西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對雙季稻產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 浙江省臺州市農業科學研究院，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）

浙江省臺州市于1989 年開始引進試種西蘭花，2003 年后西蘭花種植面積已穩定在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中心[1-3]。臺州市每年收獲的西蘭花中，有1/3 以上用于速凍加工，加工過程產生的莖葉、花球廢棄物年均約5 萬t，這部分廢棄物產生時間均集中于西蘭花大量收獲時期，它們的處理成為當地政府和企業面臨的難題。目前關于西蘭花秸稈的肥料化利用研究，主要是針對收獲時殘留在田間的部分，且均以直接還田的方式開展，對于上市前加工處理過程中再次產生的大量廢棄物，當地的處理方法主要是集中收集后傾倒在田間，但過量還田不僅影響田塊來年的正常使用，還會帶來污水、臭氣等問題，同時也造成資源的嚴重浪費。

生產堆肥是現階段我國關于蔬菜廢棄物資源化利用的一種有效途徑，也是國內關于蔬菜廢棄物處理的主要研究方向[4-7]。西蘭花廢棄物養分豐富，通過采樣檢測可知，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，將成為化肥減施戰略中重要的替代肥源。筆者針對浙江沿海地區常見的“西蘭花-水稻”輪作生產模式，利用稻殼、水稻土等廉價且易獲得的材料作為西蘭花廢棄物堆肥的輔料，將充分發酵的堆肥產品與化肥配施應用在水稻上，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”輪作生產中的農業廢棄物排放和化肥投入，提高水稻產量，為實現環境友好的生態循環農業生產模式提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年3—10 月在臺州市農業科學研究院臨海市小溪村基地（121°25′15″ E，28°49′0.9″ N）開展，試驗區域內土層深厚，肥力一致，地勢平坦，試驗地土壤基本狀況：容重1.38 g/cm3、pH 5.50、有機質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

參試早稻品種為臺早733，連作晚稻品種為甬優1540。參試西蘭花廢棄物堆肥為項目組前期堆制，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量的15%和20%，堆肥物料經過粉碎攪拌擠壓處理后起堆發酵，高溫好氧堆肥過程持續28 d，充分腐熟后的堆肥產品主要養分含量為：含水率38.54%、有機質57.70%、N 含量0.62%、P2O5含量1.08%、K2O 含量2.25%。

1.3 試驗方法

早稻常規化肥用量：純N 180 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2；連作晚稻常規化肥用量：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，堆肥與化肥配比均按常規化肥施N 量折算。

試驗設8 個處理，詳見表1，每個處理3 次重復，隨機區組設計。其中T1、T2、T3、T4 處理是以無機N 減量40%為基礎，設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，有機無機N 不同配比施用。每個小區面積約20 m2，小區間用擋水板隔離，嚴格實行單獨排灌。早稻栽培密度為20 cm×14 cm，連作晚稻栽培密度為20 cm×18 cm。早稻每叢苗數為4～5株，晚稻每叢苗數為1～2 株。為保證獲得的數據與實際生產情況相一致，試驗田管理措施與大田相同。

1.4 田間調查與項目測定

及時記載水稻苗期、生育期。在早、晚稻成熟后各小區單獨測產，收割前各小區采集有代表性的5 叢水稻進行考種。每季水稻收獲結束后，各小區采集耕層0～20 cm 土壤，測定有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等土壤肥力指標。氮肥農學利用率=（施氮區產量-空白區產量）／施氮量；氮肥偏生產力=施氮區產量／施氮量[8]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2007 進行數據處理和制作圖表，采用SPSS16.0 軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對早、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 不同處理對早、晚稻產量及產量構成因素的影響

由表3 可知，不同施肥處理下早、晚稻產量表現出的規律基本一致。T6 處理的早、晚稻產量均最高，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量提高了25.06%～43.02%，晚稻產量提高了30.02%～51.32%，增產均達顯著水平。T2、T3、T4 和T6 等4 個處理的早稻產量與CK2 相比均無顯著差異，其中T6 處理增產3.05%；T3、T4 和T6 處理的晚稻產量與CK2 相比無顯著差異，其中T4、T6 處理分別增產0.48%和3.54%。4 個無機N 減量40%的處理（T1、T2、T3 和T4）早、晚稻產量均隨著堆肥施用量的增加呈增長趨勢，其中T3、T4 處理兩季水稻的產量與CK2 相比無顯著差異。3 個總N 施用量相同的有機無機肥料配施處理（T3、T5、T6）早、晚稻產量均隨著無機N 施用比例的減少呈下降趨勢。

表3 不同施肥處理水稻產量及產量構成因素

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

2.3 不同處理對水稻周年產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 處理水稻的周年產量均無顯著差異，其中T6 處理增產3.32%。

表4 不同處理下水稻周年產量和氮肥利用率

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

2.4 不同處理對早、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、晚稻的最高苗數和有效穗數均顯著提高，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 處理差異達顯著水平。與CK2 相比，各化肥減量處理早、晚稻的最高苗數、有效穗數和莖蘗成穗率均無顯著差異。化肥減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、晚稻表現的規律基本一致。

表5 不同處理下早、晚稻分蘗能力與莖蘗成穗率

2.5 不同處理對土壤肥力的影響

由表6 可知，早、晚稻收獲結束后，各處理間土壤容重均無顯著差異，與試驗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。早、晚稻收獲結束后，施用堆肥的處理間有機質含量均無顯著差異，土壤有機質含量未隨著堆肥施用量的增加而增加；T4 處理的土壤有機質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質含量較早稻收獲后均有所降低。化肥N 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；總N 施用量相同的有機無機肥料配施處理（T3、T5 和T6）土壤堿解氮含量隨著無機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 不同處理對土壤理化性質的影響

2.6 不同處理的生態經濟效益

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

表7 不同處理的生態經濟效益

3 討論

3.1 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對水稻的增產效應

西蘭花廢棄物中富含作物生長發育所需的營養元素，堆肥后作為有機肥替代部分化肥施用，既發揮了化肥養分的速效性，又發揮了有機肥的緩釋性特征，能有效提高作物產量和土壤肥力[9-11]。姚冬輝等[12]在等量氮磷鉀養分的條件下研究了商品有機肥替代部分化肥對2 年4 季水稻產量的影響，發現水稻平均產量隨著有機肥比例的增加而降低，低量有機肥替代部分化肥表現減產，但與單施化肥相比差異不顯著，而高量有機肥配比卻顯著降低水稻產量。本研究結果與其觀點基本一致，在總氮施用量相同的情況下，水稻產量隨著堆肥施用量的增加而降低，當有機N 替代比例分別為20%和40%時，水稻產量與常規化肥處理相比無顯著差異，當有機N 替代比例為60%時，水稻產量要比常規化肥處理顯著減產。王飛等[13]研究發現，紫云英還田量達18 t/hm2時減施40%的化肥可保證單季稻不減產。王建紅等[14]研究發現，當紫云英還田量達到45 t/hm2時，即便化肥減施60%仍能實現單季稻增產。本試驗研究表明，當化肥N 減量40%時，早、晚稻產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N 施用比例達到常規化肥總N 的40%和60%時，均可以使早、晚稻產量較常規化肥處理減產不顯著；當化肥N 減量20%，堆肥施用比例為常規化肥總N 的20%時，早、晚稻產量與常規化肥處理相比均實現增產。值得一提的是，在化肥N 減量40%時，水稻產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施肥處理，但是田間均未有倒伏跡象，因此今后可以繼續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，商品有機肥替代部分化肥的處理對產量構成因素（有效穗數、穗粒數和千粒重）未表現出顯著影響[18]。本研究結果顯示，與不施肥處理和常規施肥處理相比，各無機肥和有機肥配施肥處理間早、晚稻的每穗粒數、結實率和千粒重均無顯著差異，產量的差異主要由于有效穗數的增加或減少，這可能與供試的土壤、水稻品種和商品有機肥的性質不同有關[12]。

3.2 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對氮肥利用效率的影響

氮肥是影響水稻高產的一個重要因素，長期施用化肥、有機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，而有機肥的供氮方式具有漸進性，更適合作物根系對氮的吸收利用[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分利用率。強久次仁[23]研究指出，高量有機肥（75%）配施顯著提高了小麥產量和氮生理效率，但氮回收率和農學利用率卻低于單施化肥處理。陳靜蕊等[8]研究發現，隨著紫云英還田量的增加，早稻季總投入氮素的農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥回收率均呈現逐步降低的趨勢。陳琨等[24]研究發現，30%有機N+70%無機N 配施能提高氮肥吸收利用率，同時還能提高氮肥農學效率和氮肥偏生產力，但是隨著有機N 替代比例達到50%時，氮肥利用率明顯下降。本研究結果與前人觀點基本一致，在化肥N 減量40%時，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力和氮肥農學利用率均呈下降趨勢，無機氮肥偏生產力呈升高趨勢；在總N 施用量相同的情況下，隨著有機N 替代比例的增加，總氮肥偏生產力和氮肥農學利用率均呈下降趨勢，無機氮肥偏生產力呈升高趨勢。

3.3 西蘭花廢棄物堆肥與化肥減量配施對土壤的培肥效應

大量研究表明，有機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]，改善土壤團粒結構[18]，增加土壤有機碳、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷和速效鉀含量[28-30]，增加土壤微生物數量和增強微生物活性[31]。本研究結果表明，與常規化肥處理相比，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、有機質、有效磷和速效鉀含量，這與前人的觀點基本一致。兩季水稻收獲后，施用堆肥處理的土壤容重較常規化肥處理平均降低2.19%，pH 值、有機質、有效磷和速效鉀含量分別平均提高3.51%、5.50%、3.90%和30.09%。應當指出，本試驗在西蘭花廢棄物堆肥與化肥配施時，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，并未計算額外增施堆肥中的有機磷、鉀，而有機肥中所含鉀移動性強，分解后會加快其自身有機態磷釋放[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化肥對照，即使投入的總氮量為常規化肥處理的1.2 倍，土壤的堿解氮含量在兩季水稻收獲后仍比常規化肥處理下降5.76%，這可能是由于有機無機肥料配施使得更多無機氮被土壤微生物固定，避免了存于土壤中而遭受揮發損失，這與孟琳等[34]和侯紅乾等[35]的觀點相同。可見，西蘭花廢棄物堆肥對于減少化肥投入、提升土壤肥力具有很好的效果。

4 結論

與單施化肥相比，60%化肥氮配施40%、60%堆肥有機氮以及80%化肥氮配施20%堆肥有機氮，均可以實現早、晚稻及水稻周年產量的穩產或增產，提高土壤有機質、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%堆肥有機氮還可以實現節本增效81.67 元/667 m2。綜合來看，利用西蘭花加工廢棄物堆制有機肥，是減少“西蘭花—水稻”輪作生產中農業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，還可以提升水稻產量和土壤肥力，具有很大的推廣利用價值。