減氮配施有機肥對喀斯特地區稻田土壤微生物量和酶活性及雜交秈稻產量的影響

由曉璇，許桂玲，馮躍華，2?，王曉珂，高鈺琪，任紅軍，韓志麗，李家樂

(1 貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；2 貴州大學山地植物資源保護與種質創新教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

土壤的肥力決定了作物生長發育的優劣，直接影響作物的產量和品質。在農業生產中，為了保證糧食產量，人們過于依賴化肥。而過量施氮會導致土壤板結、酸化，且會增加土壤氮素的多途徑損失，破壞土壤微生物群落結構等[1－2]。因此，適當地減少氮肥的施用尤其重要。有機肥的施入有利于改善土壤結構、保持土壤養分平衡、增加土壤中有益微生物數量、增強土壤酶活力等，從而促進作物生長，提高作物產量與品質[3]。高乾等[4]研究表明，與單施化肥相比，減氮20%配施綠肥能提高水稻產量6.76%。丁煥新等[5]研究顯示，與單施化肥相比，減氮55%配施商品有機肥可增產9.42%。Iqbal 等[6]研究表明，與單施化肥相比，減氮30%、40%配施有機肥的處理土壤微生物量碳、氮含量顯著增加。鄭亮等[7]研究認為，減氮50%配施豬糞處理的土壤微生物量碳顯著高于單施化肥處理，但微生物量氮無顯著差異。梁元振[8]研究表明，減氮20%、30%配施商品有機肥可顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性；而秦秦等[9]研究認為，在配施生物有機肥的條件下，化肥減量30%能提高脲酶、蔗糖酶活性，但對過氧化氫酶活性無顯著影響。因此，前人關于減氮配施有機肥對產量、土壤微生物量、土壤酶活性的研究結論不盡一致。本研究以雜交秈稻宜香優2115 為材料，在貴州省黃平縣開展大田試驗，分析雜交秈稻產量、土壤微生物量、土壤酶活性對減氮配施有機肥的響應，以為減氮配施有機肥技術的推廣應用提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2021 年在貴州省黃平縣舊州鎮寨碧村(26°59′44.59″N，107°43′58.90″E)進行。試驗田耕層土壤pH 為5.3，含全氮2.55 g/kg、全磷0.38 g/kg、全鉀13.27 g/kg、有機質25.37 g/kg、堿解氮157.00 mg/kg、有效磷16.37 mg/kg、速效鉀162.86 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試品種為秈型雜交水稻宜香優2115；有機肥為遵義君宇生物工程有限公司生產的來利有機肥(氮、磷、鉀含量分別為1.345%、0.949%、2.365%)；使用的化肥有尿素(N 含量46.2%)、普鈣(P2O5含量16.0%)和氯化鉀(K2O 含量60.0%)。

1.3 試驗設計

試驗采用兩因素裂區設計，以有機肥施用量為主區，設3 個水平，分別為M0(0 kg/hm2)、M1(1 673 kg/hm2，含N 22.5 kg/hm2，低量有機肥)、M2(3 346 kg/hm2，含N 45 kg/hm2，高量有機肥)；以減氮率為副區，設4 個水平，分別為R1(施N 180 kg/hm2，減氮率0%)，R2(施N 135 kg/hm2，減氮率25%)，R3(施N 90 kg/hm2，減氮率50%)，R4(施N 0 kg/hm2，減氮率100%)。各處理磷、鉀肥用量相同，分別為P2O596 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，施用的有機肥所含的磷鉀量需計入各處理的總磷鉀中。有機肥全部用作基肥，氮肥按基肥35%、分蘗肥20%、促花肥30%、?；ǚ?5%的比例施用。磷肥全部用作基肥，鉀肥按基肥、促花肥各50%的比例施用。副區面積17.28 m2，小區四周設高30 cm、寬20 cm 的田埂，包膜壓深至地下30 cm，防止水肥滲透。設置3 次重復，區組間留60 cm 走道，以便田間操作及調查。行株距為30 cm×20 cm，每穴插1 苗。大田自分蘗初期起保持水面3～5 cm，直到成熟期前10 d 左右停止灌溉，任其自然落干。田間精細管理，及時控制病蟲害。于2021 年4 月19 日育秧，5月27 日移栽，9 月10 日收獲測產。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 水稻產量及產量構成

于成熟期從每個小區收割90 穴水稻，脫粒曬干風選后測產。用烘干法測定實際含水量，按13.5%水分含量折算實產。在測產取樣的同時，根據每小區的平均莖蘗數取代表性植株6 穴作為考種樣本，調查水稻的穗數、每穗粒數、結實率、千粒質量等。

1.4.2 土壤微生物量碳、氮測定

(1)土樣采集。采用5 點取樣法，將土壤表層浮土去除，用土鉆取0～20 cm 土層的土壤樣品。土壤樣品分為兩部分，一部分裝入自封袋中，于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物量的測定；另一部分裝入塑料袋中，在實驗室內陰干后，用1 mm 網篩過篩，保存樣品，用于土壤酶活性的測定。

(2)土壤微生物量碳、氮測定。參照文獻[10]，采用氯仿熏蒸提取法測定土壤微生物量碳、氮含量。

1.4.3 土壤酶活性測定

參照文獻[11]，采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定脲酶活性，采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 整理試驗數據；采用SAS 9.0進行方差分析；采用SPSS 2016 進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 減氮配施有機肥對水稻產量及產量構成的影響

由表1 可知，減氮率、減氮率與有機肥施用量互作均對水稻產量具有極顯著影響(P<0.01)。由減氮率主效可知，隨著減氮率的增大，產量呈先降低后增加再降低趨勢，減氮率50%的處理(R3)產量最高，且顯著高于其它減氮率處理。隨著減氮率的增大，有效穗數、每穗粒數呈先增高后降低趨勢，而千粒質量、結實率則相反。減氮25%處理(R2)的有效穗數最高，顯著高于減氮100%處理(R4)；R3 處理的每穗粒數最高，顯著高于R4；而R4 處理的千粒質量和結實率最高，顯著高于其它減氮處理。

表1 不同處理的水稻產量及產量構成比較Table 1 Comparison of rice yield and yield composition under different treatments

在低量或高量有機肥條件下，產量均以R3 處理最高，且顯著高于R2、R4。有效穗數則分別為R1、R2 最高，R1、R2 間無顯著差異；每穗粒數則為R3 處理最高，顯著高于R4；千粒質量、結實率均為R4 最高，且顯著高于其它減氮處理(低量有機肥條件下的結實率除外)。

在等氮條件下，與單施化肥的處理R1M0 相比，減氮25%配施高量有機肥處理R2M2 的結實率和產量顯著提高；在非等氮條件下，與R1M0 相比，減氮50%配施低、高量有機肥的處理R3M1、R3M2 的產量均顯著增加，減氮25%配施低量有機肥處理R2M1 的結實率和產量顯著增高。

2.2 減氮配施有機肥對土壤微生物量碳、氮含量及碳氮比的影響

由表2 可知，減氮率對土壤微生物量碳有極顯著影響，減氮率與有機肥施用量互作對土壤微生物量碳含量、土壤微生物量碳氮比有極顯著影響。由減氮率的主效應可知，隨著減氮率的增大，土壤微生物量碳含量呈先增高后降低趨勢，R2 處理最高，顯著高于R4；土壤微生物量氮含量呈先降低后增高趨勢，R1 處理最高，且顯著高于R3；土壤微生物量碳氮比呈先增高后降低趨勢，變化范圍在7～9，R3 處理最高，且顯著高于R1、R4。

表2 不同處理的水稻土壤微生物量碳、氮含量以及微生物量碳氮比的比較Table 2 Comparison of soil microbial biomass C，N and microbial biomass C/N ratio of rice under different treatments

在低量有機肥條件(M1)下，土壤微生物量碳含量為R2 處理最高，且顯著高于其他減氮處理；土壤微生物量氮含量為R1 處理最高，且其顯著高于R4；土壤微生物量碳氮比為R4 處理最高，且其顯著高于其他減氮處理。在高量有機肥(M2)條件下，土壤微生物量碳含量為R1 處理最高，其顯著高于R2、R4；土壤微生物量氮含量為R4 處理最高，其顯著高于R3；土壤微生物量碳氮比為R3 最高，其顯著高于R4，但與R1、R2 無顯著差異。

在等氮條件下，與R2M0 相比，R3M2 處理的土壤微生物量碳含量提高了9.73%，但差異不顯著；土壤微生物量碳氮比則顯著增高。在非等氮條件下，與R1M0 相比，R2M1 的土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量分別提高了8.87%和0.11%，但差異不顯著；與R2M0 相比，R3M1 的土壤微生物量碳含量也提高了1.28%，但差異不顯著。

2.3 減氮配施有機肥對土壤酶活性的影響

由表3 可知，減氮率對土壤脲酶、過氧化氫酶活性有極顯著影響，對土壤蔗糖酶活性有顯著影響；減氮率與有機肥施用量互作對土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性有極顯著影響，對脲酶活性有顯著影響。隨著減氮率的增大，土壤脲酶活性以R3 處理最高，其顯著高于其它減氮處理；蔗糖酶活性呈持續增高趨勢，R4 處理最高，且顯著高于其他減氮處理；過氧化氫酶活性呈先增高后降低趨勢，R3 處理最高，且顯著高于其它減氮處理。

表3 不同處理的水稻土壤酶活性比較Table 3 Comparison of rice soil enzyme activities under different treatments

在低量有機肥條件下，脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性均為R3 處理最高，脲酶活性為R3 顯著高于R2、R4，但蔗糖酶、過氧化氫酶活性處理間無顯著差異。在高量有機肥條件下，脲酶、過氧化氫酶活性均為R3 最高，其顯著高于R1、R4；蔗糖酶活性為R4最高，其顯著高于其他減氮處理。

在等氮條件下，與R1M0 相比，R2M2 的脲酶活性提高了6.22%，但差異不顯著；過氧化氫酶活性顯著提高了17.01%。與R2M0 相比，R3M2 的過氧化氫酶活性顯著提高了54.70%，脲酶、蔗糖酶活性分別提高了5.81%、13.41%，但差異不顯著。在非等氮條件下，與R1M0 相比，R3M1、R3M2 的脲酶活性分別顯著提高了17.22%和18.04%；R2M1、R3M1的蔗糖酶活性分別提高了1.41%、11.63%，但差異不顯著；R3M2 的過氧化氫酶活性顯著提高了26.02%，R2M1、R3M1 分別提高2.89%、6.46%，但差異不顯著；與R2M0 相比，R3M1 的脲酶活性提高了1.66%，但差異不顯著；R3M1 的蔗糖酶、過氧化氫酶活性分別顯著提高了43.22%、30.69%。

2.4 土壤微生物量碳、氮、土壤酶活性與產量的相關性分析

將土壤酶(脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶)活性、微生物量碳、微生物量氮與水稻產量進行相關性分析，結果見表4。脲酶活性與產量呈極顯著正相關；微生物量碳含量與脲酶活性、過氧化氫酶活性分別呈顯著、極顯著正相關，而與蔗糖酶活性呈極顯著負相關；脲酶活性與過氧化氫酶活性呈極顯著正相關，蔗糖酶活性與過氧化氫酶活性呈極顯著負相關。

表4 土壤各指標相關性分析Table 4 Correlation analysis of soil indexes

3 討論

在本研究中，無論是在低量還是高量有機肥條件下，均為減氮50%的處理產量最高。但胡法龍等[12]研究表明，在配施300 kg/hm2有機肥時，隨著減氮率提高，水稻產量持續下降，結果與本文有差異，這可能是因為與本研究相比，其有機肥施用量較少，且有機肥種類也有所不同。此外，在低量有機肥條件下，減氮100%與減氮0%、減氮25%的處理無顯著差異，且在減氮100%條件下，低量有機肥和高量有機肥間亦無顯著差異，這可能是因為過多的養分以及養分虧缺都不利于水稻產量的提高。楊勝玲等[13]研究表明，在等養分含量條件下，與常規施肥相比，減氮25%配施有機肥的處理水稻產量增高；Iqbal 等[14]認為，在等養分含量下，與單施氮肥相比，減氮30%配施牛糞或禽糞的處理產量顯著增高；馬蓓[15]研究表明，在非等氮條件下，與常規施肥相比，減氮62.5%配施有機肥晚稻產量增高。這些研究結論與本研究有相似之處。與單施氮肥(N180 kg/hm2)相比，減氮配施有機肥處理產量均顯著增高。這可能是因為配施有機肥平衡了土壤中的養分，使水稻整個生育期養分供應充足[16]，而配施有機肥的同時減少化肥氮的施入，解決了常規施肥中過量施氮而導致的養分利用率低等問題。

本研究表明，在相同有機肥量下，過度減氮(減氮100%)不利于有效穗數和每穗粒數的增加，這與張文潔[17]的研究結果基本相似?？赡苁且驗檫^度減氮會使水稻分蘗生長和穗分化時期出現明顯的缺氮現象，養分供應不足，因而表現出庫容量變小[18]。但千粒質量和結實率則相反，二者均為減氮100%處理最高，說明單施有機肥對千粒質量和結實率有提升效果，這與顧巍巍等[19]的研究結論相似。究其原因，可能是因為相比于速效的化學氮肥，有機肥具有平緩持續的肥效，可以提升氮的生物固定，使整個生育期能持續供應氮肥，有利于籽粒灌漿時期的養分供給，因而促進了千粒質量、結實率的提高[20]。

土壤微生物量碳、氮含量是土壤碳、氮養分轉化和循環研究中的重要指標，可以較為直觀地反映不同施肥模式下的土壤微生物和土壤肥力狀況[21]。在本研究中，隨著減氮率的提高，土壤微生物量碳含量呈先增高后降低的趨勢，減氮25%的處理最高，但土壤微生物量氮含量呈相反趨勢，減氮0%的處理最高。說明有機肥施用量相同的條件下，減氮有利于土壤微生物量碳含量的增高，但不利于微生物量氮含量的增高。張麗[22]研究表明，在等氮條件下，與單施化肥相比，減氮配施有機肥的處理土壤微生物量碳、氮含量提高，這與本研究的結論同中有異。本研究發現，等氮條件下，與單施化肥相比，減氮配施有機肥的土壤微生物量碳含量升高，但土壤微生物量氮含量則降低。這可能是因為本試驗的總氮含量較低，而微生物對氮素的固定，需要在能源物質供給充足時才會完成，減氮配施有機肥后，化肥氮礦化后剩余的量不足以完成土壤微生物對氮素的固持作用，從而導致土壤微生物量氮含量降低[23－25]，而有機肥施入土壤分解后既可以釋放出大量的養分，又增加了土壤中的可利用碳源，刺激了微生物的繁殖，從而使有機肥中的碳被微生物吸收，使土壤微生物量碳含量升高。李靜[26]研究表明，在不等氮條件下，與單施化肥相比，減氮配施有機肥的處理土壤微生物量碳、氮含量顯著提高，這與本研究的結論相似。本研究中，在不等氮的條件下，與單施化肥相比，減氮配施有機肥的土壤微生物量碳、氮含量提高。

土壤微生物量碳氮比既可以反映土壤微生物群落結構特征，又能反映土壤中的氮素有效性，氮素有效性與微生物量碳氮比呈反比[27－28]。當土壤微生物量碳氮比為5、6、10 時，分別有利于細菌、放線菌、真菌的生長[29]。在本試驗中，隨著減氮率的增大，土壤微生物量碳氮比呈先增大后減小趨勢，甚至在高量有機肥條件下發生由10 向5 的變化。這與張成蘭等[28]長期不同施肥模式對紅壤土微生物性狀影響的研究結論相同。說明減氮配施有機肥處理使土壤中的微生物種類由真菌向細菌方向轉化，而細菌的增多有利于土壤中的物質轉化。并且有研究[30]表明，多種細菌種群都可以提高土壤中有效氮和有效磷的含量。

土壤酶是作用于許多發生在土壤中的生化過程的天然催化劑，其活性可以反映微生物的活力以及土壤中養分有效性的高低，是評價土壤肥力的重要指標[31－33]。脲酶、蔗糖酶分別表示土壤中與氮、碳循環相關的酶，過氧化氫酶的大小可反映土壤毒害作用的高低[34－35]。在本試驗中，配施有機肥時，隨著減氮率的提高，土壤蔗糖酶活性呈持續增高趨勢，過氧化氫酶活性呈先增高后降低趨勢，而脲酶活性無明顯變化規律，其中脲酶、過氧化氫酶均為減氮50%的處理最高，而蔗糖酶則為減氮100%的處理最高，說明減氮配施有機肥可以提高脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶的活性，這與王興龍等[36]研究結論一致?？赡苁且驗槭┯眠^多的肥料會抑制土壤酶活性的提高，而適量氮肥配施有機肥有利于提高微生物的運動活性，從而讓更多的酶進入土壤，致使酶活性提高。顧強[37]的研究表明，在等氮條件下，與單施化肥相比，減氮40%配施有機肥處理的脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性得到提高。孫瑞蓮等[38]研究表明，在不等氮條件下，與單施化肥相比，減氮50%配施有機肥處理的脲酶、蔗糖酶活性提高，但過氧化氫酶活性降低。以上的結論與本研究大致相同，不同點在于在本試驗中非等氮條件下，與單施化肥相比，減氮配施有機肥處理的脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性均提高了，這可能是因為配施的有機肥含氮量不同，本試驗的有機肥含純氮量較高，所以減氮配施有機肥處理的3 種酶活性都有所提高。

通過相關性分析可知，脲酶與產量的提高有密切關系，這與管冠[39]、徐云連等[40]研究結論一致。這可能是因為脲酶可以水解尿素，直接影響了施入的肥料中氮的釋放，增強了氮的有效性，促進了水稻的吸收利用，進而影響產量[41]。而脲酶活性又與過氧化氫酶活性、微生物量碳含量呈顯著或極顯著正相關，但與蔗糖酶活性卻呈極顯著負相關，說明提高脲酶、過氧化氫酶活性、微生物量碳含量都有利于產量的提高，而蔗糖酶活性則相反。還說明了土壤中的一些指標在發揮各自作用的同時，也發生著相互作用[42]。

4 結論

在本試驗中，減氮50%配施高量有機肥處理的產量最高，且該處理組合的脲酶、過氧化氫酶活性亦最高，雖該處理組合的大部分指標未達到最高值，但與最高值的處理組合均無顯著差異。綜合分析，本試驗條件下，減氮50%配施高量有機肥為最適組合。