餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施用對水稻產(chǎn)量及土壤環(huán)境的影響

王站付 邱韓英 陸利民 徐四新 楊曉磊 林天杰 朱恩

摘要：為了評估餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品的肥效和安全性，以南粳46為研究對象，設(shè)計2組餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品配施量（LKWC、HKWC），以當(dāng)?shù)亓?xí)慣配施商品有機(jī)肥量（CK）為對照，開展1季水稻田間試驗，對水稻產(chǎn)量、試驗前后土壤的物理化學(xué)性狀、微生物量、重金屬含量等指標(biāo)分別進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，與商品有機(jī)肥處理（CK）相比，等量施入餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品（LKWC）可以維持水稻產(chǎn)量，并且對于改善土壤的理化性質(zhì)、提升土壤速效養(yǎng)分含量和保肥性能、促進(jìn)土壤中微生物的生長繁殖、增加土壤微生物數(shù)量等均有顯著效果，高量施入餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品（HKWC）雖然可以顯著增加水稻產(chǎn)量，但是對土壤電導(dǎo)率的提高、As的積累存在不利風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：商品有機(jī)肥;餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品;水稻;產(chǎn)量;土壤環(huán)境;影響

中圖分類號： S141.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0093-05

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展和居民生活水平的提高，大量畜禽糞便和餐廚垃圾等有機(jī)固體廢棄物產(chǎn)生。由于畜禽糞便會散發(fā)出惡臭，且餐廚垃圾具有高含水率、高鹽分含量、高油脂含量等特點，如果處置不當(dāng)，會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。

商品有機(jī)肥是以畜禽糞便、植物秸稈、蔬菜殘體等為原料，經(jīng)過發(fā)酵腐熟后制成含碳有機(jī)物料。由于有機(jī)肥養(yǎng)分全面，因此可以提供作物生長必需的元素，有利于作物產(chǎn)量的提高，施用后肥效持久，具有培肥改土的作用，在提高農(nóng)作物的抗逆性及品質(zhì)、風(fēng)味等方面也有重要作用，因此近年來逐漸被種植戶接受[2]。餐廚垃圾由于具有高含水率、高有機(jī)質(zhì)含量和高氯含量的特性而不利于填埋或焚燒處理，若不及時處置易散發(fā)腐臭氣味，影響居民生活。近年來，國內(nèi)一些大中型城市不斷探索餐廚垃圾資源化利用的新模式，處理方法包括高溫好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、養(yǎng)殖蚯蚓后利用蚓糞殘渣作肥料、干燥熱處理和濕熱處理等。其中，將餐廚垃圾進(jìn)行好氧堆肥是處理餐廚垃圾的有效途徑之一[3-4]。目前，餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品已被應(yīng)用于園林綠地[5]、栽培基質(zhì)中[6]，在農(nóng)用地上也有少量應(yīng)用及探索研究[7-8]。

本研究以水稻為試驗材料，通過田間試驗，從生態(tài)安全角度出發(fā)探討不同量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施入對水稻產(chǎn)量、土壤微生物、土壤理化環(huán)境等的影響，并與當(dāng)?shù)亓?xí)慣施入商品有機(jī)肥用量處理進(jìn)行對照，研究餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品在水稻上的適宜施用量和替代商品有機(jī)肥的可行性，以期為今后大面積推廣餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品農(nóng)用提供實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點在上海市寶山區(qū)羅涇鎮(zhèn)寶豐園糧食專業(yè)合作社基地（121°19′28.65″E、31°27′31.13″N），土壤類型為水稻土，質(zhì)地為沙性壤土，根據(jù)土壤肥力等級標(biāo)準(zhǔn)判斷屬中等肥力，肥力均勻。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為南粳46，前茬作物是小麥;栽培模式為水旱輪作。

供試肥料：42%水稻配方肥（含有24% N、8% P2O5、10% K2O）;商品有機(jī)肥（主要成分為豬糞、鴿糞、稻糠等，有機(jī)質(zhì)含量為60.09%，全氮含量為3.01%，全磷含量為3.37%，全鉀含量為1.79%）;餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品（主要成分為餐廚垃圾、稻糠，有機(jī)質(zhì)含量為67.31%，全氮含量為4.57%，全磷含量為1.02%，全鉀含量為0.54%），尿素（46% N）。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)置2種不同物料的有機(jī)肥料產(chǎn)品（商品有機(jī)肥、餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品），以當(dāng)?shù)亓?xí)慣的化肥施肥配施商品有機(jī)肥（7.5 t/hm2）作為CK，以當(dāng)?shù)亓?xí)慣的化肥施肥配施2個不同梯度（7.5、22.5 t/hm2）的餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品作為研究對象（分別記作LKWC、HKWC），共3個處理（表1），比較習(xí)慣配施商品有機(jī)肥（CK）、等量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品（LKWC）及高用量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品（HKWC）對水稻生長和土壤環(huán)境的影響。

試驗設(shè)3個處理（3重復(fù)），每個試驗區(qū)的面積為222.23 m2，試驗區(qū)面積共計2 000 m2。于2018年6月5日開始翻地，之后劃分試驗小區(qū)，水稻移栽時間為2018年6月10日。基肥均于移栽前施入，返青肥于移栽后1周施用、分蘗肥于6月25日追施，長粗肥于7月25日追施，8月10日追施拔節(jié)孕穗肥，10月27日進(jìn)行水稻收割測產(chǎn)。

1.4 樣品的采集與測定項目、測定方法

1.4.1 樣品采集 在進(jìn)行小區(qū)試驗前及試驗后，用土鉆采集試驗地土壤耕作層混合樣品2 kg，將樣品分為2份，1份土壤鮮樣用于測定微生物數(shù)量（細(xì)菌、真菌、放線菌），另1份土樣風(fēng)干磨細(xì)后備用。檢測項目為pH值、養(yǎng)分含量、鹽分含量、有機(jī)質(zhì)含量、重金屬含量、土壤油脂含量、微生物含量。在施入供試有機(jī)肥前，采集試驗用商品有機(jī)肥和餐廚垃圾堆肥樣品1 kg，檢測養(yǎng)分含量。在水稻成熟后，每個處理按樣方收割帶回實驗室統(tǒng)計性狀。水稻收割后測定實際產(chǎn)量。

1.4.2 測定方法 含水量的測定采用烘干法;有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;pH值的測定采用pH計;電導(dǎo)率（EC）在水土質(zhì)量比為5 ∶ 1的條件下用電導(dǎo)法測定;全氮含量的測定采用半微量凱氏法;全磷含量的測定采用鉬銻抗比色法;全鉀含量的測定采用氫氟酸-高氯酸法;有效磷在用0.5 mol/L NaHCO3（pH值8.5）浸提后，使用鉬銻抗比色法測定其含量;速效鉀在用1 mol/L NH4OAc（pH值為7.0）浸提后，使用火焰光度法測定其含量;陽離子交換量采用氯化銨-乙酸銨交換法測定;重金屬元素先用H2SO4-H2O2消解，再用原子吸收分光光度法測定其含量[9];分別用牛肉膏蛋白胨、馬丁氏培養(yǎng)基、改良高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌、真菌、放線菌，再用平板培養(yǎng)計數(shù)法統(tǒng)計微生物數(shù)量[10]。水稻產(chǎn)量性狀（每穗總粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量）采用常規(guī)方法進(jìn)行測定。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行初步處理，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，并用最小顯著性差異法（LSD）比較處理間的差異顯著性，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2可知，HKWC處理水稻的有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量和實際產(chǎn)量均最高;LKWC處理水稻的有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量、實際產(chǎn)量與CK相比差異不顯著，表明施用等量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品與常規(guī)商品有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響相似，高量增施餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品能顯著增加水稻的有效穗數(shù)和實粒數(shù)、千粒質(zhì)量，優(yōu)化水稻的穗粒結(jié)構(gòu)，從而有效提高水稻產(chǎn)量。與CK相比，HKWC處理的實際產(chǎn)量增加了5.05%;LKWC較CK略有減產(chǎn)，但差異不顯著。由此可見，施用同量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品較商品有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量的影響不大，增加餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施用量對水稻增產(chǎn)有效。

2.2 不同處理對土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的影響

由表3可知，與試驗前的基礎(chǔ)土樣相比，施用有機(jī)肥、餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、總鹽含量無顯著變化，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品處理的電導(dǎo)率、有效磷含量、速效鉀含量基本顯著上升，并且隨著肥料施用量的增加而上升，高量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品對土壤中陽離子交換量的提升效果顯著，等量施用商品有機(jī)肥、餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品對土壤中全氮含量、速效鉀含量、陽離子交換量均有所下降，速效鉀、有效磷養(yǎng)分含量均有所提升。與處理前相比，CK、LKWC、HKWC處理的有效磷含量分別增加56.67%、0.87%、14.21%，速效鉀含量分別增加0.72%、3.35%、7.18%;與CK相比，LKWC、HKWC處理的電導(dǎo)率分別增加41.70%、43.21%。本研究結(jié)果表明，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品對土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、總鹽含量的影響不顯著，但是可以顯著提高土壤的電導(dǎo)率和速效養(yǎng)分含量。

2.3 不同處理對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，其群落結(jié)構(gòu)組成及群落結(jié)構(gòu)變化在一定程度上反映了土壤質(zhì)量及其功能性。有機(jī)肥和餐廚垃圾堆肥本身富含大量微生物和有機(jī)物質(zhì)，其中有機(jī)物質(zhì)可為微生物生長繁殖提供有利條件，因而施用有機(jī)肥和堆肥產(chǎn)品后土壤中的微生物數(shù)量會發(fā)生明顯變化[11]。由表4可以看出，與試驗前的基礎(chǔ)土樣相比，CK、LKWC、HKWC處理的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌生物量均明顯增加。在試驗后期，施用有機(jī)肥和堆肥產(chǎn)品的細(xì)菌生物量排序為LKWC>CK>HKWC，高量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品對土壤細(xì)菌數(shù)量增加不顯著;真菌生物量排序為CK>LKWC>HKWC，施用商品有機(jī)肥處理的真菌生物量較高，隨著餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施用量的增加，真菌生物量呈下降趨勢;放線菌生物量排序為HKWC>LKWC>CK，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品處理土壤放線菌含量顯著高于有機(jī)肥處理，高量施用餐廚垃圾與低量施用處理之間的差異不顯著（表4）。

2.4 不同有機(jī)肥及其施用量對土壤重金屬含量的影響

土壤環(huán)境質(zhì)量會影響作物的生長、結(jié)實及品質(zhì)，目前土壤中的重金屬含量已經(jīng)成為評價土壤環(huán)境質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。如表5所示，施用有機(jī)肥和堆肥產(chǎn)品后，與試驗前基礎(chǔ)土樣相比，僅As含量呈顯著增加的趨勢，其余元素含量均呈下降趨勢或無顯著變化。土壤中Cu、Cr含量均呈現(xiàn)CK>HKWC>LKWC的趨勢;Zn含量呈現(xiàn)HKWC>CK>LKWC的趨勢;Pb、Hg含量均呈現(xiàn)LKWC>HKWC>CK的趨勢;3組處理間的Cd含量無明顯差異;As含量表現(xiàn)出HKWC>LKWC>CK的趨勢。在7種重金屬中，僅As含量呈現(xiàn)出隨著有機(jī)肥、餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施用量的增加而累積的趨勢，其他元素含量未呈現(xiàn)受施入有機(jī)肥、堆肥產(chǎn)品影響而使土壤重金屬含量增加的現(xiàn)象。施入等量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品對土壤Cu、Zn、Cr含量的影響低于商品有機(jī)肥，表明餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品中重金屬含量較為安全，等量替代商品有機(jī)肥施入不會對土壤環(huán)境增加風(fēng)險，但是高量施入餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品可能有增加土壤As含量的風(fēng)險。

3 討論

3.1 配施餐廚垃圾堆肥對土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量及水稻產(chǎn)量的影響

餐廚垃圾內(nèi)含有大量營養(yǎng)物質(zhì)，主要成分是油脂和蛋白質(zhì)，且富含碳、氮元素，有機(jī)物含量較為豐富，是有機(jī)質(zhì)的主要來源。餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品不但營養(yǎng)成分齊全，有機(jī)質(zhì)含量高，而且雜質(zhì)少，重金屬含量低，有毒物質(zhì)少，具有很大的農(nóng)業(yè)應(yīng)用價值[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品能顯著提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀等養(yǎng)分含量，與單施化肥相比，可顯著增加土壤氮含量，增強土壤酶活性[13-14]。土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)是土壤有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量的增加可有效改善土壤的物理性能，調(diào)節(jié)土壤的酸堿平衡，提高作物根系活力，促進(jìn)作物生長，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

本研究結(jié)果表明，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品處理的電導(dǎo)率、有效磷、速效鉀、水稻產(chǎn)量均顯著上升，并且隨著肥料施用量的增加而上升，HKWC處理的水稻產(chǎn)量比CK增加了5.05%，與商品有機(jī)肥配施處理相比，施用餐廚垃圾堆肥處理的速效鉀含量增幅為2.64%～6.41%。在本研究中，高量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品的陽離子交換量（CEC）比試驗前提升了8.23%，陽離子交換量是土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量特征，是土壤緩沖性能的主要來源，可作為評價土壤保肥能力的指標(biāo)，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)，說明施用一定量的餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品可以提高土壤的保肥性能。由于配施餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后，一方面通過產(chǎn)品釋放營養(yǎng)元素直接補充了稻田系統(tǒng)中的土壤養(yǎng)分，另一方面由于堆肥產(chǎn)品肥效緩慢，可以調(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。較多研究者通過對番茄、油菜、青菜等多種農(nóng)作物應(yīng)用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，適量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后均不同程度地提高了農(nóng)作物產(chǎn)量[7，15-16]。不容忽視的是，施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后電導(dǎo)率增加幅度為9.88%～11.05%，由于電導(dǎo)率與鹽分含量存在正相關(guān)關(guān)系，長期大量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品在土壤中易形成鹽分積累而產(chǎn)生土壤鹽漬化。

3.2 配施餐廚垃圾堆肥對土壤環(huán)境的影響

Pascual等研究發(fā)現(xiàn)，餐廚廢棄物中含有大量氮和碳水化合物，可以作為土壤微生物的氮源和能源，從而增加土壤微生物菌群，提高土壤生物量，為作物高產(chǎn)提供良好的土壤微生物環(huán)境[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，施入有機(jī)肥和餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后的土壤微生物數(shù)量均不同程度地增加，表明通過配施一定量的有機(jī)肥和堆肥產(chǎn)品均利于土壤中微生物的生長繁殖，有益微生物的增加改善了土壤環(huán)境，促進(jìn)土壤及根際微生物的增長。同等施入量的餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品細(xì)菌數(shù)、放線菌數(shù)均顯著高于商品有機(jī)肥，但高量施用餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品，并不利于細(xì)菌和真菌數(shù)量的持續(xù)增加，對土壤放線菌數(shù)量的增加也不顯著，具體原因還有待進(jìn)一步分析檢測。

劉赫等的長期定位試驗結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥顯著增加了土壤中的Cd、Pb、Zn、Cu含量[18]。由于有機(jī)肥中飼料添加劑的使用，集約化畜禽養(yǎng)殖糞便中的重金屬含量較高。研究發(fā)現(xiàn)，以雞糞、鴿糞為原料生產(chǎn)的有機(jī)肥中As含量通常較高，以豬糞為原料生產(chǎn)的有機(jī)肥中Cu、Zn的含量較高，這可能與畜禽養(yǎng)殖過程中使用的飼料、添加劑含大量重金屬有關(guān)[19-20]。餐廚垃圾的主要成分為淀粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等，化學(xué)組成分類為淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂類和無機(jī)鹽，食品一般符合安全標(biāo)準(zhǔn)，重金屬含量較低[21]。由本研究結(jié)果可以看出，施入商品有機(jī)肥和餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品后，土壤中的As含量均呈現(xiàn)出增加趨勢，然而等量施入餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品的安全性整體優(yōu)于商品有機(jī)肥，餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品施入可以降低土壤中的部分重金屬元素含量，但是隨著餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品的高量施入，對重金屬含量的降低影響趨弱，As含量持續(xù)增加。由此可見，長期施入商品有機(jī)肥及餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品的累積效應(yīng)須引起重視，只有合理施用，才能在獲得作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時，實現(xiàn)土壤生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。

4 結(jié)論

相較于商品有機(jī)肥，施用等量餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品可以維持水稻的產(chǎn)量，對于改善土壤理化性質(zhì)、提升土壤速效養(yǎng)分含量和保肥性能、促進(jìn)土壤中微生物的生長繁殖、促進(jìn)放線菌數(shù)量增加、土壤重金屬含量的影響較小。高量施入餐廚垃圾堆肥產(chǎn)品雖然能夠顯著增加水稻產(chǎn)量，提高土壤放線菌數(shù)量，但是會對土壤電導(dǎo)率提升、土壤As含量的積累產(chǎn)生一定的影響。綜合來看，餐廚垃圾堆肥后還田是一條有效的資源化利用途徑，不但營養(yǎng)成分齊全，有機(jī)質(zhì)含量高，而且雜質(zhì)少，重金屬含量低，有毒物質(zhì)少，具有很大的推廣利用價值，可以代替商品有機(jī)肥少量應(yīng)用于農(nóng)田。但是，當(dāng)餐廚垃圾堆肥施用量過多時易造成電導(dǎo)率和As含量提高，從而對土壤環(huán)境產(chǎn)生不利影響，須要引起重視。

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