有機肥無機肥配施對水稻產(chǎn)量及重金屬含量的影響

張文潔 許能祥 丁成龍 顧洪如

摘要：為高效合理地進行發(fā)酵床熟化墊料有機肥大田利用，在等氮量（225 kg/hm²）條件下，以有機肥不同比例替代化肥，研究其對水稻株高、稻草產(chǎn)量、稻米產(chǎn)量、地上部生物量、有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量、水稻不同部位及0～20 cm 耕層土壤中銅、鋅和鎘全量的影響。連續(xù)2年的定位試驗結(jié)果表明，有機無機肥配施對水稻產(chǎn)量影響顯著，其中25%有機肥配施處理顯著提高水稻稻草產(chǎn)量和稻米產(chǎn)量及有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因子，50%有機肥配施處理與純化肥處理產(chǎn)量差異不顯著。土壤和水稻莖、葉、穗中的重金屬銅、鋅和鎘含量均隨著有機肥配施比例的增加表現(xiàn)為遞增的趨勢。水稻不同部位對不同重金屬的富集能力不同，銅含量表現(xiàn)為稻米>莖>葉；鋅表現(xiàn)為莖>稻米>葉；鎘表現(xiàn)為莖>葉>稻米。水稻莖、葉和穗中的銅、鋅和鎘與土壤中的銅、鋅和鎘含量顯著或極顯著相關(guān)。綜合分析水稻產(chǎn)量、水稻不同部位和土壤重金屬含量，豬發(fā)酵床熟化墊料有機肥配施比例不超過50%施用效果較好。

關(guān)鍵詞：有機肥；無機肥；配施比例；水稻；產(chǎn)量；重金屬

中圖分類號：S511.06文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）16-0069-07

收稿日期：2022-12-15

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金［編號：CX（21）2017］；江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項［編號：JATS（2022）440］。

作者簡介：張文潔（1986—），女，山東菏澤人，博士，助理研究員，主要從事畜禽糞污資源化利用和牧草栽培加工方面的研究。E-mail：jiexiu1228@163.com。

通信作者：丁成龍，博士，研究員，主要從事飼草調(diào)制加工與利用技術(shù)研究。E-mail：dingcl@jaas.ac.cn。

隨著家畜集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，其面臨的畜禽廢棄物治理問題日益突出，畜禽糞污已成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源^［1］。現(xiàn)代發(fā)酵床養(yǎng)豬技術(shù)模式是利用微生物分解、消化豬養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞尿，真正實現(xiàn)零排放、零污染的綠色養(yǎng)殖模式^［2］。發(fā)酵床廢棄墊料營養(yǎng)豐富，制成有機肥料還田利用，實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物高效資源化利用，雙向促進種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展^［3-4］。但是豬糞尿中含有大量的重金屬，特別是銅、鋅等元素會在發(fā)酵床里富集，直接還田利用會帶來潛在風險，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成嚴重威脅^［5-6］。學(xué)者們對發(fā)酵床墊料重金屬含量及不同重金屬累積規(guī)律做了大量的研究^［7-10］，但結(jié)果不盡相同。張麗萍等研究發(fā)現(xiàn)，銅、鋅和砷易在發(fā)酵床墊料中富集，使用年限超過3年的發(fā)酵床墊料不建議直接還田利用^［8］。張霞等研究發(fā)現(xiàn)，施用豬發(fā)酵床熟化墊料顯著提高土壤中鋅、銅、鉻、鉛的含量^［9］。侯建華等研究表明，使用4個豬生長周期的發(fā)酵床墊料鎘、鉛含量超標嚴重，直接還田利用存在安全風險^［10］。規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便中重金屬含量及其可能對環(huán)境造成的污染等也有相關(guān)報道^［11-12］，但豬發(fā)酵床熟化墊料作為有機肥還田后對土壤重金屬積累、農(nóng)作物生長和質(zhì)量安全等方面的研究較少，對發(fā)酵床熟化墊料作為有機肥替代部分化肥對水稻土壤和植株不同部位重金屬含量的影響研究還鮮見報道。因此，本試驗在等氮養(yǎng)分施用條件下，研究不同比例的豬發(fā)酵床熟化墊料有機肥與化肥配施對水稻產(chǎn)量和土壤、水稻莖、葉、稻米中銅、鋅和鎘含量的影響，為長江中下游地區(qū)發(fā)酵床熟化墊料有機肥合理消納利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水植物科學(xué)基地進行，位于江蘇省南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.3 ℃，≥10 ℃ 的年積溫4 800 ℃，年降水量1 000 mm，無霜期234 d。試驗前土壤為馬肝土，0～20 cm土壤理化性質(zhì)：pH值6.75，有機質(zhì)含量11.51 g/kg，全氮含量0.95 g/kg，速效磷含量9.45 mg/kg，速效鉀含量99.51 mg/kg，全銅含量27.93 mg/kg，全鋅含量73.80 mg/kg，全鎘含量0.09 mg/kg。種植制度為夏水稻-冬多花黑麥草。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為南粳9108，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。

試驗用熟化墊料有機肥由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合動物科學(xué)基地豬發(fā)酵床養(yǎng)殖場提供，是使用3年的廢棄墊料經(jīng)熟化堆置發(fā)酵后制成的有機肥，2019年和2020年共采用2次（肥料原料成分組成一致，其中各營養(yǎng)指標和重金屬含量會有差異），其pH值、養(yǎng)分含量及重金屬含量見表1。

1.3 試驗設(shè)計

試驗在2019—2020年期間開展，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，以N 225 kg/hm²為基準等氮替代，設(shè)6個處理分別為：對照（CK，不施肥）；100%化肥（0%OF）；75%化肥+25%熟化墊料有機肥（25%OF）；50%化肥+50%熟化墊料有機肥（50%OF）；25%化肥+75%熟化墊料有機肥（75%OF）；100%熟化墊料有機肥（100%OF），每處理3次重復(fù)，各處理小區(qū)面積24 m²（4 m 6 m）。小區(qū)周圍設(shè)置1.5 m的保護行，小區(qū)中間筑0.5 m寬的田埂，覆地膜防止水肥互相滲漏，小區(qū)設(shè)置獨立進水排水。水稻分別于2019年5月10播種，2019年6月13日插秧；2020年5月13日播種，2020年6月15日插秧。隨機區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)20行，每行20株，1穴1株，株行距為 20 cm×30 cm。各處理基肥 ∶穗肥施用比例為 1 ∶1，P₂O₅含量為150 kg/hm²，K₂O含量為 150 kg/hm²，其中有機肥、磷肥及鉀肥全部作基肥一次性施入，用化肥補齊不足施用比例處理的磷鉀肥量，部分處理磷鉀肥過量。田間管理按一般大田生產(chǎn)進行。施肥方案見表2。

1.4 樣品采集及測定項目

分別于2019年10月8日和2020年10月12日對成熟期的水稻進行測產(chǎn)和考種。產(chǎn)量測定單打、單收，每小區(qū)實割10行，水稻實際產(chǎn)量以風干質(zhì)量計產(chǎn)。每小區(qū)取代表性植株5株，進行莖、葉、穗分離，在105 ℃下殺青30 min，在65 ℃條件下烘至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。

水稻收獲后，每小區(qū)隨機采集5點0～20 cm土壤，混勻后，在室內(nèi)風干，供土壤營養(yǎng)成分和重金銅、鋅、鎘含量的測定。

參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》^［13］，對有機肥和土壤中的營養(yǎng)成分和元素含量進行測定，其中pH值采用酸度計測定；有機質(zhì)含量采用K₂Cr₂O₇-H₂SO₄消煮后，F(xiàn)eSO₄滴定法測定；全氮含量采用凱氏定氮法；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；P₂O₅含量采用氟化銨-鹽酸溶液，鉬銻抗比色法測定；K₂O含量采用乙酸銨浸提-火焰光度計測定；重金屬含量采用微波消解，原子吸收法測定。

土壤全量銅、鋅、鎘含量采用HF-HNO₃-H₂O₂消解-ICP-MS法^［14］測定；水稻莖、葉、穗中全量銅、鋅、鎘的含量按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》中的方法^［15］測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 16.0進行方差分析，用Duncans法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機無機肥配施對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表3可知，適當比例的有機肥配施處理顯著提高水稻的株高和產(chǎn)量，但隨著有機肥配施比例的增加株高和產(chǎn)量均呈現(xiàn)降低的趨勢。稻草產(chǎn)量在25%有機肥配施處理下2019年和2020年分別為 5 610.20 kg/hm²和6 061.11 kg/hm²，比純化肥處理分別提高4.63%和11.13%；而50%有機肥配施處理與純化肥處理差異不顯著，但顯著高于其他處理。稻米產(chǎn)量25%有機肥配施處理最高，50%有機肥配施處理與純化肥處理相當。地上部分生物量的差異與稻草產(chǎn)量差異相似，均是隨著有機肥配施比例的增加而降低，其中2019年和2020年25%有機肥配施處理下的地上生物量分別比純化肥處理增加4.17%和7.06%，然而50%有機肥配施處理與純化肥處理差異不顯著，但顯著高于其他處理。同一施肥處理，年份間產(chǎn)量差異顯著，隨著時間的延長，有機肥配施處理顯著提高水稻地上部分生物量。

不同施肥處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響差異顯著（表4）。2019年和2020年水稻單位面積有效穗數(shù)均隨著有機肥配施比例的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，其中25%有機肥配施處理下最高，分別為238.0萬個/hm²和216.1萬個/hm²，較純化肥處理分別提高16.55%和18.09%。有機肥配施處理顯著提高2020年水稻的實粒數(shù)，其中 25%、50%、75%、100%有機肥配施處理分別比純化肥處理提高10.78%、11.38%、11.38%、10.18%。2019年和2020年水稻的結(jié)實率均是25%有機肥配施處理最高，50%有機肥配施處理與純化肥處理差異不顯著。施肥處理顯著影響水稻的千粒質(zhì)量，適當比例有機無機肥配施處理下2019年水稻的千粒質(zhì)量較純化肥處理有提高的趨勢，但方差分析差異不顯著；2020年25%有機肥處理最高，不施肥最低，其他處理間差異不顯著。同一施肥處理，不同種植年限間差異顯著，其中有機肥配施處理下，有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒質(zhì)量有增加的趨勢。

2.2 有機無機肥配施對土壤銅、鋅和鎘含量的影響

有機肥施用顯著影響土壤中銅、鋅、鎘含量，且隨著有機肥配施比例的增加，銅、鋅、鎘含量均顯著增加（表5）。土壤中銅含量有機肥配施處理顯著高于不施肥處理和純化肥處理，其中100%有機肥施用處理最高，2019年和2020年分別為38.45 mg/kg和32.11 mg/kg，比純化肥處理分別提高36.69%和17.53%。有機肥配施處理顯著提高土壤鋅含量，其中2019年和2020年100%有機肥配施處理含量最高，分別為106.03 mg/kg和95.42 mg/kg，較其他施肥處理增加幅度分別為3.02%～45.27%和7.88%～35.06%。土壤鎘含量均是100%有機肥施用處理最高，75%有機肥配施、50%有機肥配施、25%有機肥配施和純化肥處理差異不顯著。同一施肥處理不同年份間水稻土壤中的銅、鋅和鎘含量差異達顯著水平。2019年土壤中銅和鋅含量顯著高于2020年，可能與有機肥重金屬輸入有關(guān)，2019年施用的有機肥中的銅和鋅含量顯著高于2020年。

2.3 有機無機肥配施對水稻不同部位銅、鋅和鎘含量的影響

由表6可知，不同施肥處理下水稻不同部位中全銅含量差異達顯著水平。莖中銅含量，2019年和2020年均是100%有機肥施用處理的最高，分別為4.07 mg/kg和3.04 mg/kg，75%和50%有機肥配施處理差異不顯著，但顯著高于25%有機肥配施、純化肥和不施肥處理。葉中銅含量，100%有機肥施用與75%有機肥配施處理差異不顯著，但顯著高于其他處理；25%有機肥配施處理和純化肥處理差異不顯著，但顯著低于50%有機肥配施處理。稻米中銅含量，100%有機肥施用與75%有機肥配施處理差異不顯著，但顯著高于其他施肥處理。

同一施肥處理下，不同種植年限間水稻莖和稻米中的銅含量均是2019年顯著高于2020年，但葉中銅含量種植年份間差異不顯著。同一施肥處理，水稻不同部位的銅含量差異明顯，表現(xiàn)為稻米>莖>葉。

由表7可知，不同施肥方式顯著影響水稻不同部位鋅含量，隨著有機肥配施比例的增加水稻莖、葉和稻米中的鋅含量均呈現(xiàn)增加的趨勢。莖中鋅含量100%有機肥施用處理最高，2019年和2020年分別為48.92 mg/kg和46.19 mg/kg，比純化肥處理增加30.42%和22.45%；其次是75%有機肥配施處理。葉中鋅含量100%有機肥施用處理最高，2019年和2020年分別為 27.60 mg/kg 和24.31 mg/kg，比不施肥處理分別增加42.49%和25.50%。稻米中鋅含量有機肥配施處理顯著高于純化肥和不施肥處理，其中100%有機肥施用處理和75%有機肥配施處理最高，二者差異不顯著；其次是50%和25%有機肥配施處理。同一施肥處理下，不同種植年份間水稻不同部位的鋅含量差異明顯，莖、葉和稻米均是2019年高于2020年。同一施肥處理不同部位間鋅含量差異明顯，其中莖中最高，其次是稻米，葉中含量最低。

由表8可知，施肥處理顯著影響水稻不同部位鎘含量，莖、葉和稻米中鎘含量均隨著有機肥配施比例的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。莖中鎘含量是100%有機肥施用和75%有機肥配施處理顯著高于其他處理，但二者差異不顯著；50%有機肥配施和25%有機肥配施處理差異不顯著，但顯著高于純化肥和不施肥處理。葉中鎘含量100%有機肥施用處理最高，2019年和2020年分別為40.8 mg/kg和 35.3 mg/kg，其次是75%有機肥配施處理。稻米中鎘含量100%有機肥施用處理下最高，2019年和2020年分別比不施肥處理增加66.49%和68.33%。75%和50%有機肥配施處理差異不顯著，但顯著高于25%有機肥配施處理、純化肥處理和CK處理。同一施肥處理下，不同種植年份間水稻不同部位鎘含量差異明顯，均是2019年高于2020年。同一施肥處理，水稻不同部位鎘含量表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，均是莖>葉>稻米。

2.4 土壤重金屬與水稻不同部位重金屬的相關(guān)性

由表9可知，有機無機肥配施處理水稻地上部分不同部位重金屬含量與土壤中相應(yīng)重金屬含量顯著或極顯著相關(guān)。其中，莖和稻米中銅、鋅含量與土壤中銅、鋅含量極顯著正相關(guān)，葉中銅、鋅含量與土壤中銅、鋅含量顯著正相關(guān)。莖、葉和稻米中鎘含量與土壤中含量極顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子對不同施肥處理的響應(yīng)

有機廢棄物堆制熟化后制成有機肥與化肥配合施用不僅可以促進植物生長發(fā)育，改善產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量，還可以減少化肥施用量，提高氮肥利用率及降低環(huán)境污染，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟和生態(tài)效益共贏^［16-20］。本研究表明，在等氮量養(yǎng)分施用條件下，適當比例的有機肥配施處理可以顯著提高水稻的株高和產(chǎn)量，但隨著有機肥配施比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢。相對于純化肥處理，25%有機肥配施處理顯著提高水稻的產(chǎn)量，2019年和2020年稻草產(chǎn)量分別提高4.63%和11.13%；稻米產(chǎn)量分別提高3.84%和4.11%；地上生物量分別提高4.17%和7.06%。50%有機肥配施處理的產(chǎn)量與純化肥處理產(chǎn)量差異不顯著。這可能是因為適當比例的有機肥與化肥配施有利于肥料的肥效揮發(fā)，滿足作物生長所需要養(yǎng)分^［21-22］，但隨著有機肥配施比例的增加養(yǎng)分的釋放速度變慢，不能及時滿足作物對養(yǎng)分的需求，從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降，這與裴雪霞等研究結(jié)果^［23］相似。有機無機肥配施對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子方面的研究結(jié)果不盡相同，溫延臣等研究表明，水稻有效穗數(shù)、實粒數(shù)和千粒質(zhì)量等指標在有機無機肥配施處理與單施化肥處理相比差異不顯著^［24］。然而，其他學(xué)者研究表明，有機肥與化肥配合施用顯著影響水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子（顯著提高水稻有效穗數(shù)和實粒數(shù)）的組成^{［19，25-26］}。在本研究中，2年的定位試驗表明相對于純化肥處理配施25%的有機肥顯著提高水稻的實粒數(shù)，但結(jié)實率和千粒質(zhì)量配施有機肥與純化肥處理差異不顯著，這可能與有機肥來源、水稻品種和供試土壤理化性質(zhì)有關(guān)。

3.2 有機肥等氮量替代化肥對土壤和水稻不同部位重金屬含量的影響

畜禽糞便重金屬含量較高，作為肥料施入土壤，會直接影響土壤重金屬的積累^［27-28］。在本研究中隨著有機肥替代比例的增加，土壤中銅、鋅和鎘的含量均顯著增加，但均未超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》規(guī)定的風險篩選值，說明配施有機肥促進了壤中的銅、鋅和鎘的富集，這與吳榮等的研究結(jié)果^［29］一致。在本研究中，2019年中土壤銅、鋅和鎘全量顯著高于2020年，可能與有機肥中重金屬含量及輸入量有關(guān)，2019年熟化墊料中銅、鋅和鎘含量顯著高于2020年。

水稻是我國最主要的糧食作物，稻草是南方農(nóng)區(qū)重要的飼料資源，研究有機肥施用對稻草和稻米重金屬的影響對糧食安全生產(chǎn)和飼料化安全利用具有重要的意義。有研究表明，長期施用有機廢棄物有機肥影響作物不同部位重金屬的富集^［30-31］。姚冬輝等研究表明，稻米和稻殼中重金屬鎘、鉻、銅、鋅含量和稻殼中鉛含量均隨著商品有機肥施用量的增加而增加^［19］；吳榮等研究表明，長期配施污泥有機肥顯著提高玉米籽粒中銅和鋅的含量^［29］。在本研究中，隨著有機肥配施比例的增加，水稻莖、葉和穗中的銅、鋅、鎘含量均呈現(xiàn)遞增的趨勢，但均未超過GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的限值。銅、鋅和鎘在水稻不同部位積累的量不同，銅表現(xiàn)為稻米>莖>葉；鋅表現(xiàn)為莖>稻米>葉；鎘表現(xiàn)為莖>葉>稻米，而紀玉琨等研究表明，主要農(nóng)作物不同部位富集重金屬的能力表現(xiàn)為根>葉>莖>籽^［32］，與本研究的結(jié)果不盡相同，這可能與有機肥種類及作物不同部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)對重金屬的吸收能力和響應(yīng)機制有關(guān)，從而影響不同重金屬在作物不同部位的分布^［33］。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬含量與水稻體內(nèi)重金屬含量顯著正相關(guān)，這表明水稻體內(nèi)積累的重金屬主要是從土壤中吸收而來，這與吳榮等的研究結(jié)果^［29］一致。因此，盡管配施該試驗條件下的發(fā)酵床熟化墊料有機肥不會造成土壤和水稻重金屬的污染風險，但熟化墊料進入土壤，土壤富集的銅、鋅和鎘含量與水稻體內(nèi)對應(yīng)的元素含量均顯著正相關(guān)，在施肥過程中應(yīng)注意熟化墊料有機肥的安全施用，關(guān)注土壤和作物重金屬的積累，保證土壤、糧食和飼料安全。

4 結(jié)論

在等氮（多花黑麥草225 kg/hm²、水稻 225 kg/hm²）條件下，適當比例的有機肥替代化肥能夠保持水稻和多花黑麥草的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。連續(xù)2年的定位試驗結(jié)果呈現(xiàn)一致的規(guī)律性，相對純化肥，25%有機肥配施處理顯著提高水稻產(chǎn)量，50%有機肥替代處理與純化肥處理差異不顯著。連續(xù)2年的定位試驗結(jié)果表明，土壤和水稻莖、葉、穗中的重金屬銅、鋅和鎘含量均隨著熟化墊料有機肥配施比例的增加表現(xiàn)為遞增的趨勢，但均未超標。銅、鋅和鎘在水稻不同部位積累的量不同，銅表現(xiàn)為稻米>莖>葉；鋅表現(xiàn)為莖>稻米>葉；鎘表現(xiàn)為莖>葉>稻米。水稻莖、葉和穗中的銅、鋅和鎘含量與土壤中相應(yīng)的重金屬呈正相關(guān)。因此，在本試驗條件下，綜合產(chǎn)量和環(huán)境效益熟化墊料有機肥替代比例不能超過50%。

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