有機肥用量對水稻產量、凈光合速率及土壤生物活性的影響

摘要：探討渝東北丘陵區有機肥施用量對水稻產量、凈光合速率及土壤酶生物活性的影響，明確該地區秸稈類有機肥適宜施用量，為該地區水稻種植中有機肥的合理施用提供科學依據。2020—2021年在重慶市萬州區柱山鄉開展秸稈類有機肥不同施用量試驗，以宜香優2115為試驗材料，共設6個有機肥處理：0" kg/hm2（CK）、1 000 kg/hm2（T1）、1 500 kg/hm2（T2）、2 000 kg/hm2（T3）、2 500 kg/hm2（T4）、3 000 kg/hm2（T5），探討不同有機肥施用量對水稻產量及其構成因素、凈光合速率和土壤酶生物活性的影響。結果表明，與CK相比，施有機肥可顯著增加水稻產量（Plt;0.05）。2020、2021年有機肥施用量分別為3 000、2 500 kg/hm2時產量達到最高，分別為6.82、6.93 t/hm2。施用有機肥可顯著提高水稻凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率。抽穗期、灌漿期凈光合速率均以T4處理最高。施用有機肥可顯著增加土壤耕作層微生物數量及土壤酶活性。2021年微生物總數高于2020年，2020年以T4處理的土壤微生物總數最高，2021年以T3處理的土壤微生物總數最高，脲酶活性、過氧化氫酶活性以T4處理最高，蔗糖酶活性、磷酸酶活性分別以T3、T5處理最高。對光合作用參數及土壤酶活性綜合效應評價得到最佳處理為T4。因此，在保證水稻基本生長的基礎上增施2 500 kg/hm2秸稈類有機肥可顯著提高水稻產量，提高水稻凈光合速率，增加土壤微生物數量及酶活性。

關鍵詞：有機肥；水稻；產量；凈光合速率；土壤微生物酶；抽穗期；灌漿期

中圖分類號：S511.06 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）22-0107-06

我國一半以上人口以稻米為主食，隨著人口數量的增長，對稻米的需求量還在繼續增加。一直以來，高產、優質、高效是我國水稻生產的目標［1-2］?；室蚱涫┯梅奖?、肥效釋放快、增產效果明顯等優點，在所有肥料中占據著至關重要的地位［3］。但大量研究發現，長期施用化肥不利于保持土壤結構，導致土壤板結、有機質流失、肥力下降、土壤微生物多樣性及生物活性下降等一系列問題［4-6］。近年來，隨著生態農業的逐步發展，我國農田有機肥的施用占比呈逐漸上升的趨勢［7］。研究表明，有機肥中含有豐富的可直接被作物利用的養分，同時能為土壤微生物創造良好的生態環境，促進土壤微生物繁殖［8］。陶磊等將部分化肥用有機肥替代后發現土壤生物學性狀得到了顯著改善，土壤細菌、真菌、放線菌群落結構得到了調節，進而提高了土壤酶活性［9］。劉光榮等的研究表明，腐熟豬糞或粉碎秸稈均可以降低土壤容重，增加總孔隙度和物理性黏粒含量，改善土壤酸堿度，提高土壤養分含量［10］。石鑫蕊等的研究表明，有機肥能提高水稻凈光合速率、生物量和產量［11］。但有機肥是長效緩釋性肥料，過量施用會造成作物貪青、晚熟，抑制幼苗生長甚至燒苗、燒根等現象［12］。有機肥的施用效果受施肥管理措施、氣候、土壤等因素的影響［13］，同種有機肥不同地域施用效果不同。秸稈類有機肥是農業生產中主要有機肥之一，但其在水稻上的使用閾值未見報道。本試驗以重慶市主推水稻品種宜香優2115為試驗材料，通過大田隨機區組設計試驗，探討不同秸稈類有機肥施用量對水稻產量、凈光合速率和土壤微生物活性的影響，以期為渝東北丘陵山區水稻生產中秸稈類有機肥的施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2020—2021年在重慶市萬州區柱山鄉（108°16′23″E，30°42′31″N，海拔583.3 m）開展2年定位試驗，該區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均日照時數1 484.4 h，年平均氣溫17.3 ℃，年降水量 1 531.1 mm，年蒸發量10.85億m3。試驗田為冬閑田、紫色土，0～20 cm層土壤基礎理化性質：pH值5.9，有機質含量37.7 g/kg，堿解氮含量 120.0 mg/kg，有效磷含量10.9 mg/kg，速效鉀含量62.8 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為宜香優2115，該水稻品種由四川農業大學育成，具有多抗、高產、米質優等特點［14］。供試有機肥為秸稈類有機肥（購自重慶建峰化工股份有限公司），其全氮、全鉀、全磷、有機質的含量分別為27.01 g/kg、7.25 g/kg、26.13 g/kg、45%。試驗所施用化肥為尿素（N含量46%，購自重慶建峰化工股份有限公司）、鈣鎂磷肥（P2O5含量15%，購自湖北鐘祥沃豐肥業有限公司）、氯化鉀（K2O含量60%，購自青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司）。

1.3 試驗設計

本試驗采用完全隨機區組設計，以有機肥施用量為變量，共設6個處理，分別為對照不施有機肥（CK）、施用有機肥1 000 kg/hm2（T1）、施用有機肥1 500 kg/hm2（T2）、施用有機肥2 000 kg/hm2（T3）、施用有機肥2 500 kg/hm2（T4）、施用有機肥 3 000 kg/hm2（T5）。小區面積為24 m2 （4 m×6 m），各小區間隔1.0 m，小區四周筑寬30 cm、高30 cm的梗，并用塑料薄膜隔離0～80 cm土層水分，每個處理設3次重復。2020年3月10日直播育苗，5月6日移栽，9月15日收獲；2021年3月12日直播育苗，5月10日移栽，9月12日收獲。氮肥（N）、磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）施用量分別為90、50、40 kg/hm2，其中60%氮肥、全部磷鉀肥與有機肥作為底肥一次性施入，40%氮肥作為分孽肥施入。其他管理措施均與當地生產習慣一致。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 植株樣品采集及指標測定

收獲時測定各小區產量，水分含量以15.6%計算。隨機選取20株測定株高、有效穗數，采集每小區具有代表性植株樣品5穴，用以測定每穗粒數及千粒質量。

1.4.2 光合指標測定

于2021年在水稻抽穗期和灌漿期選擇晴朗天氣的09：00—11：00，使用Li-6400XTP便攜式光合儀隨機選取主分蘗葉片，測定新完全展開葉或劍葉的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率，每小區5次重復［11］，連續測定3 d。

1.4.3 土壤微生物及酶活性的測定

水稻收獲時，避開田邊1 m，采用“梅花”形對土壤耕層（0～20 cm）采集土樣并裝入自封袋中帶回實驗室，用于土壤微生物及酶活性的測定。采用稀釋平板分離計數法測定細菌、真菌和放線菌數量，以1 g干土所含菌落數（CFU）表示［15］。土壤蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定［16］。

1.5 數據處理

采用Excel 2017進行數據計算，DPS V15.10中LSD法進行差異顯著性分析（α=0.05），采用SPSS 22.0進行相關性及主成分分析，采用WPS進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同用量有機肥對水稻產量及其構成的影響

由表1可知，試驗第1年（2020年）隨著施肥量的增加，株高呈不斷上升的趨勢，但各處理差異不顯著；試驗第2年，當施肥量高于1 500 kg/hm2時，3個處理的株高顯著高于CK。隨著施肥量的增加，有效穗數表現為先大幅增加后緩慢下降的趨勢。2020年T2處理有效穗數的增幅最為明顯，較CK顯著增加了18.61%（Plt;0.05），其他處理間基本無顯著差異；2021年除T1處理外，其他處理的有效穗數均顯著高于CK，增幅達28.12%～33.88%。隨著施肥量的增加，2年的穗粒數表現為先增加后降低再增加，2年均以T5處理最高，分別較CK顯著增加26.20%、28.14%。2020年各處理的結實率差異不顯著；2021年以T4處理的結實率最高，較CK顯著增加5.88%。2020年各處理的千粒質量無顯著差異，2021年隨著施肥量的增加總體呈上升趨勢。增加有機肥施用量可提高水稻產量，2020年T5處理產量最高，為6.82 t/hm2，較CK顯著增加28.92%；2021年T4產量最高，為6.93 t/hm2，較CK顯著增加38.60%。

分析產量與其構成因素相關性（圖1）可知，有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒質量均與產量呈正相關關系，其中每穗粒數與產量呈顯著正相關關系（r2=0.530 4）。

2.2 不同有機肥用量對水稻光合作用的影響

葉片光合作用是影響水稻產量的主要因素，而灌漿期籽粒保持高效的光合能力是高產的關鍵［17-18］。由表2可知，增施有機肥量≥2 000 kg/hm2時，能顯著提高水稻抽穗期、灌漿期的葉片凈光合速率。2個生育期凈光合速率均以T4處理最高，分別較CK顯著提高19.05%、26.02%。施用有機肥能顯著提高2個生育期的氣孔導度，其中抽穗期以T4處理最高，灌漿期以T5處理最高。胞間CO2濃度以CK最高，有機肥施用量≤1 500 kg/hm2時，處理間差異不顯著。凈光合速率越低，胞間CO2濃度越高。施用有機肥能顯著提高2個生育期葉片蒸騰速率，其變化趨勢同凈光合速率。抽穗期不施有機肥處理水分利用效率顯著高于施有機肥處理，但灌漿期施有機肥處理具有更高的水分利用效率。

2.3 不同有機肥用量對土壤微生物數量的影響

由表3可知，2年各施肥處理細菌、真菌、放線菌的數量均顯著高于不施有機肥處理（CK），各處理2021年土壤中微生物總數高于2020年。2020年細菌、真菌、放線菌的數量均以T4處理最高，且顯著高于其他處理，分別較CK顯著增加143.82%、286.15%、328.02%；2021年細菌數量則以T3處理最高，真菌數量、放線菌數量以T4處理最高，分別比CK顯著增加147.71%、396.53%、175.59%。細菌數量/真菌數量值在2020年以CK最高，為68.6，T4處理最低，為43.1；2021年以T1處理最高，為173.3，T5處理最低，為44.3，隨著施肥量的增加，細菌數量/真菌數量值減小。2年間細菌、真菌、放線菌表現規律不一，可能跟試驗年限較短有關。

2.4 不同有機肥用量對土壤酶活性的影響

由表4可知，0～20 cm土層各處理土壤酶活性均高于不施有機肥的CK（T1處理的過氧化氫酶活性除外）。隨著施肥量的增加，脲酶活性、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性呈先增加后降低的趨勢，脲酶活性、過氧化氫酶活性以T4處理最高，分別較CK顯著增加97.50%、26.92%；蔗糖酶活性以T3處理最高，為16.00 mg/（g·d）；磷酸酶活性表現為高施肥量處理高于低施肥量處理。

2.5 不同有機肥用量對光合作用及土壤酶活性影響的綜合評價

對試驗第2年灌漿期葉片光合作用相關指標及收獲期土壤酶活性相關指標進行綜合效應分析，各指標間相關系數如表5所示。葉片凈光合速率與蒸騰速率、脲酶活性及磷酸酶活性呈顯著正相關關系，與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），而與胞間CO2濃度呈極顯著負相關關系。

對所有指標進行主成分分析，提取特征值大于1的成分，結果見表6。主成分1代替原始9個指標對不同施肥量處理效果進行評價，根據主成分綜合得[CM（21]分模型可知不同施肥量對灌漿期葉片光合作用及土壤酶活性綜合得分，由表7可知綜合得分最高的是T4處理，其次是T3處理，再次是T5處理，而不施有機肥處理的綜合得分最低。

3 討論

有機肥含有豐富的作物生長必需的營養物質，增施生物有機肥能促進水稻的生長，增加農藝性狀和[CM（21]生物量，增加水稻產量［19］。董廣等研究了不同有機肥施用量對有機水稻產量的影響，當施肥量達 5 250 kg/hm2 以上時，增加有機肥施用量的增產效果不顯著［20］。韓建等通過研究施用有機肥對紅地球葡萄產量的影響，發現施用有機肥處理的葡萄產量顯著高于單施化肥處理，且中量有機肥處理的葡萄產量最高［21］。本試驗結果表明，施用有機肥能提高水稻生長指標，連續施用2年后水稻產量構成各因素均較第1年有所增加，但在試驗第2年，施肥量為 2 500 kg/hm2 時，產量最高，繼續增加施肥量，產量反而有所下降。這可能是隨著試驗時限的延長，有機肥中氮素釋放，過多的有機肥施用導致作物貪青。

李晨華等的研究表明，長期化肥配施秸稈能顯著增加土壤中真菌和細菌的數量［22］。本試驗結果也表明，增施秸稈類有機肥能顯著增加土壤中細菌、真菌和放線菌的數量，且隨著試驗年限的延長呈上升趨勢。土壤酶由土壤微生物經過一系列化學反應產生，是驅動土壤生物化學循環過程的一類重要蛋白質，是指示環境變化的敏感指標［23］。韓新忠等的研究表明，小麥秸稈還田顯著提高了土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性［24］。馬寧寧等的研究表明，長期施用有機肥或有機肥與氮肥配合施用能增強土壤轉化酶、脲酶和中性磷酸酶的活性［25］。王飛等以花生為試驗材料，研究了不同有機肥對土壤酶活性的影響，結果表明，施用有機肥能提高脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性［26］。羅安程等研究了有機肥對水稻根際土壤酶活性的影響，結果表明，施用有機肥使水稻根際效應增加，能明顯提高水稻根際磷酸酶和脲酶的活性［27］。本試驗結果表明，施秸稈類有機肥能增加 0～20 cm土層中細菌、真菌、放線菌的數量及土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶的活性。本試驗結果還表明，隨著施肥量的增加，2021年細菌數量/真菌數量值呈下降趨勢?？赡苁怯袡C肥施用量增加，土壤中氮素積累增加，從而導致土壤微生物由細菌型向真菌型轉變［16］。

4 結論

連續施用2年有機肥，能顯著提升水稻凈光合速率、土壤微生物數量及土壤酶活性。本試驗結果表明，施用化肥保證水稻基本生長的基礎上增施秸稈類有機肥2 500 kg/hm2，能使土壤生物活性達到較高值，尤其是參與尿素水解的脲酶活性，同時灌漿期凈光合速率達15.5 μmol/（m2·s），從而將產量提高至6.93 t/hm2，而當施用量增加到3 000 kg/hm2時，以上指標反而有所下降。因此，渝東北丘陵山區紫色土水稻種植中，在施用化肥的基礎上增施 2 500 kg/hm2 秸稈類有機肥能獲得更高的產量，同時增加土壤微生物量，提高土壤酶活性。

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收稿日期：2023-03-08

基金項目：國家水稻產業技術體系建設專項三峽綜合試驗站項目（編號：CARS-01-95）。

作者簡介：邱詩春（1987—），女，重慶人，碩士，助理研究員，從事作物栽培育種、土壤肥力研究。E-mail：408637081@qq.com。

通信作者：周 靜，碩士，助理研究員，從事作物栽培育種、土壤肥力研究。E-mail：584901273@qq.com。