餐廚堆肥對水稻產量、稻米品質及水土環境的影響

劉欣宇，曹 盼，林永鋒，方 昭，王琳琳，田光明

[1.中國農業大學有機循環研究院(蘇州)，江蘇蘇州 215100；2.中國農業大學資源與環境學院，北京100083；3.浙江大學環境與資源學院，浙江杭州 310058]

隨著我國經濟的不斷發展，餐廚廢棄物成為影響城鄉環境質量的一個重要問題。資源化利用是處理餐廚廢棄物的一條關鍵路徑，包括堆肥化利用、飼料化利用及生物柴油利用等。其中堆肥化利用，即餐廚堆肥，是當前餐廚廢棄物資源化利用眾多途徑中技術難度相對較低的一種方式[1]。Yang等早在1998年就提出將餐廚廢棄物作為堆肥進行資源化利用[2]；楊麗娟等研究表明，餐廚堆肥對番茄的產量及品質具有顯著的提升促進作用[3]。

有機肥的施用，能夠改善土壤的理化性質并提高作物產量及品質。餐廚堆肥相對于其他有機肥有著更加復雜的性質，在當前技術水平之下，餐廚堆肥往往含有大量的油脂及鹽分，對農作物的生長及環境容易產生不良影響[4-6]。同時，由于我國各地飲食文化、經濟發展狀況有所不同，餐廚廢棄物性質也有很大的差異，導致以不同地域餐廚廢棄物為原料制備的餐廚堆肥在養分含量、鹽分含量、含水量等方面有很大的差異。當前關于餐廚廢棄物資源化產品在農業生產中的應用已有部分研究，但研究結果卻并不完全一致[7-9]，究其原因與餐廚堆肥原始物料的基本性質差異較大有關。因此，本研究提供了試驗所用肥料的主要理化性質，可以為后人的相關研究提供參考依據。當前關于餐廚堆肥在水稻生產上應用的報道極少[10]，尤其是關于餐廚堆肥對稻米品質及稻田水體環境質量的影響未見報道。本研究以施用化肥及雞糞堆肥作為對照，重點研究餐廚堆肥應用于水稻生產過程中對水稻產量、稻米品質及水土環境的影響，從而為餐廚堆肥在農業生產上的合理應用及餐廚廢棄物的高效資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省蘇州市吳中區東山鎮，地處太湖流域，年平均氣溫18.5 ℃，最高氣溫35 ℃，最低氣溫2 ℃，年日照時數2 198 h，年降水量 967 mm。試驗地土壤為水稻土，土壤質地為黏土，是環太湖地區水稻生產的主要土壤類型，供試區域平坦向陽，排灌方便，種植前細致整地，在水稻移栽前后無化肥投入施用。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為南粳46，2007年以關東194為父本，武香粳14為母本經人工選育雜交而成。南粳46抗條紋葉枯病、中抗白葉枯病，感穗頸瘟和紋枯病。全生育期165 d左右，屬中熟晚粳類型。供試化肥為復合肥，購自江蘇華昌化工股份有限公司，試餐廚堆肥由環太湖地區收集的餐廚垃圾于環太湖有機廢棄物處理利用示范中心經好氧發酵而得。試驗地土壤及供試肥料基本情況見表1。

表1 供試土壤及肥料主要理化性質

1.3 試驗設計

試驗共設置6個處理：不施肥(CK)，等氮量化肥2.58 t/hm2(T1)，雞糞堆肥13.49 t/hm2(T2)，餐廚堆肥15 t/hm2(T3)，餐廚堆肥30 t/hm2(T4)，餐廚堆肥45 t/hm2(T5)，各處理作為水稻基肥于2020年5月21日1次施入。2020年6月5日移栽，2020年11月17日收獲。以上各處理地塊均多年連續種植水稻，各處理隨機排列，重復3次，共18個小區。

1.4 測定項目及調查方法

1.4.1 水稻產量及構成因素調查 以小區收獲后全部風干籽粒質量計算產量，產量構成因素于室內進行考種，調查有效穗數、每穗粒數、千粒質量和結實率。

1.4.2 稻米品質調查 參考江蘇省地方標準DB32/T 1762—2011《稻米食味品質評價》[11]對稻米蛋白質含量、直鏈淀粉含量及食味值進行評價；按照國家標準GB 2762—2005《食品中污染物限量》[12]對稻米汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鎘 (Cd)、鉻(Cr)、硒(Se)含量進行測定。

1.4.3 水土環境質量調查 于水稻成熟期(2020年10月21日)采集水體樣本，以腳踏真空泵采集水面以下、土表以上的水，用250 mL玻璃瓶分裝，置于4 ℃冰箱中保存，并參考國家標準GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》中規定的方法，對水樣進行評價，測定水樣中化學需氧量(COD)、pH值及懸浮物含量。

于水稻收獲當日采集土壤樣本，采樣位置為水稻根系0～15 cm處，將樣本風干、磨碎、過100 mm篩備用。土壤理化性質指標的測定參考鮑士旦的方法[13]，測定pH值、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量；依據國家標準GB 15618—2018 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》[14]中規定的方法，對土壤中的重金屬含量進行測定。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2010對試驗原始數據進行統計，利用DPS 18.1軟件進行灰色關聯度與單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻產量的影響

由表2可知，相對于化肥處理，餐廚堆肥各個施用量均對水稻產量產生了明顯的提升效果，T3、T4、T5處理相對于T1處理分別提升了3.76%、9.96%和13.14%。同時，餐廚堆肥高用量處理(T5)相對于化肥及雞糞堆肥處理的有效穗數、千粒質量及結實率也均達到了顯著差異水平(P<0.05)。在每穗粒數方面，餐廚堆肥處理與其他處理均具有顯著差異(P<0.05)。采用灰色關聯度法對表2中的數據進行分析，根據分析結果(表3)可知，有效穗數與水稻產量的關聯系數最大，說明有效穗數是影響水稻產量的關鍵因素。隨著餐廚堆肥施用量的增加，有效穗數也在逐步上升，并使水稻產量呈現遞增趨勢。

2.2 不同處理對稻米品質的影響

由表4可知，在稻米外觀品質與食味品質方面，與化肥處理及雞糞堆肥處理相比，餐廚堆肥處理降低了稻米的堊白度，T3處理水稻的堊白度在處理組中最低。餐廚堆肥處理的食味值整體大于化肥處理，其中T3處理餐廚堆肥處理的食味值最高，與雞糞堆肥處理無顯著差異。由此可見，餐廚堆肥替代化肥能夠改善稻米的外觀品質和食味品質。在稻米安全品質方面(表5)，T3處理能夠顯著降低稻米中的Hg含量，而在其他重金屬含量方面，各個處理并無顯著差異。根據國家標準GB 2762—2005《食品中污染物限量》對大米污染物的限量要求：Hg≤0.02 mg/kg、As≤0.15 mg/kg、Pb≤0.2 mg/kg、Cd≤0.2 mg/kg、Cr≤1 mg/kg、Se≤0.3 mg/kg，本試驗所有處理均符合國家標準。

表2 不同施肥處理條件下水稻產量及構成

表3 產量構成因素與水稻產量的關聯度分析

表4 不同施肥處理條件下稻米外觀與食味品質

2.3 不同施肥處理對土壤環境的影響

由表6可知，在土壤養分含量方面，施用餐廚堆肥能夠提升土壤的有機質及速效鉀含量。各處理在土壤全氮含量及pH值方面并無顯著差異，而T5處理能夠顯著提升土壤中的速效磷含量(P<0.05)。在土壤安全性方面，國家標準GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》對農用地土壤污染風險篩選值各項指標做了明確要求，本研究各處理的結果詳見表7，各處理pH值無顯著差異，重金屬含量遠低于國家標準規定的上限值，屬于安全范圍。

表5 不同施肥處理條件下稻米安全品質

表6 不同施肥處理條件下土壤養分含量

表7 不同施肥處理條件下土壤安全性指標

2.4 不同處理對稻田水體環境的影響

受限于當前處理工藝水平，餐廚廢棄物在進行堆肥化利用的過程中通常會有大量的鹽分及油脂等雜質難以去除，因此施用餐廚堆肥應格外注意對稻田水質的影響。國家標準GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》[15]中對水作作物的水質重點控制項目做出了明確的標準值：COD≤150 mg/L、懸浮物≤80 mg/L、pH值為5.5～8.5。其中，COD為以化學方法測量水樣中需要被氧化的物質的氧當量，是衡量水體有機污染的一項重要指標。本試驗相關結果見表8，所有處理的水質指標均符合國家標準的規定。相對于其他處理，施用餐廚堆肥處理顯著提升了COD及懸浮物的含量(P<0.05)，且隨著餐廚堆肥施用量的增加而不斷提升。當餐廚堆肥用量為45 t/hm2時，稻田水體中COD及懸浮物含量已接近國家標準規定的上限。由此可見，施用餐廚堆肥會對稻田水體環境產生較大的影響，但在一定用量范圍內不會超過國家相關標準的規定。

表8 不同施肥處理條件下水質指標

3 討論與結論

將餐廚廢棄物以堆肥方式進行資源化利用是學界研究較早且普遍采用的一種方式。本試驗中，相對于等氮量的化肥及雞糞堆肥，餐廚堆肥對水稻產量具有明顯的提升作用，分析其原因是餐廚堆肥能夠顯著提升水稻的有效穗數及每穗粒數，這與相關的研究結果[10]一致。

隨著人民生活質量的不斷提高，農作物的生產不應只滿足于產量的提升，更要注重其品質。為此，本試驗首次針對餐廚堆肥對稻米品質的影響進行了研究，發現施用餐廚堆肥能夠有效改善稻米的加工品質、外觀品質及食味品質，且對稻米中的大部分重金屬含量沒有明顯影響，其中施用15 t/hm2餐廚堆肥處理能夠顯著降低稻米中的Hg含量。

餐廚堆肥作為一種有機肥，能夠明顯提高土壤中的有機質及速效鉀含量，不僅高于化肥處理，而且也高于同為有機肥處理的雞糞堆肥，各處理在土壤安全性方面沒有顯著差異，表明餐廚堆肥在一定施用量范圍內對稻田土壤具有較高的安全性，并能夠改良土壤的理化性質。在農業生產過程中，農田灌溉水的安全性同樣極為重要，本試驗首次研究施用餐廚堆肥對稻田水質的影響，研究結果表明，餐廚堆肥對稻田水體中COD、懸浮物含量及pH值有著較大的影響，相對于化肥及雞糞堆肥，對水體存在著一定的污染性，但仍在國家標準所規定的安全范圍內，分析其原因在于餐廚廢棄物發酵等處理工藝未能完全去除掉其中的油脂等雜質。綜上所述，餐廚堆肥適宜替代等氮量的化肥應用于水稻生產，對農田土壤及水體的安全性符合國家標準，建議進一步加大對餐廚廢棄物處理工藝的研究。