韓正砥， 周明耀， 楊雅琴， 姚顯紫， 侯會靜

(1.揚州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225009； 2.上海市浦東新區(qū)河道管理事務(wù)中心， 上海 201299)

1 研究背景

肥料是植物生長的重要養(yǎng)分來源，在維持作物生長中起著至關(guān)重要的作用[1]。自20世紀(jì)末期，中國農(nóng)業(yè)對化肥需求急劇上漲，成為世界上使用農(nóng)業(yè)化肥最多的國家[2]，化肥使用量已經(jīng)超過其經(jīng)濟意義上的最優(yōu)施用量，且還在繼續(xù)增長[3]。長期施用單一化肥造成了嚴(yán)重的土壤板結(jié)，肥力下降，隨著化肥施用對土壤、生態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量的負面影響日益凸顯[4]，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色、有機農(nóng)業(yè)理念逐漸被提出，有機肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中又重新得以重視。

生物有機肥被認為是一種先進的生物技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是經(jīng)濟作物種植中應(yīng)用較多。生物有機肥是指通過無害化處理工藝，將特定功能微生物與有機材料結(jié)合而成的一種肥料，主要由經(jīng)過預(yù)處理的動植物殘體(如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等)組成[5]。研究表明，施用生物有機肥不僅可以提高肥料利用率[6]、改善土壤質(zhì)量[7-8]，還可以促進作物生長[9]，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[10-11]，有利于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。例如，李鳳霞等[7]在寧夏鹽堿地修復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)，相較于全施化肥處理，配施生物有機肥不僅降低了土壤pH值和含鹽量，還可以增加土壤有機質(zhì)、全氮和有效磷含量，對土壤微環(huán)境也有明顯的改善。但是，生物有機肥的應(yīng)用研究多集中在經(jīng)濟作物中[9,12]，近兩年開始出現(xiàn)在水稻種植研究中[13]。

中國是水稻生產(chǎn)大國之一，水稻種植面積占全國總種植面積的25%，其產(chǎn)量為世界第一[14]。但是，長期不合理的施肥管理方式，造成稻田土壤養(yǎng)分流失，形成大面積的面源污染，嚴(yán)重影響了農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，在全球氣候變化加劇、水資源日益短缺的情況下，推廣節(jié)水灌溉、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，是保證我國糧食安全與水資源安全的有效途徑[15]，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)增效、控污減排的有效手段[16]。但是，關(guān)于節(jié)水灌溉稻田的生物有機肥應(yīng)用效果研究較為罕見。因此，研究節(jié)水灌溉水稻生產(chǎn)中合理的生物有機肥施肥模式不僅是實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、保證土壤肥力的重要舉措，也對生態(tài)環(huán)境保護，促進農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。

本研究通過小區(qū)試驗的方法探討生物有機肥與化肥配施對節(jié)水灌溉水稻生長以及土壤養(yǎng)分累積的影響，尋找適宜節(jié)水灌溉水稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的生物有機肥與化肥合理的配施模式，為生物有機肥在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用以及水土資源的可持續(xù)利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)，地處太湖流域低洼平原，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年蒸發(fā)量為1 365.9 mm，年降雨量為1 097.1 mm，年平均氣溫為15.5 ℃。

試驗小區(qū)為新規(guī)劃小區(qū)，肥力較弱。小區(qū)土壤為潴育型黃泥土，表層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量為1.66 g/kg，堿解氮為105.1 mg/kg，有效磷為80.5 mg/kg，速效鉀為85.2 mg/kg，pH值為7.4。小區(qū)上方安裝有移動式遮雨棚用以阻擋降水，無降水時打開以保證日常光照。

2.2 試驗設(shè)計

在水稻品種、育秧、移栽密度、灌水、噴藥等技術(shù)措施以及土壤基礎(chǔ)肥力相同的條件下，設(shè)置5種施肥處理：全施化肥(T0)、75%化肥和25%生物有機肥(T1)、50%化肥和50%生物有機肥(T2)、25%化肥和75%生物有機肥(T3)及全施生物有機肥(T4)，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共計15個小區(qū)。每個小區(qū)面積為5 m2(2 m×2.5 m)，小區(qū)四周田埂均布設(shè)50 cm深的PVC擋板，以減少相鄰小區(qū)之間的水肥交換。

生物有機肥采用合肥麗科農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的活性菌生物有機肥，其主要成份由中藥渣、煙沫、發(fā)酵雞糞、腐殖酸、氨基酸及復(fù)合活性菌混合構(gòu)成，主要養(yǎng)分含量分別為：有效活菌數(shù)≥2×108/g，有機質(zhì)≥45%，氮磷鉀≥5%?；蔬x用尿素(總氮≥46%)和復(fù)合肥(N+P2O5+K2O≥45%)。全施化肥處理中化肥施用量及施肥時間與當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥方法一致，分基肥、蘗肥和穗肥3次施下。全施生物有機肥處理中生物有機肥施用量根據(jù)肥料廠商給定的建議用量，分基肥和穗肥兩次施下，其他處理的施肥量分別按照比例進行施加。各處理具體施肥時間及施肥量見表1。

表1 試驗各處理具體施肥時間及施肥量(2019年6-10月) kg/hm2

供試水稻品種為南粳46，于2019年6月28日插秧，株距15 cm，行距20 cm，于10月27日收割，全生育期為121 d。所有處理均采用節(jié)水灌溉方式，在返青期持有5～25 mm薄水層，此后除施肥、打藥等情況外不再建立灌溉水層，以根層土壤含水率作為灌水的調(diào)控指標(biāo)(詳見表2)確定灌水時間和灌水定額。此外，生育期內(nèi)的打藥、除草等田間管理均與當(dāng)?shù)亓?xí)慣方法一致。

表2 節(jié)水灌溉水稻各生育階段根層土壤水分控制指標(biāo)(2019年6-10月)

2.3 測定指標(biāo)及方法

自水稻分蘗期開始，在每個小區(qū)選取5株長勢相近的水稻，測量其分蘗數(shù)、株高和葉面積指數(shù)，每5天記錄一次，每個處理分別記錄。水稻的分蘗數(shù)通過直接計數(shù)來確定；測量從田面到最高劍葉尖端距離(抽穗期后為田面到穗部頂端距離)為水稻植株高度；利用LAI-2200c 植物冠層分析儀測量作物的葉面積指數(shù)(LAI)。

在插秧前和收割后分別采集各小區(qū)表層土壤樣品，測量土壤有機質(zhì)(重鉻酸鉀外加熱法)、堿解氮(堿解擴散法)、有效磷(鉬銻抗比色法)和速效鉀(火焰分光光度計法)含量。

對所有處理以小區(qū)為單位測定產(chǎn)量及其構(gòu)成。各小區(qū)分別選取1 m2內(nèi)的所有水稻，單打單收，待所選樣品自然風(fēng)干后進行考種測產(chǎn)。分別統(tǒng)計各小區(qū)水稻產(chǎn)量及每穴穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成，并計算結(jié)實率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2010進行處理，用OriginPro9.1作圖，用SPSS Statistics 22.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析評價處理之間的顯著差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物有機肥的施用對水稻生長情況的影響

圖1為試驗期各處理水稻莖蘗、株高及葉面積指數(shù)變化規(guī)律。

由圖1(a)可以看出，各處理中水稻莖蘗數(shù)變化情況存在差異。T0、T1和T2處理的水稻在插秧后第14 d開始分蘗，而T3和T4處理中水稻在第9 d開始分蘗，且T3處理分蘗數(shù)達到最大值的時間也隨之提前。說明施用高比例的生物有機肥有可能提前水稻的分蘗時間。在水稻生長過程中，各處理水稻分蘗最大值和最后一次觀測的水稻分蘗情況均表現(xiàn)為T0>T3>T4>T2>T1。在最后一次的觀測中，與T0處理(305株/m2)相比，T1、T2、T4處理中水稻有效分蘗數(shù)分別減少了18.5%(P<0.05)、16.2%(P<0.05)和14.4%(P<0.05)，而T3處理水稻有效分蘗數(shù)與T0處理相差不大。

由圖1(b)可以看出，不同于生物有機肥對水稻莖蘗生長的影響效果，各處理中水稻株高變化情況基本一致。各處理水稻株高在生育前期均保持迅速增長狀態(tài)，到拔節(jié)孕穗后期增長減緩。在抽穗開花期，由于水稻抽穗，各處理水稻株高出現(xiàn)小幅增長，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。在最后一次的觀測中發(fā)現(xiàn)，各處理水稻株高表現(xiàn)為T3>T0>T2>T4>T1；與T0處理(79.0 cm)相比，T1、T2、T4處理的水稻株高分別降低4.6%、1.2%和1.8%，差異不顯著(P>0.05)，而T3處理(79.4 cm)水稻株高則提高了0.5%(P>0.05)。這表明生物有機肥的施用對水稻株高的影響并不明顯。

本次試驗中發(fā)現(xiàn)，各處理水稻生育期內(nèi)葉面積指數(shù)均表現(xiàn)為先增大再減小的趨勢(圖1(c))。從整體上看，各處理中水稻葉面積指數(shù)表現(xiàn)為T3>T4>T2>T0>T1。在最后一次的觀測中發(fā)現(xiàn)，與T0處理(葉面積指數(shù)為3.7)相比，T2、T3、T4處理中水稻葉面積指數(shù)分別提高了13.5%、40.5%和21.6%，差異顯著(P<0.05)，而T1處理的葉面積指數(shù)略有減小。這表明減施化肥配施生物有機肥可以提高水稻葉面積指數(shù)，促進水稻植株群體生長。

圖1 各處理水稻莖蘗、株高及葉面積指數(shù)變化規(guī)律(2019年6-10月)

3.2 生物有機肥的施用對稻田土壤養(yǎng)分累積的影響

各處理土壤有效養(yǎng)分累積情況見表3。由于本試驗小區(qū)為新規(guī)劃小區(qū)，由表3可見，各處理土壤養(yǎng)分含量在水稻插秧前無明顯差距。在水稻收割后，各處理僅土壤有機質(zhì)含量均較插秧前有所提升，增幅在21%～29%；而土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量較插秧前大多有所減少。與T0處理相比，各配施生物有機肥處理收割后土壤有機質(zhì)和堿解氮含量無明顯差異(P>0.05)，但土壤有效磷和速效鉀(T3處理除外)含量顯著提高(P<0.05)，分別提高了2.1%～18.9%和6.0%～11.7%。說明減施化肥配施生物有機肥可以促進土壤有效養(yǎng)分的累積。

表3 各處理土壤有效養(yǎng)分累積情況

3.3 生物有機肥的施用對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

各處理水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素見表4。由表4可見，在水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素中，各處理水稻的每穴穗數(shù)表現(xiàn)為T0=T3>T1=T2=T4，差異不顯著(P>0.05)。配施生物有機肥處理的水稻穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均高于T0處理，且僅在T4處理的水稻千粒重提升幅度達顯著水平(P<0.05)。在最終產(chǎn)量上，與T0處理(理論產(chǎn)量為5 100.7 kg/hm2)相比， T3、T4處理的水稻產(chǎn)量分別提高了7.0%(P>0.05)和1.7%(P>0.05)，而T1、T2處理水稻產(chǎn)量較T0處理略低(P>0.05)。這表明生物有機肥與化肥配施對水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素(每穴穗數(shù)除外)有一定的促進作用，但最終產(chǎn)量受水稻有效穗數(shù)的影響存在差異，僅T3、T4處理的肥料配比起增產(chǎn)效果。

表4 各處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3.4 經(jīng)濟效益分析

由于各處理中僅施肥管理不同，因此按照肥料投入和水稻產(chǎn)量來分析不同處理的經(jīng)濟效益，各處理的經(jīng)濟效益分析結(jié)果如表5所示。雖然減施化肥配施生物有機肥處理的肥料投入會降低，但是較T0處理降幅僅有0.6%～2.2%。而受水稻產(chǎn)值的影響，各處理最終收益呈現(xiàn)為T3>T4>T0>T2>T1。與T0處理相比，T3、T4處理的收益分別提高了 8.7%(P<0.05)和2.5%(P>0.05)，而T1、T2處理的收益分別降低了11.0%(P<0.05)和7.2%(P<0.05)。由此表明，水稻生產(chǎn)效益主要受水稻產(chǎn)量的影響，且在75%生物有機肥配施25%化肥中增收效果明顯。

表5 各處理經(jīng)濟效益分析結(jié)果 元/hm2

4 討 論

已有研究證實生物有機肥的施用可以有效活化土壤養(yǎng)分，促進作物生長[17-18]。此次試驗發(fā)現(xiàn)，生物有機肥有效促進了水稻群體生長，對水稻葉面積指數(shù)提升效果顯著，這一結(jié)論已得到相關(guān)研究的驗證[19]。生物有機肥的施用對水稻分蘗數(shù)多起到促進作用[20-21]。例如，周影等[20]發(fā)現(xiàn)，施用生物有機肥可以有效改善貧瘠地土壤的理化性狀，與不施有機肥處理相比，能夠促進水稻分蘗，對有效分蘗數(shù)也有提高。但本試驗發(fā)現(xiàn)，配施生物有機肥處理水稻分蘗數(shù)要低于全施化肥處理，造成這種差異的原因可能是施肥和灌溉方式的不同。在已有研究中，肥料處理多為在常規(guī)化肥基礎(chǔ)上增施不同量的生物有機肥，且灌溉方式為淹灌，而本研究中施肥處理為化肥與生物有機肥的減量配施，灌溉方式為節(jié)水灌溉，這對水肥供應(yīng)以及水稻對養(yǎng)分的吸收方面均有影響，進而對水稻生長產(chǎn)生影響。此外，關(guān)于施用生物有機肥對水稻株高的影響還存在爭議。本次研究發(fā)現(xiàn)，配施生物有機肥處理中水稻株高與全施化肥處理差異不大，且略有降低。姜陽陽等[22]在探索水稻生產(chǎn)上生物有機肥替代化肥的可行性研究中發(fā)現(xiàn)，生物有機肥處理與常規(guī)化肥處理的水稻在株高方面無明顯差異。而高亮等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在減量化肥配施生物有機肥的處理中水稻株高均高于常規(guī)化肥處理。這可能是由施肥和灌溉方式不同所致。氮肥施用量顯著影響水稻的株高，且水稻株高隨著氮肥用量的增大而增加[24]。而隨著灌水量的減少，水稻株高會逐漸降低[25]。此外，施氮量較高時可以在一定程度上彌補灌水量對株高的抑制效果[24]。

不同于傳統(tǒng)化肥，生物有機肥中含有豐富的有機質(zhì)、腐殖質(zhì)和活性微生物等物質(zhì)，可以促進土壤養(yǎng)分的累積[26]。施用生物有機肥不僅直接向土壤中增加了有機質(zhì)，還通過改善土壤通氣性，增強土壤微生物活性，提升土壤固碳能力，從而促進土壤有機質(zhì)含量的提升[27]。此外，朱利霞等[28]研究發(fā)現(xiàn)，配施生物有機肥可以增加玉米田土壤有機質(zhì)和全氮含量，對土壤堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量也有明顯的提升效果。這與本次試驗結(jié)果相近。雖然本試驗中部分配施生物有機肥處理收割后的土壤速效養(yǎng)分含量略低于插秧前，但是多優(yōu)于全施化肥處理收割后的土壤狀況。一方面，生物有機肥中的氮、磷、鉀含量雖遠不如化肥中的含量高，但其養(yǎng)分釋放緩慢，肥力持續(xù)時間長[29]。另一方面，生物有機肥含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和活性微生物，能夠豐富土壤微生物群落結(jié)構(gòu)并刺激其活性，活化土壤中被固定的氮磷鉀養(yǎng)分，最終提高了土壤速效養(yǎng)分含量[30]。此外，土壤養(yǎng)分的累積情況與肥料的種類、施肥量、作物生長狀態(tài)以及土壤基礎(chǔ)肥力均有密切關(guān)系[31]。配施生物有機肥處理施入的氮、磷、鉀總量遠低于全施化肥處理(表1)，但其水稻生長情況多優(yōu)于全施化肥處理(圖1)，作物生長所消耗的養(yǎng)分更多，導(dǎo)致部分配施生物有機肥處理收割后土壤速效養(yǎng)分較全施化肥處理略低但降幅不明顯。

生物有機肥對作物產(chǎn)量的影響與作物種類、肥料配比、土壤養(yǎng)分等因素之間關(guān)系密切[32]。生物有機肥不僅提供了作物生長所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，大量的有機質(zhì)也提高了土壤微生物群落及其活性[31]，可以平衡化肥的肥效，活化土壤中固定的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，促進作物對養(yǎng)分的吸收利用，進而提高作物產(chǎn)量[33]。關(guān)于生物有機肥的施用對提高水稻產(chǎn)量[23,34]及其構(gòu)成因素[35-36]的研究較多，但是在本次試驗中，配施較少生物有機肥的T1、T2處理水稻產(chǎn)量低于全施化肥處理，而T3、T4處理水稻產(chǎn)量則高于全施化肥處理，尤其是T3處理的最終收益顯著高于全施化肥處理。這可能是水肥聯(lián)合調(diào)控導(dǎo)致的，只有在水分管理、田間管理、肥料措施和氣候相互配合的情況下才能獲得最佳的水稻產(chǎn)量[37]。此外，不同品牌的生物有機肥其基質(zhì)也不相同，導(dǎo)致施用后土壤養(yǎng)分狀況存在差異，最終影響水稻生產(chǎn)。例如，張凱迪等[38]在研究4種品牌的生物有機肥對水稻生長及生產(chǎn)的影響時發(fā)現(xiàn)，除施用波爾特EM菌肥處理的水稻千粒重顯著大于常規(guī)施肥處理外，其他3種生物有機肥處理與常規(guī)施肥處理下水稻在最終成穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、結(jié)實率和最終產(chǎn)量上均無顯著差異。因此，關(guān)于施用多少生物有機肥或哪種生物有機肥與化肥的配施能夠促進水稻生長、實現(xiàn)增產(chǎn)保肥的研究仍有待進一步開展。

5 結(jié) 論

(1)生物有機肥的施用能夠提前水稻分蘗時間，但對水稻分蘗數(shù)影響不明顯。而配施高比例的生物有機肥可以提高水稻株高和葉面積指數(shù)，尤其是葉面積指數(shù)，其提升幅度達13.5%～40.5%。

(2)配施生物有機肥能夠促進節(jié)水灌溉稻田土壤有效養(yǎng)分的累積，對土壤有效磷和速效鉀含量的提升效果明顯。

(3)配施生物有機肥對水稻穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重均有提升，而且生物有機肥施用比例較高時，水稻可增產(chǎn)1.7%～7.0%，尤其是T3處理的最終收益顯著提高了8.7%。綜合試驗結(jié)果表明，25%化肥配施75%生物有機肥對節(jié)水灌溉稻田養(yǎng)分累積和水稻生長及產(chǎn)量有較好的促進作用。