西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對(duì)雙季稻產(chǎn)量及土壤肥力的影響

陳劍 齊文 蔣海凌 歐陽由男 何賢彪 馬義虎

（1 浙江省臺(tái)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 臨海 317000；2中國水稻研究所，杭州 310006；第一作者：chenrichard615@163.com；*通訊作者：ouyangyounan@caas.cn）

浙江省臺(tái)州市于1989 年開始引進(jìn)試種西蘭花，2003 年后西蘭花種植面積已穩(wěn)定在6 700 hm2左右，約占浙江省西蘭花種植面積的60%、全國的25%，是我國最大的冬春西蘭花生產(chǎn)中心[1-3]。臺(tái)州市每年收獲的西蘭花中，有1/3 以上用于速凍加工，加工過程產(chǎn)生的莖葉、花球廢棄物年均約5 萬t，這部分廢棄物產(chǎn)生時(shí)間均集中于西蘭花大量收獲時(shí)期，它們的處理成為當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)面臨的難題。目前關(guān)于西蘭花秸稈的肥料化利用研究，主要是針對(duì)收獲時(shí)殘留在田間的部分，且均以直接還田的方式開展，對(duì)于上市前加工處理過程中再次產(chǎn)生的大量廢棄物，當(dāng)?shù)氐奶幚矸椒ㄖ饕羌惺占髢A倒在田間，但過量還田不僅影響田塊來年的正常使用，還會(huì)帶來污水、臭氣等問題，同時(shí)也造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

生產(chǎn)堆肥是現(xiàn)階段我國關(guān)于蔬菜廢棄物資源化利用的一種有效途徑，也是國內(nèi)關(guān)于蔬菜廢棄物處理的主要研究方向[4-7]。西蘭花廢棄物養(yǎng)分豐富，通過采樣檢測(cè)可知，其N 含量為2.50%左右（烘干基）、P2O5含量為0.50%左右（烘干基）、K2O 含量為4.60%左右（烘干基），若能合理利用，將成為化肥減施戰(zhàn)略中重要的替代肥源。筆者針對(duì)浙江沿海地區(qū)常見的“西蘭花-水稻”輪作生產(chǎn)模式，利用稻殼、水稻土等廉價(jià)且易獲得的材料作為西蘭花廢棄物堆肥的輔料，將充分發(fā)酵的堆肥產(chǎn)品與化肥配施應(yīng)用在水稻上，探索雙季稻種植中西蘭花廢棄物堆肥與化肥的合理配比，以期減少“西蘭花-水稻”輪作生產(chǎn)中的農(nóng)業(yè)廢棄物排放和化肥投入，提高水稻產(chǎn)量，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021 年3—10 月在臺(tái)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院臨海市小溪村基地（121°25′15″ E，28°49′0.9″ N）開展，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土層深厚，肥力一致，地勢(shì)平坦，試驗(yàn)地土壤基本狀況：容重1.38 g/cm3、pH 5.50、有機(jī)質(zhì)37.30 g/kg、水解性氮（堿解氮）164.10 mg/kg、有效磷27.10 mg/kg、速效鉀38.02 mg/kg。

1.2 供試材料

參試早稻品種為臺(tái)早733，連作晚稻品種為甬優(yōu)1540。參試西蘭花廢棄物堆肥為項(xiàng)目組前期堆制，堆肥主要原料為西蘭花加工廢棄物，輔料為稻殼和水稻土，稻殼、水稻土分別占西蘭花加工廢棄物質(zhì)量的15%和20%，堆肥物料經(jīng)過粉碎攪拌擠壓處理后起堆發(fā)酵，高溫好氧堆肥過程持續(xù)28 d，充分腐熟后的堆肥產(chǎn)品主要養(yǎng)分含量為：含水率38.54%、有機(jī)質(zhì)57.70%、N 含量0.62%、P2O5含量1.08%、K2O 含量2.25%。

1.3 試驗(yàn)方法

早稻常規(guī)化肥用量：純N 180 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2；連作晚稻常規(guī)化肥用量：純N 240 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2。氮肥為尿素，60%氮肥作基肥，余下40%作分蘗肥于移栽10 d 后施用；磷肥為過磷酸鈣，作基肥一次性施入；鉀肥為氯化鉀，50%鉀肥作基肥施入，余下50%作分蘗肥于移栽10 d 后施用。堆肥于水稻移栽前1 周施入，用鐵齒耙耖入5 cm 深的土層內(nèi)，堆肥與化肥配比均按常規(guī)化肥施N 量折算。

試驗(yàn)設(shè)8 個(gè)處理，詳見表1，每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。其中T1、T2、T3、T4 處理是以無機(jī)N 減量40%為基礎(chǔ)，設(shè)置西蘭花堆肥施用梯度，T3、T5、T6 處理是在總N 施用量相同的情況下，有機(jī)無機(jī)N 不同配比施用。每個(gè)小區(qū)面積約20 m2，小區(qū)間用擋水板隔離，嚴(yán)格實(shí)行單獨(dú)排灌。早稻栽培密度為20 cm×14 cm，連作晚稻栽培密度為20 cm×18 cm。早稻每叢苗數(shù)為4～5株，晚稻每叢苗數(shù)為1～2 株。為保證獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)情況相一致，試驗(yàn)田管理措施與大田相同。

1.4 田間調(diào)查與項(xiàng)目測(cè)定

及時(shí)記載水稻苗期、生育期。在早、晚稻成熟后各小區(qū)單獨(dú)測(cè)產(chǎn)，收割前各小區(qū)采集有代表性的5 叢水稻進(jìn)行考種。每季水稻收獲結(jié)束后，各小區(qū)采集耕層0～20 cm 土壤，測(cè)定有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標(biāo)。氮肥農(nóng)學(xué)利用率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量）／施氮量；氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量／施氮量[8]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制作圖表，采用SPSS16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)早、晚稻生育期的影響

由表2 可知，不同處理下早稻全生育期為105～107 d，晚稻全生育期為119～121 d，兩季水稻在不同施肥處理下生育期均未有大幅變化。

2.2 不同處理對(duì)早、晚稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3 可知，不同施肥處理下早、晚稻產(chǎn)量表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致。T6 處理的早、晚稻產(chǎn)量均最高，分別為6 883.06 kg/hm2和8 220.09 kg/hm2。與CK1 相比，各施肥處理的早稻產(chǎn)量提高了25.06%～43.02%，晚稻產(chǎn)量提高了30.02%～51.32%，增產(chǎn)均達(dá)顯著水平。T2、T3、T4 和T6 等4 個(gè)處理的早稻產(chǎn)量與CK2 相比均無顯著差異，其中T6 處理增產(chǎn)3.05%；T3、T4 和T6 處理的晚稻產(chǎn)量與CK2 相比無顯著差異，其中T4、T6 處理分別增產(chǎn)0.48%和3.54%。4 個(gè)無機(jī)N 減量40%的處理（T1、T2、T3 和T4）早、晚稻產(chǎn)量均隨著堆肥施用量的增加呈增長趨勢(shì)，其中T3、T4 處理兩季水稻的產(chǎn)量與CK2 相比無顯著差異。3 個(gè)總N 施用量相同的有機(jī)無機(jī)肥料配施處理（T3、T5、T6）早、晚稻產(chǎn)量均隨著無機(jī)N 施用比例的減少呈下降趨勢(shì)。

表3 不同施肥處理水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，兩季水稻表現(xiàn)的規(guī)律基本一致。與CK1 相比，各施肥處理早、晚稻產(chǎn)量均顯著增產(chǎn)，主要是由于有效穗數(shù)的顯著增加，而每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等指標(biāo)各處理間差異均不顯著；與CK2相比，各無機(jī)肥有機(jī)肥配施的處理每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等指標(biāo)均無顯著差異，T1、T5 處理早、晚稻的產(chǎn)量均顯著減產(chǎn)，主要是由于有效穗數(shù)的減少（表3）。

2.3 不同處理對(duì)水稻周年產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

由表4 可知，與CK1 相比，各施肥處理的水稻周年產(chǎn)量顯著增加27.69%～47.42%；與CK2 相比，T3、T4和T6 處理水稻的周年產(chǎn)量均無顯著差異，其中T6 處理增產(chǎn)3.32%。

表4 不同處理下水稻周年產(chǎn)量和氮肥利用率

與CK2 相比，各化肥減量處理的無機(jī)氮肥偏生產(chǎn)力均得到顯著提高，除T4、T5 處理外，其余處理的總氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均未顯著降低。無機(jī)N減量40%的4 個(gè)處理（T1、T2、T3 和T4）隨著堆肥施用量的增加，總氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均呈下降趨勢(shì)，無機(jī)氮肥偏生產(chǎn)力呈升高趨勢(shì)?？侼 施用量相同的3 個(gè)有機(jī)無機(jī)肥配施處理（T3、T5 和T6）隨著化肥N 施用比例的減少，總氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均呈下降趨勢(shì)、無機(jī)氮肥偏生產(chǎn)力呈升高趨勢(shì)。

2.4 不同處理對(duì)早、晚稻分蘗能力和莖蘗成穗率的影響

由表5 可知，不同處理間早、晚稻的落田苗均無顯著差異。與CK1 相比，各施肥處理早、晚稻的最高苗數(shù)和有效穗數(shù)均顯著提高，早稻的莖蘗成穗率均有所下降，其中T4、T5 處理差異達(dá)顯著水平，晚稻的莖蘗成穗率除T6 處理外均有所提高，其中T5 處理差異達(dá)顯著水平。與CK2 相比，各化肥減量處理早、晚稻的最高苗數(shù)、有效穗數(shù)和莖蘗成穗率均無顯著差異?；蕼p量配施西蘭花廢棄物堆肥的各處理并未顯著降低水稻分蘗能力，早、晚稻表現(xiàn)的規(guī)律基本一致。

表5 不同處理下早、晚稻分蘗能力與莖蘗成穗率

2.5 不同處理對(duì)土壤肥力的影響

由表6 可知，早、晚稻收獲結(jié)束后，各處理間土壤容重均無顯著差異，與試驗(yàn)前以及單施化肥的處理相比，施用堆肥的處理土壤容重略有降低。施用堆肥處理土壤pH 值較單施化肥處理均有所提高；晚稻收獲結(jié)束后，施用堆肥的相同處理土壤pH 值與早稻收獲后相比呈升高趨勢(shì)。早、晚稻收獲結(jié)束后，施用堆肥的處理間有機(jī)質(zhì)含量均無顯著差異，土壤有機(jī)質(zhì)含量未隨著堆肥施用量的增加而增加；T4 處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量在兩季水稻收獲后均為最高，分別較CK1 顯著提高7.24%和8.45%，較CK2 顯著提高4.68%和6.10%；晚稻收獲后，施用堆肥的相同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較早稻收獲后均有所降低?；蔔 減量40%的處理（T1、T2、T3 和T4）土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均隨著堆肥施用量的增加呈升高趨勢(shì)；總N 施用量相同的有機(jī)無機(jī)肥料配施處理（T3、T5 和T6）土壤堿解氮含量隨著無機(jī)肥料施用比例的增加而提高，有效磷和速效鉀含量均隨著有機(jī)肥料施用比例的增加而提高；晚稻收獲后，施用堆肥的相同處理土壤有效磷和速效鉀含量較早稻收獲后均有所提高，除CK2、T1、T6 外的其余處理，土壤的堿解氮含量較早稻收獲后均有所降低。

表6 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.6 不同處理的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益

本研究中堆制堆肥所用物料均為“西蘭花-水稻”輪作生產(chǎn)中的農(nóng)副產(chǎn)品或農(nóng)業(yè)廢棄物，物料購買成本基本為零，堆制過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，因此堆肥產(chǎn)品的整體成本較低，折合約40.00 元/t。由表7 可知，與常規(guī)化肥處理相比，各施肥處理中實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效的只有T6 處理，每667 m2可提高經(jīng)濟(jì)效益81.67 元；施用有機(jī)肥更多的是能帶來生態(tài)效益，T4、T5 處理每667 m2可消解西蘭花加工廢棄物10.07 t；由于有機(jī)肥具有緩釋性特征，施用有機(jī)肥處理的經(jīng)濟(jì)效益也將隨著有機(jī)肥施用年限的增加而顯現(xiàn)。

表7 不同處理的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益

3 討論

3.1 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)

西蘭花廢棄物中富含作物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)元素，堆肥后作為有機(jī)肥替代部分化肥施用，既發(fā)揮了化肥養(yǎng)分的速效性，又發(fā)揮了有機(jī)肥的緩釋性特征，能有效提高作物產(chǎn)量和土壤肥力[9-11]。姚冬輝等[12]在等量氮磷鉀養(yǎng)分的條件下研究了商品有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)2 年4 季水稻產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)水稻平均產(chǎn)量隨著有機(jī)肥比例的增加而降低，低量有機(jī)肥替代部分化肥表現(xiàn)減產(chǎn)，但與單施化肥相比差異不顯著，而高量有機(jī)肥配比卻顯著降低水稻產(chǎn)量。本研究結(jié)果與其觀點(diǎn)基本一致，在總氮施用量相同的情況下，水稻產(chǎn)量隨著堆肥施用量的增加而降低，當(dāng)有機(jī)N 替代比例分別為20%和40%時(shí)，水稻產(chǎn)量與常規(guī)化肥處理相比無顯著差異，當(dāng)有機(jī)N 替代比例為60%時(shí)，水稻產(chǎn)量要比常規(guī)化肥處理顯著減產(chǎn)。王飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，紫云英還田量達(dá)18 t/hm2時(shí)減施40%的化肥可保證單季稻不減產(chǎn)。王建紅等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紫云英還田量達(dá)到45 t/hm2時(shí)，即便化肥減施60%仍能實(shí)現(xiàn)單季稻增產(chǎn)。本試驗(yàn)研究表明，當(dāng)化肥N 減量40%時(shí)，早、晚稻產(chǎn)量均隨著西蘭花廢棄物堆肥施用量的增加而提高，其中有機(jī)N 施用比例達(dá)到常規(guī)化肥總N 的40%和60%時(shí)，均可以使早、晚稻產(chǎn)量較常規(guī)化肥處理減產(chǎn)不顯著；當(dāng)化肥N 減量20%，堆肥施用比例為常規(guī)化肥總N 的20%時(shí)，早、晚稻產(chǎn)量與常規(guī)化肥處理相比均實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。值得一提的是，在化肥N 減量40%時(shí)，水稻產(chǎn)量隨著堆肥施用量的增加而提高，雖然部分施用堆肥的處理水稻株高顯著高于常規(guī)施肥處理，但是田間均未有倒伏跡象，因此今后可以繼續(xù)嘗試增加堆肥施用量。

有研究表明，與單施全量化肥相比，冬種紫云英及配施減量化肥可增加水稻株高、有效穗數(shù)和千粒重等性狀[15-17]。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(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素（有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重）未表現(xiàn)出顯著影響[18]。本研究結(jié)果顯示，與不施肥處理和常規(guī)施肥處理相比，各無機(jī)肥和有機(jī)肥配施肥處理間早、晚稻的每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重均無顯著差異，產(chǎn)量的差異主要由于有效穗數(shù)的增加或減少，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)[12]。

3.2 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對(duì)氮肥利用效率的影響

氮肥是影響水稻高產(chǎn)的一個(gè)重要因素，長期施用化肥、有機(jī)肥均能提高土壤供氮能力，但是化肥中的氮素釋放速率快，肥效期短，而有機(jī)肥的供氮方式具有漸進(jìn)性，更適合作物根系對(duì)氮的吸收利用[19-21]。王建紅等[22]研究指出，在考慮了紫云英氮投入的情況下，大量的紫云英還田并未顯著提高甚至降低總氮投入的養(yǎng)分利用率。強(qiáng)久次仁[23]研究指出，高量有機(jī)肥（75%）配施顯著提高了小麥產(chǎn)量和氮生理效率，但氮回收率和農(nóng)學(xué)利用率卻低于單施化肥處理。陳靜蕊等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著紫云英還田量的增加，早稻季總投入氮素的農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥回收率均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。陳琨等[24]研究發(fā)現(xiàn)，30%有機(jī)N+70%無機(jī)N 配施能提高氮肥吸收利用率，同時(shí)還能提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力，但是隨著有機(jī)N 替代比例達(dá)到50%時(shí)，氮肥利用率明顯下降。本研究結(jié)果與前人觀點(diǎn)基本一致，在化肥N 減量40%時(shí)，隨著西蘭花廢棄物堆肥施用量的增加，水稻的總氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均呈下降趨勢(shì)，無機(jī)氮肥偏生產(chǎn)力呈升高趨勢(shì)；在總N 施用量相同的情況下，隨著有機(jī)N 替代比例的增加，總氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均呈下降趨勢(shì)，無機(jī)氮肥偏生產(chǎn)力呈升高趨勢(shì)。

3.3 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對(duì)土壤的培肥效應(yīng)

大量研究表明，有機(jī)肥料與化肥合理配施可以降低土壤容重[25-26]，提高土壤pH 值[27]，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[18]，增加土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷和速效鉀含量[28-30]，增加土壤微生物數(shù)量和增強(qiáng)微生物活性[31]。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)化肥處理相比，西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施降低了土壤容重，提高了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，這與前人的觀點(diǎn)基本一致。兩季水稻收獲后，施用堆肥處理的土壤容重較常規(guī)化肥處理平均降低2.19%，pH 值、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量分別平均提高3.51%、5.50%、3.90%和30.09%。應(yīng)當(dāng)指出，本試驗(yàn)在西蘭花廢棄物堆肥與化肥配施時(shí)，控制及減少的是化肥氮的投入，各施肥處理的化肥磷、鉀施入量均相同，并未計(jì)算額外增施堆肥中的有機(jī)磷、鉀，而有機(jī)肥中所含鉀移動(dòng)性強(qiáng)，分解后會(huì)加快其自身有機(jī)態(tài)磷釋放[32-33]，這可能是土壤中有效磷、速效鉀含量提升較多的原因。與前文觀點(diǎn)不同的是，本研究中施用堆肥的處理，在早、晚稻收獲后土壤的堿解氮含量均低于常規(guī)化肥對(duì)照，即使投入的總氮量為常規(guī)化肥處理的1.2 倍，土壤的堿解氮含量在兩季水稻收獲后仍比常規(guī)化肥處理下降5.76%，這可能是由于有機(jī)無機(jī)肥料配施使得更多無機(jī)氮被土壤微生物固定，避免了存于土壤中而遭受揮發(fā)損失，這與孟琳等[34]和侯紅乾等[35]的觀點(diǎn)相同?？梢?，西蘭花廢棄物堆肥對(duì)于減少化肥投入、提升土壤肥力具有很好的效果。

4 結(jié)論

與單施化肥相比，60%化肥氮配施40%、60%堆肥有機(jī)氮以及80%化肥氮配施20%堆肥有機(jī)氮，均可以實(shí)現(xiàn)早、晚稻及水稻周年產(chǎn)量的穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)，提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，降低土壤容重和緩解土壤酸化，80%化肥氮配施20%堆肥有機(jī)氮還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效81.67 元/667 m2。綜合來看，利用西蘭花加工廢棄物堆制有機(jī)肥，是減少“西蘭花—水稻”輪作生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)廢棄物排放以及提高資源利用率的一條有效途徑，不僅可以減少化肥的施用，還可以提升水稻產(chǎn)量和土壤肥力，具有很大的推廣利用價(jià)值。