餐厨堆肥配制基质对水稻的育苗效果及应用成本分析

2023-06-19曹盼敖晖韩奇航王文婷刘铮刘欣宇

山东农业科学 2023年5期

曹盼，敖晖，韩奇航，王文婷，刘铮，刘欣宇

(1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100083；2. 中国农业大学有机循环研究院(苏州)，江苏苏州 215100；3. 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100083；4. 辽宁省农业科学院农村经济研究所，辽宁沈阳 110161)

随着我国经济快速发展，人民物质生活质量明显提高，相应产生的餐厨废弃物所带来的环境问题日益显现[1]。产出量大、成分复杂是餐厨废弃物的两个重要特点，是垃圾科学分类及有机废弃物资源化利用所面对的重点难题[2]。在当前技术背景下，餐厨废弃物的最佳资源化利用方式之一为堆肥化利用，而由餐厨废弃物所制成的堆肥即餐厨堆肥在当前肥料市场中尚未表现出明显优势，这不利于反向促进餐厨废弃物堆肥化利用相关产业的发展。为此，刘欣宇等[3，4]在早期的研究中提出将餐厨堆肥应用于蔬菜育苗基质的方法，以促进餐厨堆肥在农业生产中的应用。

育苗基质的应用在很大程度上提升了农业生产效率，基质育苗能够明显提升作物种子的出苗率，提高秧苗质量，进而实现农作物的早收多收，增加农业生产的经济效益。然而当前针对育苗基质的一项主要研究是如何对育苗基质中的泥炭进行合理替代。泥炭属于不可再生资源，过度开采对自然环境的安全造成极大破坏。当前普遍认为椰糠是对泥炭具有较好替代效果的可再生能源之一[5]，但相对而言椰糠的价格较高，对于育苗基质生产的相关企业来说并非是最佳选择。如何寻找出一种高效且价廉的可再生资源对育苗基质中的泥炭进行替代是摆在众多相关学者面前的一项重要课题。经过多年探索，部分堆肥化产物已被筛选出并认为它们具有替代部分泥炭用于育苗基质配制的潜力，如畜禽粪便堆肥[6]、秸秆堆肥[7]等。笔者曾对猪粪堆肥及鸡粪堆肥在水稻育苗基质中的应用比重进行过探索，发现鸡粪堆肥和猪粪堆肥各自对泥炭进行20%和40%的替代，能够取得较好的育苗效果，但关于餐厨堆肥在水稻育苗基质配制方面的应用尚未见到明确报道。为此，本试验采用室内苗盘育苗方式，以20%体积比重为替代梯度，研究水稻育苗基质中餐厨堆肥替代泥炭的效果，旨在获得适宜的育苗基质配方，为促进水稻生产及餐厨废弃物资源化利用提供新的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022 年7 月25 日至8 月9 日在中国农业大学有机循环研究院(苏州)人工气候与植物培养中心开展。供试作物为水稻，品种为南粳46 号。供试餐厨堆肥(价格:0.11 元/L)，用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完全腐熟得到；供试鸡粪堆肥(价格:0.60 元/L)、猪粪堆肥(价格:0.35元/L)、泥炭(价格:0.25 元/L)购自绿源美家农业科技有限公司；供试蛭石(价格:0.16 元/L)由中国农业大学资源与环境学院提供。基质采用新鲜原材料配制。原材料主要理化性质详见表1。

1.2 试验设计与管理

1.2.1 试验设计试验共设置8 个处理，每处理重复3 次。各处理所对应的基质材料体积比重详见表2。

1.2.2 育苗基质制备按照表2 所述的各处理设计，于2022 年7 月25 日将经过风干的育苗基质原材料按比例装入60 cm×48 cm×20 cm 的塑料盆中，混合均匀。各处理采集样品500 g 以备检测。

1.2.3 播种与管理将各处理育苗基质置于水稻育苗盘(30 cm×10 cm×1 cm)中，每盘点播经浸种催芽后的水稻种子50 粒，播种在距离基质表层0.2 cm 处。之后，育苗盘置于人工气候室，在28℃、80%湿度条件下培养14 d(2022 年7 月25日至8 月9 日)。各处理统一进行浇水，每个育苗盘浇水1000 mL，试验期间每2 d 补水500 mL。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 育苗基质理化性质测定参考农业行业标准NY/T 2118—2012[8]对样品基质的容重、通气孔隙度进行测定:选取体积为200 mL 的带底盖环刀，称取环刀重记为M0；将新鲜基质样品均匀装入环刀中，称取环刀和基质重记为M1；将风干基质样品以育苗时的紧实状态装入环刀并扣上带孔的顶盖，之后置于清水中浸泡24 h 称重，记为M2；将环刀置于铺有滤纸的漏斗上自然沥干3 h称重，记为M3。指标计算公式如下:

参考鲍士旦[9]的方法测定样品基质的pH值、EC 值和碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量。

1.3.2 水稻幼苗生长指标测定播种后5 d(2022 年7 月30 日)统计水稻种子出苗数，计算出苗率；播种后14 d，每个育苗盘随机选取幼苗15 株，用直尺测其株高，用游标卡尺测其茎粗。用电子天平称取各处理水稻幼苗地上部、地下部鲜重，然后90℃杀酶、60℃烘干至恒重，测定相应干重并计算壮苗指数。壮苗指数计算公式如下:

1.3.3 水稻幼苗根系生化指标测定播种后14 d，每个育苗盘随机选取幼苗15 株用于根系生化指标测定。采用硫代巴比妥酸法[10]测定水稻幼苗根系丙二醛(MDA)含量，采用愈创木酚法[11]测定过氧化物酶(POD)活性，采用分光光度法[12]测定过氧化氢酶(CAT)活性，采用氮蓝四唑光化还原法[13]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2019 对原始数据进行统计，采用DPS 18.1 软件以邓肯氏新复极差法对数据进行方差分析，利用Origin 2021 Pro 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水稻育苗基质的理化性质分析

由表3 可以看出，无论以何种有机肥对泥炭进行替代均会导致水稻育苗基质的理化性质发生明显变化。当前关于水稻育苗基质暂时还未出台相关的农业行业标准，故而根据因地制宜原则[14]，本研究以苏州市农业地方标准《DB3205/T 212—2014 水稻工厂化基质育秧技术规程》[15]中规定的技术指标对不同水稻育苗基质的理化性质进行对比评价。 DB3205/T 212—2014 中规定，水稻育苗基质的理化性质应符合:0.10 g/cm3≤容重≤0.80 g/cm3、10%≤通气孔隙度≤40%、6.5≤pH 值≤7.5、EC 值≤1.3 mS/cm、有机质含量≥15.0%。可知，各处理在容重、通气孔隙度及有机质含量方面均符合该标准，而CK、CF 及PF 处理pH 值虽不在该标准的规定范围内，但根据前人的研究，pH值在5.5～6.5 范围内能够为水稻幼苗生长提供较为合适的酸碱环境[16]。随着有机肥替代泥炭的比重增大，水稻育苗基质的pH 值、容重、通气孔隙度、EC 值及有机质含量均出现较为明显的上升趋势。当餐厨堆肥对泥炭的替代量达到60%时，水稻育苗基质pH 值为7.73，已超出DB3205/T 212—2014 中的规定。当餐厨堆肥对泥炭的替代量达到40%时，水稻育苗基质EC 值为1.44 mS/cm，同样超出DB3205/T 212—2014 中的规定。在水稻育苗基质的养分指标方面，DB3205/T 212—2014 未对其进行详细规定，但根据表3 中数据可知，随着餐厨堆肥替代泥炭量的加大，各处理的有机质、有效磷及速效钾含量均呈现较为显著的提升，除WF1 处理有效磷外其它均显著高于CK、CF 及PF 处理。

表3 不同水稻育苗基质的理化性质

2.2 不同水稻育苗基质对幼苗生长的影响

由表4 可以看出，当餐厨堆肥对泥炭的替代量达到80%时，水稻种子出苗率显著下降。餐厨堆肥的添加对水稻幼苗株高有显著消极影响，当餐厨堆肥对泥炭的替代量为20%时，幼苗株高比CK 降低9.43%，且随着餐厨堆肥替代量的加大，幼苗株高呈现显著降低趋势。根据DB3205/T 212—2014 中的规定，育苗12～14 d 时，幼苗株高应达到12 ～17 cm，出苗率不低于85%。可以看出，餐厨堆肥替代泥炭量为20%能够符合该标准中的规定。幼苗茎粗方面，除WF5 外，各处理均未表现出显著差异。生物量方面，随着餐厨堆肥替代量的加大，水稻幼苗地上(下)部鲜(干)重均呈现明显的下降趋势。其中，餐厨堆肥替代泥炭量为20%时幼苗地下部生物量比CK 均表现出显著促进作用，与CF、PF 处理的表现相近；地上部生物量方面，不同于CF、PF 处理，WF1 处理相对于CK 并未表现出促进作用。采用壮苗指数对不同水稻育苗基质处理的幼苗生长指标进行综合评价，结果显示，PF 及WF1 处理表现最佳，其中WF1 壮苗指数较CK 提高34.83%，而随着餐厨堆肥替代量的增大，各处理的壮苗指数呈明显降低趋势。

表4 不同水稻育苗基质处理的幼苗生长指标

2.3 不同水稻育苗基质对幼苗生化指标的影响

有机肥的添加使得水稻育苗基质的EC 值明显上升，尤其是餐厨堆肥因原材料往往存在大量盐分[17]，而对植株幼苗生长产生不利影响。对水稻幼苗根系生化指标的测定发现，随着餐厨堆肥用量加大，根系MDA 含量呈显著上升态势(图1A)，这表示餐厨堆肥的添加相比其它处理均使得幼苗根系出现一定程度的膜脂损伤。而为了消除因有机肥添加所带来的相应胁迫，水稻根系CAT(图1B)、POD(图1C)及SOD 活性(图1D)均呈较为明显的上升趋势。其中，随着餐厨堆肥用量加大，CAT 及SOD 活性均呈现显著上升趋势。相比CK，餐厨堆肥替代泥炭量为100%时，CAT、POD、SOD 活性分别提高213.23%、46.37%和132.77%。相比CF、PF 处理，餐厨堆肥的添加同样使得水稻幼苗根系发生更严重的膜脂过氧化现象，并且产生更高的抗氧化酶活性以应对生长胁迫。

图1 不同水稻育苗基质处理的幼苗生化指标

2.4 不同水稻育苗基质的配制成本分析

配制成本关系着生产方对原料的选择，并最终影响产品在市场中的竞争力。由表5 可知，随着餐厨堆肥逐步替代泥炭，相关水稻育苗基质的配制成本也在逐步下降。当餐厨堆肥替代泥炭的比例为20%时，其配制成本为0.19 元/L，比CK降低9.53%。猪粪堆肥替代40%的泥炭配制水稻育苗基质，其成本比WF1 处理提高31.58%，比CK提高19.05%，鸡粪堆肥处理与之配制成本类似。从成本角度考虑，相对于猪粪堆肥与鸡粪堆肥，水稻育苗基质生产方用餐厨堆肥替代泥炭更有利。

表5 不同水稻育苗基质的配制成本

3 讨论

当前关于育苗基质的研究中，如何降低泥炭的使用量是最为重要的课题之一。笔者曾对142项育苗基质发明专利的配方进行过统计分析，发现畜禽粪便堆肥、菌菇渣与椰糠是当前用于替代泥炭的三种热门有机废弃物。而在市场层面，泥炭在育苗基质中的使用量仍不可小视。除了泥炭之外，东北地区的黑土近些年也逐渐成为育苗基质相关生产方的用料选择之一，相关产业链严重威胁到东北地区的粮食生产安全[18]。为此，如何寻找一种可以为市场所接受的泥炭替代品，是众多学者最终所要面对的问题。本研究以餐厨堆肥对水稻育苗基质中的泥炭进行替代，并以前期研究证明具有较好育苗效果的“10%鸡粪堆肥+40%泥炭+50%蛭石”“20%猪粪堆肥+30%泥炭+50%蛭石”水稻育苗基质为对照进行试验，结果显示，使用鸡粪堆肥、猪粪堆肥及餐厨堆肥对泥炭进行替代均会导致水稻育苗基质的理化性质发生明显变化。出现这种现象的原因在于泥炭与上述三种有机肥的原始理化性质存在较大差别，其中餐厨堆肥的pH 值、EC 值比泥炭分别高出93.23%和944.89%，而pH 值与EC 值是影响幼苗生长最关键的基质内环境因素。笔者在对蔬菜育苗基质的相关研究中发现，添加硫磺能够显著降低蔬菜育苗基质的pH 值，同时使得作物叶面积及叶绿素等指标均表现更佳，而水稻育苗基质是否适宜采取同样的手段以降低pH 值则需进一步研究。

本研究中，在植株生长方面，餐厨堆肥对泥炭的替代量为20%时，各个处理中其壮苗指数最高。随着餐厨堆肥用量加大，相应的水稻幼苗生长指标呈逐渐恶化趋势，这在水稻幼苗根系生化指标方面同样得到验证。可见餐厨堆肥并不能完全替代泥炭，其最佳替代比重与鸡粪堆肥相同，均为20%，大幅度低于猪粪堆肥40%的替代比重。相对于鸡粪或猪粪堆肥，餐厨堆肥的原料组成更为复杂多样，且受到不同地域、季节时令及饮食文化等社会环境因素的影响很大[19]。本研究所选取餐厨堆肥的发酵原料来自环太湖地区，且经过工厂式发酵处理。而当前其它相关研究中的餐厨堆肥原料不乏由研究人员自行配制之后进行发酵的情况，但这种餐厨堆肥往往原料组分较为简单，难以为区域内产业化提供精准的理论支撑。如:杨丽娟等[20]关于餐厨堆肥在番茄生长过程中的应用效果研究所选用的餐厨堆肥原料收集自沈阳农业大学食堂，其有机质含量为56.80%；而李兵等[21]以宁波大学食堂餐厨废弃物为原料制备的餐厨堆肥其有机质含量为77.45%。可见以小规模区域内的餐厨废弃物为原料制备的餐厨堆肥并不具备普遍适用性，也难以用于制备作物生产过程需要使用的农资产品。

在育苗基质市场化生产过程中，原料成本是生产方最为关注的一项内容，同时也决定着相关产品在市场中的定价问题。为此，本研究首次针对水稻育苗基质配制成本开展分析。根据原料成本可以看出，餐厨堆肥在本研究的五种材料中成本价格最低，仅为0.11 元/L，相对于泥炭、鸡粪堆肥及猪粪堆肥等主料的价格分别降低56.00%、81.67%及68.57%。对不同水稻育苗基质配制成本核算后发现，餐厨堆肥对泥炭进行替代的水稻育苗基质的配制成本相对较低。其中育苗效果最佳的WF1 处理的配制成本为0.19 元/L，比CK 的配制成本降低9.53%。由此可见，以餐厨堆肥对泥炭进行20%的体积比重替代，不仅能够获得较好的水稻育苗效果，同时也能在一定程度上降低水稻育苗基质的配制成本。