施加化肥是农业生产提高作物产量的有效措施。长期过量施加化肥不仅降低作物肥料利用效率，还会引起水体富营养化和空气污染，影响生态环境^[1]。含有大量阳离子的酸性化肥在进入土壤后还会降低土壤持水透气性和土壤酸碱度，诱发土壤重金属污染，降低土壤微生物活性和多样性，最终降低作物产量和品质，破坏土壤健康^[2]。化肥减量配施（生物）有机肥不仅可以减少无机肥的用量，还能提升土壤肥力水平、改良土壤结构、提高作物养分利用效率和改善生态环境。有机无机肥配施还能通过调控土壤碳、氮循环相关微生物的丰度和多样性，增强土壤碳、氮转化，促进作物生长、提高作物产量和提升作物品质^[3]。长达 30 年的定位试验证明，相比单纯化肥施加，配施秸秆或者牛粪分别提高了 58.7% 和1 0.7% 的土壤有机碳含量，同时提高了土壤中氮、磷、钾养分含量，降低了土壤容重和提升了土壤孔隙度^[4]。

水稻是我国主要的粮食作物。前期研究发现，配施有机肥可显著提高作物的产量，其贡献率甚至达 40% 以上^[5]。合适比例的有机肥替代化肥不仅可以保障水稻高产，提高稻米品质，还显著增加了水稻的氮素累积量和氮肥利用效率^[6-7]。同时，配施有机肥同样改善稻田土壤地力水平，提高稻田土壤养分含量和促进稻田固碳增汇。比如，有机肥替代化肥的比例为 50%～100% 时，稻田活性碳可增加 15.38%～305.93%，替代比例为 30%～50% 时，稻田活性碳可增加 43.62%～177.97%^[8-10]。因此，探究水稻生产中有机替代对水稻产量、品质和稻田土壤固碳增汇的影响，对构建水稻绿色高效种植技术体系具有重要意义。

本研究通过设置不同减氮配施生物有机肥试验，研究其对水稻产量和品质、土壤团聚体形成和不同形态碳分布的影响，最终为水稻生产中减氮增效和培育健康稻田土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省诸暨市，土壤的理化性质为 pH 5.23±0.05，电导率（EC）（68.63±3.21）μS/cm，有机质（16.32±5.92）g/kg，总氮（1.09±0.04） g/kg，总磷（0.39±0.04）g/kg，总钾（10.36±0.32） g/kg，碱解氮（79.63±5.46）mg/kg，有效磷（48.58 ±3.52）mg/kg，速效钾（63.21±4.21）mg/kg。供试水稻品种为甬优 1540，供试肥料为常规三元复合肥（N∶P₂O₅ ∶K₂O =20∶10∶15）、过磷酸钙（P₂O₅ 12%）和氯化钾（K₂O 60%），均为市售； 供试生物有机肥为商品生物有机肥，有机质含量 ≥ 450 g/kg，氮磷钾养分含量≥ 50 g/kg，有效活菌数≥ 0.20 亿 /g，也为市售。

1.2 试验设计

本研究共设计 4 个试验处理，分别为无氮肥对照（CK）、常规施肥（T1）、减氮 10% 配施生物有机肥（T2）和减氮 20% 配施生物有机肥（T3）。常规施肥下氮肥施用量为氮肥（N）195 kg/hm²，磷肥 （P₂O₅）60 kg/hm²，钾肥（K₂O）90 kg/hm²，其中氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为 5∶3∶2 的比例施加，钾肥按基肥∶穗肥为 5∶5 的比例施加，磷肥在基肥时一次性施加。在基肥前一周施加生物有机肥，施加量为 1500 kg/hm²，全部施入耕层土壤。按照常规方法种植和收获水稻。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质

土壤 pH 值和 EC 采用复合电极法（土∶水 =1∶ 2.5）测定，土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，土壤全磷采用高氯酸-浓硫酸消煮，全氮采用浓硫酸消煮，有效磷采用 NH₄F-HCl 浸提，并用流动分析仪测定消煮液中的磷和氮含量以及浸提液中的磷含量；碱解氮采用碱解扩散法测定；全钾用火焰光度计测定，速效钾用醋酸铵浸提^[11]。

1.3.2 土壤团聚体及土壤碳组分筛分

采用湿筛法将土壤颗粒有机碳（POC） 和矿物结合态有机碳（MAOC） 进行分离：称取 10 g 过 1 mm 筛风干土壤样品，放入 250 mL 三角瓶内，加入 100 mL 六偏磷酸钠（5 g/L）溶液，手摇 3 min 后，振荡 18 h（25℃，180 r/min）。土壤悬液过 53 μm 筛，反复用蒸馏水冲洗至过滤后的水为无色，筛（>53 μm）上剩余土样即为 POC，筛下土壤悬液离心后即得到 MAOC。将分离的 POC 与 MAOC 组分移至铝盒中，60℃烘至恒重后分别称重，得到土壤中 POC 与 MAOC 的质量 M₁ 与 M₂。将分离的 POC 与 MAOC 组分研磨后过 0.15 mm 筛，进一步采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定 POC 与 MAOC 的全碳含量 m₁ 与 m₂ ^[12]。土壤 POC 和 MAOC 含量（g/kg）计算公式为：

$\begin{array}{c}POC=\left({\mathrm{M}}_1\times {\mathrm{m}}_1\right)/(10\times k)\\ \text{M}\text{A}\text{O}\text{C}=\left({\mathrm{M}}_2\times {\mathrm{m}}_2\right)/(10\times k)\end{array}$

式中，10 为称取风干土质量，k 为风干土与烘干土的换算系数。

土壤团聚体的筛分方法按照标准 NY/T1121.19 执行，团聚体分离后有机碳含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定。

1.3.3 水稻氮素利用效率

氮素利用效率^[13]计算公式如下：

氮肥利用效率 =（处理组水稻地上部吸氮量-无氮对照组水稻地上部吸氮量）/处理组施氮量×100%

1.3.4 土壤酶活性测定

土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定，蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定^[14]。

1.3.5 土壤微生物量碳、氮含量及微生物丰度测定

用氯仿熏蒸-K₂SO₄ 法浸提土壤微生物量碳、氮，随后使用德国 Jena 公司的土壤总有机碳 / 氮分析仪测定其含量。

用 MP Biomedicals 公司的土壤基因组 DNA 提取试剂盒（FastSoil^® DNA Spin Kit for Soil）提取土壤微生物 DNA；用 NanoPhotometer^® N50 测定 DNA 的浓度与纯度，用 0.8% 琼脂糖凝胶电泳检测 DNA 质量，最后将 DNA 样品置于-80℃保存备用。根据李晨华等^[15]提供的方法进行荧光实时定量聚合酶链式反应（PCR）分析，PCR 步骤和引物信息见表1。

1.4 统计学分析

试验数据采用 SPSS 21.0 进行统计分析（单因素方差分析），均数采用图基（Tukey）检验统计学差异。图、表中不同字母表示处理间均值在 P<0.05 水平上有统计学差异。

2 结果与分析

2.1 减氮施肥对水稻产量及品质的影响

与 CK 相比，T1、T2 和 T3 处理均显著提高了水稻的产量，分别提高了 29.58%、30.52% 和 27.89%。在 T1、T2 和 T3 处理下，除了 T2 处理水稻穗数显著增加外，水稻产量和产量构成因子均无显著差异（表2）。

相比 T1 处理，CK 处理的水稻整精米率、蛋白质含量均显著降低，透明度从 1 级降为 2 级，胶稠度含量显著上升，降低了稻米品质（表3）。与 T1 处理相比，T2 和 T3 处理下，水稻的稻米品质没有显著差异，说明合适比例减氮配施生物有机肥不会降低稻米品质。

注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 减氮配施生物有机肥对水稻氮肥利用效率和土壤养分的影响

与 T1 处理相比，T2 和 T3 处理分别显著提高了水稻氮肥利用率，从 36.35% 分别提高至 56.37% 和 49.06%，分别增加了 55.08% 和 34.97%（图1）。

注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05）。下同。

与 CK 处理相比，T1 处理下土壤有机质、有效磷和速效钾含量均无显著变化，总氮和碱解氮含量显著增加（表4）。与 T1 处理相比，T2 和 T3 处理土壤有机质含量从 17.41 g/kg 分别提高到 23.64 和 23.12 g/kg（表4）。相比 T1 处理，T2 和 T3 处理的土壤总氮和碱解氮含量虽然有下降的趋势，但是差异并不显著。T1、T2 和 T3 处理间土壤的有效磷含量和速效钾含量没有显著差异（表4）。

2.3 减氮配施生物有机肥对土壤团聚体分布和碳组分的影响

相比 CK 处理，T1 处理土壤中 >3 nm 粒径的土壤团聚体含量显著增加，而 0.25～0.50 nm 粒径的土壤团聚体含量显著下降。相比 T1 处理，T2 和 T3 处理显著改变了土壤团聚体的分布，其中≥ 0.25 nm 粒径的土壤团聚体均显著增加，<0.25 nm 粒径的土壤团聚体显著下降（表5）。同时，相比 T1 处理， T2 和 T3 处理显著增加了所有粒径团聚体中的有机质含量（表6），说明配施有机肥显著增加了土壤有机质在不同粒径团聚体中的分布。

进一步结果显示，T2 和 T3 处理还显著改变了土壤 POC 和 MAOC 的含量。相比 T1 处理，T2 和 T3 处理显著增加了土壤中 POC 和 MAOC 的含量，提高了 POC 在有机碳中的占比，减少了 MAOC 的占比（图2）。

与 CK 处理相比，T1 处理的土壤微生物生物量碳和氮含量分别显著增加 108.90% 和 359.24%（图3）。与 T1 处理相比，T2 处理使土壤微生物生物量碳和氮含量分别显著增加 38.12% 和 33.73%，T3 处理使土壤微生物生物量碳和氮含量分别显著增加 33.22% 和 26.04%（图3）。

2.4 减氮配施生物有机肥对土壤酶活性和细菌丰度的影响

与 CK 处理相比，T1 处理的土壤脲酶和蔗糖酶活性分别显著增加 31.58% 和 74.24%（表7）。与 T1 处理相比，T2 处理的土壤脲酶和蔗糖酶活性分别显著增加 12.00% 和 10.51%，T3 处理的土壤脲酶和蔗糖酶活性分别显著增加 32.00% 和 24.90%（表7）。

与 CK 处理相比，T1 处理的总菌和固碳菌丰度分别显著提高 41.32% 和 58.92%（图4）。与 T1 处理相比，T2 处理的土壤总菌和固碳菌丰度分别显著提高 4.35% 和 41.16%，T3 处理的土壤总菌和固碳菌丰度分别显著提高 10.27% 和 44.56%（图4）。

3 讨论

有机肥与无机肥配合施用，通过调节不同时期土壤的供肥能力和维持土壤保肥保水能力，可为作物的优质高产提供良好的土壤条件。长期定位试验表明，在化肥和有机肥配施条件下，水稻产量比单独化肥施用增加约 20%，并可使水稻持续保持在高产状态^[16]。利用不同类型有机肥替代 40% 化肥，水稻产量平均可增长 11.65%～17.31%，并且可在下一年继续增产^[2]。利用猪粪有机肥替代 50%化肥，可使水稻产量与单纯化肥施用处理保持一致^[6]。本研究中，减氮 20% 配施生物有机肥处理，水稻产量并无显著降低，减氮 10% 配施生物有机肥处理下，水稻的产量甚至略有增加（表2）。有机肥替代不同比例化肥与化肥的原始施加量密切相关，本研究施用氮肥为 195 kg/hm²，处于化肥定额制的施肥范畴内，本身施加量较低。因此，在此基础上再次进行减氮后配施生物有机肥很有可能引起水稻减产。然而，本研究中减氮配施生物有机肥维持了水稻原有的产量（表2），其主要原因可能在于生物有机肥属于缓效肥料，其养分释放较慢，适宜的生物有机肥与无机肥配施后，两者的养分释放规律与水稻生长的养分需求规律正好较为吻合，从而使水稻持续高产。减氮配施生物有机肥的土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量与常规施肥处理相比没有显著差异，其原因是生物有机肥中原有养分的释放，维持了水稻正常生长中对养分的需求。

有机替代也与水稻的氮肥利用效率密切相关。合适的替代比例可以显著提高水稻对氮肥的利用效率。有研究发现，在单季稻生产中，有机替代氮肥比例为 20% 时，水稻产量和氮素利用效率最高^[17]。施用有机物料提高作物养分利用效率的原因在于有机肥提高了作物营养器官养分向籽粒的转运量和转运率，从而促进养分吸收和干物质积累，增加收获期作物籽粒养分在植株养分总量中的占比，从而提高肥料利用率^[18]。本研究中，减氮配施生物有机肥显著提高了氮肥利用效率，其中以减氮 10% 配施生物有机肥处理的水稻氮肥利用效率最高（图1）。稻米品质在一定范围内随着施氮量的增加而提高，主要表现在加工品质上，但当氮肥施用不足或过量时稻米品质会有所下降^[19-21]。在本研究中，与常规施肥相比，减氮配施生物有机肥后水稻的稻米品质没有显著差异（表3），说明在施氮 195 kg/hm² 的基础上减氮 20% 配施生物有机肥不会影响水稻的稻米品质。

土壤团聚体在改善土壤结构、调控水分、抵御侵蚀、促进根系生长、贮存碳和维护生物多样性中发挥重要作用。团聚体的形成有利于固定和贮存土壤中的养分，并通过物理保护减少土壤养分流失与分解。土壤有机质与土壤团聚体的形成密切相关，因为其含有团聚体形成所需的重要胶结物质。提高土壤有机质含量可有效促进土壤小颗粒团聚体的形成，改善土壤结构和提高土壤孔隙度^[22]。同时，有研究发现，土壤团聚体的形成与 POC 和 MAOC 含量及比例密切相关^[23]。POC 主要由植物残体碎屑和微生物残体组成，而 MAOC 主要是可溶性小分子有机物与矿物表面吸附而成。土壤中较高比例的 POC 有利于促进土壤大团聚体的形成，较高比例的 MAOC 更有利于土壤微团聚体的形成^[24]。合理减氮配施有机肥可显著提高红壤和砂壤土 POC 含量，进而提高 >2000 μm 大团聚体中的有机碳含量及大团聚体的比例^[25-26]。这与本研究结果一致。减氮配施有机肥显著提高了土壤中有机质含量（表4）、不同粒径团聚体有机质含量（表6）、POC 和 MAOC 含量及 POC 比例（图2），最终促进了土壤中大团聚体形成（表5）。以上研究表明，减氮配施生物有机肥可以通过增加土壤有机质的含量和 POC 的含量提高土壤小颗粒向大团聚体的转变，增加土壤孔隙度后增加水稻根系氧含量，优化水稻根系生长环境。同时，土壤有机质是土壤结构的重要组成部分，为土壤中的植株和微生物提供养分与能量^[27-28]。

土壤有机碳含量低是限制作物增产的重要因素。土壤活性有机碳，比如颗粒有机碳和微生物量碳等，具有极高的营养价值，它们能够直接被植物吸收，并且容易被土壤生物分解，因此，它们是衡量土壤肥力与质量的重要参考指标^[29]。同时，土壤活性有机碳可对外界环境的变化做出迅速反应，比如施肥管理的改变，氮肥减量 30% 配施有机肥可以使植株根际微生物生物量碳和氮含量分别提高 63.00%～76.62% 和 40.01～90.38%^[30]。在配施有机肥的基础上进行减氮处理，随着减氮量的增加，土壤微生物生物量碳含量和土壤微生物生物量碳氮比均呈先增加后降低的趋势，而土壤微生物生物量氮含量则呈相反趋势^[31]。土壤细菌在土壤固碳过程中发挥重要作用，其中 cbbL 基因是 RubisCO 酶的编码基因，也是土壤固碳微生物的主要功能基因。增施有机物质显著提高了土壤中孢杆菌属（Bacillus）和土微菌属（Pedomicrobium）等固碳功能微生物的相对丰度^[32]。本研究中化肥减量配施生物有机肥均显著提高土壤中 POC（图2）和微生物生物量碳的含量（图3），同时增加了土壤总菌和固碳菌的丰度（图4），说明减氮配施有机肥通过调节土壤固碳微生物的丰度等过程增加了土壤中的碳汇，从而调节水稻的生长。

土壤酶活性能够反映土壤生物活性和土壤质量状况，其中土壤脲酶和蔗糖酶在土壤碳氮转化过程中起重要作用。合理减氮配施有机肥可以显著提高土壤酶活性，与常规施肥相比，减氮 20% 配施有机肥处理的脲酶和蔗糖酶活性分别提高了 9.73% 和 42.75%^[33]。配施有机肥条件下，随着减氮率的增加，土壤蔗糖酶活性呈先增加后降低的趋势，并且在减氮 50% 配施有机肥的处理下达到最高^[31]。在本研究中，减氮配施生物有机肥（T1 和 T2）都显著增加了土壤脲酶和蔗糖酶活性（表7），主要原因可能在于配施的生物有机肥具有较高的有机质含量和有效活菌数，增加了土壤碳源和丰富了土壤微生物量，加速了土壤中物质转化，从而促进土壤酶活性的增加。

4 结论

在氮肥施加量为 N 195 kg/hm² 的基础上进行减氮 20% 配施生物有机肥能够通过促进土壤团聚体的形成，提高土壤活性有机碳的含量，提升土壤碳氮转化相关胞外酶的活性，提高水稻的氮肥利用效率和维持水稻的产量和稻米品质。以上研究可为水稻绿色高效种植和健康稻田土壤培育提供理论基础。

参考文献