有機肥等氮量替代化肥對水稻產量、土壤理化性狀及細菌群落的影響

馬順圣 毛偉 李文西

摘要：研究不同有機肥氮等量替代化肥中氮對水稻產量及構成因素、土壤基本理化性狀、土壤細菌群落特征的影響，為科學合理施肥提供理論依據。在江蘇省儀征市肥料長期試驗監測點進行試驗，以當地習慣施肥為對照（M0），有機肥中氮等量替代10%（M10）、20%（M20）、30%（M30）、40%（M40）、50%（M50）化學肥料（尿素）中的氮，有機肥作為基肥一次性施入土壤。水稻成熟期取樣測定水稻產量及產量構成因素、土壤理化性質和細菌群落結構特征。與當地習慣施肥相比，有機肥不同等氮量替代化肥后能夠有效提高水稻產量，提高水稻單位面積穗數和千粒質量，降低穗粒數;增加水稻成熟期的土壤中有機質、速效鉀含量，使酸性土壤更趨向中性，降低土壤全磷、有效磷、銨態氮和硝態氮的含量;有機肥替代化肥后提高了土壤細菌的豐富度，土壤的變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、硝化螺菌門的豐度有所提高，綠彎菌門與酸桿菌門均呈下降趨勢。隨著替代比例的提高，土壤中酸桿菌門的梭菌科和變形菌門黃桿菌科豐度先下降后上升，與作物產量變化趨勢相反。與當地常規施肥相比，有機肥不同等氮量替代化肥后能夠有效提高水稻產量，有機肥中氮替代10%和40%化肥中氮的增產效果較明顯。

關鍵詞：水稻;產量;有機等氮量替代化肥;土壤理化性狀;土壤細菌群落

中圖分類號：S511.06;S158 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）24-0090-05

收稿日期：2021-10-06

基金項目：江蘇省重點研發計劃（編號：BE2018362）;江蘇省高等學校優秀科技創新團隊項目（編號：蘇教科[2021]1號）。

作者簡介：馬順圣（1972—），男，江蘇興化人，博士，主要從事“三農”及農業生態資源研究。E-mail：1609630715@qq.com。

水稻穩產高產關系到國家糧食安全[1]，化肥促進作物生長、增加作物產量的效果顯著，是保證水稻高產穩產的基本途徑。糧食產量約有40%的貢獻率源于使用化肥，甚至更高[2]。但由于肥料運籌結構不合理，導致土壤養分失衡，引起土壤有機質含量持續下降，土壤團粒結構比例下降，土壤生態劣變，土壤綜合肥力和生產力下降[3-5]?？茖W合理地施用有機肥，不僅可以為作物提供大量而平衡的營養物質，還可以有效地改良土壤性狀，從而促進作物生長發育與高產優質的形成[6-8]。有機肥替代部分化肥是今后一段時間內我國肥料結構變化發展的重要任務。

土壤微生物是土壤重要的組成部分，參與土壤中多種養分轉化過程，在改善和維持良好的土壤結構、持續高效地轉化與供給作物有效養分、促進作物生長發育、消除土壤有毒有害物質、維持土壤生態系統結構與功能、保證土壤可持續生產能力等方面具有十分重要的作用[9-11]。施肥是頻繁的農田作業措施，高強度地向土壤中輸入各種養分或能量物質，導致土壤微生物群落結構以及特定菌群產生變化[12-15]。長期偏施化肥尤其是氮肥，造成土壤中參與氮素等養分轉化的微生物數量及活性明顯下降，致使土壤中可提供給作物的氮素等有效養分只能越來越依賴于施用的化肥[16-18]。有機肥替代部分化肥不僅能有效改良土壤物理、化學和生物學性狀，而且能維持甚至提高作物產量、改善農產品品質、協調高產與高環境風險的矛盾[19-22]。本試驗設置不同的有機肥替代化肥的比例，研究其對水稻生長、土壤基本理化性狀和土壤細菌群落的影響，旨在明確有機肥等氮替代部分化肥的適宜用量及效果，為區域性“兩減”戰略實施提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗地點位于江蘇省儀征市新集鎮毛橋村（119°17′E、32°19′N）壯禾合作社生產基地內。試驗田土壤為淤泥質水稻土，土壤全氮含量 0.52 g/kg、有機質含量為13.57 g/kg、有效磷含量為22.3 mg/kg，速效鉀含量為82.4 mg/kg，pH值6.13。

1.2 試驗設計

試驗采用稻麥輪作的種植方式。2018年5月收獲小麥后移栽水稻，10月水稻收獲后測產并采集土壤樣品。試驗采取有機氮（有機肥中氮）等量替代化肥氮（尿素）、不設磷和鉀等量替代處理，以當地習慣施肥（M0，不施用有機肥）為對照，設置有機氮依次替代10%（M10）、20%（M20）、30%（M30）、40%（M40）和50%（M50）化肥氮等處理。試驗共設6個處理，每個處理重復3次，計18個小區，小區面積132 m2，每個小區獨立排灌，小區間用水泥田埂隔開，確保肥、水不互串，試驗區外設置保護行。試驗用有機肥為南京某企業以豬糞為主要原料生產的寧糧牌普通有機肥，養分含量（以干物質計）為N 1.92 %、P2O5 1.53%、K2O 1.61%。無機肥料為普通市售尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O5 4.5%）和氯化鉀（K2O 60%）。肥料分為基肥和追肥，基肥在播種前7 d一次性施入土壤，施用量為N 270 kg/hm2、P2O5 45 kg/hm2、K2O 69 kg/hm2。拔節期、孕穗期各施用等量追肥1次，追肥總用量為N 160 kg/hm2、P2O5 40 kg/hm2、K2O 65 kg/hm2。有機氮替代基肥中的化學氮，有機肥在基肥施用中以撒施的形式與無機肥一次性施入土壤后旋耕均勻。各項大田管理措施按照當地常規田間管理方式進行。

1.3 測定與分析

1.3.1 水稻產量及其構成 水稻成熟期各小區隨機取20穴進行考種，測定有效穗數、穗粒數、千粒質量。產量為各小區隨機收割20 m2水稻，曬干、脫粒、風干后稱質量，計算產量。

1.3.2 土壤理化性狀 采用鮑士旦提出測試分析方法測定土壤有機質、全氮、銨態氮、硝態氮、全磷、速效磷和有效鉀含量[23]。土壤pH值和電導率（EC）采用純凈水浸提（土水比1 ∶2.5）后儀器直接測定。

1.3.3 土壤細菌群落分析 2018年10月采集水稻成熟期耕層（0～15 cm）土壤樣品，鮮樣過2 mm篩后保存于-80 ℃冰箱中，測定土壤細菌群落特征。土壤總DNA的提取使用 PowerSoil DNA 提取試劑盒（MoBio Laboratories，Inc.，美國），DNA提取土壤樣品中微生物DNA。用338 F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R （5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）為引物，擴增細菌16S rRNA基因的V3～V4區域。在Illumina MiSeq平臺進行測序（上海美吉生物醫藥科技有限公司）。

1.4 數據統計分析

水稻產量及其構成、土壤理化性質數據采用SPSS 21.0進行統計分析，采用Duncan’s新復極差法對數據進行多重比較（P<0.05）。測序數據分析通過Majorbiobiocloud平臺進行（http：//www.i-sanger.com），經過平臺分析所得的有效序列根據97%的相似度歸類，采用student’s t test方法對細菌多樣性進行計數，采用非度量多維尺度分析（NMDS）方法比較不同處理樣本間的細菌群落組成相似度。

2 結果與分析

2.1 不同處理水稻產量及產量構成因素

有機肥等氮量替代化肥顯著影響水稻產量。表1可以看出，M0水稻產量為9 064.5 kg/hm2，有機肥等氮量替代10%～50%化肥后，水稻產量在 8 203.5～10 096.5 kg/hm2范圍內波動，平均為 9 210.0 kg/hm2，水稻產量明顯增加。M10、M40處理水稻產量顯著高于M0處理，M20、M30處理水稻產量顯著低于M0處理。進一步分析水稻產量構成因素發現，M0處理穗數和千粒質量明顯小于有機肥等氮量替代化肥處理的平均值，但是穗粒數變化特征與穗數和千粒質量相反。M0處理的穗數顯著小于M30、M40處理，顯著大于M10處理;M0處理的穗粒數顯著小于M10處理，顯著大于M30、M40處理;M0處理的千粒質量顯著小于M40處理。說明M10、M40處理有利于提高水稻產量。

2.2 不同處理土壤理化性狀

有機肥等氮量替代化肥顯著影響土壤性狀。從表2可以看出，水稻收獲后，M20處理土壤全氮含量最高，為0.608 g/kg，顯著高于M10、M40、M50處理，與M0處理差異不顯著;M40處理土壤的銨態氮最高，為18.9 mg/kg，顯著高于其他各處理;M50處理（31.2 mg/kg）、M0處理（30.4 mg/kg）土壤的硝態氮含量較高，顯著高于M30處理（其土壤的硝態氮含量最低，為18.2 mg/kg）。各處理中，M0處理土壤的全磷（0.925 g/kg）和有效磷（22.5 mg/kg）含量最高，有機肥等氮量替代化肥各處理間差異不顯著。M30處理土壤的速效鉀含量最高，為 104.1 mg/kg;M10處理土壤的速效鉀含量最低，為72.1 mg/kg。有機肥等氮量替代化肥各處理土壤有機質含量和pH值顯著高于M0處理，有機肥等氮量替代化肥處理間的土壤有機質含量差異不顯著，而M10、M20處理土壤pH值差異不顯著，但顯著高于M30、M40、M50處理。表明有機肥等氮量替代化肥總體上增加了種植水稻后的土壤中有機質、速效鉀含量，使土壤pH值更趨向中性，降低了土壤全磷、有效磷、銨態氮和硝態氮的含量，對土壤全氮含量無明顯影響。

2.3 不同處理土壤細菌群落結構特征

有機肥等氮替代部分化肥后，改變了土壤細菌群落結構。從2018年水稻成熟期所采集的6個處理18個土壤樣品，獲得總共976 932個高質量16S rRNA序列，這些序列按97%的相似度被劃分為4 921個OTU。從圖1可以看出，各處理共享2 363個OTU，共享的OTU約占總OTU的50%。M10、M20、M30、M40、M50處理中分別發現獨有54、12、3、25、7個OTU，表明肥料運籌中不同量有機肥等氮替代對土壤細菌群落特征有影響。

Chao指數反映了土壤細菌的豐富度，Simpson指數反映了土壤細菌的多樣性。從圖2-A可知，隨著有機肥等氮量替代比例的增加，Chao指數整體呈下降的趨勢，在使用50%有機肥時，Chao指數最低，小于M0處理。從圖2-B可以看出，土壤細菌Simpson指數隨有機肥等氮替代比例的增加呈先下降后上升的趨勢。以處理M40為最高，其次為M30與M50處理，而M10和M20處理的Simpson指數則小于M0處理。表明適量的有機肥等氮替代化肥可提高稻田土壤細菌的豐富度和多樣性。

有機肥等氮量替代化肥對土壤細菌群落組成產生顯著影響。從圖3-A可以看出，變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）所占豐度較高，在各樣品中占總比例80%以上。其中，變形菌門平均豐度約為40%。與M0處理相比，有機肥等氮量替代化肥各處理的土壤中的變形菌門、放線菌門和擬桿菌門的豐度均有所提高;而綠彎菌門和酸桿菌門則在有機肥處理后呈下降趨勢。硝化螺旋菌門（Nitrospirae）所占豐度也隨有機肥的施用而增加。從圖3-B可以看出，酸桿菌門的梭菌科所占豐度最高，占總序列的30.0%～5.5%，其中M0和M50處理中梭菌科高于其他處理。變形菌門黃桿菌科所占比例也是M0、M50處理較高。

3 討論與結論

施肥能夠有效改良培肥土壤，提升土壤供肥能力，增加農作物產量，是農業穩產高產的有效手段[4]。為了追求高產，造成過量施用化肥現象普遍存在，繼而導致礦質養分利用率和生產率下降[24]?；瘜W肥料肥效快，能夠快速促進作物生長;有機肥料營養元素齊全，有利于培肥土壤，提升作物品質。生產上將有機肥料和無機肥料配合施用能夠充分發揮化學肥料的瞬時作用和有機肥料的耐久性，通過系統改善土壤理化性質和供肥能力來增加農作物產量[25]。本研究以等氮量替代為原則，在水稻基肥運籌中將不同量有機肥替代化學肥料（尿素），結果表明，與當地常規施肥相比，有機肥不同等氮量替代化肥后能夠有效增加水稻產量。從產量構成因素看，有機肥等氮量替代化肥后可有效提高水稻成穗率和千粒質量，這是水稻增產的直接原因。有機肥與無機肥配合施用影響作物產量。研究結果表明，有機肥長期替代20%～40%的化肥后，能獲得與常規化肥施用量處理相持平的作物產量[26]。稻麥輪作條件下，有機肥或有機無機復合肥替代部分化肥能夠在保證水稻和小麥產量的基礎上有效改善土壤結構[12]。肥料運籌中有機肥替代化肥需要在一定范圍內才能發揮有益作用[27]。本研究也發現，有機肥中的氮替代10%和40%化肥中的氮最有利于水稻產量的提升。有機肥與無機肥配合施用能夠提高土壤的速效養分含量，調控土壤與化肥養分的釋放強度和速率，使作物在各生育階段得到均衡穩定持續的養分供給，從而促進作物生長，提高結實率和產量[28]。本研究結果顯示，有機肥等氮量替代化肥增加了種植水稻后的土壤中有機質和速效鉀含量，提高了土壤pH值，使土壤更趨向中性;同時降低了土壤全磷、速效磷、銨態氮和硝態氮的含量。

土壤微生物多樣性與土壤生態系統的功能息息相關。通常情況下，土壤微生物多樣性越高，土壤功能越完整，生態系統越穩定。本研究結果顯示，有機肥等氮量替代部分化肥后，土壤變形菌門、放線菌門和擬桿菌門的豐度有所提高，而綠彎菌門和酸桿菌門呈下降趨勢，這與前人的研究結果[12]一致。變形菌門和放線菌門比例的提高能夠在一定程度上改善土壤生態功能。本研究還發現，有機肥等氮量替代化學氮肥可提高土壤細菌的豐富度，但對細菌群落的均勻度影響規律不明顯。這可能是不同細菌種類對有機肥添加，以及土壤養分變化的響應程度差異所致[16]。在本試驗中，硝化螺菌門所占豐度也隨有機肥的施用而增加。有機肥替代比例在 10%～40%處理土壤中酸桿菌門梭菌科和變形菌門黃桿菌科豐度降低，可能與作物產量更高、根系吸收養分更多存在一定的關系。

適量的有機肥替代化肥不但能夠有效提升土壤肥力、增加作物產量，而且能夠大量消納種養固體廢棄物，對種植業和養殖業綠色發展，建構循環農業模式等至關重要。今后研究中需要進一步探究不同類型有機肥在不同作物、不同土壤類型中的用量，為農業綠色發展提供有力支撐。

有機肥等氮量替代化肥增加了種植水稻后的土壤中有機質和速效鉀含量，使酸性土壤更趨向中性，降低了土壤全磷、有效磷、銨態氮和硝態氮的含量，提高了土壤變形菌門、放線菌門和擬桿菌門的豐度，降低了綠彎菌門和酸桿菌門細菌豐度。與當地常規施肥相比，有機肥不同等氮量替代化肥后能夠有效提高水稻產量，有機肥中氮替代10%和40%化肥中氮的增產效果較明顯。

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