品质等方面，都明显优于单施化肥的T1 处理。单施生物源土壤改良剂的T2 处理的水稻生长速度最快（全生育期为125 d），蛋白质和直链淀粉含量最低，分别为6.53%和7.30%。而施用生物源土壤改良剂+化肥处理（T3）的水稻长势最佳，株高、有效穗数、根须长、根须面积和产量及稻米中磷、钾、钙、铁、镁等营养素含量均最高，分别为108.0 cm、13.0 个、22.0 cm、183.7 cm2、585 kg/667 m2、761.0 mg/kg、716.0 mg/kg、39.4 mg/kg、7.09 mg/kg 和247.0 mg/kg。