缓控释肥料对水稻产量、品质及土壤微生物多样性的影响

刘秋蒙　刘静文　张满　舒晨晖　季雅岚　吴文革　束维正　任兰天

摘要：为了探讨缓控释肥料对水稻产量、品质及土壤微生物多样性的影响，以籼稻品种桃优香占为材料，设置释放天数40 d+80 d各50%（X1）、释放天数40 d+100 d各50%（X2）、释放天数60 d+80 d各50%（X3）、释放天数80 d（X4）、释放天数100 d（X5）等5个处理，以常规肥料作为对照（CK），共6个处理。试验结果表明，与CK相比，施用缓控释肥料的各处理均在一定程度上提高了水稻穗数、穗粒数，从而使水稻产量增加，其中以X2（释放天数40 d+100 d各50%）处理产量最佳，增加了43.75%，原因为40 d+100 d控释肥处理提高了水稻的有效穗数和穗粒数。与其他不同释放天数缓/控释肥处理相比，40 d+100 d控释肥处理能更好地匹配水稻的养分吸收规律，在保证前期分蘖发生的同时，也使后期的光合物质生产稳定，以获得较好的穗数、穗粒数以及千粒重；施用缓控释肥料也有效改善了水稻外观品质，垩白度表现为X3

关键词：水稻；缓控释肥料；产量；品质；土壤微生物

中图分类号：S511.06文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0136-07

水稻是世界上最为重要的粮食作物之一［1］。中国是世界上最大的稻米生产国及消费国，水稻种植面积约占世界水稻种植面积的20%。在水稻种植过程中，其产量和稻米品质除了受气候条件和栽培措施的影响外，肥料也对水稻存在很大的影响，尤其是氮肥的投入［2］。氮素作为水稻在生长阶段需求量最大的营养元素之一，也是水稻生长发育所需的营养三要素之首，氮肥的投入是保证水稻高产稳产的决定性因素［3］。常规栽培措施中易偏施氮肥导致水稻长势过旺，从而影响籽粒灌浆，不利于稻米品质的提高［4］。土壤中氮肥的不合理施用，还会改变土壤微生物的生存繁殖环境，使土壤微生物群落结构发生改变，降低微生物多样性和丰富度。而土壤微生物是土壤-植物系统中的重要枢纽，它们参与土壤有机质分解与转换、土壤的形成，是土壤养分转化和循环的动力，此外土壤生态系统的稳定、土壤肥力与生产力也与土壤微生物多样性密切相关［5］。相关研究表明，土壤微生物的多样性越高越有助于土壤功能及生态系统的稳定［6］。

近年来，缓控释肥料作为一种新型高效肥料在农业生产中的应用越来越广泛，它通过延缓和控制养分释放速率来延长肥料的作用期，使作物在整个生长期内都可以获得生长所需要的养分［7］，邢晓鸥等研究表明，施用缓控释肥有利于水稻生长后期土壤氮素的供应，增加水稻叶绿素含量，延缓叶片衰老等［8］。也可以在减氮20%～30%的情况下不减产甚至增产［9-10］。提高肥料利用效率，减少农田施肥量及施肥次数，降低劳动成本［11］。缓控释肥对稻米的品质也有一定的影响，程爽等研究发现施用控释速效氮肥处理可显著改善大米加工和营养品质，其中头碾米率和蛋白质含量分别提高了21.0%～79.12%和18.3%～86.0%，垩白度提高了 12.1%～16.15%［12］。李武等的研究也表明，掺混缓控释基肥一次施肥处理可以较好地提高稻米的外观品质和碾米品质，使稻米的整精米率提高4.35%，精米率提高2.88%［13］。

目前，水稻生产中有关缓控释肥的不同配比对水稻产量、品质及微生物群落多样性的影响报道较少，因此，本研究选用不同类型的缓控释肥料，以寻求养分释放速率与水稻需肥规律高度匹配的缓控释肥料，在确保水稻稳产的同时，减少稻田的氮肥投入，改善土壤微生物群落多样性，明确水稻生长发育最适宜的缓/控释肥配比，为缓控释肥料在水稻上的合理应用提供理论依据及数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2022年在安徽省凤阳县安徽科技学院种植园区内进行，该地区气候为北亚热带江北区亚湿润季风气候，年平均气温为14.9 ℃，年降水量约 904.4 mm，年蒸发量约1 609.7 mm。

供试水稻为籼稻品种桃优香占，由安徽省农业科学院水稻研究所提供。2022年5月23日和2022年6月24日在30 cm×60 cm的秧盘中播种，2022年6月25日进行人工移栽。

供试肥料为普通尿素（含N 46%）和控释肥料（安徽省农业科学院水稻研究所提供）；磷肥为过磷酸钙（含P2O5 12%）；钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

采用田间小区试验，移栽水稻品种为桃优香占，施用CK、X1～X5共6种相同长效氮比例但释放天数不同的缓控释肥料（表1），一次性基施，共6个处理。小区面积3 m2。随机区组排列，重复3次，各处理之间筑埂分隔（宽20 cm，高30 cm），单独排灌，以防小区间的肥料养分流通干扰试验结果。田间管理措施与当地生产保持一致。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤氮素释放 于水稻移栽后10、20、30、40、60、80、100 d时使用土钻采取0～15 cm深度的土壤样品，每个样品采取3个点，混合后作为该处理的混合土样，使用氯化钾进行土样浸提液处理后使用SmartChem全自动化学分析仪测定氨氮及尿素氮含量。

1.3.2 地表水样氮素释放 于水稻移栽后10、20、30、40、60、80、100 d时使用一次性50 mL针筒进行采集，采集100 mL水，置于干净塑料瓶中，对浑浊水样进行过滤后使用SmartChem全自动化学分析仪测定氨氮及尿素氮含量。

1.3.3 产量及产量构成因素 人工收割，脱粒后按照标准含水量（14%）计算实际产量。于水稻成熟期后选取代表性的植株9穴，取样测定每穗粒数、结实率、千粒重等。

1.3.4 稻米品质 收获后的水稻晒干脱粒，于室内储藏3个月后，使用PertonDA7200近红外品质测定仪对稻米进行品质测定。

1.3.5 微生物测定 每小区采用5点法在水稻收获后使用土钻采耕层土（直径5 cm，深20 cm），装入密封袋，立即放置冰盒中，在去除水稻根系残体和杂物后，于-70 ℃ 冰箱中保存，用于土壤微生物分析。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、DPS 7.5软件处理试验数据，多重比较采用最小显著性差异法（LSD）进行显著性分析（α=0.05）。图表分别采用Origin 2018和Microsoft Excel 2019制作。

2 结果与分析

2.1 不同缓控释肥处理在稻田水土中氮含量变化

由图1可知，在施用不同缓控释肥料处理中，X1、X2处理在稻田水中尿素氮含量变化曲线基本一致，总体表现为施肥后10 d尿素氮含量出现小高峰，随后降低，至30 d时达到第2个高峰，尿素氮含量分别为17.84、18.60 mg/L，而后随着时间的推移开始降低，于100 d时增高；其余各处理变化曲线基本一致，均在施肥后10 d到达峰值，随后逐渐降低，X3处理在施肥后10 d尿素氮含量最高，达到 34.09 mg/L。土中尿素氮含量变化趋势中，X2、X3处理表现基本相同，均在施肥后10、40、80、100 d时氮素含量较高，尿素氮含量总体处于较高水平；X3、X4、X5处理变化趋势表现为前期平稳释放，至60 d时尿素氮含量到达峰值，分别为22.00、24.11、16.98 mg/L；常规肥料在水土中的尿素氮含量变化均表现出平稳变化趋势，且总体含量较低。

由图2可知，在不同缓控释肥料处理中，土壤及水中尿素态氮含量的变化趋势表现相似，X1、X2处理在稻田水中氨态氮含量变化曲线一致，这与尿素态氮相同，表现为施肥后10 d含量出现高峰，随后降低，至40 d时达到第2个高峰，氨态氮含量分别为8.39、9.75 mg/L，而后随着时间的推移开始降低，于80 d时出现最后一个高峰；X3、X4、X5这3个处理表现相同，于施肥后10 d氨态氮含量较高，随后降低，至60 d时升高，然后缓慢下降。土中氨态氮含量变化趋势中，X1、X2处理同水中相似，均在施肥后10、40、80 d时出现峰值；X3、X4、X5处理变化趋势表现为施肥后10 d氨态氮含量高，随后缓慢下降，30～60 d期间逐步升高，至60 d时含量到达峰值，分别为10.33、8.85、6.96 mg/L；常规肥料在水土中的氨态氮含量变化均趋势与尿素氮相同，且总体含量较低。

2.2 不同缓控释肥对水稻产量及产量构成因素的影响

由表2可知，在相同施氮量条件下，与常规施肥相比，不同类型的缓控释肥料均不同程度地增加了水稻产量。且X2（释放天数40 d+100 d各50%）处理与CK处理间产量差异显著，X2处理下水稻产量平均为11.5 t/hm2，比常规肥料CK处理高出43.75%。

穗粒数和有效穗数是影响水稻产量的主要因素。由表2可知，不同施肥处理对产量构成因素影响各不相同，X1（释放天数40 d+80 d各50%）处理在效穗数、穗粒数中都处于较高水平且显著高于CK。X2（释放天数40 d+100 d各50%）处理穗粒数最高，并且在有效穗数、结实率中均有不同程度的提升。

综上所述，在不同缓控释肥处理中以X1（释放天数40 d+80 d各50%）、X2（释放天数40 d+100 d 各50%）、X3（释放天数60 d+80 d各50%）处理产量及产量构成表现较优，而40 d控释肥的释肥高峰约在移栽后20 d，40 d的控释肥以及在前期有释放一定养分的100 d控释肥为水稻提供了有效分蘖临界叶龄期前所需的养分，促进了有效分蘖的发生，100 d的长效控释肥的释肥高峰大概在移栽后 45 d，满足了水稻穗分化时期的养分需求。因此40 d+100 d控释肥处理能够获得更高的产量。

2.3 不同缓控释肥对稻米品质的影响

由表3可知，施用缓控释肥料对稻谷加工品质影响显著，X1（释放天数40 d+80 d各50%）、X3（释放天数60 d+80 d各50%）处理在精米率、蛋白质含量中都显著高于常规肥料处理，精米率提高了1.38%、1.34%，蛋白质含量增加了7.79%、7.15%；X2（释放天数40 d+100 d各50%）处理整精米率、蛋白质含量差异显著，可能是缓控释肥料的分次释放能促进氮素向籽粒运转，提升籽粒蛋白质含量；X4、X5处理在精米率中表现较好，与CK差异显著。不同肥料处理下稻谷粒长没有显著差异。垩白度表现为X3

2.4 不同缓控释肥对稻田土壤微生物多样性及群落结构的影响

2.4.1 不同缓控释肥处理下稻田土壤细菌的多样性

表4结果表明，各处理细菌的覆盖率指数均超过0.99，表明测序结果有效，能够反映土壤样品中的实际微生物数量。Chao1、Ace指数可以反映土壤中的细菌群落丰富度，数值高代表群落丰富度高。缓控释肥处理中除X3处理的Ace指数低于CK外，其余各处理的Ace和Chao1指数都高于CK处理组，特别是X4、X5处理组，无论是土壤中Ace指数或者Chao1指数都显著高于施用常规肥料的CK处理组；同时使用Simpson、Shannon指数去评估土壤中的细菌群落多样性，Shannon指数越高，微生物群落多样性越高，Simpson指数越高，样品中微生物多样性越低。X1～X5处理的细菌Shannon指数与CK处理相比，分别提高了3.8%、8.59%、6.38%、13.99%、12.89%；X1～X5处理组的Simpson指数低于CK处理组，其中X1、X2、X3处理显著降低0.61%、0.30%、0.4%。

2.4.2 不同缓控释肥对农田土壤微生物群落组成的影响

研究采用97%相似水平为标准界定，对OTU代表序列进行聚类和物种注释，共检测出细菌有92门、192纲、356目、499科、807属和433种，细菌群落具有较高的多样性。由图3-a细菌门水平相对丰度柱状图可知，在所有处理细菌群落中以变形菌门（Proteobacteria）13%～29%、未分类细菌（unidentif-bacte）14%～27%、拟杆菌门（Bacteroidota）1%～14%、酸杆菌门（Acidobacteriota）14%～20%、厚壁菌门（Firmicutes）1%～8%、绿弯菌门（Chloroflexi）4%～9%、黏球菌门（Myxococcota）3%～5%占优势水平。其中X2（占比29%）、X4（占比25%）、X5（占比24%）处理土壤中的变形菌门相对丰度占比高于施用常规肥料的CK（占比23%），未分类细菌门中以X2（占比22%）、X3（占比27%）、X5较高（占比23%）。可见，施用缓控释肥料的处理引起了对应土壤细菌群落结构组成在门水平上的变化。

由相对丰度较高的前10属细菌中（图3-b）可见，Candidatus相对丰度占比6%～26%、RB41S相对丰度占比10%～16%、Anaeromyxibacter相对丰度占比3%～12%、BSV13相对丰度占比1%～

14%，除前4个菌属外，其他各细菌类群的平均相对丰度均小于3.0%，Candidatus、Anaeromyxibacter均在X2处理时较CK处理显著上升，施用不同缓控释肥对不同属菌种的相对丰度影响不尽一致。

3 讨论与结论

缓控释肥料使水稻增产的根本原因在于其养分释放规律与水稻需肥规律高度匹配，从而符合水稻高产的形成规律［14］。田昌等研究发现控释尿素减氮20%～30%仍能保证水稻稳产且提高氮素收获指数2.01%～11.43%［9］；蒋勤伟等研究发现， 100 d+80 d、100 d+120 d缓控释肥处理较CK相比在较多穗数的基础上稳定了穗粒数，群体颖花量显著增加3.57%～5.03%，同时结实率也较为稳定，水稻2年平均产量增加4.29%～4.66%［15］；陈贵等研究发现，缓控释肥混合脲胺于一基一追模式下减氮20%仍可保持水稻不减产［16］。相关研究也表明，合理施用氮肥可以显著增加水稻有效穗6.88%～9.12%和每穗粒数3.12%～4.66%，从而提高产量8%～19%［17-18］。本试验结果表明，不同缓控释肥处理在等氮条件下，X2处理下产量达到11.5 t/hm2，比常规肥料CK处理高出43.75%，其他各处理均不同程度高于CK处理；试验中X1处理每平方有效穗数、穗粒数显著高于CK；X2处理穗粒数差异显著；X3、X4、X5处理有效穗、穗粒数与常规施肥相比增长幅度较小， 差异不显著； X3处理结实率与千粒重表现较优；本研究结果表明，水稻缓控释肥处理中以X1（释放天数 40 d+80 d各50%）、X2（释放天数40 d+100 d各50%）、X3（释放天数60 d+80 d各50%）处理的水稻有效穗数、每穗粒数增多，说明分次释放的缓/控释肥料可以更好满足水稻前中后期各个阶段的养分需求［19-21］，其中以X2（释放天数40 d+100 d各50%）处理表现较好。

缓控释肥料作为一种能够减缓或控制养分释放的新型肥料，其肥料释放特性与植物需肥规律相匹配，不仅可以维持作物的产量，而且还能改善作物的品质。李武等研究发现，施用缓控释肥料能有效提高稻米碾米品质和外观品质，满足水稻在中后期对氮肥需求，有利于籽粒胚乳的发育和籽粒灌浆［13］；居静等的研究也表明，与施用常规氮肥相比，控释氮肥未明显增加直链淀粉含量、胶稠度，但粗蛋白含量显著增加了4.76%～17.43%［22］。本研究结果表明，与CK相比，X1、X2、X3处理的稻米蛋白质含量显著增加，可能与3种缓/控释肥料的释放特性有关，缓控释肥的分次释放在水稻生育内期保证了一定的氮素供应，满足籽粒对养分的需求，促进氮素向籽粒运输，提高籽粒蛋白质含量。垩白形成的原因主要是由于水稻籽粒灌浆期间养分、灌浆物质供给不足，胚乳储藏物无法充分填充［23］。本研究表明，施用缓控释肥料可以有效降低稻米垩白度，提高稻米外观品质，垩白度表现为X3（60 d+80 d 各50%）

微生物在土壤中作用效果显著，不仅影响作物健康生长，还参与有机质的分解及养分循环［25］。研究表明，过量或长期单一施用化肥会恶化土壤环境，影响土壤细菌群落群落结构及其多样性。土壤细菌多样性指数越高，微生物生长的营养物质就越丰富［26］。孟庆英等的研究结果表明，施用控释肥料对增加土壤细菌、土壤氮素含量及玉米产量有较好影响［27］；罗兰芳等研究发现，不施氮处理水稻土壤的细菌数量明显低于短期施用控释氮肥处理，周年土壤细菌明显高于尿素处理［28］。本研究结果表明，与施用常规肥料相比，不同缓控释肥处理中除X3处理的ACE指数低于CK外，其余各处理ACE和Chao1指数都分别高于CK，特别是X4、X5处理组，无论是土壤中ACE指数或者Chao1指数都显著高于施用常规肥料的CK；X1～X5处理组的Simpson指数低于CK。缓控释肥料的施入增加土壤中细菌的多样性和丰富度，这可能是由于肥料养分释放特性不同，所以对土壤中微生物数量和氮素的影响也不相同，可能是缓控释肥提高土壤中有机质、氮磷钾等养分含量，利于微生物繁殖，所以在一定程度上提高了土壤微生物的多样性［29-31］。说明缓控释肥的养分释放可以满足作物全生育期对养分的需求，为土壤创造良好环境，从而调节微生物的生长与活性。施用不同缓控释肥料并没有改变土壤中主要优势菌群门属种类，在属分类水平，Candidatus、Anaeromyxibacter、Candidatus、Anaeromyxibacter占主要优势，与常规施肥相比，差异不显著。各处理在门水平中均以变形菌门（Proteobacteria）为优势菌群，Lesaulnier等研究发现存在于土壤中的变形菌门多为革兰阴性菌，其中较多的细菌负责固氮，增加土壤中氮素营养，并且参与N、P、C等元素循环，促进植物生长［32］。张文锋等的研究结果也表明，在不同的栽培方式下早稻和晚稻土壤中变形菌门占主要优势，其次为绿弯菌门、酸杆菌门［33］，本研究结果与之相似，在所有处理中以X2处理（释放天数40、100 d各50%）土壤中变形菌门表现最优，X4（释放天数80 d）、X5（释放天数100 d）处理也有不同程度的提升。因此施用缓控释肥不仅增加土壤微生物的多样性，还改变了微生物的群落结构。

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收稿日期：2023-07-15

基金项目：安徽省科技重大专项（编号：18030701190）；安徽省高校自然科学基金（编号：KJ2018A0527、KJ2019A0810）；国家重点研发计划（编号：2018YFF0213502-3、2018YFF0213501-4、2022YFD2301402）；安徽省教育厅2019年度振兴计划（编号：gxyq2019061）。

作者简介：刘秋蒙（1999—），女，安徽亳州人，硕士研究生，主要从事秸秆综合利用研究。E-mail：15655033709@163.com。

通信作者：任兰天，博士，主要从事秸秆综合利用研究。E-mail：sky1981007@163.com。