餐廚廢棄物堆肥不同施用水平下的水稻田應用適宜性研究

王子睿 方昭 林永鋒 葛銀鳳 王慶乾 于富強 劉云慧 田光明

摘要：科學合理地施用餐廚廢棄物堆肥是餐廚廢棄物資源化利用的關鍵。為探討餐廚廢棄物堆肥的水稻田應用適宜性，以及水稻田合理施用餐廚廢棄物堆肥的施用量措施，于2020年在中國農(nóng)業(yè)大學水稻生態(tài)農(nóng)場展開試驗，設置了餐廚廢棄物堆肥的不同施用水平，分別為15 t/hm²（T1）、30 t/hm²（T2）、45 t/hm²（T3）、60 t/hm²（T4），以及常規(guī)施用化肥（F）、空白對照（K）共6個處理。研究了各處理對水稻株高、葉片SPAD值以及產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，并對各處理下稻谷的安全性、土壤的理化性質(zhì)和重金屬含量進行了檢測評價。結果發(fā)現(xiàn)，所有處理組的株高在灌漿期時達到峰值，高低順序排序表現(xiàn)為F>T3>T4>T2>T1>K;水稻葉片SPAD值的趨勢基本表現(xiàn)為T4>T3>F>T2>T1>K。餐廚廢棄物堆肥可作為肥料施用于稻田，且有增產(chǎn)效應;其中，處理T1能顯著提高稻米的食味品質(zhì)。施用餐廚堆肥不會對稻米及土壤造成污染，屬于安全范圍，而且處理T1、T2均符合國家優(yōu)質(zhì)粳米二級標準。綜上，餐廚廢棄物堆肥可應用于實際水稻生產(chǎn)，且施用量在15～30 t/hm²間較為合理。

關鍵詞：餐廚廢棄物;堆肥;施用水平;稻谷品質(zhì);土壤環(huán)境

中圖分類號：S511.06;X799.3;S141.4 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0238-07

收稿日期：2021-08-24

基金項目：江蘇省蘇州市農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目（編號：SNG2020041）。

作者簡介：王子睿（1996—），女，福建尤溪人，碩士研究生，研究方向為有機農(nóng)業(yè)與生態(tài)農(nóng)業(yè)。E-mail：dlut.wzrui@foxmail.com。

通信作者：田光明（1964—），男，教授，博士生導師，研究方向為環(huán)境工程及有機廢棄物資源化利用。E-mail：gmtian@zju.edu.cn。

中國自2015年實施化肥施用量零增長行動以來，有機肥部分替代化肥的研究越來越受到關注^[1]。研究發(fā)現(xiàn)，在不考慮工業(yè)生產(chǎn)過程中額外溫室氣體排放和土壤有機碳儲量變化的情況下，建議使用穩(wěn)定化肥料如堆肥來減少CH₄排放。羅樊等在探究有機肥對水稻產(chǎn)質(zhì)量的影響時得出，由于有機肥對土壤和環(huán)境的友好性，使用厭氧堆肥制成的有機肥，在水稻生產(chǎn)中代替化肥是可行的^[2]。

Kumar等指出，在傳統(tǒng)的有機廢棄物回收技術（即焚燒、填埋和厭氧堆肥）中，無論其技術缺陷和社會問題如何，堆肥仍不失為一種經(jīng)濟上可行且可靠的有機廢棄物回收技術^[3]。堆肥的主要目的是將有機材料轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可用的產(chǎn)品。通常，有機材料在其原始狀態(tài)下可能僅有有限的有益用途或處置方式，而通過堆肥則可轉(zhuǎn)化為可銷售的產(chǎn)品^[4]。眾所周知，一方面，快速的城市化給廢棄物管理和環(huán)境保護帶來了重大挑戰(zhàn)^[5];另一方面，過度使用化肥和殺蟲劑等農(nóng)用化學品在給作物產(chǎn)量提高帶來一些實質(zhì)性好處的同時，也可能導致了環(huán)境和生態(tài)的破壞。然而，這些問題可以通過將有機廢棄物轉(zhuǎn)化為堆肥，并用作農(nóng)業(yè)肥料而得到改善。這對欠發(fā)達國家尤其重要，因為在欠發(fā)達國家，糧食安全是關鍵問題之一。

城市中的的餐廚廢棄物有產(chǎn)生量大、來源多、分布廣的特點，數(shù)量極其龐大。幾分鐘前還是餐桌上的佳肴，而幾分鐘后就成了垃圾桶內(nèi)的廢棄物。相關領域的學者普遍認為世界各地每天都產(chǎn)生大量的餐廚廢棄物，而且其數(shù)量不斷增加，這意味著如果不對餐廚廢棄物加以資源化利用，自然資源的消耗和環(huán)境污染問題的出現(xiàn)將會給社會帶來巨大的壓力，成為社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要挑戰(zhàn)，并有可能增加餐廚廢棄物管理的全球財政成本^[3]。國家發(fā)展和改革委員會資源節(jié)約和環(huán)境保護司副司長何炳光指出，餐廚廢棄物具有廢物與資源的雙重特性，可以說是典型的“放錯了地方的資源”。餐廚廢棄物也是有機廢棄物的一種，可制成餐廚廢棄物堆肥。Kelley等的試驗還顯示，餐廚廢棄物堆肥比牛糞堆肥更具有作為營養(yǎng)源的潛力，從而更有利于土壤碳的形成^[6]。

實現(xiàn)有機廢棄物資源化利用，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益一直是農(nóng)業(yè)科學研究的熱點。為此，本文以不同施用水平為切入點，探尋蘇南地區(qū)水稻田合理施用餐廚廢棄物堆肥的施用量措施，也為餐廚廢棄物堆肥資源的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2020年4—12月在江蘇省蘇州市吳中區(qū)臨湖鎮(zhèn)的中國農(nóng)業(yè)大學試驗基地（120°45′E，31°12′N）開展?；貣|西長約750 m，南北長約 500 m，總面積約428 968 m²，海拔11 m，年平均氣溫15.8℃，常年平均降水量1 160 mm，無霜期 230 d，屬于北亞熱帶濕潤季風氣候。試驗區(qū)土壤類型為黃泥土種，土壤質(zhì)地以黏土為主，是典型的水稻土。試驗田耕層土壤有機質(zhì)含量29.362 g/kg，全氮含量0.23%，有效磷含量69 mg/kg，速效鉀含量163 mg/kg，pH值為5.57，EC為108.6 μS/cm。試驗水稻種植制度為1年1熟。

1.2 試驗設計與田間管理

供試水稻品種為南粳46號，從當?shù)剞r(nóng)資市場購買，屬中熟晚粳類型，適合在蘇南地區(qū)中上等肥力條件下種植。水稻于2020年6月22日移栽。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B

試驗所用餐廚廢棄物堆肥由中國農(nóng)業(yè)大學有機循環(huán)研究院提供。餐廚廢棄物堆肥是以餐廚廢棄物為原料，用生化處理機進行堆肥處理，并經(jīng)過二次發(fā)酵至完全腐熟堆制而成的肥料產(chǎn)品（表1）。試驗設置餐廚廢棄物堆肥的不同施用量水平，分別為15 t/hm²（T1）、30 t/hm²（T2）、45 t/hm²（T3）、60 t/hm²（T4），以及常規(guī)施用化肥1.875 t/hm²（F）、空白對照（K）共6個處理。所有處理均采用相同的田間管理。采用隨機區(qū)組試驗設計，每處理3個重復，共18個小區(qū)。試驗區(qū)周邊設置保護行，且各小區(qū)用田埂隔開，田埂寬0.8 m，高度40 cm，兩邊薄膜埋深20 cm，每個小區(qū)面積為50 m²（10 m×5 m）。小區(qū)設置單獨進出水道，單灌單排，防止竄水竄肥。各小區(qū)栽培管理措施一致，田間管理措施主要是除草和防治病蟲害。

1.3 樣品采集、指標測定及計算方法

1.3.1 水稻株高及葉綠素的測定 于水稻的分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、揚花期、灌漿期、黃熟期，測定植株株高（為地面至植株最高點的距離）和劍葉SPAD值，每個小區(qū)隨機選取15 株調(diào)查（避開長勢明顯異常的水稻）。

1.3.2 水稻樣品的采集、產(chǎn)量及品質(zhì)的測定 于水稻黃熟期，每個小區(qū)取3點，每點5叢，稱質(zhì)量后，稻穗、莖、葉、根分離，稻穗70℃烘干并人工脫粒用于考種。將水稻各小區(qū)分開收割、脫粒，測定實際產(chǎn)量，并去除水稻小樣和大樣對產(chǎn)量的影響。

水稻理論產(chǎn)量計算公式：

產(chǎn)量（kg/hm²）=有效穗數(shù)（穗/hm²）×每穗粒數(shù)（粒/穗）×千粒質(zhì)量（g）×結實率（%）×10^-6。

采用JMWT12大米外觀品質(zhì)檢測儀測定稻谷外觀品質(zhì);采用JSWL200大米食味計測定食味值;使用ICP儀檢測稻谷As、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr等重金屬元素;采用GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定法檢測》中所述方法檢測稻谷直鏈淀粉含量，采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準》測定稻谷蛋白質(zhì)含量，以評價稻谷的口感和品質(zhì)。

1.3.3 土壤樣品的采集與測定 每處理按5點取樣法采集土壤樣品，按0～20 cm土層深度采集土壤樣品。土壤pH值采用pH儀測定，土壤EC值利用電導率儀測定，土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀法測定，土壤全氮采用凱氏法測定，全磷含量NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，速效磷、速效鉀按化學浸提法測定。

土壤銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）采用HJ 491—2019《土壤和沉積物? 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》方法測定。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel對原始數(shù)據(jù)進行整理，SPSS進行數(shù)據(jù)的方差分析。各處理取多次重復測定的數(shù)據(jù)計算平均值，并計算標準差;不同處理間選擇Duncan's檢驗法進行差異顯著性比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻株高、葉片SPAD值的影響

株高是植株長勢的重要指標。由圖1可見，與對照K相比，其他處理均能顯著增加水稻株高。處理F的株高在任何時期都最高。

綜合各時期來看，施用不同水平的餐廚廢棄物堆肥，株高無明顯可循的趨勢。在分蘗期、拔節(jié)期，處理T1、T2、T3與T4之間都呈現(xiàn)出相似的變化，但各有差異，差異不明顯，處理T1的株高比處理T2、T3、T4高。在抽穗期、揚花期，處理T1、T2、T3與T4之間都呈現(xiàn)出相似的變化，隨著施用水平的提高，株高呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，處理T3的株高較高。揚花期時，處理F水稻株高較對照K增幅最高，達14.68%;其次為處理T3，增幅為12.11%;處理T4增幅為11.32%;處理T1最低。在灌漿期、黃熟期時，處理T1、T2、T3與T4之間都呈現(xiàn)出相似的變化，隨著施用水平的提高，株高呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，且在處理T3與T4間變化不明顯。這說明餐廚廢棄物堆肥可用于稻田土壤施肥，但其效果較弱于常規(guī)施用化肥。

隨著水稻生長發(fā)育的進程，餐廚堆肥隨著施用量的增加，水稻長勢也逐漸增加。所有處理組的株高在灌漿期時達到峰值，高低順序排序表現(xiàn)為F>T3>T4>T2>T1>K。

葉綠素是植物進行光合作用的基礎，葉綠素含量與葉片光合作用密切相關^[7]。由圖2可見，對照K的葉片SPAD值在任何時期都較低，處理T4的葉片SPAD值在任何時期都較高。綜合整個生育期來看，各處理水稻葉片SPAD值均隨生育進程呈逐漸減小的趨勢;餐廚廢棄物堆肥施用水平越高，葉片SPAD值越高。水稻葉片SPAD值的趨勢基本表現(xiàn)為T4>T3>F>T2>T1>K。

2.2 不同處理對水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

從表2可知，處理T1、T2、T3、T4的有效穗數(shù)分別比對照K增加15.35%、27.49%、34.10%、39.05%;除處理T2外，處理T1、T3、T4的每穗粒數(shù)分別比對照K增加0.54%、10.39%、18.85%;處理T1、T2、T3、T4的千粒質(zhì)量分別比對照K減少3.16%、7.48%、13.88%、16.52%;處理T1的結實率比對照K增加1.20%，其余處理均比對照K減少。與對照K相比，處理F、T1、T2、T3、T4的水稻實際產(chǎn)量分別增加7.75%、4.27%、10.50%、13.70%、17.04%，且T2增幅是T1的2倍。T4同K之間差異較顯著，實際產(chǎn)量較對照提高了 1 291.75 kg/hm²。綜上，餐廚廢棄物堆肥可作為肥料施用于稻田，且有增產(chǎn)效應;但相較于常規(guī)施用化肥處理，餐廚廢棄物堆肥處理增產(chǎn)效應不明顯。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B

處理T2水稻實際產(chǎn)量比處理T1增加5.97%，處理T3比處理T2增加2.89%，處理T4比處理T3增加2.94%。由此可見，餐廚堆肥施用量雖然成倍增加，但是水稻產(chǎn)量增加幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。從水稻田間實際長勢來看，餐廚堆肥施用量越多，水稻貪青晚熟現(xiàn)象越嚴重，部分水稻在灌漿期還遭遇稻瘟病和蟲害，因此餐廚堆肥最佳推薦施肥量為15～30 t/hm²。

2.3 不同處理對水稻稻谷外觀與加工品質(zhì)的影響

稻米外觀品質(zhì)的主要指標有堊白度、堊白粒率、白度、精白度和透明度等^[8]。堊白率和堊白度是評價稻米外觀品質(zhì)的主要指標^[9]。稻米加工品質(zhì)的主要相關指標有糙米率、精米率和整精米率。

由表3可見，不同施肥水平的餐廚廢棄物堆肥的5種處理同處理F相比，整精米率都有增加，其中，處理T2同處理F之間差異較顯著，整精米率增加了8%，升幅為9.18%。

其中，根據(jù)GB/T 1354—2018《大米》^[10]的優(yōu)質(zhì)粳米質(zhì)量指標，處理T1、T2的大米各項指標均符合優(yōu)質(zhì)粳米二級標準，整精米率在所有處理組中也處于較高水平。

2.4 不同處理對稻米食味品質(zhì)的影響

稻米食味品質(zhì)的主要指標有水分、蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和食味值等，其中直鏈淀粉含量又是影響稻米食味品質(zhì)的關鍵因子^[11]。國際稻米研究所將稻米直鏈淀粉含量分為4個等級，一般直鏈淀粉含量在10%～25%的稻米食味較好^[12]。直鏈淀粉含量越高、蛋白質(zhì)含量越高，稻米食味值越低^{[10，13-14]}。

由圖3、圖4可以看出，處理T1的稻米蛋白質(zhì)含量為7.2%，水分含量為14.6%，直鏈淀粉含量為17.2%，食味值高達88分，在所有處理組中最高，其次為處理T3;處理T4的稻谷直鏈淀粉含量在所有處理組中最低，蛋白質(zhì)含量最高，水分含量與對照K相近，食味值最低，為82分。綜合來看，處理T1能顯著提高稻米的食味品質(zhì)。稻米食味品質(zhì)與蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量呈顯著的負相關，這與部分研究結果^[15-17]一致。

2.5 不同處理對稻米污染物含量的影響

土壤中的重金屬可通過“土壤—植物—人”的途徑進入人體，人們食用受重金屬污染的大米后重金屬會在人體內(nèi)富集，并對人體健康產(chǎn)生不利影響。由表4可見，所有處理組均符合國家標準^[18]，說明施用餐廚廢棄物堆肥不會對稻米造成污染。

2.6 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤容重和孔隙度是土壤耕性的重要指標。土壤容重是田間自然壘結狀態(tài)下單位容積土體的質(zhì)量，是衡量土壤緊實度的一個指標。一般土壤容重與土壤質(zhì)地、壓實狀況、土壤顆粒密度、土壤有機質(zhì)含量及各種土壤管理措施有關。土壤越疏松多孔，容重越小;土壤越緊實，容重越大。有機質(zhì)含量高、結構性好的土壤容重小。耕作可降低土壤容重。容重大、孔隙度小的土壤影響水分入滲、根系下扎和肥料利用效率^[19]。

由圖5可見，土壤容重與孔隙度之間的關系基本符合負相關關系。與K相比，F(xiàn)的容重較高，而施用餐廚廢棄物堆肥的容重較低，且有隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的提高而降低的趨勢。由于土壤容重與孔隙度的負相關關系，各處理孔隙度存在相反的變化。

處理F比對照K的土壤容重增加2.68%、土壤孔隙度減小1.76%。處理T4土壤容重最小、孔隙度最大，比對照K容重減小14.54%、孔隙度增加9.51%。無論是容重還是孔隙度，T1、T2、T3、F、K這5種處理之間差異不顯著，但處理T4與F之間存在顯著差異?？傮w來說，施用餐廚廢棄物堆肥會對土壤容重、孔隙度產(chǎn)生一定影響，且不同施用水平產(chǎn)生的影響不同，其中處理T4影響較大。

土壤有機質(zhì)直接影響著土壤的保肥性、保水性、緩沖性和通氣狀況等。土壤全氮通常用于衡量土壤氮素的基礎肥力，速效磷可以反映當前土壤可供磷的能力，土壤速效鉀是判斷土壤鉀元素豐缺度的重要指標^[20]。

由表5可見，與對照K相比，處理F的有機質(zhì)含量較低，但無顯著性差異;施用餐廚廢棄物堆肥的有機質(zhì)較高，且隨著施用水平的提高，有機質(zhì)呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但不同施用水平間無顯著差異。處理T1比對照K增加28.58%，比處理F增加57.16%;處理T4最高，比對照K增加104.55%;處理T1、T2、T3之間差異不顯著。隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的提高，能在一定程度上增加土壤有機質(zhì)含量。在某種意義上，這說明施用餐廚廢棄物堆肥可能有利于土壤中有機質(zhì)的形成。

不同處理對土壤pH值、EC、全氮、有效磷的影響差異均不顯著，從側面反映，在一定程度上可以適當施用餐廚廢棄物堆肥于水稻田土壤中。在速效鉀方面，處理T1比對照K增加198.89%。

2.7 不同處理對土壤重金屬含量的影響

根據(jù)2014年《全國土壤污染調(diào)查報告》，目前全國土壤狀況不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，農(nóng)業(yè)活動是造成土壤污染的重要原因之一，且污染類型以無機型為主，其中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等元素超標率最高。因此須對餐廚堆肥不同施用量水稻土壤鹽分及重金屬進行檢測。由表6可見，各處理各元素含量均未超標，屬于安全范圍。

3 討論與結論

水稻的生長會受到肥料類型、餐廚廢棄物堆肥施用水平的影響^[22]。本研究中，常規(guī)施用化肥的處理F較對照K對水稻株高有較好的增高效果，且貫穿整個水稻發(fā)育期。隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的提高，水稻長勢也逐漸增加。綜合整個生育期來看，隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的提高，葉片SPAD值逐漸增加。但餐廚廢棄物堆肥效果會弱于常規(guī)施用化肥，這可能與化肥可快速釋放礦質(zhì)肥料養(yǎng)分，而餐廚廢棄物堆肥屬于有機肥的一種，以緩效養(yǎng)分為主有關^[23]。7502F3F6-866B-4B70-9670-A93D8557CE4B

較對照K而言，餐廚廢棄物堆肥有增產(chǎn)效應，說明了餐廚廢棄物堆肥在水稻增產(chǎn)上有一定潛力。隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的增加，有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)基本也表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。同時，餐廚廢棄物堆肥能顯著增加土壤孔隙度，且隨著施用量的增加而增大，容重反之;隨著餐廚廢棄物堆肥施用水平的提高，能在一定程度上增加土壤有機質(zhì)含量。餐廚廢棄物堆肥通過緩慢調(diào)節(jié)土壤的保肥性能，使水稻在各生育階段得到更為均衡的營養(yǎng)，從而提高了水稻產(chǎn)量^[22]。Loveland等研究指出，增加有機肥可以增強土壤中微生物的活性，從而增加作物產(chǎn)量^[24]。在實際觀察中，餐廚廢棄物堆肥施用水平越高，水稻貪青晚熟趨勢越明顯。

處理T1、T2的大米各項指標均符合國家優(yōu)質(zhì)粳米二級標準，整精米率在所有處理組中也處于較高水平;處理T1能顯著提高稻米的食味品質(zhì)。測定不同處理稻米污染物含量，施用餐廚堆肥并未對稻米造成污染。通過不同處理土壤重金屬含量的測定，發(fā)現(xiàn)各處理組結果均未超標，屬于安全范圍。

在一定范圍內(nèi)，水稻生產(chǎn)管理中，可以通過施用適量的餐廚廢棄物堆肥替代化肥，且綜合來看，在一定程度上施用餐廚廢棄物堆肥相較常規(guī)施用化肥，帶來的是有利方向的影響，有一定的水稻田推廣利用前景。但由于本試驗僅在蘇南地區(qū)單季晚稻時期展開，長期施用餐廚廢棄物堆肥能否持久有效地起作用仍未可知，后續(xù)可通過長期定位試驗檢驗其施用效果。綜上所述，餐廚廢棄物堆肥施用量以15～30 t/hm²為宜。但結合實際的水稻生產(chǎn)，考慮各地土壤、氣候等環(huán)境情況及水稻生產(chǎn)管理措施的不同，大范圍應用餐廚廢棄物堆肥替代常規(guī)施用化肥還有待進一步研究。另外，各地餐廚廢棄物組成不同，堆肥工藝也不同，也可能會產(chǎn)生一定差異。

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