黑水虻虫粪对水稻生长及土壤理化性质的影响

2021-12-05王小波郭雪琦陈移波王金龙徐晓燕

植物营养与肥料学报 2021年10期

王小波，吴翔，郭雪琦，陈移波，王金龙，徐晓燕*

（1 天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384；2 天津农垦渤海农业集团有限公司，天津 301823）

随着我国社会经济发展和农业产业结构调整，规模化养殖业快速发展，畜禽粪便年产生量大量增加[1]，据统计，2016年中国畜禽粪污年产量约38亿t[2]。利用黑水虻幼虫转化处理畜禽粪便为畜禽粪便的处理提供了一种经济、可行的途径，受到了国内外的广泛关注[3-5]，转化后产出的虫粪为灰褐色、粒状、无臭味的有机肥，含丰富的有机质及有益微生物种群[6-7]，具有较好的肥效。如Kawasaki等[8]研究表明，黑水虻虫粪肥能够提高小松菜的鲜重，且效果好于家禽粪便、牛粪。吴翔等[9]研究发现施用黑水虻虫粪提高了番茄28.5%的产量和19.4%的VC含量，效果好于鸡粪。

水稻是我国种植的主要粮食作物之一，水稻总产量达到我国粮食总产量的1/3以上[10]。在水稻种植过程中，有机肥施用可以促进水稻根系生长，提高水稻对养分的吸收，提高水稻灌浆能力，促使籽粒

饱满，从而提高产量[11-12]。陈帅君等[13]、李先等[14]研究表明有机肥的施用，不仅可以提高水稻产量，而且还能改善稻米的外观及口感品质。目前国内外对黑水虻虫粪有机肥应用的研究较少，且主要应用于番茄、白菜、玉米、黑麦草[15-17]，在水稻种植中的应用还少有报道。采用盆栽试验研究了黑水虻虫粪肥对水稻生长及土壤理化性质的影响，旨在为黑水虻虫粪的进一步开发利用提供理论依据。

1 材料及方法

1.1 试验材料

供试土壤为黄棕壤，取自湖北省某水稻田，其基础理化性质为：pH 6.24、EC值415 μS/cm、铵态氮 70.12 mg/kg、有效磷 12.2 mg/kg、速效钾 158 mg/kg、有机质65.2 g/kg。将取回来的土壤风干、磨碎、过1 cm筛，混匀备用。

黑水虻虫粪 (黑水虻转化鸡粪所得)，其组分含量：pH 8.3、有机质含量64.0%、全氮2.66%、全磷(P2O5) 5.03%、全钾 (K2O) 3.80%。虫粪风干后备用。

种植作物水稻，品种‘津原E28’。

1.2 试验设计

试验采用盆栽水稻的方法进行，设置不同的虫粪肥施用量，分别为：不施虫粪 (CK)、施用2%虫粪肥 (T1)、4% 虫粪肥 (T2)、6% 虫粪肥 (T3)、8% 虫粪肥 (T4) 5个处理，每个处理3次重复。取干净塑料桶 (直径 35 cm、高 27 cm) 装入 10 kg 风干土，按照不同处理的重量百分比添加虫粪搅拌均匀。2018年5月16日选取生长一致的水稻苗移入塑料桶中，每桶7棵苗。将塑料桶随机排列置于遮阴网室内，整个种植期间，土面保持3～5 cm的水层，进行常规管理，2018年10月26日收获。2019年相同的时间在原处理的土壤上进行水稻连作试验，整个水稻种植期间不施用任何肥料，其他同2018年。

1.3 测定项目与方法

两年中分别在水稻插秧后的60、90、120天测定株高，在水稻插秧后的分蘖期～拔节期 (45天)，取出3株水稻，采用氮蓝四唑光化还原法测定叶片的超氧化物歧化酶 (SOD) 活性，愈创木酚法测定过氧化物酶 (POD) 活性，紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT) 活性[18]。收获水稻后晒干，人工脱粒，测定稻米产量以及氮、磷、钾含量[19]。

水稻收获后，倒出土壤混匀后，采用四分法取约500 g土壤样品，风干后过1和0.25 mm筛，备用。土壤pH采用水土比2.5∶1提取，pH计测定；电导率采用5∶1水土比提取，电导法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定；铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；有效磷采用碳酸氢钠提取钼蓝比色法测定；速效钾采用乙酸铵提取火焰光度计法测定[19]。脲酶活性采用苯酚钠比色法测定；磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[20]。

1.4 数据处理

试验数据计算、作图采用Excel 2016软件完成，显著性差异分析采用 SPSS 17. 0 (P< 0. 05)完成。

2 结果与分析

2.1 虫粪肥对水稻株高的影响

从图1可以看出，在2018年插秧后60天时，TI和T2处理的水稻株高与CK相比较无显著差异，T3和T4处理的水稻株高较CK降低10.8%和24.2%。插秧后90天时，T1处理的株高较CK提高了5.2%，T3和T4处理的株高与CK相比较，分别降低了5.2%和17.4%。插秧后120天时，T1和T3处理的水稻株高与CK之间无显著差异，T2处理最高，较CK提高了5.8%，T4处理水稻株高最低，比CK降低了8.0%。说明适量的施肥可促进水稻的生长，而过量施肥会抑制水稻的生长。

图1 不同用量虫粪肥处理的水稻株高Fig. 1 Plant height of rice of the treatments with different amounts of insect frass

2019年时，施用虫粪肥各处理显著提高了水稻的株高。插秧后60天时，T1、T2、T3和T4处理均提高了水稻株高，其中T3处理的株高最高，比CK提高了31.9%。插秧后90天时，与CK相比较，T1、T2、T3和T4处理水稻株高分别提高了11.0%、20.0%、27.9%和31.8%。插秧后120天时，施虫粪处理水稻株高提高了11.5%～33.5%，各虫粪处理间，T3和T4株高显著高于T2，T2显著高于T1。说明虫粪有机肥的后续肥效较大。

2.2 虫粪肥对稻米产量的影响

从图2可知，在2018年时，除T4外，施虫粪肥处理提高了水稻产量19.9%～43.7%，其中T2处理的稻米产量最高，T1、T3次之，而T4处理降低了稻米产量20.0%。2019年，各处理稻米产量随着虫粪肥施用量增加而提高，较CK增产了33.9%～195.5%。两年中，2019年T3和T4处理的稻米产量较2018年分别提高了85.3%和214.7%。说明合理的施用虫粪有机肥可以提高当季和后茬水稻的产量，但过量施用会降低当季水稻的产量。

图2 不同用量虫粪肥处理的稻米产量Fig. 2 Rice yield of the treatments with different amounts of insect frass

2.3 虫粪肥对水稻叶片酶活性的影响

由表1可见，虫粪肥的施用提高了水稻叶片酶的活性。随着虫粪施用量的增加水稻叶片的SOD活性提高，在2018、2019年中都是T4处理的SOD活性最高，较CK分别提高了29.2%和45.2%，同时也显著高于其它虫粪肥处理。POD活性，在2018年各虫粪肥处理间没有显著差异，2019年T4处理显著高于其它处理。CAT活性，在2018年T2处理最高，且显著高于T1、T4处理，2019年T3、T4处理显著高于其它处理。

表1 2018和2019年不同用量虫粪肥处理水稻叶片酶活性 (U/g, FW)Table 1 Enzymes activity in rice leaves under the treatments with different amounts of insect frass in 2018 and 2019

2.4 虫粪肥对稻米中氮磷钾含量的影响

由表2可见，稻米中氮磷钾含量随着虫粪肥施用量的增加而提高。T2、T3、T4处理稻米的氮含量两年都显著高于T1、CK处理，T1和CK处理间没有显著差异。T2、T3、T4处理稻米的磷含量在2018年显著高于T1、CK处理，在2019年T4处理稻米的磷含量显著高于T1、T3，T1、T3显著高于CK。2018年各处理稻米钾含量没有显著差异，2019年T3、T4处理稻米钾含量显著高于CK、T1、T2处理。

表2 2018和2019年不同用量虫粪肥处理稻米中氮磷钾含量 (%)Table 2 NPK content in rice under the treatments with different amounts of insect frass in 2018 and 2019

2.5 虫粪肥对土壤理化性质的影响

表3表明，随着虫粪施用量的增加，显著提高了土壤pH、有机质含量、EC值、铵态氮、有效磷、速效钾含量。土壤pH两年中分别由6.46、6.51提升到7.13、7.14。有机质含量提高了7.1%～32.5%，EC值提高了13.6%～99.9%，铵态氮含量提高了25.2%～195.4%，有效磷含量提高了45.7%～312.0%，速效钾含量提高了1.7～20.1倍。说明虫粪肥的施用可以显著提高土壤肥力。

表3 2018和2019年不同用量虫粪处理的土壤理化性质Table 3 soil physical and chemical properties under the treatments with different amounts of insect frass in 2018 and 2019

2.6 虫粪肥对土壤酶活性的影响

图3结果显示，虫粪肥提高了13.1%～109.5%的脲酶活性，提高了14.5%～45.4%的磷酸酶活性，提高了25.2%～286.5%的蔗糖酶活性，对土壤过氧化氢酶活性没有显著影响。不同用量虫粪肥处理，T4处理的脲酶、蔗糖酶活性都显著高于其它处理，T1、T2、T3处理的脲酶活性两年中都没有显著差异，而T1、T2、T3处理的蔗糖酶活性随虫粪肥施用量增加而显著提高。T3、T4的磷酸酶活性显著高于T1处理，而T3、T4间没有显著差异。

2.7 指标的相关性分析

由表4可知，除产量和叶片POD活性外各指标与有机质含量都呈极显著的正相关，说明虫粪肥施用在提高土壤有机质含量的同时也提高了土壤养分、土壤、植物的酶活性。而产量与土壤磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性，叶片SOD、CAT酶活性呈显著正相关。土壤酶活性和植物叶片的酶 (除POD) 活性与土壤有机质、土壤速效养分含量呈显著正相关。

图3 2018和2019年不同用量虫粪肥处理土壤酶活性Fig. 3 Soil enzyme activities under the treatments with different amounts of insect frass in 2018 and 2019

表4 各指标间的相关性分析 (r)Table 4 Correlation analysis of each index

3 讨论

黑水虻虫粪有机肥为一种新型的有机肥，不仅含有多种营养物质，还含有多种微生物、酶和活性物质[6-7]。本研究采用的虫粪肥为黑水虻转化鸡粪所得，其有机质含量高达64.0%，养分 (N+P2O5+K2O)含量达11.5%，有机质和养分含量都远高于我国商品有机肥标准 (有机质 ≥ 45%，N+P2O5+K2O ≥ 5%)。黑水虻虫粪肥中的养分含量高，而且大多是以有机结合态存在，随矿化过程而释放，提高土壤速效养分缓冲容量，减少损失，所以对土壤肥力影响时间更长[21]，更有利于作物对养分的充分利用。本试验中施用虫粪肥种植两季水稻，水稻产量增加19.9%～195.5%，土壤有机质含量提高7.1%～32.5%，铵态氮含量提高了25.2%～195.4%，有效磷含量提高了45.7%～312.0%，速效钾含量提高了1.7～20.1倍。其他学者对有机肥的研究也有相似的结果，如李其胜等[22]研究表明有机肥施用后连续两年的种植中，有机肥处理提高了10.06%～19.39%作物的产量，提高了4.17%～25.73%土壤有机质、全氮、全磷和速效磷含量。曹云等[23]研究也表明，堆肥施用后两年内都提高了土壤的有机碳和矿质养分含量，但增加的幅度都小于该虫粪有机肥。黑水虻虫粪磷 (5.03%)、钾(3.08%) 含量远高于传统粪肥，对土壤速效磷、有效钾的提升效果非常显著。可能因土壤对进入的PO43−的吸附固定，使土壤速效钾的增加效果好于磷。所以黑水虻虫粪的施用可为喜钾作物提供更丰富的钾素供应，并提高作物的品质。黑水虻虫粪中高的有机碳和矿质养分含量可为土壤中的微生物提供更多营养物质，促进其生长繁殖，从而改善土壤的生物环境。同时畜禽粪便在经过黑水虻过腹转化的过程中，受虫体肠道微生物影响，虫粪中有益微生物种群更丰富[7]，更有利于加强酶促反应进行，从而提高土壤酶活性[24-26]。本研究中，施用虫粪有机肥后，土壤中除过氧化氢酶活性在两年内无显著变化外，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性均有不同程度的提高，并且随着虫粪肥施用量的增加而升高。前人对于不同有机肥的研究也有相似的结论，如郭鹏飞等[27]通过田间小区试验表明，施用牛粪、猪粪、沼渣有机肥能提高土壤中的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性；田小明等[28]研究表明，连续施用生物有机肥3年后，显著提高了土壤中脲酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性，但是对土壤中多酚氧化酶、蔗糖酶的活性影响不大。施用有机肥对土壤酶活性有促进作用，但不同酶活性变化趋势却不一定相同，这可能是受到肥料类型、土壤类型以及环境条件等综合因素的影响。

虫粪肥的施用提高了土壤酶活性和土壤养分含量，促进水稻器官的后期发育，提高水稻干物质的积累和结实率，尤其是可以提高抽穗期后的光合作用，提高水稻灌浆能力，促使籽粒饱满，从而提高产量[12]。本试验在第二年的水稻种植中，随着虫粪使用量的增加产量增加，8%虫粪处理的水稻产量最高，而在第一年的种植中施用4%虫粪的水稻产量最高，6%、8%虫粪施用量处理产量反而降低，尤其8%处理产量显著低于对照不施肥处理。可能在第一年施用时，8%虫粪的施用量过大，虫粪在土壤中厌氧发酵产生了甲烷、氨气等有害气体，同时消耗土壤中的氧气，抑制了作物的生长发育，造成作物产量的降低。也可能由于有机肥施用过量造成土壤养分过量，产量反而下降。如陈琨等[29]的研究发现，有机肥施用量超过4500 kg/hm2时，水稻产量随有机肥施用量的增加而降低。Deng等[30]的研究表明，在氮肥施用量超过N 250 kg/hm2时，水稻产量随氮肥施用量增加而降低。到第二年随着虫粪的充分腐熟和养分含量的降低，6%、8%虫粪施用量处理水稻的产量显著高于其他处理，同时也高于第一年的产量。第二年虫粪肥处理产量都高于不施肥处理，说明虫粪肥具有显著的后续肥效，在第二年中还能够为水稻生长提供足够的养分。