餐厨废弃物作堆肥在水稻生产中的应用及对土壤环境的影响

刘欣宇 田培聪 卢江 钱佳宇 方昭 曹盼 田光明

（1中国农业大学 有机循环研究院（苏州），江苏 苏州 215100；2沈阳农业大学 土地与环境学院，沈阳 110161；3安徽农业大学马克思主义学院，合肥 230036；4中国农业大学 资源与环境学院，北京 100083；5浙江大学 环境与资源学院，杭州 310058；#共同第一作者：liuxinyu@oricau.cn；*通讯作者：gmtian@zju.edu.cn）

餐厨废弃物对城乡环境质量的影响日益凸显，如何对餐厨废弃物进行科学合理利用成为众多学者所面临的重要课题。餐厨废弃物与畜禽粪便等有机废弃物具有较大相似之处，因此部分学者倾向于采纳堆肥方式对餐厨废弃物进行资源化利用[1-3]。然而，餐厨废弃物相较于畜禽粪便等有机废弃物又具有明显的不同之处。餐厨废弃物来源广泛，其组成成分受不同地域文化，乃至季节更替等因素的影响，这为餐厨废弃物的堆肥化利用增添了许多障碍[4]。餐厨废弃物中的盐分及油脂含量均远高于其他有机废弃物，而对于盐分和油脂的去除工艺却未尽如人意，这也导致餐厨堆肥具有较高的含盐量，影响作物生长。因此，在保证作物健康生长及环境安全的前提下，科学推广利用餐厨堆肥成为推进餐厨废弃物资源化利用过程中的关键一环。

稻田环境与旱地环境截然不同，其所包含的大量水分能够对餐厨堆肥中的盐分进行有效稀释，降低甚至消除盐分对作物的毒害作用，这为餐厨堆肥在水稻生产中的应用提供了极大的可能。满吉勇等[5]研究表明，施用餐厨堆肥能够有效促进水稻生长，并提高其产量，但未就餐厨堆肥对稻米品质、土壤环境的影响以及相应的经济效益开展研究。因此，本试验以常规施用化肥及鸡粪堆肥作为对照，研究餐厨堆肥对水稻产量、稻米品质及土壤环境的影响，并开展经济效益分析，从而为餐厨堆肥在农业生产上的合理应用及餐厨废弃物的高效资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于江苏省苏州市吴中区东山镇，地处太湖流域，年平均气温18.5℃，最高气温35.0℃，最低气温2.0℃，年日照时数2 198 h，年降水量967 mm。试验地土壤为水稻土，土壤质地为粘土，是环太湖地区水稻生产的主要土壤类型，供试区域平坦向阳，排灌方便，种植前细致整地。

1.2 试验材料

供试水稻品种为南粳46。供试化肥为复合肥，购自江苏华昌化工股份有限公司；供试鸡粪堆肥购自金土地有机肥有限公司；供试餐厨堆肥由环太湖地区收集的餐厨垃圾于环太湖有机废弃物处理利用示范中心经好氧发酵而得。供试肥料基本信息详见表1。

表1 供试肥料主要理化性质及成本

1.3 试验方法

试验共设置6个处理：CK，不施肥；T1，施化肥0.38 t/hm2；T2，施鸡粪堆肥13.49 t/hm2；T3，施餐厨堆肥15.00 t/hm2；T4，施餐厨堆肥30.00 t/hm2；T4，施餐厨堆肥45.00 t/hm2。各供试肥料作为基肥一次性施入。2020年6月5日移栽，11月17日收获。以上各处理田块均多年连续种植水稻，随机排列，每个处理3次重复，共18个小区。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 水稻产量及构成因素

收获小区全部水稻并风干，计算产量。收获稻穗于室内进行考种，调查有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率。

1.4.2 稻米品质

按照GB/T 1354-2018《大米》对各处理收获稻谷的碎米总量、碎小米含量、不完整粒含量、黄米粒含量、垩白粒率、垩白度及整精米率进行评价[6]；参考DB32/T 1762-2011《稻米食味品质评价》对稻米蛋白质含量、直链淀粉含量及食味值进行评价[7]；按照GB 2762-2017《食品中污染物限量》方法测定稻米中的Hg、As、Pb、Cd、Cr和Se含量[8]。

1.4.3 土壤环境质量

于水稻收获当日（2020年11月4日）采集土壤样本，采样位置为水稻根系0~15 cm处，将样本风干、磨碎、过100 mm筛备用。土壤理化性质指标的测定参考鲍士旦[9]的方法，测定pH值及全氮、速效磷、速效钾和有机质含量；依据GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中规定的方法测定土壤中的重金属含量[10]。

1.5 数据处理

采用Excel 2019软件对试验原始数据进行统计，利用DPS 18.1软件对数据进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由表2可知，与化肥处理（T1）相比，餐厨堆肥处理（T3、T4和T5）的水稻产量分别显著提高3.76%、9.96%和13.14%，且餐厨堆肥用量越大产量越高；T5处理的有效穗数最多，显著多于其他处理；T3、T4和T5处理的每穗粒数、千粒重显著高于其他处理；结实率T5处理最低，显著低于其他处理。采用灰色关联度法对表2数据进行分析后发现，有效穗数与水稻产量的关联系数最大，为0.4474，然后依次为结实率（0.2877）、千粒重（0.2191）和每穗粒数（0.1364），说明有效穗数是影响水稻产量的关键因素。

表2 不同施肥处理下水稻产量的构成

2.2 不同处理对稻米品质的影响

如表3所示，与化肥处理（T1）及鸡粪堆肥处理（T2）相比，餐厨堆肥处理（T3、T4和T5）显著降低了水稻的碎米总量、碎小米含量及黄米粒含量；随着餐厨堆肥施用量的增加，碎米总量、碎小米含量减少，不完整粒及黄米粒的含量增加。相比其他处理，餐厨堆肥处理提升了稻米的整精米率，且随着餐厨堆肥施用量的增加，整精米率呈显著上升态势，但各处理间差异不显著。可见，餐厨堆肥替代化肥有利于改善稻米的加工品质。与化肥处理及鸡粪堆肥处理相比，餐厨堆肥处理降低了稻米的垩白粒率和垩白度，其中又以T5处理的垩白粒率最低，T3处理的垩白度最低。餐厨堆肥处理的食味值整体高于化肥处理，其中T3处理的食味值最高，但与鸡粪堆肥处理无显著差异。前人研究表明，蛋白质含量高低与食味值关系密切[11]。本试验中，蛋白质含量相对较低的处理其食味值相对较高。由此可见，餐厨堆肥替代化肥能够改善稻米的外观品质和食味品质。在稻米安全品质方面，T3处理稻米中的Hg含量最低，显著低于鸡粪堆肥处理和化肥处理，而Cr、As、Se、Cd和Pb含量各施肥处理间无规律性差异（表4）。根据GB 2762-2005《食品中污染物限量》对大米污染物的限量要求（Hg≤0.02 mg/kg、As≤0.15 mg/kg、Pb≤0.2 mg/kg、Cd≤0.2 mg/kg、Cr≤1 mg/kg、Se≤0.3 mg/kg），本试验所有处理稻米重金属含量均符合国家标准。

表3 不同处理稻米品质

表4 不同处理稻米的重金属含量

2.3 不同处理对土壤环境的影响

由表5可知，施用餐厨堆肥能够提升土壤的有机质、全氮及速效钾含量；各处理在土壤全氮含量及pH方面差异不显著；T5处理显著提高了土壤中的速效磷含量。在土壤安全性方面，施用餐厨堆肥的处理显著提高了土壤中Pb含量，但各处理重金属含量远低于GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》规定的上限值，属于安全范围。

表5 不同处理的土壤理化性质

2.4 不同处理的经济效益分析

由表6可知，T1处理经济效益最高，达22 123.69元/hm2；其次为T3处理和T2处理，分别为19 638.63元/hm2与19 314.02元/hm2。T4和T5处理的经济效益要低于CK。餐厨堆肥的价格在参试肥料中虽然相对低，但受限于其养分含量的影响，单位面积的施用量远高于其他肥料，因此造成肥料成本偏高的现象。

表6 不同施肥处理下水稻经济效益分析 （单位：元/hm2）

3 讨论与结论

堆肥化利用是研究较早的一种餐厨废弃物处理方式，相对于其他处理方式如填埋、焚烧等，堆肥化利用具有低碳排放、环境友好等特点[12]。但餐厨废弃物的高油脂、高盐分等特点为其在旱田农业中的应用增添了诸多障碍。在水稻生产上，江苏省已有餐厨堆肥应用的报道[13]，但并未深入研究。本试验中，相对于化肥及鸡粪堆肥处理，餐厨堆肥处理对水稻产量具有明显的提升作用，分析其原因是餐厨堆肥能够显著提升水稻的有效穗数和每穗粒数，这与前人的研究结果一致[5]。同时，本试验还研究发现，施用餐厨堆肥能够有效改善稻米的加工品质、外观品质及食味品质，且对稻米中的大部分重金属含量没有明显影响，其中施用15.00 t/hm2餐厨堆肥的处理还显著降低了稻米中的Hg含量。餐厨堆肥作为一种有机肥，能够提高土壤中有机质、全氮及速效钾含量，效果不仅高于化肥处理，而且也高于鸡粪堆肥处理，并且相对其他处理在土壤安全性方面没有显著差异，这表明餐厨堆肥在一定施用量范围内对稻田土壤具有较高的安全性，并能够改良土壤的理化性质。

在实际的农业生产过程中，经济效益是对相关农事操作的一项至关重要的评价指标[14]。本研究首次对餐厨堆肥应用于水稻生产过程中产生的经济效益进行了分析，结果表明，施用15.00 t/hm2餐厨堆肥能够产生较好的经济效益，仅低于施用化肥处理。但随着餐厨堆肥施用量的增加，其经济效益也在逐步降低。在农业生产过程中，生态效益同样不可忽视，对餐厨废弃物堆肥化利用过程中所产生的环境生态效益有待进一步研究。