虫粪有机肥和外源硒对水稻生长及富硒的影响

耿伟娜， 徐晓燕， 赵 毅， 毛志月， 王小波

(天津农学院农学与资源环境学院，天津 300392)

黑水虻转化畜禽粪便后产生的虫粪是一种新型的有机肥，含有丰富的有机质及有益微生物，可以直接作为有机肥使用[1]。吴翔等研究表明，施用黑水虻虫粪可以提高水稻的株高及产量[2]。龚小燕等通过在水稻育秧土壤中施入不同比例的黑水虻虫粪，发现虫粪肥可以促进秧苗生长，增加叶片的叶绿素及蛋白质含量[3]。

全球有40多个国家和地区属于低硒或缺硒地区，我国亦是公认的“缺硒大国”之一，研究显示我国有72%的土壤处于低硒或缺硒水平，使得在该类型土壤上收获的植物硒含量较低，不能满足人体对硒的需求[4]。人体不能合成硒，只能通过食物来获取，植物硒是人体饮食中硒的主要来源[5]。农业生产上常采用富硒的办法来提高作物的硒含量，这是补充和改善硒营养最简单可行的措施[6]。水稻在我国粮食结构中的占比较大，全国有2/3的人口以稻米作为主食[7]，故水稻中硒含量的高低与人体中微量元素的状况密切相关[8-9]。从硒肥对植物毒性和环境风险等角度考虑，以亚硒酸盐的形式施硒更佳[10-11]。虫粪肥与外源硒联合施用对水稻影响的研究未见报道。因此，本研究通过盆栽试验，研究虫粪肥和外源硒对水稻生理生长及稻米品质的影响，旨在为虫粪肥的开发利用及水稻富硒科学栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻品种：津源89，为优质抗逆超高产品种，在天津地区种植面积较大。

试验所用土壤取自天津市宝坻区某水稻田，其土壤基本理化性质为有机质含量19.0 g/kg、有效磷含量9.04 mg/kg、速效钾含量231.78 mg/kg、碱解氮含量52.08 mg/kg，pH值7.78，EC值 484.5 μS/cm。将取回来的土壤风干，除去杂质后磨碎，过1 cm网筛，混匀备用。

虫粪为黑水虻转化鸡粪后产生的虫粪，其组分含量为：全氮含量25.6 g/kg、全磷(P2O5)含量 63.1 g/kg、全钾(K2O)含量19.1 g/kg、有机质含量626.4 g/kg，pH值8.35，EC值8.01 mS/cm。虫粪除去杂质后风干备用。

外源硒：亚硒酸钠(纯度>99.0%)，由阿法埃莎(中国)化学有限公司生产。

1.2 试验设计

本试验为盆栽试验，试验地点在天津市西青区天津农学院网室，以虫粪肥和硒肥为试验因素，虫粪肥设CK(0%)、T1(3%)、T2(6%)3个处理，每个虫粪肥下设LSe (5 mg/L)和HSe (10 mg/L)(以Se计)2个硒肥处理，试验共6个处理，每个处理重复3次。在干净的塑料盆(直径30.5 cm，高25.0 cm)中装入10 kg的风干土，添加不同比例的虫粪肥搅拌均匀，加水静置1周，在2020年5月25日选取生长一致的水稻幼苗移入盆中，每盆移苗9株，待缓苗后拔除2株较弱的幼苗，将盆随机排放于网室内。在水稻孕穗期(2020年8月6—12日)对水稻叶片正反2面均匀喷施亚硒酸钠溶液，每盆喷150 mL，每 3 d 喷1次，共喷3次。在水稻种植期间进行常规管理，并保持3～5 cm的水层，2020年10月31日进行水稻收获和测产。分离地上部植株与地下部根系，并将地上部植株在105 ℃杀青30 min，之后在70 ℃烘干至恒质量，测产。

1.3 测定指标及方法

在水稻的拔节期、结实期用卷尺测量水稻株高；于分蘖期、抽穗期和结实期3个阶段使用叶绿素仪(SPAD-520)测定水稻叶片的叶绿素含量，并测定抽穗期水稻叶片的净光合速率；在孕穗期叶面喷硒10 d后(2020年8月22日)，在每盆中取出3株水稻进行超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性的测定。SOD和POD活性分别采用氮蓝四唑光化还原法、愈创木酚法[12]进行测定；蛋白质含量采用浓H2SO4-H2O2的方法得到消煮液，定容至100 mL后用全自动凯氏定氮法[13]测定；直链淀粉含量采用BS EN ISO 6647-2—2015《稻米 直链淀粉含量的测定 第2部分 常规方法》测定；硒含量的测定采用GB/T 35871—2018《粮油检验 谷物及其制品中钙、钾、镁、钠、铁、磷、锌、铜、锰、硼、钡、钼、钴、铬、锂、锶、镍、硫、钒、硒、铷含量的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》，称取0.500 0 g试样于消解管中，加入6 mL硝酸、2 mL双氧水进行微波消解，随后在160 ℃下赶酸1 h，取出冷却，转移、定容至50 mL。测定时取出部分待测液，用电感耦合等离子体质谱联用仪进行测定。

1.4 数据处理

数据整理、计算、作图采用Excel 2010软件完成，显著性差异分析采用SPSS 21.0 (α=0.05)数据处理系统完成。为了确定虫粪肥和硒肥对水稻株高、产量、生理生长、蛋白质含量、直链淀粉含量及硒含量的影响，对数据进行二因素方差分析，虫粪肥和硒肥作为独立变量，用单因素方差分析比较不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 虫粪肥和硒对水稻株高、产量的影响

由表1可知，相同硒水平下，除T2处理下LSe拔节期株高和产量外，虫粪肥(F)的施用都显著地提高了水稻的株高和产量，与CK相比，T1处理中LSe、HSe的株高在拔节期分别增加了33.85%、28.83%，在结实期分别增加了42.50%、41.10%，产量分别增加了609.09%、543.18%；T2处理中HSe的株高在拔节期增加了20.32%，LSe、HSe的株高在结实期分别增加了19.48%、37.65%，HSe的产量增加了221.14%。相同施肥水平下，在T2中HSe处理结实期株高和产量较LSe分别提高了15.16%、75.97%，而CK和T1处理中LSe与HSe处理没有显著差异。不同浓度硒肥(S)及虫粪肥与硒肥的配施(F×S)对结实期株高的影响达到显著水平(P<0.05)。F×S对水稻产量的影响达到极显著水平(P<0.01)。

表1 不同用量虫粪肥和硒处理下水稻株高和产量

2.2 虫粪肥和硒对水稻叶绿素含量的影响

由表2可知，在相同硒水平下，虫粪肥的施用显著提高了水稻3个时期的叶绿素含量，与CK相比，T1处理中LSe、HSe的叶绿素含量在分蘖期分别增加了42.58%、32.89%，在抽穗期分别增加了54.93%、55.65%，在结实期分别增加了43.51%、46.74%；T2处理中LSe、HSe的叶绿素含量在分蘖期分别增加了37.45%、32.77%，在抽穗期分别增加了49.02%、54.30%，在结实期分别增加了52.35%、48.27%。不同浓度硒肥及虫粪肥与硒肥的配施对抽穗期和结实期叶绿素含量的影响均不显著。

表2 不同用量虫粪肥和硒处理下水稻叶绿素含量

2.3 虫粪肥和硒对水稻抽穗期净光合速率的影响

从图1可知，在相同硒水平下，虫粪肥的施用显著提高了水稻光合速率，与CK相比，T1处理中LSe、HSe的净光合速率分别增加61.22%、52.30%，T2处理中LSe、HSe的净光合速率分别增加35.29%、30.15%。相同施肥水平下，高浓度硒肥的施用显著提高了水稻净光合速率，CK+HSe、T1+HSe、T2+HSe处理的净光合速率较相应的LSe处理分别增加13.72%、7.42%、9.40%。虫粪肥与硒肥的配施对净光合速率的影响不显著。

2.4 虫粪肥和硒对水稻叶片酶活性的影响

由图2可知，在相同硒水平下，虫粪肥的施用显著提高了叶片的SOD、POD活性。与CK相比，T1处理中LSe、HSe的SOD活性分别增加8.56%、10.80%，POD活性分别增加20.23%、28.86%，T2处理中LSe、HSe的SOD活性分别增加22.10%、27.03%，POD活性分别增加53.48%、50.56%。相同施肥水平下，高硒处理SOD、POD活性显著高于相应的低硒处理，增幅分别为4.48%～8.69%和8.10%～18.11%。不同浓度硒肥及虫粪肥与硒肥的配施对水稻叶片SOD活性，不同浓度硒肥(S)对水稻叶片POD活性的影响均达到极显著水平(P<0.01)。

2.5 虫粪肥和硒对籽粒蛋白质和直链淀粉含量的影响

由图3可知，在相同硒水平下，虫粪肥的施用显著提高了籽粒蛋白质和直链淀粉含量，与CK相比，T1处理中LSe、HSe的蛋白质含量分别增加39.16%、48.20%，直链淀粉含量分别增加36.97%、28.32%；T2处理中LSe、HSe的蛋白质含量分别增加88.63%、115.37%，直链淀粉含量分别增加17.85%、16.29%。相同施肥水平中，T2+HSe处理籽粒蛋白质含量较T2+LSe增加了14.98%，不同硒浓度对籽粒直链淀粉含量没有显著影响。虫粪肥与硒肥的配施对籽粒蛋白质含量的影响达到显著水平(P<0.05)，对直链淀粉含量无显著影响。

2.6 虫粪肥和硒对籽粒硒含量的影响

从图4可知，在相同硒水平下，虫粪肥施用显著增加了籽粒硒含量，与CK相比，T1处理中LSe、HSe的硒含量分别增加181.33%、75.36%；T2处理中LSe、HSe的硒含量分别增加268.99%、125.39%。相同施肥水平中，CK+HSe、T1+HSe和T2+HSe较相应的低硒处理分别提高90.18%、18.54%和16.17%。虫粪肥与硒肥的配施极显著地提高了水稻籽粒硒含量。

3 讨论

虫粪肥作为一种新型有机肥，富含多种养分和有益微生物，施入土壤后经过微生物作用转变为氮、磷、钾等多种元素，改善了土壤理化性质，提高了土壤肥力及植物氮含量，从而促进了叶绿素的合成[14]，提高了植物的光合作用能力，促进了水稻生长，提高了水稻结实期株高和产量，这与董林林等的研究结果[15-17]一致。但过量施用虫粪肥(6%)会造成土壤养分含量失衡，抑制水稻净光合速率[18-19]，对水稻生长产生抑制作用[20-21]，本试验中6%虫粪肥施用量水稻的株高和产量都低于3%处理。喷硒会减少气孔阻力，提高CO2通量，导致叶片净光合速率提高[22]，本研究中喷施10 mg/L的硒显著增加了水稻净光合速率。同时，硒的喷施减轻了过量施肥对作物的危害，在6%虫粪肥处理中，10 mg/L 硒的喷施显著提高了水稻的产量和结实期的株高。本研究发现施用虫粪肥和硒显著增加了叶片的SOD、POD活性。前人也有相似的结论，王小波等研究表明，施用虫粪肥提高了水稻叶片的SOD、POD、CAT活性，且酶活性随着虫粪肥施用量的增加而增加[23]；李向阳等研究表明，叶面喷硒可以提高水稻幼苗SOD、POD活性[24]。说明施用虫粪肥和硒能提高水稻清除体内自由基的能力。

稻米品质与稻米蛋白质和直链淀粉含量密切相关[25]。前人研究表明施用有机肥可以提高农产品的品质[26-27]。虫粪肥施入土壤，增加了土壤含氮量，提高了籽粒蛋白质含量，且施肥量越高，蛋白质含量越高，这与徐富贤等研究表明籽粒蛋白质含量与施氮量正相关的研究结果[28]一致。前人在喷硒对作物籽粒蛋白质含量的影响方面无一致定论。赵飞等通过对不同品种的水稻孕穗期喷施外源硒，发现喷施一定量的外源硒可以改善稻米的外观品质，提高稻米的整精米率，并通过影响稻米的蛋白质及直链淀粉含量来提升稻米的食味值[29]。而刘庆等通过对小麦叶面喷硒发现，喷硒可以提高小麦籽粒蛋白质含量，但与不喷硒处理无显著差异[30-31]。本研究发现在不施肥和施用3%虫粪肥处理中喷硒对的籽粒蛋白质含量无显著影响，但在过量施肥处理中(6%)喷硒显著增加了籽粒蛋白质含量。

直链淀粉含量是衡量蒸煮和食味品质的一个重要指标，优质稻米的直链淀粉含量为13%～20%(GB/T 1354—2018)[32]。本研究中施肥处理稻米的直链淀粉含量都高于13%，说明虫粪肥的施用可以提高稻米的食味品质，而不同浓度硒的喷施对稻米直链淀粉含量没有显著影响。

司清林等研究表明，施用有机肥会降低籽粒硒的积累[33]，但本研究表明有机肥施用和喷硒浓度的增加都会提高稻米硒的积累，结果相反，原因可能是施硒方式的差异导致的。本研究采用叶面喷施的办法，避免了硒肥土施时，有机肥和土壤对硒的吸附固定，而喷施后，有机肥对作物的生长促进可以增强植株对硒的吸收累积。喷硒浓度对籽粒硒含量有显著影响，喷施10 mg/L硒后，籽粒硒含量显著高于喷施5 mg/L硒处理，增幅为16.17%～90.18%，这与晏娟等的研究结果[9]一致。

4 结论

虫粪肥施用显著促进了水稻生长，提高了水稻产量、籽粒蛋白质、直链淀粉及硒含量，且3%施用量效果好于6%。高浓度硒的喷施提高了水稻叶片净光合速率、SOD及POD活性和籽粒硒含量，但只有在6%虫粪肥处理中提高了水稻产量。虫粪肥和硒的配施显著提高了水稻产量、叶片酶活性、籽粒蛋白质和硒含量。综合产量、硒及水稻的生长，本研究中3%虫粪肥+10 mg/L硒为最佳处理组合。