餐厨废弃物堆肥不同施用水平下的水稻田应用适宜性研究
2022-06-24王子睿方昭林永锋葛银凤王庆乾于富强刘云慧田光明
王子睿 方昭 林永锋 葛银凤 王庆乾 于富强 刘云慧 田光明
摘要：科学合理地施用餐厨废弃物堆肥是餐厨废弃物资源化利用的关键。为探讨餐厨废弃物堆肥的水稻田应用适宜性，以及水稻田合理施用餐厨废弃物堆肥的施用量措施，于2020年在中国农业大学水稻生态农场展开试验，设置了餐厨废弃物堆肥的不同施用水平，分別为15 t/hm2（T1）、30 t/hm2（T2）、45 t/hm2（T3）、60 t/hm2（T4），以及常规施用化肥（F）、空白对照（K）共6个处理。研究了各处理对水稻株高、叶片SPAD值以及产量、品质的影响，并对各处理下稻谷的安全性、土壤的理化性质和重金属含量进行了检测评价。结果发现，所有处理组的株高在灌浆期时达到峰值，高低顺序排序表现为F>T3>T4>T2>T1>K;水稻叶片SPAD值的趋势基本表现为T4>T3>F>T2>T1>K。餐厨废弃物堆肥可作为肥料施用于稻田，且有增产效应;其中，处理T1能显著提高稻米的食味品质。施用餐厨堆肥不会对稻米及土壤造成污染，属于安全范围，而且处理T1、T2均符合国家优质粳米二级标准。综上，餐厨废弃物堆肥可应用于实际水稻生产，且施用量在15～30 t/hm2间较为合理。
关键词：餐厨废弃物;堆肥;施用水平;稻谷品质;土壤环境
中图分类号：S511.06;X799.3;S141.4 文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2022）11-0238-07
收稿日期：2021-08-24
基金项目：江苏省苏州市农业科技创新项目（编号：SNG2020041）。
作者简介：王子睿（1996—），女，福建尤溪人，硕士研究生，研究方向为有机农业与生态农业。E-mail：dlut.wzrui@foxmail.com。
通信作者：田光明（1964—），男，教授，博士生导师，研究方向为环境工程及有机废弃物资源化利用。E-mail：gmtian@zju.edu.cn。
中国自2015年实施化肥施用量零增长行动以来，有机肥部分替代化肥的研究越来越受到关注[1]。研究发现，在不考虑工业生产过程中额外温室气体排放和土壤有机碳储量变化的情况下，建议使用稳定化肥料如堆肥来减少CH4排放。罗樊等在探究有机肥对水稻产质量的影响时得出，由于有机肥对土壤和环境的友好性，使用厌氧堆肥制成的有机肥，在水稻生产中代替化肥是可行的[2]。
Kumar等指出，在传统的有机废弃物回收技术（即焚烧、填埋和厌氧堆肥）中，无论其技术缺陷和社会问题如何，堆肥仍不失为一种经济上可行且可靠的有机废弃物回收技术[3]。堆肥的主要目的是将有机材料转化为稳定可用的产品。通常，有机材料在其原始状态下可能仅有有限的有益用途或处置方式，而通过堆肥则可转化为可销售的产品[4]。众所周知，一方面，快速的城市化给废弃物管理和环境保护带来了重大挑战[5];另一方面，过度使用化肥和杀虫剂等农用化学品在给作物产量提高带来一些实质性好处的同时，也可能导致了环境和生态的破坏。然而，这些问题可以通过将有机废弃物转化为堆肥，并用作农业肥料而得到改善。这对欠发达国家尤其重要，因为在欠发达国家，粮食安全是关键问题之一。
城市中的的餐厨废弃物有产生量大、来源多、分布广的特点，数量极其庞大。几分钟前还是餐桌上的佳肴，而几分钟后就成了垃圾桶内的废弃物。相关领域的学者普遍认为世界各地每天都产生大量的餐厨废弃物，而且其数量不断增加，这意味着如果不对餐厨废弃物加以资源化利用，自然资源的消耗和环境污染问题的出现将会给社会带来巨大的压力，成为社会可持续发展的一个重要挑战，并有可能增加餐厨废弃物管理的全球财政成本[3]。国家发展和改革委员会资源节约和环境保护司副司长何炳光指出，餐厨废弃物具有废物与资源的双重特性，可以说是典型的“放错了地方的资源”。餐厨废弃物也是有机废弃物的一种，可制成餐厨废弃物堆肥。Kelley等的试验还显示，餐厨废弃物堆肥比牛粪堆肥更具有作为营养源的潜力，从而更有利于土壤碳的形成[6]。
实现有机废弃物资源化利用，减少农业生产中化肥使用量，提高农业生产效益一直是农业科学研究的热点。为此，本文以不同施用水平为切入点，探寻苏南地区水稻田合理施用餐厨废弃物堆肥的施用量措施，也为餐厨废弃物堆肥资源的高效利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
田间试验于2020年4—12月在江苏省苏州市吴中区临湖镇的中国农业大学试验基地（120°45′E，31°12′N）开展。基地东西长约750 m，南北长约 500 m，总面积约428 968 m2，海拔11 m，年平均气温15.8℃，常年平均降水量1 160 mm，无霜期 230 d，属于北亚热带湿润季风气候。试验区土壤类型为黄泥土种，土壤质地以黏土为主，是典型的水稻土。试验田耕层土壤有机质含量29.362 g/kg，全氮含量0.23%，有效磷含量69 mg/kg，速效钾含量163 mg/kg，pH值为5.57，EC为108.6 μS/cm。试验水稻种植制度为1年1熟。
1.2 试验设计与田间管理
供试水稻品种为南粳46号，从当地农资市场购买，属中熟晚粳类型，适合在苏南地区中上等肥力条件下种植。水稻于2020年6月22日移栽。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B
试验所用餐厨废弃物堆肥由中国农业大学有机循环研究院提供。餐厨废弃物堆肥是以餐厨废弃物为原料，用生化处理机进行堆肥处理，并经过二次发酵至完全腐熟堆制而成的肥料产品（表1）。试验设置餐厨废弃物堆肥的不同施用量水平，分别为15 t/hm2（T1）、30 t/hm2（T2）、45 t/hm2（T3）、60 t/hm2（T4），以及常规施用化肥1.875 t/hm2（F）、空白对照（K）共6个处理。所有处理均采用相同的田间管理。采用随机区组试验设计，每处理3个重复，共18个小区。试验区周边设置保护行，且各小区用田埂隔开，田埂宽0.8 m，高度40 cm，两边薄膜埋深20 cm，每个小区面积为50 m2（10 m×5 m）。小区设置单独进出水道，单灌单排，防止窜水窜肥。各小区栽培管理措施一致，田间管理措施主要是除草和防治病虫害。
1.3 样品采集、指标测定及计算方法
1.3.1 水稻株高及叶绿素的测定 于水稻的分蘖期、拔节期、抽穗期、扬花期、灌浆期、黄熟期，测定植株株高（为地面至植株最高点的距离）和剑叶SPAD值，每个小区随机选取15 株调查（避开长势明显异常的水稻）。
1.3.2 水稻样品的采集、产量及品质的测定 于水稻黄熟期，每个小区取3点，每点5丛，称质量后，稻穗、茎、叶、根分离，稻穗70℃烘干并人工脱粒用于考种。将水稻各小区分开收割、脱粒，测定实际产量，并去除水稻小样和大样对产量的影响。
水稻理论产量计算公式：
产量（kg/hm2）=有效穗数（穗/hm2）×每穗粒數（粒/穗）×千粒质量（g）×结实率（%）×10-6。
采用JMWT12大米外观品质检测仪测定稻谷外观品质;采用JSWL200大米食味计测定食味值;使用ICP仪检测稻谷As、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr等重金属元素;采用GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量的测定法检测》中所述方法检测稻谷直链淀粉含量，采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准》测定稻谷蛋白质含量，以评价稻谷的口感和品质。
1.3.3 土壤样品的采集与测定 每处理按5点取样法采集土壤样品，按0～20 cm土层深度采集土壤样品。土壤pH值采用pH仪测定，土壤EC值利用电导率仪测定，土壤容重采用环刀法测定。土壤有机质采用重铬酸钾法测定，土壤全氮采用凯氏法测定，全磷含量NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，速效磷、速效钾按化学浸提法测定。
土壤铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）采用HJ 491—2019《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》方法测定。
1.4 试验数据处理与分析
采用Excel对原始数据进行整理，SPSS进行数据的方差分析。各处理取多次重复测定的数据计算平均值，并计算标准差;不同处理间选择Duncan's检验法进行差异显著性比较（α=0.05）。
2 结果与分析
2.1 不同处理对水稻株高、叶片SPAD值的影响
株高是植株长势的重要指标。由图1可见，与对照K相比，其他处理均能显著增加水稻株高。处理F的株高在任何时期都最高。
综合各时期来看，施用不同水平的餐厨废弃物堆肥，株高无明显可循的趋势。在分蘖期、拔节期，处理T1、T2、T3与T4之间都呈现出相似的变化，但各有差异，差异不明显，处理T1的株高比处理T2、T3、T4高。在抽穗期、扬花期，处理T1、T2、T3与T4之间都呈现出相似的变化，随着施用水平的提高，株高呈现出先增加后降低的趋势，处理T3的株高较高。扬花期时，处理F水稻株高较对照K增幅最高，达14.68%;其次为处理T3，增幅为12.11%;处理T4增幅为11.32%;处理T1最低。在灌浆期、黄熟期时，处理T1、T2、T3与T4之间都呈现出相似的变化，随着施用水平的提高，株高呈现出逐渐增加的趋势，且在处理T3与T4间变化不明显。这说明餐厨废弃物堆肥可用于稻田土壤施肥，但其效果较弱于常规施用化肥。
随着水稻生长发育的进程，餐厨堆肥随着施用量的增加，水稻长势也逐渐增加。所有处理组的株高在灌浆期时达到峰值，高低顺序排序表现为F>T3>T4>T2>T1>K。
叶绿素是植物进行光合作用的基础，叶绿素含量与叶片光合作用密切相关[7]。由图2可见，对照K的叶片SPAD值在任何时期都较低，处理T4的叶片SPAD值在任何时期都较高。综合整个生育期来看，各处理水稻叶片SPAD值均随生育进程呈逐渐减小的趋势;餐厨废弃物堆肥施用水平越高，叶片SPAD值越高。水稻叶片SPAD值的趋势基本表现为T4>T3>F>T2>T1>K。
2.2 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响
从表2可知，处理T1、T2、T3、T4的有效穗数分别比对照K增加15.35%、27.49%、34.10%、39.05%;除处理T2外，处理T1、T3、T4的每穗粒数分别比对照K增加0.54%、10.39%、18.85%;处理T1、T2、T3、T4的千粒质量分别比对照K减少3.16%、7.48%、13.88%、16.52%;处理T1的结实率比对照K增加1.20%，其余处理均比对照K减少。与对照K相比，处理F、T1、T2、T3、T4的水稻实际产量分别增加7.75%、4.27%、10.50%、13.70%、17.04%，且T2增幅是T1的2倍。T4同K之间差异较显著，实际产量较对照提高了 1 291.75 kg/hm2。综上，餐厨废弃物堆肥可作为肥料施用于稻田，且有增产效应;但相较于常规施用化肥处理，餐厨废弃物堆肥处理增产效应不明显。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B
处理T2水稻实际产量比处理T1增加5.97%，处理T3比处理T2增加2.89%，处理T4比处理T3增加2.94%。由此可见，餐厨堆肥施用量虽然成倍增加，但是水稻产量增加幅度呈现减小的趋势。从水稻田间实际长势来看，餐厨堆肥施用量越多，水稻贪青晚熟现象越严重，部分水稻在灌浆期还遭遇稻瘟病和虫害，因此餐厨堆肥最佳推荐施肥量为15～30 t/hm2。
2.3 不同处理对水稻稻谷外观与加工品质的影响
稻米外观品质的主要指标有垩白度、垩白粒率、白度、精白度和透明度等[8]。垩白率和垩白度是评价稻米外观品质的主要指标[9]。稻米加工品质的主要相关指标有糙米率、精米率和整精米率。
由表3可见，不同施肥水平的餐厨废弃物堆肥的5种处理同处理F相比，整精米率都有增加，其中，处理T2同处理F之间差异较显著，整精米率增加了8%，升幅为9.18%。
其中，根据GB/T 1354—2018《大米》[10]的优质粳米质量指标，处理T1、T2的大米各项指标均符合优质粳米二级标准，整精米率在所有处理组中也处于较高水平。
2.4 不同处理对稻米食味品质的影响
稻米食味品质的主要指标有水分、蛋白质、直链淀粉和食味值等，其中直链淀粉含量又是影响稻米食味品质的关键因子[11]。国际稻米研究所将稻米直链淀粉含量分为4个等级，一般直链淀粉含量在10%～25%的稻米食味较好[12]。直链淀粉含量越高、蛋白质含量越高，稻米食味值越低[10，13-14]。
由圖3、图4可以看出，处理T1的稻米蛋白质含量为7.2%，水分含量为14.6%，直链淀粉含量为17.2%，食味值高达88分，在所有处理组中最高，其次为处理T3;处理T4的稻谷直链淀粉含量在所有处理组中最低，蛋白质含量最高，水分含量与对照K相近，食味值最低，为82分。综合来看，处理T1能显著提高稻米的食味品质。稻米食味品质与蛋白质含量、直链淀粉含量呈显著的负相关，这与部分研究结果[15-17]一致。
2.5 不同处理对稻米污染物含量的影响
土壤中的重金属可通过“土壤—植物—人”的途径进入人体，人们食用受重金属污染的大米后重金属会在人体内富集，并对人体健康产生不利影响。由表4可见，所有处理组均符合国家标准[18]，说明施用餐厨废弃物堆肥不会对稻米造成污染。
2.6 不同处理对土壤理化性质的影响
土壤容重和孔隙度是土壤耕性的重要指标。土壤容重是田间自然垒结状态下单位容积土体的质量，是衡量土壤紧实度的一个指标。一般土壤容重与土壤质地、压实状况、土壤颗粒密度、土壤有机质含量及各种土壤管理措施有关。土壤越疏松多孔，容重越小;土壤越紧实，容重越大。有机质含量高、结构性好的土壤容重小。耕作可降低土壤容重。容重大、孔隙度小的土壤影响水分入渗、根系下扎和肥料利用效率[19]。
由图5可见，土壤容重与孔隙度之间的关系基本符合负相关关系。与K相比，F的容重较高，而施用餐厨废弃物堆肥的容重较低，且有随着餐厨废弃物堆肥施用水平的提高而降低的趋势。由于土壤容重与孔隙度的负相关关系，各处理孔隙度存在相反的变化。
处理F比对照K的土壤容重增加2.68%、土壤孔隙度减小1.76%。处理T4土壤容重最小、孔隙度最大，比对照K容重减小14.54%、孔隙度增加9.51%。无论是容重还是孔隙度，T1、T2、T3、F、K这5种处理之间差异不显著，但处理T4与F之间存在显著差异。总体来说，施用餐厨废弃物堆肥会对土壤容重、孔隙度产生一定影响，且不同施用水平产生的影响不同，其中处理T4影响较大。
土壤有机质直接影响着土壤的保肥性、保水性、缓冲性和通气状况等。土壤全氮通常用于衡量土壤氮素的基础肥力，速效磷可以反映当前土壤可供磷的能力，土壤速效钾是判断土壤钾元素丰缺度的重要指标[20]。
由表5可见，与对照K相比，处理F的有机质含量较低，但无显著性差异;施用餐厨废弃物堆肥的有机质较高，且随着施用水平的提高，有机质呈现出逐渐增加的趋势，但不同施用水平间无显著差异。处理T1比对照K增加28.58%，比处理F增加57.16%;处理T4最高，比对照K增加104.55%;处理T1、T2、T3之间差异不显著。随着餐厨废弃物堆肥施用水平的提高，能在一定程度上增加土壤有机质含量。在某种意义上，这说明施用餐厨废弃物堆肥可能有利于土壤中有机质的形成。
不同处理对土壤pH值、EC、全氮、有效磷的影响差异均不显著，从侧面反映，在一定程度上可以适当施用餐厨废弃物堆肥于水稻田土壤中。在速效钾方面，处理T1比对照K增加198.89%。
2.7 不同处理对土壤重金属含量的影响
根据2014年《全国土壤污染调查报告》，目前全国土壤状况不容乐观，部分地区土壤污染较重，农业活动是造成土壤污染的重要原因之一，且污染类型以无机型为主，其中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等元素超标率最高。因此须对餐厨堆肥不同施用量水稻土壤盐分及重金属进行检测。由表6可见，各处理各元素含量均未超标，属于安全范围。
3 讨论与结论
水稻的生长会受到肥料类型、餐厨废弃物堆肥施用水平的影响[22]。本研究中，常规施用化肥的处理F较对照K对水稻株高有较好的增高效果，且贯穿整个水稻发育期。随着餐厨废弃物堆肥施用水平的提高，水稻长势也逐渐增加。综合整个生育期来看，随着餐厨废弃物堆肥施用水平的提高，叶片SPAD值逐渐增加。但餐厨废弃物堆肥效果会弱于常规施用化肥，这可能与化肥可快速释放矿质肥料养分，而餐厨废弃物堆肥属于有机肥的一种，以缓效养分为主有关[23]。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B
较对照K而言，餐厨废弃物堆肥有增产效应，说明了餐厨废弃物堆肥在水稻增产上有一定潜力。随着餐厨废弃物堆肥施用水平的增加，有效穗数和每穗粒数基本也表现出逐渐增加的趋势。同时，餐厨废弃物堆肥能显著增加土壤孔隙度，且随着施用量的增加而增大，容重反之;随着餐厨废弃物堆肥施用水平的提高，能在一定程度上增加土壤有机质含量。餐厨废弃物堆肥通过缓慢调节土壤的保肥性能，使水稻在各生育阶段得到更为均衡的营养，从而提高了水稻产量[22]。Loveland等研究指出，增加有机肥可以增强土壤中微生物的活性，从而增加作物产量[24]。在实际观察中，餐厨废弃物堆肥施用水平越高，水稻贪青晚熟趋势越明显。
处理T1、T2的大米各项指标均符合国家优质粳米二级标准，整精米率在所有处理组中也处于较高水平;处理T1能显著提高稻米的食味品质。测定不同处理稻米污染物含量，施用餐厨堆肥并未对稻米造成污染。通过不同处理土壤重金属含量的测定，发现各处理组结果均未超标，属于安全范围。
在一定范围内，水稻生产管理中，可以通过施用适量的餐厨废弃物堆肥替代化肥，且综合来看，在一定程度上施用餐厨废弃物堆肥相较常规施用化肥，带来的是有利方向的影响，有一定的水稻田推广利用前景。但由于本试验仅在苏南地区单季晚稻时期展开，长期施用餐厨废弃物堆肥能否持久有效地起作用仍未可知，后续可通过长期定位试验检验其施用效果。综上所述，餐厨废弃物堆肥施用量以15～30 t/hm2为宜。但结合实际的水稻生产，考虑各地土壤、气候等环境情况及水稻生产管理措施的不同，大范围应用餐厨废弃物堆肥替代常规施用化肥还有待进一步研究。另外，各地餐厨废弃物组成不同，堆肥工艺也不同，也可能会产生一定差异。
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