农业废弃物与化肥减量配施对连作晚稻产量、品质及土壤肥力的影响

马义虎 何贤彪 齐 文 王旭辉 陈 剑 周 翠 张中熙

（1浙江省台州市农业科学研究院，317000，浙江临海；2浙江省台州市椒江区农业技术推广中心，318000，浙江台州）

水稻是世界重要的粮食作物之一[1]，也是我国主要的粮食作物，占粮食总产量的1/3以上，因此确保水稻高产、稳产对国家粮食安全有十分重要的作用[2]。在耕地有限的情况下，进一步发展粮食生产，必须提高水稻单产[3]。施用化肥对水稻增产具有重要作用，但过量的化肥在增产的同时也带来了一系列负面影响，一方面会降低肥料利用率[4]，大量养分未被水稻吸收利用而导致环境污染和水体富营养化等，造成资源浪费；另一方面长期大量施用化肥会加重稻田土壤板结，降低土壤质量，导致农田土质变坏[5-6]，不利于推行“藏粮于地”的战略举措。

农业废弃物大部分是可再生有机资源，富含作物生长所需的碳、氮、磷、钾及中微量营养元素[6]，常见的农业废弃物有农作物秸秆、农产品加工产生的废料、养殖业畜禽粪便、农村居民生活废弃物和大量繁殖的水生植物等。由于我国是粮食生产大国，粮食作物生物总量的一半左右为农作物秸秆，2015年我国秸秆年产量已超7亿t[7]，受秸秆利用技术与成本的限制，导致秸秆利用率不足50%。据统计，2018年全国西兰花种植面积约8.6万hm2，加工后剩余的废弃西兰花茎叶超过62.5万t，废弃的西兰花茎叶利用率很低。此外，有些水生植物（水葫芦等）由于其无性繁殖速度极快，如不加以控制，不但会堵塞河道，还可能影响水质。近年来，农民为了抢农时和节劳力，将农作物秸秆焚烧、农产品加工后产生的废料随意堆放和畜禽粪便随意排放等现象时有发生，不仅污染环境，还浪费资源。

因此，在化肥零增长的背景下，对农业废弃物养分进行再利用，变废为宝，不但可以减少农田化肥施入量，降低过量化肥施用对环境的污染，而且能改善土壤与水体生态环境，提高土壤肥力，是一项实现双赢和控制环境面源污染的有效途径。目前，关于农业废弃物与化肥配施的研究大多集中在使用单一秸秆[8]或绿肥[9]与化肥配施对水稻产量和品质形成[10-11]、养分吸收利用[12-13]及土壤肥力变化[14]等方面，而对系统研究农业废弃物（特别是水葫芦和西兰花茎叶）与化肥减量配施对水稻产量、品质及土壤肥力等方面的综合影响鲜有报道。为此，本试验收集了当地较为丰富的稻草、河道水葫芦和西兰花茎叶等农业废弃物，研究其与化肥减量配施对水稻产量、品质及土壤肥力的影响，为合理利用农业废弃物养分、减少化肥施入量、实现水稻高产优质可持续安全发展和提高土壤肥力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在浙江省临海市江南街道小溪村（121°07′E，28°46′N，简称小溪）和浙江省台州市椒江区章安街道前街村（121°27′E，28°44′N，简称前街）进行。2个试验点均属亚热带季风气候，年均气温分别为18.0℃和17.0℃，年均降水量分别为1708.5和1807.1mm，年均日照时数分别为1699.3和1814.3h，无霜期分别为260和257d。试验田排灌方便，土壤理化性状良好，为砂壤土，供试土壤初始理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physio-chemical properties of initial test soil

1.2 试验设计及材料

共设5个处理，分别为不施氮肥（CK0）、单施化肥（CK）、稻草+化肥（SF）、水葫芦+化肥（HF）和西兰花茎叶+化肥（BF）。所有施氮区均为等氮（指总氮，包括农业废弃物含的有机氮和尿素中的无机氮）处理，各处理磷、钾肥均为等磷、等钾（不计农业废弃物含的有机磷和钾）。早稻折合施纯N 202.50kg/hm2、P2O5101.25kg/hm2、K2O 121.50kg/hm2；连作晚稻折合施纯N 240.00kg/hm2、P2O5120.00kg/hm2、K2O 192.00kg/hm2。农业废弃物养分及各处理具体肥料施用量分别见表2和表3。3种农业废弃物在早稻季大田翻耕前1个月均匀撒施，其中水葫芦需要经过覆盖堆沤灭活处理，西兰花茎叶直接切碎处理。上述3个处理在连作晚稻插秧前1d进行，将早稻季的稻草（多余的稻草移出小区）切碎均匀施入田中进行旋耕还田。磷肥、钾肥和农业废弃物全作基肥，磷肥和钾肥分别用过磷酸钙和氯化钾于移栽前1d施入；总氮肥的60%作基肥（施入农业废弃物后，不足氮肥用尿素在移栽前1d施入），40%作分蘖肥，于移栽后7d施入。

表2 不同农业废弃物养分含量Table 2 Nutrient content of different agricultural waste materials

表3 不同处理的肥料种类及施用量Table 3 Fertilizer types and application amounts under different treatments

小区面积45m2，3次重复，各小区筑埂并用黑色塑料薄膜包埂，耕作方式为早稻-连作晚稻-冬闲田一年两熟制，早稻选用台早733（常规籼稻），连作晚稻选用中浙优8号（籼型三系杂交稻）和甬优1540（籼粳型三系杂交稻）。早稻季随机区组设计，晚稻季在早稻试验小区的基础上作裂区设计，以施肥处理为主区（同早稻季的小区）、品种为裂区（副区）。小溪点早稻和连作晚稻分别于3月29日和6月20日播种，4月28日和7月18日人工移栽，7月16日和11月12日人工收获，行株距分别为20cm×17cm和30cm×25cm，早稻3～4本栽插，连作晚稻单本栽插；前街点早稻和连作晚稻分别于3月27日和6月19日播种，4月26日和7月17日人工移栽，7月13日和11月11日人工收获，栽插密度及本数同小溪点。其他田间管理措施均相同，保证水稻植株正常生长发育。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质 在小溪点早稻移栽前和连作晚稻收获后，用环刀法测定土壤容重，按S形随机采取0～20cm耕层土壤样本5个，样品经风干、充分混合后，用四分法留取土壤样本1kg，测定土壤pH、有机质、碱解氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量等。采用酸度计测定土壤pH，重铬酸钾氧化容量法测定有机质含量，半微量凯氏法测定全氮含量，扩散法测定碱解氮含量，酚二磺酸比色法测定硝态氮含量，靛酚蓝比色法测定铵态氮含量，Olsen法测定有效磷含量，1mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。

1.3.2 茎蘖动态 2个试验点各处理定点选取15丛作为一个观察点，分别在移栽期、最高苗期和成熟期等生育时期观察记录每丛茎蘖数。

1.3.3 生育进程 记录小溪点各处理播种期、移栽期、始穗期、齐穗期和成熟期等生育时期。

1.3.4 考种与计产 2个试验点在收获前1d，每个小区调查50丛，按每丛平均数在每个小区取样5丛，调查穗粒结构。所有小区全部收割、脱粒、去杂、晒干、换算成标准含水量后，计算产量。

1.3.5 稻米品质 取小溪点收获后晒干的部分稻谷由农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心按照NY/T 593-2013测定稻米品质。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 19.0软件处理和统计分析试验数据。其中，氮肥农学利用率=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量，氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量。

2 结果与分析

2.1 农业废弃物与化肥减量配施对水稻产量和氮肥利用效率的影响

2.1.1 对连作晚稻产量及其构成因素的影响 由表4可知，2个试验点相同处理的变化趋势基本一致。与CK0处理相比，2个试验点CK、SF、HF和BF处理的中浙优8号平均产量分别提高了30.4%、40.9%、42.4%和44.2%，甬优1540平均产量分别提高了23.7%、27.0%、30.1%和29.5%，增产均达显著水平。与CK处理相比，2个试验点SF、HF和BF处理的中浙优8号平均产量分别提高了8.0%、9.2%和10.6%，甬优1540平均产量分别提高了2.6%、5.2%和4.7%；其中对于中浙优8号，上述处理增产均达显著水平，而对于甬优1540，只有小溪点SF处理的增产未达显著水平，其余处理均达显著水平。从产量构成因素分析，与CK处理相比，2个品种农业废弃物与化肥减量配施处理增产皆得益于总颖花量的增加，原因是由于有效穗数的增加，除SF处理的小溪点甬优1540和前街点中浙优8号有效穗数增加差异不显著外，其余处理差异均达显著水平。穗粒数有增有减，对结实率和千粒重无显著影响，2个试验点的变化趋势基本一致。

表4 不同施肥处理下连作晚稻产量及其构成因素Table 4 Grain yield and its components of continuous cropping late rice under different fertilization treatments

2.1.2 对双季稻产量和氮肥利用率的影响 由表5可知，与CK0和CK处理相比，小溪点HF处理的周年产量分别提高28.1%、2.1%，BF处理分别提高35.2%、7.8%；前街点HF处理的周年产量分别提高27.3%、4.8%，BF处理分别提高31.7%、8.4%。与CK0处理相比，2个试验点SF、HF和BF处理的平均周年产量分别提高了21.3%、27.7%和33.4%；与CK处理相比，2个试验点的上述处理的平均周年产量分别提高了-1.7%、3.5%和8.1%，只有HF和BF处理较上述2个对照增产均达显著水平。

虽然各处理间总氮肥偏生产力差异不显著，但各农业废弃物与化肥减量配施处理却显著提高了无机氮肥偏生产力，3个处理间差异不显著。除SF处理外，其余农业废弃物与化肥减量配施皆提高了氮肥农学利用率，3个处理间的差异达显著水平，以BF处理最高，其次为HF处理，SF处理最低。

以上结果说明，农业废弃物与化肥减量配施可以提高水稻产量和氮肥利用率，在3种农业废弃物与化肥减量配施中，以BF处理的效果最好，其次为HF处理，SF处理的效果最差。

2.2 农业废弃物与化肥减量配施对连作晚稻生育时期的影响

由表6可知，与CK0处理相比，CK、SF、HF和BF处理的2个品种始穗期、齐穗期和成熟期均有不同程度地推迟，成熟期尤为突出，推迟4～6d；中浙优8号全生育期天数增加5～6d，主要是由于播种至齐穗历期增加所致，甬优1540全生育期天数增加3～4d，是由于播种至齐穗、齐穗至成熟历期共同增加所致。与CK处理相比，只有HF和BF处理的2个品种成熟期各延迟1d，全生育期增加1d。

表6 不同施肥处理下连作晚稻生育时期Table 6 Later rice growth stages under different fertilization treatments

2.3 农业废弃物与化肥减量配施对连作晚稻分蘖能力和茎蘖成穗率的影响

由表7可知，2个试验点相同处理的变化趋势基本一致，各处理对2个品种落田苗的影响不大，主要影响最高苗、单株最大分蘖数、有效穗数和茎蘖成穗率。与CK处理相比，SF、HF和BF处理的最高苗、单株最大分蘖数和有效穗数增加，多数差异未达到显著水平，但茎蘖成穗率略有下降。2个品种SF、HF和BF处理的结果表现一致，HF处理利于水稻分蘖，提高了有效穗数，其次为BF处理，SF处理效果最差。

表7 不同施肥处理下连作晚稻分蘖能力与茎蘖成穗率Table 7 Ability to tiller and earbearing tiller percentage under different fertilization treatments

2.4 农业废弃物与化肥减量配施对连作晚稻稻米品质的影响

由表8可知，施氮处理提升了2个品种的米质等级。与CK处理相比，对于中浙优8号农业废弃物与化肥减量配施提高了糙米率、精米率和整精米率，降低了垩白粒率、垩白度和蛋白质含量，多数处理的差异达到显著水平，对粒长、长宽比、透明度和胶稠度影响不大；对于甬优1540，除增加了垩白粒率和垩白度外，其余各指标与中浙优8号基本表现一致。以上说明农业废弃物与化肥减量配施可以改善稻米部分品质，但效果因品种而异。

表8 不同施肥处理对连作晚稻稻米品质指标的影响Table 8 Effects of different fertilization treatments on quality indexes of late rice

2.5 农业废弃物与化肥减量配施对土壤理化性质的影响

由表9可知，与试验前基础土壤相比，CK0处理的pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均出现不同程度地降低，CK处理除pH和有机质含量降低外，其余各土壤理化指标均增加，农业废弃物与化肥减量配施处理除容重和pH下降外，其余各指标均有所提高。与CK处理相比，农业废弃物与化肥减量配施处理的容重下降达显著水平，有机质含量平均增加7.6%，均以HF处理的效果最显著；全氮和速效钾含量增加，其中均以BF处理效果尤为明显；pH升高，硝态氮、铵态氮和有效磷含量有升有降，除有效磷含量外，其余差异均未达显著水平。

表9 不同施肥处理对土壤理化性质的影响Table 9 Effects of different fertilization treatments on soil physicochemical properties

2.6 土壤理化性质与产量的相关性分析

相关性分析（表10）表明，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量与水稻产量呈显著正相关关系（P＜0.05），而土壤容重、pH、硝态氮、铵态氮含量与水稻产量无显著相关性。说明提高土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量利于提高水稻产量。

表10 土壤理化性质与水稻产量的相关性分析Table 10 Correlation analysis of soil physicochemical properties and grain yield of rice

3 讨论

3.1 关于农业废弃物与化肥减量配施的增产效应

有机肥与化肥配施是我国农作物施肥发展的主要方向之一，农业废弃物富含作物生长发育所需的营养元素，直接或者经过处理还田可作为有机肥源供作物吸收利用。研究[15]发现，农业废弃物与化肥配施（实地氮肥管理）可以显著提高水稻产量，即是同一种农业废弃物，制成的有机肥种类不同，增产效果也不同。侯红乾等[13]研究表明，农业废弃物与化肥配施处理能显著提高双季稻产量，增产幅度在2.47%～5.73%，且不同配施比例处理间差异也达显著水平，其中以70%有机肥与30%化肥配施处理增产效果最佳。姚冬辉等[11]研究表明，水稻平均产量随着有机肥的比例增加而降低，低量有机肥替代部分化肥与单施化肥减产不显著，而高量有机肥配比却显著降低产量。本研究结果与上述观点基本一致，值得一提的是，本研究观察到，在等氮（27%农业废弃物与73%化肥配施比例较合理）条件下，农业废弃物与化肥减量配施较单施化肥可以提高产量，但提高的幅度会因水稻品种、栽培季节以及农业废弃物种类不同而异，例如，对早稻台早733而言，BF处理效果最好，增产8.7%，而对于晚稻中浙优8号和甬优1540，则分别以BF和HF处理效果最佳，分别增产10.6%和5.2%。

宓文海等[16]研究指出，农业废弃物与化肥配施较单施化肥增加了水稻有效穗数和穗粒数，但对结实率和千粒重影响不大。方华舟等[17]发现，水稻秸秆堆沤与化肥合理配施增加了有效穗数和结实率，对穗粒数和千粒重影响较小，可见前人一致认为农业废弃物与化肥配施可以增加有效穗数，但对穗粒数、结实率和千粒重研究结论各异。本研究结果显示，与CK处理相比，农业废弃物与化肥减量配施主要扩大了水稻的库容，表现出总颖花量和产量同步增长的趋势，归功于有效穗数的增加，与上述研究结果一致，穗粒数在HF处理下基本呈减少趋势，其余多数处理呈增加趋势，对千粒重和结实率无显著影响。

本试验在农业废弃物与化肥配施时，虽然控制总氮量、化肥磷和钾施入量相同，但未计算额外增施农业废弃物中的有机磷和钾，这可能是本试验中施用农业废弃物与化肥减量配施增产的一个因素。在本试验条件下，双季稻平均减施27.1%（早稻减施25.9%，晚稻减施28.1%）化学氮肥由农业废弃物（稻草、水葫芦、西兰花茎叶）代替，不但能降低水稻生产的化肥用量、提高氮肥利用率、增加农业废弃物合理利用途径、缓解农业废弃物带来的环境压力，而且能增加产量和提高经济与环境效益，对实现水稻生产可持续发展具有重要意义。由于化学氮肥减量只设置1个水平，因此减施化学氮肥的范围，即化肥与农业废弃物配施比例，有待进一步探究。

由于农业废弃物养分释放较缓慢，肥效具有长期性，在3种农业废弃物与化肥减量配施处理间比较，晚稻产量的差异是由不同农业废弃物的后效作用与晚稻季前施用的稻草叠加效应引起的，基于晚稻前统一添加等量稻草，不同农业废弃物的后效作用才是导致晚稻产量变化的主要原因，在3种农业废弃物中以西兰花茎叶处理的后效作用最佳。

3.2 关于农业废弃物与化肥减量配施对稻米品质的影响

前人对农业废弃物与化肥配施影响稻米品质进行了大量研究，但因水稻品种、农业废弃物种类、农业废弃物与化肥配比以及栽培季节等条件不同而得出的结论各异。葛立立等[18]研究发现，玉米秸秆还田可以显著提高单季稻的整精米率、最高黏度和崩解值，降低垩白粒率、垩白度、最终黏度和消减值，但对糙米率、精米率、直链淀粉含量和胶稠度影响不大。聂俊等[19]也指出适当比例的有机肥与化肥配施可以提高稻米的糙米率、精米率和胶稠度，降低垩白粒率和垩白度。崔新卫等[20]研究表明，农业废弃物与化肥配施提高了晚稻精米率、整精米率、直链淀粉和蛋白质含量，降低了垩白粒率和垩白度。邱才飞等[21]研究表明，农业废弃物废白土（指在食用油精炼加工的过程中，用来除油脂的颜色、臭味等后失去活性的白土）与半量化肥处理可以提高稻米的精米率、整精米率、粒长、垩白粒率和垩白度，降低出糙率和蛋白质含量。可见，前人较为一致地认为农业废弃物与化肥配施可以提高稻米的最高黏度、崩解值、直链淀粉和蛋白质含量，降低垩白粒率、垩白度、最终黏度和消减值，但对糙米率、精米率和整精米率变化的观点不一致。本研究表明，农业废弃物与化肥减量配施可以提高糙米率、精米率和整精米率，降低蛋白质含量，对粒长、长宽比、透明度和胶稠度影响不大，但对垩白粒率和垩白度的影响因品种而异（中浙优8号下降，甬优1540上升），说明农业废弃物与化肥减量配施主要是改善稻米的加工品质和食味品质（一般认为，蛋白质含量适当降低可以提高稻米的适口性）。稻米中的蛋白质含量可能与直接施入的化学氮肥有关，不施氮肥处理的蛋白质含量最低（CK0），减量（SF、HF和BF）居中，全部施化学氮肥（CK）蛋白质含量最高。垩白直接影响到稻米的外观品质，垩白的形成与品种粒形、肥水供应和灌浆时的气候条件等有关，农业废弃物与化肥减量配施对2个品种的垩白影响不同，这可能与品种粒形有关。由此可见，农业废弃物与化肥减量配施不但可以增产，而且可以提高稻米部分品质，实现高产和优质的统一，对农业废弃物与化肥减量配施影响稻米品质的机理有必要深入研究。

3.3 关于农业废弃物与化肥减量配施的培肥效应

施肥对维持稻田可持续生产至关重要，农业废弃物与化肥合理配施利于土壤培肥，能更好地改善土壤理化性状，为作物生长发育提供丰富的养分和良好的土壤环境[22-23]。大量研究表明农业废弃物与化肥合理配施可降低土壤容重[16,24]、提高pH[25]、改善团粒结构[26]、增加有机碳、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷和速效钾含量[27-28]，以及增加微生物数量和增强微生物活性[29]，但不同的农业废弃物对土壤培肥的效果各异。宓文海等[16]研究发现，化肥与牛粪对培肥土壤效果最明显。本研究表明，农业废弃物与化肥减量配施提高了土壤有机质（P＜0.05）、速效养分含量和土壤供应养分能力，并改善土壤理化性状，再次证明了上述观点，并且以水葫芦、西兰花与化肥配施处理的后效作用更为显著。与上述观点不同的是，本试验观察到，不同处理土壤pH与基础土壤相比是下降的，但农业废弃物与化肥减量配施较单施化肥和不施氮肥处理的土壤pH下降幅度小，平均下降2.4%，究其原因，农业废弃物在分解过程中不但增加了土壤中有机质含量，还可能释放碱性物质，起到减缓土壤耕层酸化和中和土壤酸度作用[30]，说明农业废弃物与化肥适量配施可减轻土壤酸化，更利于水稻生长，与崔新卫等[20]研究结果一致。此外，本试验观察到水葫芦与化肥配施处理的水稻分蘖能力明显强于其他处理，进一步观察发现该处理的土壤较为蓬松，土壤容重下降8%，这可能与水葫芦在分解过程中增加了土壤有机质含量、改善了团粒结构和增加孔隙度有关，从而协调了水稻根际圈的水氧比例，为水稻分蘖创造了有利环境。

应当指出的是，农业废弃物释放养分是长期缓慢的过程，肥效具有长期性，本试验在双季稻化肥纯N平均减施27.1%条件下配施农业废弃物，仅在一年两季水稻生产中进行试验，虽然取得了增产效果，并改善了米质和改良了土壤环境，但是上述农业废弃物与化肥减量配施能取得高产、优质、高效、环境安全的重演性及配施比例对水稻生长发育、稻米品质的形成和长期的培肥效应还有待进一步的验证和探究。

4 结论

与单施化肥相比，基于等氮条件下农业废弃物与化肥减量配施能提高晚稻及水稻周年产量、改善晚稻稻米品质和提升土壤肥力，主要是增加有效穗数、总颖花量和提高氮肥利用率，改善稻米加工品质和食味品质，提高土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，降低土壤容重、缓解土壤酸化。综合考虑，农业废弃物与化肥减量配施既能减少农业废弃物对环境的污染和提高资源利用率，又能使水稻增产、提质和培肥地力，其中以西兰花茎叶处理的后效作用最佳，值得推广应用。