商品有机肥替代部分化肥对双季水稻产量及重金属含量的影响

姚冬辉，魏宗强，颜 晓，卢志红，吴建富

（江西农业大学国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045）

【研究意义】化肥是重要的农业生产资料，在促进粮食生产和农业发展等方面发挥了重要的作用。但过量或不合理施用化肥，带来了土壤板结、酸化、环境污染和生态平衡破坏等一系列问题，严重威胁着我国农产品质量和农业生态环境[1-2]。因此，在增产稳产前提下，大力发展和使用商品有机肥料，减少化肥的投入量，对提升耕地质量、农产品质量与生态环境质量以及促进化肥零增长战略目标的实现均具有重要的理论意义和实用价值。【前人研究进展】畜禽粪便作为一种优质的有机资源，不仅含有丰富的有机质，而且还含有作物生长所必需的大量和中、微量元素。但是，由于养猪饲料中含有较高的Cu、Zn、As 等重金属元素，使得猪粪中重金属含量较高，尤其是Cu、Zn 含量过高，给猪粪直接还田带来潜在风险，对农产品和生态环境安全产生严重的威胁[3-4]。研究结果[5-9]表明，长期猪粪直接还田能提高表层土壤Cu、Zn、Cr、As 等重金属含量及其有效性，其影响程度与猪粪用量有关；但也有研究[10-11]指出，适量添加猪粪到Cu 或Cd 污染土壤中可以减少土壤Cu、Cd 的迁移能力，降低Cu、Cd 的生物有效性。自我国提出实现化肥零增长目标以来，畜禽粪便无害化处理、商品化利用已经越来越受到重视。研究表明，商品有机肥替代部分化肥在提高作物产量[12-14]，促进养分吸收[15-17]，改善土壤理化和生物学性状[18-19]等方面产生积极的影响，同时也引起了土壤和农产品中重金属含量增加的负面影响[13,20]。【本研究切入点】但已有的报道大多都是对土壤或农产品中某个或某几个重金属进行研究，而同时对于商品有机肥替代部分化肥对双季稻田土壤、稻米和稻壳中重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 含量影响的研究还鲜见报道。【拟解决的关键问题】因此，本试验在等量氮磷钾养分施用条件下，研究商品有机肥替代部分化肥对双季水稻产量及土壤、稻米和稻壳中重金属含量的影响，为南方稻区商品有机肥合理施用及其风险性评价提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试早、晚稻品种分别为中嘉早17 和五丰优T025。供试的商品有机肥是以猪粪为主要原料，添加其他农业废弃物和微生物发酵菌剂经槽式好氧发酵制成，由江西怡农生物科技有限公司提供，其主要成分和含量分别为有机质56.1%，N1.18%，P2O51.78%，K2O 2.58%，水分23.6%，pH6.4，As 2.8 mg/kg，Pb 21.4 mg/kg，Cd 0.9 mg/kg，Cr 26.1 mg/kg，Cu 370.2 mg/kg，Zn 781.9 mg/kg，Hg 含量未检出。氮、磷、钾化肥分别用尿素（N 46.4%）、钙镁磷肥（P2O512.4%）和氯化钾（K2O 60.0%）。试验地土壤为潮沙泥田，试验前土壤有机质含量为25.12 g/kg，pH值为5.6，全氮为1.321 g/kg，碱解氮为102.4 mg/kg，有效磷为12.38 mg/kg，速效钾为88.3 mg/kg。，常年种植双季水稻，种植制度为稻-稻-冬闲。

1.2 试验设计

2016—2017 年在江西省新干县界埠镇廖圩村粮油绿色高产高效创建基地进行早、晚稻田间定位试验。设4 个处理：单施NPK 化肥（F）；商品有机肥每季3 000 kg/hm2+NPK 化肥（M1F）；商品有机肥每季3 750 kg/hm2+NPK 化肥（M2F）；商品有机肥每季4 500 kg/hm2+NPK 化肥（M3F）。商品有机肥用量根据其含N量计算，早稻替代16.4%～24.6%的化学N肥，晚稻替代15.0%～22.6%的化学氮肥，各处理氮、磷、钾养分施用量相同，商品有机肥输入的氮磷钾养分不足部分用化肥补充（表1），N∶P2O5∶K2O施用比例为2∶1∶2。早稻氮肥按基肥、分蘖肥与穗肥质量比5∶2∶3施用。晚稻氮肥按基肥、分蘖肥与穗肥质量比4∶2∶4施用。早、晚稻钾肥均按分蘖肥与穗肥质量比7∶3 施用。商品有机肥、磷肥一次性做基肥施用。每处理3 次重复，随机排列，小区面积20 m2。小区间土埂用塑料薄膜包裹，单排单灌。人工移栽。早、晚稻栽插密度分别为13.3 cm×23.3 cm和13.3 cm×26.6 cm。其他按常规高产栽培要求进行。

表1 试验处理与养分投入量Tab.1 Experimental treatment and nutrient input kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 考种与测产 早、晚稻收割前1 d，每小区调查60蔸有效穗，按平均有效穗数取代表性植株5蔸进行考种；每小区实割200蔸，脱粒后晒干、称量、测产。同时，各取300 g干谷供重金属含量测定。

1.3.2 土壤采集 2017年晚稻成熟期，每小区按“S”型线路采集耕作层（0～18 cm）土壤混合样品，供土壤重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn含量测定。

1.3.3 重金属含量测定方法 土壤、稻米和稻壳中重金属含量委托北京子田科技有限公司测定。土壤全量Pb、Cd、Cr、Cu和Zn的含量按农业部行业标准NY/T 1613—2008[21]方法检测。全量As、Hg按GB/T 22105.1—2008[22]和GB/T 22105.2—2008[23]方法测定。稻米、稻壳中Cu、Zn、Hg和As含量按GB/T 5009—2003[24]方法检测；Pb含量按GB 5009.12—2010[25]方法检测；Cd、Cr含量按GB 5009—2014[26]方法检测。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010 和DPS 7.05 软件进行统计分析，利用Duncan 新复极差法(LSR)进行显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施商品有机肥对水稻产量及其构成因素的影响

由表2可以看出，在等量氮磷钾养分施用条件下，2016年，早、晚稻产量随商品有机肥用量的增加均呈下降的趋势。早稻产量M1F 处理与F、M2F 处理差异不显著，却显著高于M3F 处理，增幅为9.24%；晚稻产量F 处理与M1F 处理差异不显著，却显著高于M2F、M3F 处理，增幅为7.66%～7.79%，而M1F 处理产量高于M2F、M3F处理，增幅为6.40%～6.53%，但处理间差异不显著。2017年早稻产量变化趋势与2016年基本一致；而晚稻产量F、M1F、M2F处理间差异不显著，却均显著高于M3F处理，增幅为6.63%～10.83%。2年4季平均产量由高到低依次为处理F、M1F、M2F和M3F，但F、M1F处理差异不显著，却显著高于M3F处理，增幅为6.56%～8.97%，M2F、M3F处理间差异显著。说明在等量氮磷钾养分施用水平下，每季用3 000 kg/hm2的商品有机肥替代部分化肥能维持水稻周年产量与单施化肥基本持平，而且每年还节约化学氮肥15.7%，磷肥47.3%，钾肥34.3%。

表2 化肥减量配施商品有机肥对双季稻产量的影响Tab.2 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on yield of double cropping rice t/hm2

从产量构成因素（表3）来看，无论是早稻还是晚稻，单位面积有效穗数均随商品有机肥用量增加呈下降的趋势。早稻有效穗数F 处理与M1F 处理基本持平，却显著高于M2F、M3F 处理，增幅为8.51%～11.78%，M1F 处理显著高于M2F、M3F 处理，增幅为5.07%～8.23%，而M2F、M3F 处理差异不显著；晚稻有效穗数F处理与M1F、M2F处理差异不显著，F、M1F处理均显著高于M3F处理，增幅为5.92%～7.48%，而M2F、M3F 处理差异显著。每穗粒数早稻处理间差异不显著；晚稻M1F、M2F、M3F 处理差异不显著，但均显著低于F 处理，降幅为4.83%～5.89%。早稻结实率M1F、M2F、M3F 处理差异不显著，但M1F、M2F 处理均显著高于F 处理，增幅为3.18%～3.30%；晚稻处理间差异不显著。千粒质量处理间无显著差异。这与有关报道基本一致[12]。

表3 化肥减量配施商品有机肥对早、晚稻产量构成的影响Tab.3 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on yield components of early and later rice

2.2 化肥减量配施商品有机肥对土壤重金属含量的影响

表4 表明，随着商品有机肥用量的增加，土壤中重金属AS、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均表现为递增的趋势，而Hg 含量未检出。这可能与有机肥中重金属含量和输入量有关，但均未超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）。土壤中As 含量M3F 和M2F 处理差异不显著，却显著高于M1F和F处理，增幅分别为6.22%和21.31%，而M1F和M2F处理差异不显著，却均显著高于F处理，增幅分别为14.21%和17.87%。Pb 含量M3F 与M2F 处理差异不显著，却均显著高于M1F 和F 处理，而M1F 和F 处理差异显著；Cd含量处理间差异均达显著水平，M3F处理较M1F、M2F和F处理增幅达7.84%～48.65%，M2F处理较M1F 和F 处理增幅达13.33%～37.84%，M1F 处理较F 处理增幅达21.62%。Cr 含量处理间差异均不显著。Cu、Zn含量M1F、M2F、M3F处理间差异均不显著，却均显著高于F处理，增幅分别为7.81%～11.73%和5.89%～8.86%。说明施用猪粪源商品有机肥易引起土壤重金属积累，增加土壤污染风险，这与有关研究基本一致[13]。

表4 化肥减量配施商品有机肥对土壤重金属含量的影响（2017年）Tab.4 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on soil heavy metals contents in 2017 mg/kg

2.3 化肥减量配施商品有机肥对稻米和稻壳中重金属含量的影响

表5 显示，在氮磷钾等养分施用量相同的条件下，早、晚稻稻米和稻壳中重金属Cd、Cr、Cu、Zn 含量和稻壳中Pb 含量均随着商品有机肥用量的增加呈增加的趋势，Hg、As 含量均未检出，稻米中Pb 含量未检出。各处理水稻稻壳中重金属含量几乎均高于稻米。稻壳中Pb 含量早稻M3F 处理显著高于M2F、M1F 和F 处理，增幅为18.92%～25.0%，M2F 处理显著高于M1F 和F 处理，增幅为5.11%，而M1F 和F处理差异不显著；而晚稻M3F、M2F 和M1F 处理间差异不显著，却均显著高于F 处理，增幅为11.05%～18.23%。早、晚稻稻米和稻壳中Cd 含量均以M3F 处理为最高，M1F 处理为最小，但早稻稻米处理间差异显著，稻壳M3F 处理显著高于其它3 个处理，增幅为47.96%～61.11%，M2F 处理显著高于M1F、F 处理，增幅为6.52%～8.89%；晚稻稻米中Cd 含量M2F、M3F 处理差异不显著，均显著高于M1F、F 处理，稻壳中M3F 处理与M2F 处理差异显著，且均显著高于M1F、F 处理。早、晚稻稻米和稻壳中Cr、Cu 含量变化趋势基本一致，均以M3F 处理为最高，F 处理为最小。早稻稻米中Zn 含量M3F 处理显著高于M2F、M1F 和F 处理，增幅为5.98%～29.29%，而M2F、M1F 处理差异不显著，均显著高于F 处理，增幅分别为21.99%和18.42%；稻壳中Zn 含量M3F、M2F 处理差异不显著，均显著高于F 处理，增幅分别为7.78%和5.37%，M3F 处理显著高于M1F 处理，而M1F、F 处理差异不显著。晚稻稻米中Zn 含量处理间差异显著，稻壳中M3F、M2F 与M1F 处理差异不显著，但M3F、M2F 处理均显著高于F 处理，增幅分别为6.79%和5.26%。说明施用猪粪源商品有机肥易引起稻谷中重金属含量增加，其增幅程度与有机肥用量有关。但各施肥处理早、晚稻稻米和稻壳中重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均未超过食品安全国家标准（GB 2762—2017）。

表5 化肥减量配施商品有机肥对稻米和稻壳中重金属含量的影响（2017年）Tab.5 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on heavy metals contents in rice and rice hull in 2017 mg/kg

3 讨论

3.1 化肥减量配施商品有机肥对水稻产量的影响

有机肥料与化肥配合施用是我国农作物施肥发展的主要方向。研究[12-16,27-31]表明，与单施化肥相比，有机肥与化肥配施不仅可以实现作物的稳产增产，而且还可以减少化肥用量。试验研究表明，在等量氮磷钾养分施用条件下，早、晚稻产量均随有机肥用量的增加而呈下降趋势，处理间的大致趋势由高到低依次为F、M1F、M2F 和M3F，F、M1F 处理差异不显著，却显著高于M3F 处理，增幅为6.56%～8.97%，其原因可能是单施化肥的处理可以快速补充作物生长所需养分，而有机肥在土壤中释放养分的速率较为缓慢，难以及时满足作物对养分的需求，从而导致商品有机肥替代部分化肥的处理水稻产量低于单施化肥处理，这与前人研究结果基本一致[32-33]。产量构成因素方面，有研究表明，猪粪堆肥与化肥配合施用能够显著增加水稻每穗籽粒数和实粒数[15-16]。但也有研究指出，与单施化肥相比，商品有机肥替代部分化肥的处理对产量构成因素（有效穗数、穗粒数和千粒质量）未表现出显著影响[12]。本2 年定位试验结果表明，早、晚稻的有效穗数随商品有机肥用量的增加而呈下降趋势，早稻结实率呈增加的趋势，晚稻变化不明显，而对每穗粒数和千粒质量影响较小，这可能与供试的土壤、水稻品种和商品有机肥的性质不同有关。

3.2 化肥减量配施商品有机肥对土壤、稻米和稻壳中重金属含量的影响

畜禽粪便作为有机资源在有机农业和农业可持续发展中占有重要地位。近年来，随着耕地土壤质量提升工程的开展和化肥零增长战略的实施，中国有机肥的需求量和施用量呈现增加的趋势。因此，越来越多的研究开始关注集约化养猪粪便的利用方式及其对环境的潜在风险。有研究指出，长期施用猪粪显著提高了土壤Cu、Zn、Cr、As含量，施用商品有机肥可增加土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、Pb和As等重金属的积累，并导致农产品中重金属含量升高[5-8,12]，其影响程度一方面取决于猪粪或商品有机肥中重金属含量高低；另一方面取决于猪粪或商品有机肥一次性输入农田的数量与施用年限。2 年定位试验结果表明，在商品有机肥施用量为3 000～4 500 kg/hm2，土壤中重金属AS、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均随商品有机肥用量的增加表现为递增的趋势，而Hg 含量未检出，但均符合土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018），这可能与商品有机肥中重金属含量和输入量有关，这与黄小洋等[34]研究结果基本一致；早、晚稻稻米和稻壳中重金属Cd、Cr、Cu、Zn 含量和稻壳中Pb 含量均随着商品有机肥用量的增加呈增加的趋势，而Hg、As 含量均未检出，稻米中Pb 含量未检出，稻壳中重金属含量几乎均高于稻米，这与陈院华等[35]研究结果基本一致，符合食品安全国家标准（GB 2762—2017）。但长期施用以猪粪为主要原料加工的商品有机肥是否引起土壤、稻米和稻壳中重金属污染需进一步研究。因此，在农业生产上要注重商品有机肥的选择和安全使用，因地制宜地控制好商品有机肥的施用量，避免其对土壤和作物生产安全构成威胁。此外养殖企业和饲料加工厂还可以更新畜禽饲料加工方式，减少含重金属添加剂的使用，也能有效减少土壤和作物中的重金属的积累，保障土壤和粮食安全。