减氮配施有机肥对喀斯特地区稻田土壤微生物量和酶活性及杂交籼稻产量的影响

由晓璇，许桂玲，冯跃华，2∗，王晓珂，高钰琪，任红军，韩志丽，李家乐

(1 贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2 贵州大学山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

土壤的肥力决定了作物生长发育的优劣，直接影响作物的产量和品质。在农业生产中，为了保证粮食产量，人们过于依赖化肥。而过量施氮会导致土壤板结、酸化，且会增加土壤氮素的多途径损失，破坏土壤微生物群落结构等[1－2]。因此，适当地减少氮肥的施用尤其重要。有机肥的施入有利于改善土壤结构、保持土壤养分平衡、增加土壤中有益微生物数量、增强土壤酶活力等，从而促进作物生长，提高作物产量与品质[3]。高乾等[4]研究表明，与单施化肥相比，减氮20%配施绿肥能提高水稻产量6.76%。丁焕新等[5]研究显示，与单施化肥相比，减氮55%配施商品有机肥可增产9.42%。Iqbal 等[6]研究表明，与单施化肥相比，减氮30%、40%配施有机肥的处理土壤微生物量碳、氮含量显著增加。郑亮等[7]研究认为，减氮50%配施猪粪处理的土壤微生物量碳显著高于单施化肥处理，但微生物量氮无显著差异。梁元振[8]研究表明，减氮20%、30%配施商品有机肥可显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性；而秦秦等[9]研究认为，在配施生物有机肥的条件下，化肥减量30%能提高脲酶、蔗糖酶活性，但对过氧化氢酶活性无显著影响。因此，前人关于减氮配施有机肥对产量、土壤微生物量、土壤酶活性的研究结论不尽一致。本研究以杂交籼稻宜香优2115 为材料，在贵州省黄平县开展大田试验，分析杂交籼稻产量、土壤微生物量、土壤酶活性对减氮配施有机肥的响应，以为减氮配施有机肥技术的推广应用提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2021 年在贵州省黄平县旧州镇寨碧村(26°59′44.59″N，107°43′58.90″E)进行。试验田耕层土壤pH 为5.3，含全氮2.55 g/kg、全磷0.38 g/kg、全钾13.27 g/kg、有机质25.37 g/kg、碱解氮157.00 mg/kg、有效磷16.37 mg/kg、速效钾162.86 mg/kg。

1.2 试验材料

供试品种为籼型杂交水稻宜香优2115；有机肥为遵义君宇生物工程有限公司生产的来利有机肥(氮、磷、钾含量分别为1.345%、0.949%、2.365%)；使用的化肥有尿素(N 含量46.2%)、普钙(P2O5含量16.0%)和氯化钾(K2O 含量60.0%)。

1.3 试验设计

试验采用两因素裂区设计，以有机肥施用量为主区，设3 个水平，分别为M0(0 kg/hm2)、M1(1 673 kg/hm2，含N 22.5 kg/hm2，低量有机肥)、M2(3 346 kg/hm2，含N 45 kg/hm2，高量有机肥)；以减氮率为副区，设4 个水平，分别为R1(施N 180 kg/hm2，减氮率0%)，R2(施N 135 kg/hm2，减氮率25%)，R3(施N 90 kg/hm2，减氮率50%)，R4(施N 0 kg/hm2，减氮率100%)。各处理磷、钾肥用量相同，分别为P2O596 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，施用的有机肥所含的磷钾量需计入各处理的总磷钾中。有机肥全部用作基肥，氮肥按基肥35%、分蘖肥20%、促花肥30%、保花肥15%的比例施用。磷肥全部用作基肥，钾肥按基肥、促花肥各50%的比例施用。副区面积17.28 m2，小区四周设高30 cm、宽20 cm 的田埂，包膜压深至地下30 cm，防止水肥渗透。设置3 次重复，区组间留60 cm 走道，以便田间操作及调查。行株距为30 cm×20 cm，每穴插1 苗。大田自分蘖初期起保持水面3～5 cm，直到成熟期前10 d 左右停止灌溉，任其自然落干。田间精细管理，及时控制病虫害。于2021 年4 月19 日育秧，5月27 日移栽，9 月10 日收获测产。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻产量及产量构成

于成熟期从每个小区收割90 穴水稻，脱粒晒干风选后测产。用烘干法测定实际含水量，按13.5%水分含量折算实产。在测产取样的同时，根据每小区的平均茎蘖数取代表性植株6 穴作为考种样本，调查水稻的穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量等。

1.4.2 土壤微生物量碳、氮测定

(1)土样采集。采用5 点取样法，将土壤表层浮土去除，用土钻取0～20 cm 土层的土壤样品。土壤样品分为两部分，一部分装入自封袋中，于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物量的测定；另一部分装入塑料袋中，在实验室内阴干后，用1 mm 网筛过筛，保存样品，用于土壤酶活性的测定。

(2)土壤微生物量碳、氮测定。参照文献[10]，采用氯仿熏蒸提取法测定土壤微生物量碳、氮含量。

1.4.3 土壤酶活性测定

参照文献[11]，采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定脲酶活性，采用3，5－二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 整理试验数据；采用SAS 9.0进行方差分析；采用SPSS 2016 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 减氮配施有机肥对水稻产量及产量构成的影响

由表1 可知，减氮率、减氮率与有机肥施用量互作均对水稻产量具有极显著影响(P<0.01)。由减氮率主效可知，随着减氮率的增大，产量呈先降低后增加再降低趋势，减氮率50%的处理(R3)产量最高，且显著高于其它减氮率处理。随着减氮率的增大，有效穗数、每穗粒数呈先增高后降低趋势，而千粒质量、结实率则相反。减氮25%处理(R2)的有效穗数最高，显著高于减氮100%处理(R4)；R3 处理的每穗粒数最高，显著高于R4；而R4 处理的千粒质量和结实率最高，显著高于其它减氮处理。

表1 不同处理的水稻产量及产量构成比较Table 1 Comparison of rice yield and yield composition under different treatments

在低量或高量有机肥条件下，产量均以R3 处理最高，且显著高于R2、R4。有效穗数则分别为R1、R2 最高，R1、R2 间无显著差异；每穗粒数则为R3 处理最高，显著高于R4；千粒质量、结实率均为R4 最高，且显著高于其它减氮处理(低量有机肥条件下的结实率除外)。

在等氮条件下，与单施化肥的处理R1M0 相比，减氮25%配施高量有机肥处理R2M2 的结实率和产量显著提高；在非等氮条件下，与R1M0 相比，减氮50%配施低、高量有机肥的处理R3M1、R3M2 的产量均显著增加，减氮25%配施低量有机肥处理R2M1 的结实率和产量显著增高。

2.2 减氮配施有机肥对土壤微生物量碳、氮含量及碳氮比的影响

由表2 可知，减氮率对土壤微生物量碳有极显著影响，减氮率与有机肥施用量互作对土壤微生物量碳含量、土壤微生物量碳氮比有极显著影响。由减氮率的主效应可知，随着减氮率的增大，土壤微生物量碳含量呈先增高后降低趋势，R2 处理最高，显著高于R4；土壤微生物量氮含量呈先降低后增高趋势，R1 处理最高，且显著高于R3；土壤微生物量碳氮比呈先增高后降低趋势，变化范围在7～9，R3 处理最高，且显著高于R1、R4。

表2 不同处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较Table 2 Comparison of soil microbial biomass C，N and microbial biomass C/N ratio of rice under different treatments

在低量有机肥条件(M1)下，土壤微生物量碳含量为R2 处理最高，且显著高于其他减氮处理；土壤微生物量氮含量为R1 处理最高，且其显著高于R4；土壤微生物量碳氮比为R4 处理最高，且其显著高于其他减氮处理。在高量有机肥(M2)条件下，土壤微生物量碳含量为R1 处理最高，其显著高于R2、R4；土壤微生物量氮含量为R4 处理最高，其显著高于R3；土壤微生物量碳氮比为R3 最高，其显著高于R4，但与R1、R2 无显著差异。

在等氮条件下，与R2M0 相比，R3M2 处理的土壤微生物量碳含量提高了9.73%，但差异不显著；土壤微生物量碳氮比则显著增高。在非等氮条件下，与R1M0 相比，R2M1 的土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量分别提高了8.87%和0.11%，但差异不显著；与R2M0 相比，R3M1 的土壤微生物量碳含量也提高了1.28%，但差异不显著。

2.3 减氮配施有机肥对土壤酶活性的影响

由表3 可知，减氮率对土壤脲酶、过氧化氢酶活性有极显著影响，对土壤蔗糖酶活性有显著影响；减氮率与有机肥施用量互作对土壤蔗糖酶、过氧化氢酶活性有极显著影响，对脲酶活性有显著影响。随着减氮率的增大，土壤脲酶活性以R3 处理最高，其显著高于其它减氮处理；蔗糖酶活性呈持续增高趋势，R4 处理最高，且显著高于其他减氮处理；过氧化氢酶活性呈先增高后降低趋势，R3 处理最高，且显著高于其它减氮处理。

表3 不同处理的水稻土壤酶活性比较Table 3 Comparison of rice soil enzyme activities under different treatments

在低量有机肥条件下，脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性均为R3 处理最高，脲酶活性为R3 显著高于R2、R4，但蔗糖酶、过氧化氢酶活性处理间无显著差异。在高量有机肥条件下，脲酶、过氧化氢酶活性均为R3 最高，其显著高于R1、R4；蔗糖酶活性为R4最高，其显著高于其他减氮处理。

在等氮条件下，与R1M0 相比，R2M2 的脲酶活性提高了6.22%，但差异不显著；过氧化氢酶活性显著提高了17.01%。与R2M0 相比，R3M2 的过氧化氢酶活性显著提高了54.70%，脲酶、蔗糖酶活性分别提高了5.81%、13.41%，但差异不显著。在非等氮条件下，与R1M0 相比，R3M1、R3M2 的脲酶活性分别显著提高了17.22%和18.04%；R2M1、R3M1的蔗糖酶活性分别提高了1.41%、11.63%，但差异不显著；R3M2 的过氧化氢酶活性显著提高了26.02%，R2M1、R3M1 分别提高2.89%、6.46%，但差异不显著；与R2M0 相比，R3M1 的脲酶活性提高了1.66%，但差异不显著；R3M1 的蔗糖酶、过氧化氢酶活性分别显著提高了43.22%、30.69%。

2.4 土壤微生物量碳、氮、土壤酶活性与产量的相关性分析

将土壤酶(脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶)活性、微生物量碳、微生物量氮与水稻产量进行相关性分析，结果见表4。脲酶活性与产量呈极显著正相关；微生物量碳含量与脲酶活性、过氧化氢酶活性分别呈显著、极显著正相关，而与蔗糖酶活性呈极显著负相关；脲酶活性与过氧化氢酶活性呈极显著正相关，蔗糖酶活性与过氧化氢酶活性呈极显著负相关。

表4 土壤各指标相关性分析Table 4 Correlation analysis of soil indexes

3 讨论

在本研究中，无论是在低量还是高量有机肥条件下，均为减氮50%的处理产量最高。但胡法龙等[12]研究表明，在配施300 kg/hm2有机肥时，随着减氮率提高，水稻产量持续下降，结果与本文有差异，这可能是因为与本研究相比，其有机肥施用量较少，且有机肥种类也有所不同。此外，在低量有机肥条件下，减氮100%与减氮0%、减氮25%的处理无显著差异，且在减氮100%条件下，低量有机肥和高量有机肥间亦无显著差异，这可能是因为过多的养分以及养分亏缺都不利于水稻产量的提高。杨胜玲等[13]研究表明，在等养分含量条件下，与常规施肥相比，减氮25%配施有机肥的处理水稻产量增高；Iqbal 等[14]认为，在等养分含量下，与单施氮肥相比，减氮30%配施牛粪或禽粪的处理产量显著增高；马蓓[15]研究表明，在非等氮条件下，与常规施肥相比，减氮62.5%配施有机肥晚稻产量增高。这些研究结论与本研究有相似之处。与单施氮肥(N180 kg/hm2)相比，减氮配施有机肥处理产量均显著增高。这可能是因为配施有机肥平衡了土壤中的养分，使水稻整个生育期养分供应充足[16]，而配施有机肥的同时减少化肥氮的施入，解决了常规施肥中过量施氮而导致的养分利用率低等问题。

本研究表明，在相同有机肥量下，过度减氮(减氮100%)不利于有效穗数和每穗粒数的增加，这与张文洁[17]的研究结果基本相似。可能是因为过度减氮会使水稻分蘖生长和穗分化时期出现明显的缺氮现象，养分供应不足，因而表现出库容量变小[18]。但千粒质量和结实率则相反，二者均为减氮100%处理最高，说明单施有机肥对千粒质量和结实率有提升效果，这与顾巍巍等[19]的研究结论相似。究其原因，可能是因为相比于速效的化学氮肥，有机肥具有平缓持续的肥效，可以提升氮的生物固定，使整个生育期能持续供应氮肥，有利于籽粒灌浆时期的养分供给，因而促进了千粒质量、结实率的提高[20]。

土壤微生物量碳、氮含量是土壤碳、氮养分转化和循环研究中的重要指标，可以较为直观地反映不同施肥模式下的土壤微生物和土壤肥力状况[21]。在本研究中，随着减氮率的提高，土壤微生物量碳含量呈先增高后降低的趋势，减氮25%的处理最高，但土壤微生物量氮含量呈相反趋势，减氮0%的处理最高。说明有机肥施用量相同的条件下，减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。张丽[22]研究表明，在等氮条件下，与单施化肥相比，减氮配施有机肥的处理土壤微生物量碳、氮含量提高，这与本研究的结论同中有异。本研究发现，等氮条件下，与单施化肥相比，减氮配施有机肥的土壤微生物量碳含量升高，但土壤微生物量氮含量则降低。这可能是因为本试验的总氮含量较低，而微生物对氮素的固定，需要在能源物质供给充足时才会完成，减氮配施有机肥后，化肥氮矿化后剩余的量不足以完成土壤微生物对氮素的固持作用，从而导致土壤微生物量氮含量降低[23－25]，而有机肥施入土壤分解后既可以释放出大量的养分，又增加了土壤中的可利用碳源，刺激了微生物的繁殖，从而使有机肥中的碳被微生物吸收，使土壤微生物量碳含量升高。李静[26]研究表明，在不等氮条件下，与单施化肥相比，减氮配施有机肥的处理土壤微生物量碳、氮含量显著提高，这与本研究的结论相似。本研究中，在不等氮的条件下，与单施化肥相比，减氮配施有机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结构特征，又能反映土壤中的氮素有效性，氮素有效性与微生物量碳氮比呈反比[27－28]。当土壤微生物量碳氮比为5、6、10 时，分别有利于细菌、放线菌、真菌的生长[29]。在本试验中，随着减氮率的增大，土壤微生物量碳氮比呈先增大后减小趋势，甚至在高量有机肥条件下发生由10 向5 的变化。这与张成兰等[28]长期不同施肥模式对红壤土微生物性状影响的研究结论相同。说明减氮配施有机肥处理使土壤中的微生物种类由真菌向细菌方向转化，而细菌的增多有利于土壤中的物质转化。并且有研究[30]表明，多种细菌种群都可以提高土壤中有效氮和有效磷的含量。

土壤酶是作用于许多发生在土壤中的生化过程的天然催化剂，其活性可以反映微生物的活力以及土壤中养分有效性的高低，是评价土壤肥力的重要指标[31－33]。脲酶、蔗糖酶分别表示土壤中与氮、碳循环相关的酶，过氧化氢酶的大小可反映土壤毒害作用的高低[34－35]。在本试验中，配施有机肥时，随着减氮率的提高，土壤蔗糖酶活性呈持续增高趋势，过氧化氢酶活性呈先增高后降低趋势，而脲酶活性无明显变化规律，其中脲酶、过氧化氢酶均为减氮50%的处理最高，而蔗糖酶则为减氮100%的处理最高，说明减氮配施有机肥可以提高脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性，这与王兴龙等[36]研究结论一致。可能是因为施用过多的肥料会抑制土壤酶活性的提高，而适量氮肥配施有机肥有利于提高微生物的运动活性，从而让更多的酶进入土壤，致使酶活性提高。顾强[37]的研究表明，在等氮条件下，与单施化肥相比，减氮40%配施有机肥处理的脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性得到提高。孙瑞莲等[38]研究表明，在不等氮条件下，与单施化肥相比，减氮50%配施有机肥处理的脲酶、蔗糖酶活性提高，但过氧化氢酶活性降低。以上的结论与本研究大致相同，不同点在于在本试验中非等氮条件下，与单施化肥相比，减氮配施有机肥处理的脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性均提高了，这可能是因为配施的有机肥含氮量不同，本试验的有机肥含纯氮量较高，所以减氮配施有机肥处理的3 种酶活性都有所提高。

通过相关性分析可知，脲酶与产量的提高有密切关系，这与管冠[39]、徐云连等[40]研究结论一致。这可能是因为脲酶可以水解尿素，直接影响了施入的肥料中氮的释放，增强了氮的有效性，促进了水稻的吸收利用，进而影响产量[41]。而脲酶活性又与过氧化氢酶活性、微生物量碳含量呈显著或极显著正相关，但与蔗糖酶活性却呈极显著负相关，说明提高脲酶、过氧化氢酶活性、微生物量碳含量都有利于产量的提高，而蔗糖酶活性则相反。还说明了土壤中的一些指标在发挥各自作用的同时，也发生着相互作用[42]。

4 结论

在本试验中，减氮50%配施高量有机肥处理的产量最高，且该处理组合的脲酶、过氧化氢酶活性亦最高，虽该处理组合的大部分指标未达到最高值，但与最高值的处理组合均无显著差异。综合分析，本试验条件下，减氮50%配施高量有机肥为最适组合。