商品有機(jī)肥替代部分化肥對雙季水稻產(chǎn)量及重金屬含量的影響

姚冬輝，魏宗強(qiáng)，顏 曉，盧志紅，吳建富

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045）

【研究意義】化肥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在促進(jìn)糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要的作用。但過量或不合理施用化肥，帶來了土壤板結(jié)、酸化、環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞等一系列問題，嚴(yán)重威脅著我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[1-2]。因此，在增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)前提下，大力發(fā)展和使用商品有機(jī)肥料，減少化肥的投入量，對提升耕地質(zhì)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)化肥零增長戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】畜禽糞便作為一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)資源，不僅含有豐富的有機(jī)質(zhì)，而且還含有作物生長所必需的大量和中、微量元素。但是，由于養(yǎng)豬飼料中含有較高的Cu、Zn、As 等重金屬元素，使得豬糞中重金屬含量較高，尤其是Cu、Zn 含量過高，給豬糞直接還田帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)，對農(nóng)產(chǎn)品和生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅[3-4]。研究結(jié)果[5-9]表明，長期豬糞直接還田能提高表層土壤Cu、Zn、Cr、As 等重金屬含量及其有效性，其影響程度與豬糞用量有關(guān)；但也有研究[10-11]指出，適量添加豬糞到Cu 或Cd 污染土壤中可以減少土壤Cu、Cd 的遷移能力，降低Cu、Cd 的生物有效性。自我國提出實(shí)現(xiàn)化肥零增長目標(biāo)以來，畜禽糞便無害化處理、商品化利用已經(jīng)越來越受到重視。研究表明，商品有機(jī)肥替代部分化肥在提高作物產(chǎn)量[12-14]，促進(jìn)養(yǎng)分吸收[15-17]，改善土壤理化和生物學(xué)性狀[18-19]等方面產(chǎn)生積極的影響，同時(shí)也引起了土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量增加的負(fù)面影響[13,20]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】但已有的報(bào)道大多都是對土壤或農(nóng)產(chǎn)品中某個(gè)或某幾個(gè)重金屬進(jìn)行研究，而同時(shí)對于商品有機(jī)肥替代部分化肥對雙季稻田土壤、稻米和稻殼中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 含量影響的研究還鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本試驗(yàn)在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，研究商品有機(jī)肥替代部分化肥對雙季水稻產(chǎn)量及土壤、稻米和稻殼中重金屬含量的影響，為南方稻區(qū)商品有機(jī)肥合理施用及其風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試早、晚稻品種分別為中嘉早17 和五豐優(yōu)T025。供試的商品有機(jī)肥是以豬糞為主要原料，添加其他農(nóng)業(yè)廢棄物和微生物發(fā)酵菌劑經(jīng)槽式好氧發(fā)酵制成，由江西怡農(nóng)生物科技有限公司提供，其主要成分和含量分別為有機(jī)質(zhì)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 含量未檢出。氮、磷、鉀化肥分別用尿素（N 46.4%）、鈣鎂磷肥（P2O512.4%）和氯化鉀（K2O 60.0%）。試驗(yàn)地土壤為潮沙泥田，試驗(yàn)前土壤有機(jī)質(zhì)含量為25.12 g/kg，pH值為5.6，全氮為1.321 g/kg，堿解氮為102.4 mg/kg，有效磷為12.38 mg/kg，速效鉀為88.3 mg/kg。，常年種植雙季水稻，種植制度為稻-稻-冬閑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016—2017 年在江西省新干縣界埠鎮(zhèn)廖圩村糧油綠色高產(chǎn)高效創(chuàng)建基地進(jìn)行早、晚稻田間定位試驗(yàn)。設(shè)4 個(gè)處理：單施NPK 化肥（F）；商品有機(jī)肥每季3 000 kg/hm2+NPK 化肥（M1F）；商品有機(jī)肥每季3 750 kg/hm2+NPK 化肥（M2F）；商品有機(jī)肥每季4 500 kg/hm2+NPK 化肥（M3F）。商品有機(jī)肥用量根據(jù)其含N量計(jì)算，早稻替代16.4%～24.6%的化學(xué)N肥，晚稻替代15.0%～22.6%的化學(xué)氮肥，各處理氮、磷、鉀養(yǎng)分施用量相同，商品有機(jī)肥輸入的氮磷鉀養(yǎng)分不足部分用化肥補(bǔ)充（表1），N∶P2O5∶K2O施用比例為2∶1∶2。早稻氮肥按基肥、分蘗肥與穗肥質(zhì)量比5∶2∶3施用。晚稻氮肥按基肥、分蘗肥與穗肥質(zhì)量比4∶2∶4施用。早、晚稻鉀肥均按分蘗肥與穗肥質(zhì)量比7∶3 施用。商品有機(jī)肥、磷肥一次性做基肥施用。每處理3 次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積20 m2。小區(qū)間土埂用塑料薄膜包裹，單排單灌。人工移栽。早、晚稻栽插密度分別為13.3 cm×23.3 cm和13.3 cm×26.6 cm。其他按常規(guī)高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)處理與養(yǎng)分投入量Tab.1 Experimental treatment and nutrient input kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 考種與測產(chǎn) 早、晚稻收割前1 d，每小區(qū)調(diào)查60蔸有效穗，按平均有效穗數(shù)取代表性植株5蔸進(jìn)行考種；每小區(qū)實(shí)割200蔸，脫粒后曬干、稱量、測產(chǎn)。同時(shí)，各取300 g干谷供重金屬含量測定。

1.3.2 土壤采集 2017年晚稻成熟期，每小區(qū)按“S”型線路采集耕作層（0～18 cm）土壤混合樣品，供土壤重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu和Zn含量測定。

1.3.3 重金屬含量測定方法 土壤、稻米和稻殼中重金屬含量委托北京子田科技有限公司測定。土壤全量Pb、Cd、Cr、Cu和Zn的含量按農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1613—2008[21]方法檢測。全量As、Hg按GB/T 22105.1—2008[22]和GB/T 22105.2—2008[23]方法測定。稻米、稻殼中Cu、Zn、Hg和As含量按GB/T 5009—2003[24]方法檢測；Pb含量按GB 5009.12—2010[25]方法檢測；Cd、Cr含量按GB 5009—2014[26]方法檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和DPS 7.05 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Duncan 新復(fù)極差法(LSR)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減量配施商品有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可以看出，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，2016年，早、晚稻產(chǎn)量隨商品有機(jī)肥用量的增加均呈下降的趨勢。早稻產(chǎn)量M1F 處理與F、M2F 處理差異不顯著，卻顯著高于M3F 處理，增幅為9.24%；晚稻產(chǎn)量F 處理與M1F 處理差異不顯著，卻顯著高于M2F、M3F 處理，增幅為7.66%～7.79%，而M1F 處理產(chǎn)量高于M2F、M3F處理，增幅為6.40%～6.53%，但處理間差異不顯著。2017年早稻產(chǎn)量變化趨勢與2016年基本一致；而晚稻產(chǎn)量F、M1F、M2F處理間差異不顯著，卻均顯著高于M3F處理，增幅為6.63%～10.83%。2年4季平均產(chǎn)量由高到低依次為處理F、M1F、M2F和M3F，但F、M1F處理差異不顯著，卻顯著高于M3F處理，增幅為6.56%～8.97%，M2F、M3F處理間差異顯著。說明在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用水平下，每季用3 000 kg/hm2的商品有機(jī)肥替代部分化肥能維持水稻周年產(chǎn)量與單施化肥基本持平，而且每年還節(jié)約化學(xué)氮肥15.7%，磷肥47.3%，鉀肥34.3%。

表2 化肥減量配施商品有機(jī)肥對雙季稻產(chǎn)量的影響Tab.2 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on yield of double cropping rice t/hm2

從產(chǎn)量構(gòu)成因素（表3）來看，無論是早稻還是晚稻，單位面積有效穗數(shù)均隨商品有機(jī)肥用量增加呈下降的趨勢。早稻有效穗數(shù)F 處理與M1F 處理基本持平，卻顯著高于M2F、M3F 處理，增幅為8.51%～11.78%，M1F 處理顯著高于M2F、M3F 處理，增幅為5.07%～8.23%，而M2F、M3F 處理差異不顯著；晚稻有效穗數(shù)F處理與M1F、M2F處理差異不顯著，F(xiàn)、M1F處理均顯著高于M3F處理，增幅為5.92%～7.48%，而M2F、M3F 處理差異顯著。每穗粒數(shù)早稻處理間差異不顯著；晚稻M1F、M2F、M3F 處理差異不顯著，但均顯著低于F 處理，降幅為4.83%～5.89%。早稻結(jié)實(shí)率M1F、M2F、M3F 處理差異不顯著，但M1F、M2F 處理均顯著高于F 處理，增幅為3.18%～3.30%；晚稻處理間差異不顯著。千粒質(zhì)量處理間無顯著差異。這與有關(guān)報(bào)道基本一致[12]。

表3 化肥減量配施商品有機(jī)肥對早、晚稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.3 Effect of combined applications of commercial organic fertilizer and chemical fertilizer reduction on yield components of early and later rice

2.2 化肥減量配施商品有機(jī)肥對土壤重金屬含量的影響

表4 表明，隨著商品有機(jī)肥用量的增加，土壤中重金屬AS、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均表現(xiàn)為遞增的趨勢，而Hg 含量未檢出。這可能與有機(jī)肥中重金屬含量和輸入量有關(guān)，但均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）。土壤中As 含量M3F 和M2F 處理差異不顯著，卻顯著高于M1F和F處理，增幅分別為6.22%和21.31%，而M1F和M2F處理差異不顯著，卻均顯著高于F處理，增幅分別為14.21%和17.87%。Pb 含量M3F 與M2F 處理差異不顯著，卻均顯著高于M1F 和F 處理，而M1F 和F 處理差異顯著；Cd含量處理間差異均達(dá)顯著水平，M3F處理較M1F、M2F和F處理增幅達(dá)7.84%～48.65%，M2F處理較M1F 和F 處理增幅達(dá)13.33%～37.84%，M1F 處理較F 處理增幅達(dá)21.62%。Cr 含量處理間差異均不顯著。Cu、Zn含量M1F、M2F、M3F處理間差異均不顯著，卻均顯著高于F處理，增幅分別為7.81%～11.73%和5.89%～8.86%。說明施用豬糞源商品有機(jī)肥易引起土壤重金屬積累，增加土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，這與有關(guān)研究基本一致[13]。

表4 化肥減量配施商品有機(jī)肥對土壤重金屬含量的影響（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 化肥減量配施商品有機(jī)肥對稻米和稻殼中重金屬含量的影響

表5 顯示，在氮磷鉀等養(yǎng)分施用量相同的條件下，早、晚稻稻米和稻殼中重金屬Cd、Cr、Cu、Zn 含量和稻殼中Pb 含量均隨著商品有機(jī)肥用量的增加呈增加的趨勢，Hg、As 含量均未檢出，稻米中Pb 含量未檢出。各處理水稻稻殼中重金屬含量幾乎均高于稻米。稻殼中Pb 含量早稻M3F 處理顯著高于M2F、M1F 和F 處理，增幅為18.92%～25.0%，M2F 處理顯著高于M1F 和F 處理，增幅為5.11%，而M1F 和F處理差異不顯著；而晚稻M3F、M2F 和M1F 處理間差異不顯著，卻均顯著高于F 處理，增幅為11.05%～18.23%。早、晚稻稻米和稻殼中Cd 含量均以M3F 處理為最高，M1F 處理為最小，但早稻稻米處理間差異顯著，稻殼M3F 處理顯著高于其它3 個(gè)處理，增幅為47.96%～61.11%，M2F 處理顯著高于M1F、F 處理，增幅為6.52%～8.89%；晚稻稻米中Cd 含量M2F、M3F 處理差異不顯著，均顯著高于M1F、F 處理，稻殼中M3F 處理與M2F 處理差異顯著，且均顯著高于M1F、F 處理。早、晚稻稻米和稻殼中Cr、Cu 含量變化趨勢基本一致，均以M3F 處理為最高，F(xiàn) 處理為最小。早稻稻米中Zn 含量M3F 處理顯著高于M2F、M1F 和F 處理，增幅為5.98%～29.29%，而M2F、M1F 處理差異不顯著，均顯著高于F 處理，增幅分別為21.99%和18.42%；稻殼中Zn 含量M3F、M2F 處理差異不顯著，均顯著高于F 處理，增幅分別為7.78%和5.37%，M3F 處理顯著高于M1F 處理，而M1F、F 處理差異不顯著。晚稻稻米中Zn 含量處理間差異顯著，稻殼中M3F、M2F 與M1F 處理差異不顯著，但M3F、M2F 處理均顯著高于F 處理，增幅分別為6.79%和5.26%。說明施用豬糞源商品有機(jī)肥易引起稻谷中重金屬含量增加，其增幅程度與有機(jī)肥用量有關(guān)。但各施肥處理早、晚稻稻米和稻殼中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均未超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）。

表5 化肥減量配施商品有機(jī)肥對稻米和稻殼中重金屬含量的影響（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 討論

3.1 化肥減量配施商品有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量的影響

有機(jī)肥料與化肥配合施用是我國農(nóng)作物施肥發(fā)展的主要方向。研究[12-16,27-31]表明，與單施化肥相比，有機(jī)肥與化肥配施不僅可以實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，而且還可以減少化肥用量。試驗(yàn)研究表明，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，早、晚稻產(chǎn)量均隨有機(jī)肥用量的增加而呈下降趨勢，處理間的大致趨勢由高到低依次為F、M1F、M2F 和M3F，F(xiàn)、M1F 處理差異不顯著，卻顯著高于M3F 處理，增幅為6.56%～8.97%，其原因可能是單施化肥的處理可以快速補(bǔ)充作物生長所需養(yǎng)分，而有機(jī)肥在土壤中釋放養(yǎng)分的速率較為緩慢，難以及時(shí)滿足作物對養(yǎng)分的需求，從而導(dǎo)致商品有機(jī)肥替代部分化肥的處理水稻產(chǎn)量低于單施化肥處理，這與前人研究結(jié)果基本一致[32-33]。產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，有研究表明，豬糞堆肥與化肥配合施用能夠顯著增加水稻每穗籽粒數(shù)和實(shí)粒數(shù)[15-16]。但也有研究指出，與單施化肥相比，商品有機(jī)肥替代部分化肥的處理對產(chǎn)量構(gòu)成因素（有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量）未表現(xiàn)出顯著影響[12]。本2 年定位試驗(yàn)結(jié)果表明，早、晚稻的有效穗數(shù)隨商品有機(jī)肥用量的增加而呈下降趨勢，早稻結(jié)實(shí)率呈增加的趨勢，晚稻變化不明顯，而對每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量影響較小，這可能與供試的土壤、水稻品種和商品有機(jī)肥的性質(zhì)不同有關(guān)。

3.2 化肥減量配施商品有機(jī)肥對土壤、稻米和稻殼中重金屬含量的影響

畜禽糞便作為有機(jī)資源在有機(jī)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。近年來，隨著耕地土壤質(zhì)量提升工程的開展和化肥零增長戰(zhàn)略的實(shí)施，中國有機(jī)肥的需求量和施用量呈現(xiàn)增加的趨勢。因此，越來越多的研究開始關(guān)注集約化養(yǎng)豬糞便的利用方式及其對環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。有研究指出，長期施用豬糞顯著提高了土壤Cu、Zn、Cr、As含量，施用商品有機(jī)肥可增加土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、Pb和As等重金屬的積累，并導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量升高[5-8,12]，其影響程度一方面取決于豬糞或商品有機(jī)肥中重金屬含量高低；另一方面取決于豬糞或商品有機(jī)肥一次性輸入農(nóng)田的數(shù)量與施用年限。2 年定位試驗(yàn)結(jié)果表明，在商品有機(jī)肥施用量為3 000～4 500 kg/hm2，土壤中重金屬AS、Pb、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量均隨商品有機(jī)肥用量的增加表現(xiàn)為遞增的趨勢，而Hg 含量未檢出，但均符合土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2018），這可能與商品有機(jī)肥中重金屬含量和輸入量有關(guān)，這與黃小洋等[34]研究結(jié)果基本一致；早、晚稻稻米和稻殼中重金屬Cd、Cr、Cu、Zn 含量和稻殼中Pb 含量均隨著商品有機(jī)肥用量的增加呈增加的趨勢，而Hg、As 含量均未檢出，稻米中Pb 含量未檢出，稻殼中重金屬含量幾乎均高于稻米，這與陳院華等[35]研究結(jié)果基本一致，符合食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）。但長期施用以豬糞為主要原料加工的商品有機(jī)肥是否引起土壤、稻米和稻殼中重金屬污染需進(jìn)一步研究。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上要注重商品有機(jī)肥的選擇和安全使用，因地制宜地控制好商品有機(jī)肥的施用量，避免其對土壤和作物生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。此外養(yǎng)殖企業(yè)和飼料加工廠還可以更新畜禽飼料加工方式，減少含重金屬添加劑的使用，也能有效減少土壤和作物中的重金屬的積累，保障土壤和糧食安全。