韓正砥， 周明耀， 楊雅琴， 姚顯紫， 侯會(huì)靜

(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)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(zhǎng)的重要養(yǎng)分來(lái)源，在維持作物生長(zhǎng)中起著至關(guān)重要的作用[1]。自20世紀(jì)末期，中國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)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(guó)家[2]，化肥使用量已經(jīng)超過其經(jīng)濟(jì)意義上的最優(yōu)施用量，且還在繼續(xù)增長(zhǎng)[3]。長(zhǎng)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(duì)土壤、生態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量的負(fù)面影響日益凸顯[4]，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色、有機(jī)農(nóng)業(yè)理念逐漸被提出，有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中又重新得以重視。

生物有機(jī)肥被認(rèn)為是一種先進(jìn)的生物技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是經(jīng)濟(jì)作物種植中應(yīng)用較多。生物有機(jī)肥是指通過無(wú)害化處理工藝，將特定功能微生物與有機(jī)材料結(jié)合而成的一種肥料，主要由經(jīng)過預(yù)處理的動(dòng)植物殘?bào)w(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(jī)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(jìn)作物生長(zhǎng)[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(jī)肥不僅降低了土壤pH值和含鹽量，還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量，對(duì)土壤微環(huán)境也有明顯的改善。但是，生物有機(jī)肥的應(yīng)用研究多集中在經(jīng)濟(jì)作物中[9,12]，近兩年開始出現(xiàn)在水稻種植研究中[13]。

中國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó)之一，水稻種植面積占全國(guó)總種植面積的25%，其產(chǎn)量為世界第一[14]。但是，長(zhǎng)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(guó)糧食安全與水資源安全的有效途徑[15]，也是實(shí)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(jī)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(jī)肥施肥模式不僅是實(shí)現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、保證土壤肥力的重要舉措，也對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)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(yàn)的方法探討生物有機(jī)肥與化肥配施對(duì)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)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(jī)肥與化肥合理的配施模式，為生物有機(jī)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(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山試驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(dòng)式遮雨棚用以阻擋降水，無(wú)降水時(shí)打開以保證日常光照。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(jī)肥(T1)、50%化肥和50%生物有機(jī)肥(T2)、25%化肥和75%生物有機(jī)肥(T3)及全施生物有機(jī)肥(T4)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)15個(gè)小區(qū)。每個(gè)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(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)≥45%，氮磷鉀≥5%。化肥選用尿素(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(shí)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(jī)肥處理中生物有機(jī)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(jìn)行施加。各處理具體施肥時(shí)間及施肥量見表1。

表1 試驗(yàn)各處理具體施肥時(shí)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(shí)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(cè)定指標(biāo)及方法

自水稻分蘗期開始，在每個(gè)小區(qū)選取5株長(zhǎng)勢(shì)相近的水稻，測(cè)量其分蘗數(shù)、株高和葉面積指數(shù)，每5天記錄一次，每個(gè)處理分別記錄。水稻的分蘗數(shù)通過直接計(jì)數(shù)來(lái)確定；測(cè)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(cè)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(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀外加熱法)、堿解氮(堿解擴(kuò)散法)、有效磷(鉬銻抗比色法)和速效鉀(火焰分光光度計(jì)法)含量。

對(duì)所有處理以小區(qū)為單位測(cè)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(jìn)行考種測(cè)產(chǎn)。分別統(tǒng)計(jì)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(jì)算結(jié)實(shí)率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2010進(jìn)行處理，用OriginPro9.1作圖，用SPSS Statistics 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析評(píng)價(jià)處理之間的顯著差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物有機(jī)肥的施用對(duì)水稻生長(zhǎng)情況的影響

圖1為試驗(yàn)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(dá)到最大值的時(shí)間也隨之提前。說明施用高比例的生物有機(jī)肥有可能提前水稻的分蘗時(shí)間。在水稻生長(zhǎng)過程中，各處理水稻分蘗最大值和最后一次觀測(cè)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(cè)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(jī)肥對(duì)水稻莖蘗生長(zhǎng)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(zhǎng)狀態(tài)，到拔節(jié)孕穗后期增長(zhǎng)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(zhǎng)，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。在最后一次的觀測(cè)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(jī)肥的施用對(duì)水稻株高的影響并不明顯。

本次試驗(yàn)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(shì)(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(cè)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(jī)肥可以提高水稻葉面積指數(shù)，促進(jìn)水稻植株群體生長(zhǎng)。

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(jī)肥的施用對(duì)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(yàn)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(wú)明顯差距。在水稻收割后，各處理僅土壤有機(jī)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(jī)肥處理收割后土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量無(wú)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(jī)肥可以促進(jìn)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(jī)肥的施用對(duì)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(jī)肥處理的水稻穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)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(dá)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(jī)肥與化肥配施對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素(每穴穗數(shù)除外)有一定的促進(jìn)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(jì)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(lái)分析不同處理的經(jīng)濟(jì)效益，各處理的經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果如表5所示。雖然減施化肥配施生物有機(jī)肥處理的肥料投入會(huì)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(jī)肥配施25%化肥中增收效果明顯。

表5 各處理經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果 元/hm2

4 討 論

已有研究證實(shí)生物有機(jī)肥的施用可以有效活化土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[17-18]。此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥有效促進(jìn)了水稻群體生長(zhǎng)，對(duì)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(yàn)證[19]。生物有機(jī)肥的施用對(duì)水稻分蘗數(shù)多起到促進(jìn)作用[20-21]。例如，周影等[20]發(fā)現(xiàn)，施用生物有機(jī)肥可以有效改善貧瘠地土壤的理化性狀，與不施有機(jī)肥處理相比，能夠促進(jìn)水稻分蘗，對(duì)有效分蘗數(shù)也有提高。但本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，配施生物有機(jī)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(jī)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(jī)肥的減量配施，灌溉方式為節(jié)水灌溉，這對(duì)水肥供應(yīng)以及水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收方面均有影響，進(jìn)而對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。此外，關(guān)于施用生物有機(jī)肥對(duì)水稻株高的影響還存在爭(zhēng)議。本次研究發(fā)現(xiàn)，配施生物有機(jī)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(yáng)陽(yáng)等[22]在探索水稻生產(chǎn)上生物有機(jī)肥替代化肥的可行性研究中發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥處理與常規(guī)化肥處理的水稻在株高方面無(wú)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(jī)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(huì)逐漸降低[25]。此外，施氮量較高時(shí)可以在一定程度上彌補(bǔ)灌水量對(duì)株高的抑制效果[24]。

不同于傳統(tǒng)化肥，生物有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)和活性微生物等物質(zhì)，可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分的累積[26]。施用生物有機(jī)肥不僅直接向土壤中增加了有機(jī)質(zhì)，還通過改善土壤通氣性，增強(qiáng)土壤微生物活性，提升土壤固碳能力，從而促進(jìn)土壤有機(jī)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(jī)肥可以增加玉米田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，對(duì)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(yàn)結(jié)果相近。雖然本試驗(yàn)中部分配施生物有機(jī)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(jī)肥中的氮、磷、鉀含量雖遠(yuǎn)不如化肥中的含量高，但其養(yǎng)分釋放緩慢，肥力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[29]。另一方面，生物有機(jī)肥含有豐富的營(yíng)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(zhǎng)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(jī)肥處理施入的氮、磷、鉀總量遠(yuǎn)低于全施化肥處理(表1)，但其水稻生長(zhǎng)情況多優(yōu)于全施化肥處理(圖1)，作物生長(zhǎng)所消耗的養(yǎng)分更多，導(dǎo)致部分配施生物有機(jī)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(jī)肥對(duì)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(jī)肥不僅提供了作物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，大量的有機(jī)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(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[33]。關(guān)于生物有機(jī)肥的施用對(duì)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(yàn)中，配施較少生物有機(jī)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(jī)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(jī)肥對(duì)水稻生長(zhǎng)及生產(chǎn)的影響時(shí)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(jī)肥處理與常規(guī)施肥處理下水稻在最終成穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和最終產(chǎn)量上均無(wú)顯著差異。因此，關(guān)于施用多少生物有機(jī)肥或哪種生物有機(jī)肥與化肥的配施能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)保肥的研究仍有待進(jìn)一步開展。

5 結(jié) 論

(1)生物有機(jī)肥的施用能夠提前水稻分蘗時(shí)間，但對(duì)水稻分蘗數(shù)影響不明顯。而配施高比例的生物有機(jī)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(dá)13.5%～40.5%。

(2)配施生物有機(jī)肥能夠促進(jìn)節(jié)水灌溉稻田土壤有效養(yǎng)分的累積，對(duì)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(jī)肥對(duì)水稻穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均有提升，而且生物有機(jī)肥施用比例較高時(shí)，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(yàn)結(jié)果表明，25%化肥配施75%生物有機(jī)肥對(duì)節(jié)水灌溉稻田養(yǎng)分累積和水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量有較好的促進(jìn)作用。