利用秸稈生產(chǎn)商品有機(jī)肥及其在水稻上的應(yīng)用效果

童文彬，劉銀秀，張仲友，宋建忠，王衛(wèi)平，姚燕來(lái)

(1.衢江區(qū)土壤肥料技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324022； 2.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州 310012；3.衢州市春秋農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，浙江 衢州 324022； 4.衢江區(qū)蓮花鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)公共服務(wù)中心，浙江 衢州 324019；5.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年的秸稈資源量達(dá)到9.84×108t，可收集量達(dá)到8.24×108t，玉米、水稻和小麥?zhǔn)侨惤斩挳a(chǎn)生最多的農(nóng)作物，占秸稈總量的83.51%[1]。當(dāng)前秸稈綜合利用率達(dá)到81.68%，基本形成肥料化、飼料化、基料化、燃料化、原料化等“五料化”利用、農(nóng)用為主的綜合利用格局[1]。但是伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活方式的轉(zhuǎn)變及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)改變等一系列新的變化，秸稈利用方式和利用途徑發(fā)生了極大轉(zhuǎn)變，區(qū)域性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性過(guò)?，F(xiàn)象不斷凸顯，為保護(hù)環(huán)境，全國(guó)各地雖然出臺(tái)多個(gè)文件，嚴(yán)格監(jiān)管秸稈焚燒，但露天焚燒屢禁不止，因此，秸稈的資源化利用仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。

肥料化利用是當(dāng)前秸稈利用的主要方向，占秸稈利用的47.20%[1]。肥料化利用可分為秸稈直接還田利用、秸稈堆肥利用等。由于直接還田利用快捷方便并高效低耗，成為當(dāng)前秸稈肥料化利用的主要方式。但隨著秸稈還田量的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈直接還田造成的許多問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，如秸稈還田量過(guò)大，造成成苗率低、與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分，造成分蘗數(shù)降低，還田后影響水稻、小麥等下茬作物的產(chǎn)量[2-3]。另外，秸稈還田引起的病蟲害加重是另外一個(gè)重要問(wèn)題，長(zhǎng)期實(shí)施秸稈直接還田，會(huì)使一些常見病蟲害加重，土傳、種傳病害的發(fā)生呈逐年加重趨勢(shì)，如秸稈還田下水稻紋枯病發(fā)病顯著增加，直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，增加了農(nóng)藥等的用量[4-6]。探索更有效的秸稈肥料化利用方式具有重要意義。秸稈堆肥化利用是秸稈肥料化利用的另外一個(gè)重要模式。堆肥是在人為控制的好氧環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有機(jī)物快速生物降解的過(guò)程，堆肥過(guò)程中微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等高分子物質(zhì)，同時(shí)堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的高溫可有效殺滅秸稈中的有害微生物、蟲卵和雜草種子等[7]，實(shí)現(xiàn)秸稈的無(wú)害化和穩(wěn)定化，從而減少還田后病害、蟲害的發(fā)生。但由于受到秸稈自身高碳氮比，以及纖維素、木質(zhì)素等難降解有機(jī)物含量高、養(yǎng)分含量低等因素的影響[8]，秸稈堆肥化利用生產(chǎn)商品有機(jī)肥的研究還有待進(jìn)一步的深入。

水稻是浙江省主要糧食作物，2016年全省的水稻種植面積為81.83萬(wàn)hm2[9]，也是浙江省秸稈產(chǎn)生的主要來(lái)源之一。水稻秸稈每年產(chǎn)量達(dá)500萬(wàn)t左右，同樣面臨著秸稈資源化利用難題[10]。針對(duì)當(dāng)前秸稈肥料化存在問(wèn)題，本文通過(guò)秸稈機(jī)械化收集，經(jīng)機(jī)械粉碎后與不同比例的豬糞配比后進(jìn)行堆肥發(fā)酵，通過(guò)對(duì)堆肥產(chǎn)品進(jìn)行理化指標(biāo)檢測(cè)和肥效評(píng)估試驗(yàn)，探索建立秸稈堆肥化生產(chǎn)商品有機(jī)肥的技術(shù)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

稻秸稈堆肥試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省衢州市衢江區(qū)全旺鎮(zhèn)賀輅亭村衢州市春秋農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司產(chǎn)區(qū)內(nèi)。稻秸稈堆肥肥效試驗(yàn)位于全旺鎮(zhèn)水稻種植大戶水稻田中。供試水稻品種為甬優(yōu)1540。試驗(yàn)用稻秸稈由衢州市春秋農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司采取機(jī)械化操作方式收集于衢江區(qū)全旺鎮(zhèn)水稻種植大戶，累計(jì)收集水稻面積約13.33 hm2，收集稻秸稈約20 t，用于堆肥試驗(yàn)。畜禽糞主要由衢州市春秋農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司收集于全旺鎮(zhèn)規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)。

1.2 方法

稻秸稈堆肥試驗(yàn)將不同比例稻秸稈用量與畜禽糞協(xié)同發(fā)酵。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，秸稈添加量分別為20%、40%、60%。將稻秸稈與畜禽糞按照重量比均勻混合后，做成寬1 m、高1 m的條垛式堆肥，每堆總重量為10 000 kg。做堆后，前7 d每天測(cè)定堆體溫度，后面定期測(cè)定堆體溫度，直至堆肥溫度下降。堆肥結(jié)束后采集堆肥樣品，測(cè)定不同秸稈用量堆肥產(chǎn)品有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀、重金屬含量等指標(biāo)。

稻秸稈有機(jī)肥肥效試驗(yàn)選擇水稻為試驗(yàn)作物，試驗(yàn)地點(diǎn)為衢州市衢江區(qū)水稻種植大戶水稻田中，選擇相對(duì)平整、前期種植模式基本一致的試驗(yàn)地塊，對(duì)照和各處理試驗(yàn)小區(qū)面積均為60 m2。試驗(yàn)以每667 m2施常規(guī)化肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)30.27 kg，以不施秸稈有機(jī)肥作為對(duì)照，按照總養(yǎng)分相等，以20%、40%和60%比例的稻秸稈有機(jī)肥替代全部或者部分化肥作為3個(gè)處理，各按每667 m2施用200 kg，其中20%、40%和60%比例的稻秸稈有機(jī)肥替代處理小區(qū)，有機(jī)肥小區(qū)施用量分別為13.64 kg、9.36 kg和8.1 kg，化肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)施用量分別為0、8.27和12.2 kg，秸稈有機(jī)肥作為基肥一次性在水稻移栽前施入土壤中，化肥分2次施用，底肥施用60%，追肥施用40%。試驗(yàn)前采集水稻土耕層土樣品1個(gè)，樣品由5個(gè)以上該處理地塊按照耕層土壤采樣方法采集的土壤混合起來(lái)，風(fēng)干后采用四分法進(jìn)行土壤制備，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、pH、總氮、總磷、總鉀含量。

試驗(yàn)過(guò)程中定期記錄水稻生長(zhǎng)情況，記錄主要農(nóng)事操作情況。水稻收獲時(shí)，對(duì)水稻產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，采集對(duì)照和不同處理水稻田耕層土壤樣品4個(gè)，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、pH、總氮、總磷、總鉀含量。

1.3 有機(jī)肥和土壤理化性狀測(cè)定

采集的有機(jī)肥樣品按照NY 525—2012中的方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)、pH、總氮、總磷、總鉀、重金屬含量等指標(biāo)。采集的土壤樣品，分析測(cè)定土壤理化性狀。土壤pH測(cè)定按照水土比為(2.5∶1)采用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀按照《土壤農(nóng)化分析》[11]中的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和GraphPad Prism 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻秸稈的收集

為開展秸稈堆肥工藝研究，累計(jì)收集同一水稻種植大戶約13.33 hm2的水稻秸稈，收集量約20 t。收集后的稻秸稈經(jīng)粉碎機(jī)粉碎至1 cm以下，按照20%、40%和60%添加量的比例將粉碎后的稻秸稈與新鮮的豬糞攪拌均勻后做堆，在堆肥廠區(qū)內(nèi)開展堆肥試驗(yàn)。

2.2 堆肥溫度

添加不同比例稻秸稈進(jìn)行堆肥，堆肥發(fā)酵溫度變化如圖1所示。初始堆肥升溫速率隨著稻秸稈添加量的增加而增加，但40%稻秸稈添加量的最高堆肥溫度要高于20%和60%處理，20%處理的堆肥高溫期要長(zhǎng)于40%和60%處理。堆肥16 d后，40%和60%的堆肥溫度降至40 ℃左右，20%處理堆肥溫度仍達(dá)到59 ℃。

圖1 不同處理堆肥溫度的變化

2.3 堆肥養(yǎng)分變化

堆肥結(jié)束后，采集不同處理的堆肥樣品進(jìn)行堆肥理化指標(biāo)測(cè)定。

由表1可知，稻秸稈處理的有機(jī)質(zhì)含量較高；堆肥各處理隨著稻秸稈添加量的增加，其有機(jī)質(zhì)含量逐漸增高，60%稻秸稈堆肥處理的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到80.98%。堆肥結(jié)束時(shí)，堆肥各處理的pH均較高，但隨著稻秸稈添加量的增加，堆肥pH呈下降趨勢(shì)，20%處理堆肥pH為9.02，60%處理的堆肥pH為8.51。稻秸稈處理的總養(yǎng)分含量較低，堆肥各處理的總養(yǎng)分含量隨著稻秸稈添加量的增加而下降，20%處理的堆肥養(yǎng)分含量達(dá)到6.82%，而60%處理的堆肥養(yǎng)分含量?jī)H為4.05%。

表1 不同處理對(duì)稻秸稈堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分的影響

2.4 堆肥重金屬含量變化

重金屬是影響堆肥質(zhì)量安全的重要指標(biāo)。如表2所示，堆肥產(chǎn)品中的砷、鉛、鉻含量均隨著稻秸稈添加量的增加而逐漸減少，尤其是40%和60%堆肥中的鉻含量?jī)H為20%堆肥中的10.3%和7.0%。但3個(gè)處理中鎘的含量卻隨著稻秸稈添加量的增加而升高，20%堆肥處理中鎘含量?jī)H為0.3 mg·kg-1，而40%和60%處理中鎘含量分別為0.4和0.6 mg·kg-1。

表2 不同處理對(duì)稻秸稈堆肥重金屬含量的影響

2.5 稻秸稈堆肥肥效試驗(yàn)

2.5.1 不同秸稈堆肥處理對(duì)土壤理化性狀的影響

由表3可知，對(duì)照地塊的土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，僅為1.56%，而施用秸稈堆肥產(chǎn)品后土壤有機(jī)質(zhì)含量快速升高，且土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著施用秸稈堆肥的增加而增加，施用20%秸稈有機(jī)肥土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)1.98%，而施用60%秸稈有機(jī)肥土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)3.15%。

表3 不同稻秸稈堆肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

對(duì)照試驗(yàn)地塊的pH為5.22，施用有機(jī)肥處理的土壤pH均高于對(duì)照，且隨著有機(jī)肥中秸稈添加量的增加而增加，其中施用60%秸稈堆肥處理的土壤pH最高為5.66，這可能與其有機(jī)質(zhì)含量較高而具有較大緩沖性能有關(guān)。

試驗(yàn)對(duì)照區(qū)土壤的養(yǎng)分含量相對(duì)較低，肥力較差。施用秸稈有機(jī)肥后，土壤中的總養(yǎng)分含量明顯增加。其中，施用20%秸稈堆肥的綜合土壤養(yǎng)分含量最高，施用40%和60%稻秸稈堆肥的土壤總養(yǎng)分含量相接近。施用不同秸稈有機(jī)肥的土壤中養(yǎng)分比例存在差異，其中施用20%秸稈有機(jī)肥的土壤氮含量較高，而施用40%秸稈有機(jī)肥和60%秸稈有機(jī)肥的土壤中氮含量逐漸降低，而鉀含量逐漸增加，這與添加不同比例秸稈的有機(jī)肥養(yǎng)分組成相一致。

2.5.2 稻秸稈有機(jī)肥對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

由表4可知，不同處理和對(duì)照種植水稻密度約為20株·m-2。水稻分蘗后，統(tǒng)計(jì)對(duì)照和不同堆肥處理的平均分蘗數(shù)。施用20%和40%稻秸稈有機(jī)肥的處理平均分蘗數(shù)較多，多于60%處理和對(duì)照，對(duì)照的分蘗數(shù)最低。水稻成熟時(shí)，采集稻穗計(jì)數(shù)稻谷粒數(shù)，60%稻秸稈堆肥處理的平均粒數(shù)最多，20%和40%稻秸稈堆肥處理次之，對(duì)照最低。相比對(duì)照，施用稻秸稈有機(jī)肥處理的平均癟谷數(shù)較低，不同施肥處理間癟谷數(shù)也存在較大差異。其中，20%稻秸稈堆肥處理的平均癟谷數(shù)最高為17粒，60%處理的癟谷數(shù)最低為9粒。對(duì)不同處理的稻谷產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)產(chǎn)顯示，施用稻秸稈有機(jī)肥處理的均明顯高于對(duì)照。施用稻秸稈有機(jī)肥的667 m2產(chǎn)量均大于800 kg，其中40%稻秸稈有機(jī)肥處理的產(chǎn)量最高，為914 kg；20%處理的產(chǎn)量次之，而施用化肥的對(duì)照處理的產(chǎn)量?jī)H為611 kg。

表4 不同處理稻秸稈堆肥對(duì)水稻生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響

3 討論

農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物有一半以上存在于秸稈中，秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機(jī)質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生生物資源[11-12]。秸稈作為肥料化利用不僅可提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，還可增加土壤養(yǎng)分，減少化肥使用，促進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[13]。但直接還田利用易造成病害高發(fā)，造成農(nóng)藥用量增加，影響產(chǎn)量。因此，探索和建立秸稈堆肥化利用的技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)秸稈無(wú)害化還田是秸稈還田利用的重要途徑。

秸稈堆肥試驗(yàn)表明，不同比例稻秸稈添加對(duì)堆肥發(fā)酵有明顯影響。堆肥初始，升溫速率隨著稻秸稈添加量的增加而增加，這可能是由于添加較多的稻秸稈增加了孔隙度，從而增加了堆體內(nèi)的氧含量，促進(jìn)了微生物的活性。但添加較高比例的秸稈，其堆肥高溫期相對(duì)較短，20%處理的堆肥高溫期大于10 d，而40%和60%處理分別只有7和5 d，這可能是由于秸稈中主要為纖維素和木質(zhì)素等較難降解的有機(jī)物，高比例的秸稈添加導(dǎo)致微生物容易利用的碳源含量下降[8]。堆肥產(chǎn)生的高溫可有效殺滅秸稈中所帶的病原微生物、害蟲、雜草種子等[7]，較短的高溫期不利于實(shí)現(xiàn)秸稈的無(wú)害化。因此，秸稈堆肥化利用中秸稈的添加比例不宜太高。

為了實(shí)現(xiàn)秸稈堆肥化利用的可持續(xù)性，利用秸稈生產(chǎn)商品有機(jī)肥是一條有效途徑，但需符合商品有機(jī)肥質(zhì)量要求。NY 525—2012規(guī)定，商品有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)含量≥40%，總養(yǎng)分≥5%，砷、鉛、汞、鎘、鉻5個(gè)重金屬含量需要符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本研究中，測(cè)定不同比例秸稈添加量堆肥產(chǎn)品的理化指標(biāo)，只有20%稻秸稈堆肥處理的其養(yǎng)分含量、有機(jī)質(zhì)含量及重金屬含量均達(dá)到NY 525—2012中規(guī)定的商品有機(jī)肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，符合商品有機(jī)肥質(zhì)量要求。而40%和60%處理的堆肥養(yǎng)分含量低于商品有機(jī)肥養(yǎng)分含量的要求，無(wú)法用于商品有機(jī)肥的生產(chǎn)。3個(gè)處理中秸稈堆肥的砷、鉛、汞、鉻、鎘均符合NY 525—2012標(biāo)準(zhǔn)的限量要求。堆肥產(chǎn)品中的砷、鉛、鉻含量均隨著稻秸稈添加量的增加而逐漸減少，尤其是40%和60%堆肥中的鉻含量?jī)H為20%堆肥中的10.3%和7.0%，遠(yuǎn)低于有機(jī)肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)150 mg·kg-1的限量值。但40%和60%堆肥處理產(chǎn)品的鎘含量要高于20%處理，秸稈中高含量的鎘可能與衢州地區(qū)高地質(zhì)背景相關(guān)[14]。

肥效試驗(yàn)表明，相比對(duì)照，施用秸稈有機(jī)肥可快速提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值，增加土壤肥力，這是由于采用秸稈生產(chǎn)的有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量較高，提高了土壤的保肥保水能力，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致[15]。測(cè)定水稻的長(zhǎng)勢(shì)結(jié)果顯示，施用秸稈有機(jī)肥處理的每叢分蘗數(shù)、每株稻穗顆粒數(shù)(實(shí)粒)、千粒重和平均產(chǎn)量均要高于對(duì)照，說(shuō)明施用秸稈有機(jī)肥在改良土壤的同時(shí)，可以促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高水稻產(chǎn)量。其中40%堆肥處理的水稻產(chǎn)量最高，這可能與其養(yǎng)分比例更適合水稻生長(zhǎng)有關(guān)。

4 小結(jié)

收集并經(jīng)粉碎后的稻秸稈可與豬糞進(jìn)行協(xié)同發(fā)酵，其中20%稻秸稈與80%豬糞協(xié)同發(fā)酵生產(chǎn)的有機(jī)肥，其養(yǎng)分含量、有機(jī)質(zhì)含量及重金屬含量均達(dá)到商品有機(jī)肥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可用于商品有機(jī)肥生產(chǎn)。肥效試驗(yàn)表明，稻秸稈有機(jī)肥部分替代化肥，可提高土壤有機(jī)質(zhì)，改良酸化土壤，增加土壤肥力，從而提高水稻的產(chǎn)量。綜上所述，利用稻秸稈進(jìn)行商品有機(jī)肥生產(chǎn)是稻秸稈資源化利用的一條可行性途徑，相關(guān)的研究結(jié)果為稻秸稈的肥料化利用提供了一定的依據(jù)。