生物源土壤改良劑對水稻產量、抗性及稻米品質的影響

王松 張呈龍 劉闖 張小凡,2*

（1上海又然生態科技有限公司，上海 201111；2 上海交通大學 環境科學與工程學院，上海 200240；第一作者：1006songsong@163.com；*通訊作者：xf_zhang@sjtu.edu.cn）

水稻是世界一半以上人口及約60%中國人口的主食[1-2]。我國是世界上水稻主要生產國。在過去的幾十年里，我國水稻的增產主要是通過施用大量化肥來實現，然而，長期大量施用化肥會使土壤出現板結、結構破壞和有機質含量下降，引起土壤酸化、氮肥利用率下降，進而導致農田面源污染加劇和水稻產量下降[3-4]。在稻田中，氨揮發是氮損失的主要途徑，占施氮總量的10%～60%。研究表明，農業是NH3排放的主要來源，占總排放量的80%～90%。NH3的再沉積可直接或間接導致土壤酸化、水體富營養化和生物多樣性喪失[5-6]。

化肥和合成農藥的過度使用除了會造成嚴重的環境問題外，也不利于人類健康。近年消費者對有機食品的認識不斷提高[7]。有機類肥料可以改善土壤結構和養分含量[8-12]，有機耕作習慣對環境造成的破壞相對較輕，且更具有可持續性，生產的農產品往往味道鮮美，也更安全[13]。然而，與傳統耕作習慣相比，有機生產的作物產量較低且不穩定[14-15]。因此，如何改善土壤環境，又能保證相對穩定的產量及產品品質，最大程度發揮土壤自身功效是農業和環境領域所關注的課題。

土壤改良劑是一種主要用于改良土壤物理、化學和生物性質的物料，具有提高退化土壤生產力的功效[16-17]。目前研究較多的是沸石、石膏、煤灰和聚丙烯酰胺等單一成分的改良劑，效果有限且會帶來新的問題[18-19]。為此，本研究以滬軟1212 為試驗材料，探討了不同施肥方式對水稻產量、品質、抗性及生態環境的影響，以期為科學利用有機類肥料和土壤改良劑提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種：滬軟1212，由上海市農業科學院提供。供試肥料：生物源土壤改良劑（上海又然生態科技有限公司生產，主要技術指標：有機質≥50.0%，N+P2O5+K2O≥4.0%，有效活菌數≥2.0×108cfu/g，主要菌株為Bacillus megaterium、Bacillus mucilaginosus 及Bacillus azolofixans 等，具有溶磷、解鉀、固氮等功能）；氮肥（陜西渭河煤化工集團有限公司生產，主要技術指標：N≥46.0%）；復合肥（上海惠爾利農資有限公司提供，主要技術指標：N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）。

1.2 試驗設計

本研究于2020 年4 月至2021 年11 月連續2 年在上海市閔行區馬橋鎮上海又延農業專業合作社（121°35’E，31°00’N）進行。試驗面積1.8 hm2。試驗設3 個處理：T1，底肥、追肥均使用化肥（常規種植，用量共為60 kg/667 m2）；T2，使用生物源土壤改良劑作底肥（替代總化肥量以氮肥為基準，用量為500 kg/667 m2），不添加追肥；T3，用生物源土壤改良劑作底肥（用量為500 kg/667 m2），化肥作追肥（用量為25 kg/667 m2）。每個處理面積2 000 m2，3 次重復，共6 000 m2。

1.3 試驗方法

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（化肥顆粒狀，人工背負式機器噴灑施用；生物源土壤改良劑粉狀，牽引式拋灑車施用），6 月5 日機插秧2.1 萬叢/667 m2。6 月10日至6 月15 日施返青肥；7 月10 日至7 月20 日施分蘗肥，8 月20 日至8 月30 日施孕穗肥，具體如表1 所示。2021 年9 月25 日后水稻進入成熟期，10 月10 日至10 月29 日收獲。分別于水稻分蘗期和成熟期測量植株高度、有效分蘗數、根須長度和根須面積等指標。

表1 各處理施肥方案 （單位：kg/667 m2）

1.4 測定項目及方法

1.4.1 植株性狀

測定植株高度、有效分蘗數、根須長度、根須面積、莖基粗度、莖壁厚度；水稻收割后按處理區計總產量。株高和根須長采用卷尺測定，根須面積采用切片投影法測定，莖基粗度、厚度采用游標卡尺測量。

1.4.2 稻米養分含量

測定稻米蛋白質、直鏈淀粉以及磷、鉀、鈣、鐵、鎂等營養元素含量。大米中蛋白質含量測定采用GB/T5009.5-2016，直鏈淀粉含量測定采用GB/T 15683-2008，鈣含量測定采用GB 5009.92-2016，鐵含量測定采用GB 5009.268-2016，鉀含量測定采用GB 5009.91-2017，鎂含量測定采用GB 5009.241-2017，磷含量測定采用GB 5009.87-2016。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2013 軟件進行數據統計和處理，使用SPSS 20.0 軟件對不同處理間差異進行顯著性檢驗，應用最小顯著差異法（LSD）進行多重比較，不同處理間差異顯著性（P＜0.05）用小寫字母標注。2 年數據趨勢基本一致，本文采用2021 年數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻生長周期的影響

T2 處理在插秧后的第7 d 進入返青期，第22 d 進入分蘗期，第70 d 葉枕平，第87 d 齊穗，第125 d 成熟，比T1 處理生育期分別早2、7、10、12 和19 d；T3 處理則分別比T1 處理早2、3、6、8 和9 d（圖1）。

圖1 不同施肥處理對水稻生長周期的影響

2.2 不同施肥處理對水稻植株發育的影響

由表2 可見，T3 處理株高、分蘗數（穗數）、根須長及根須面積都優于T1 和T2 處理。在分蘗期，除植株高度T1 處理與T2 處理差異不顯著外，其他指標各處理間差異均達顯著水平；在成孰期，T3 處理的有效分蘗數、根須長度和根須面積顯著高于T1 處理。

表2 不同施肥處理對水稻各生育期生物學指標的影響

2.3 不同施肥處理對水稻產量的影響

如圖2 所示，T2 處理產量最低，為433 kg/667 m2，顯著低于T1 和T3 處理；生物源土壤改良劑和化肥配施的T3 處理產量最高，為585 kg/667 m2，顯著高于T1和T2 處理。

圖2 不同施肥處理對水稻產量的影響

2.4 不同施肥處理對水稻抗病蟲害、抗倒伏能力的影響

如表3 所示，在T2 和T3 處理區，殺蟲劑及防治病害農藥的使用次數和施用量明顯少于T1 處理區，說明生物源土壤改良劑可以使植株健壯，增強了水稻對稻飛虱和稻縱卷葉螟等害蟲的抗性，且生物源土壤改良劑中的微生物菌群有機成分使水稻增強了對紋枯病的抗性。

表3 不同施肥處理的藥劑使用情況

由表4 可見，T3 處理的莖基部第2 節粗度略高于T1 處理，差異不顯著，但其莖壁厚度顯著厚于T1 處理。由圖3 可見，在2021 年6 號臺風“煙花”及14 號臺風“燦都”影響下，T3 處理（左側）的水稻幾乎未發生倒伏（T2 處理亦未發生倒伏，數據未顯示），T1 處理卻發生大面積倒伏。說明生物源土壤改良劑能增強水稻的抗倒伏性，這與鄧文等[20]研究結果一致。

圖3 不同處理對水稻抗倒伏能力的影響

2.5 不同施肥處理對稻米養分含量的影響

由表5 可見，T2 處理和T3 處理的蛋白質含量和直鏈淀粉含量均均顯著低于T1 處理，但T2 和T3 處理間差異不顯著；稻米中的磷、鉀、鈣、鐵及鎂等營養素含量不同處理間差異均為顯著，以T3 處理最高。

3 討論

3.1 不同施肥處理對水稻生長發育及產量的影響

由上述結果可知，施用生物源土壤改良劑處理的水稻生長速度明顯快于單施化肥處理，表明生物源土壤改良劑能有效促進水稻的功能分化與生長。但是，根據現有的數據，我們還無法解釋單施生物源土壤改良劑的處理（T2）比生物源土壤改良劑和化肥配施的處理（T3）生長更快的原因，這一現象還有待于進一步研究。高菊生等[21]研究認為，有機綠肥與化學肥料配施能加速水稻分蘗，促進水稻生長；連續施用有機肥料能促使水稻提早成熟，生育期縮短3～4 d。吳曉峰等[22]研究結果表明，施用有機肥料可使水稻生育期縮短2 d，還可提高水稻有效穗數和結實率，促進水稻籽粒灌漿結實，增加千粒重。

傳統的水稻種植方式是淺層土壤中播撒或混合基施化肥。這種方法提高了表層土壤和灌溉水中的NH4-N 含量[23]。但在早期生長階段，水稻根系小，植株對氮的需求量較低[24]，造成未被水稻幼苗吸收的氮流失。隨著植株的進一步生長，營養需求增加，而土壤或灌溉水中的氮濃度逐漸降低。因此，化肥提供的氮與作物氮需求不同步。單獨使用化肥可能導致氮損失和低氮回收率，進而影響水稻的生長速度，同時也增加了水體富營養化造成的環境污染風險和經濟損失[25]。

株高是植物形態學調查工作中最基本的指標之一，能客觀表示植物生長的優劣[26]，根系是水稻不可缺少的器官，直接影響著水稻的產量、品質和抗逆性，以及對環境條件的適應性等[27]，且根系與地上部生長有密切聯系，二者生物量通常成比例發展[28]。王延軍等[29]研究表明，生態肥和有機類肥料配施能促進水稻根系發育，形成利于吸收養分的狀態。李先等[30]研究認為，有機類肥料有利于水稻根系深扎，增強水稻對肥料氮及土壤氮的有效利用。MOE 等[31]研究了有機類肥料和化肥對秈稻品種Manawthukha 和粳稻品種Genkitsukushi 生長和產量的影響，發現施用有機-無機復合肥處理的SPAD 值、株高和分蘗數均高于施用化肥處理。

有研究認為，單施有機類肥料比單施化肥增產[11]。還有研究結果表明，由于養分含量相對較低且植物養分釋放緩慢的原因，僅施有機類肥料無法滿足植物的需求，化學肥料和有機類肥料配施才可改善植株生長，提高水稻產量和稻米品質[32]。

3.2 不同施肥處理對水稻抗性的影響

楊巧紅[33]研究表明，施用有機類肥料可以增強水稻抗紋枯病的能力。ENGKA 等[34]發現，施用有機類肥料能使植物更健壯，更能抵抗水稻二化螟，此外，還可以降低生產成本，并且對環境友好。水稻倒伏是水稻生長發育過程中一種比較常見的生理性障礙，是水稻高產、穩產、優質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劑能增加莖基部第2 節粗度和莖壁厚度，增強水稻的抗倒伏性。

3.3 不同施肥處理對稻米品質的影響

稻米中的蛋白質、直鏈淀粉含量直接關系到其口感，一般認為蛋白質和直鏈淀粉含量低的稻米食味更好。而稻米中的磷、鉀、鈣、鐵及鎂等營養素直接關系到人們的身體健康。劉家龍等[37]研究表明，施用有機類肥料能在一定程度上提高稻米外觀品質以及加工品質，包括降低堊白粒率和堊白度，提高整精米率，降低直鏈淀粉含量，提高稻米適口性。李先等[30]研究認為，與單施化肥相比，有機肥和無機肥配施可降低稻米堊白度和直鏈淀粉含量，提高稻米膠稠度、外觀品質和蒸煮品質。

4 結論

施用了生物源土壤改良劑的T2、T3 處理無論在水稻生長速度、植株性狀、抗脅迫能力及稻米品質等方面，都明顯優于單施化肥的T1 處理。單施生物源土壤改良劑的T2 處理的水稻生長速度最快（全生育期為125 d），蛋白質和直鏈淀粉含量最低，分別為6.53%和7.30%。而施用生物源土壤改良劑+化肥處理（T3）的水稻長勢最佳，株高、有效穗數、根須長、根須面積和產量及稻米中磷、鉀、鈣、鐵、鎂等營養素含量均最高，分別為108.0 cm、13.0 個、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。