利用秸秆生产商品有机肥及其在水稻上的应用效果

童文彬，刘银秀，张仲友，宋建忠，王卫平，姚燕来

(1.衢江区土壤肥料技术推广站，浙江 衢州 324022； 2.浙江省农业生态与能源办公室，浙江 杭州 310012；3.衢州市春秋农业开发有限公司，浙江 衢州 324022； 4.衢江区莲花镇农业公共服务中心，浙江 衢州 324019；5.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

据统计我国每年的秸秆资源量达到9.84×108t，可收集量达到8.24×108t，玉米、水稻和小麦是三类秸秆产生最多的农作物，占秸秆总量的83.51%[1]。当前秸秆综合利用率达到81.68%，基本形成肥料化、饲料化、基料化、燃料化、原料化等“五料化”利用、农用为主的综合利用格局[1]。但是伴随着农业生产、农村生活方式的转变及能源消费结构改变等一系列新的变化，秸秆利用方式和利用途径发生了极大转变，区域性、季节性、结构性过剩现象不断凸显，为保护环境，全国各地虽然出台多个文件，严格监管秸秆焚烧，但露天焚烧屡禁不止，因此，秸秆的资源化利用仍面临着巨大挑战。

肥料化利用是当前秸秆利用的主要方向，占秸秆利用的47.20%[1]。肥料化利用可分为秸秆直接还田利用、秸秆堆肥利用等。由于直接还田利用快捷方便并高效低耗，成为当前秸秆肥料化利用的主要方式。但随着秸秆还田量的增加和时间的延长，秸秆直接还田造成的许多问题逐渐显现，如秸秆还田量过大，造成成苗率低、与作物争夺养分，造成分蘖数降低，还田后影响水稻、小麦等下茬作物的产量[2-3]。另外，秸秆还田引起的病虫害加重是另外一个重要问题，长期实施秸秆直接还田，会使一些常见病虫害加重，土传、种传病害的发生呈逐年加重趋势，如秸秆还田下水稻纹枯病发病显著增加，直接影响到农业生产，增加了农药等的用量[4-6]。探索更有效的秸秆肥料化利用方式具有重要意义。秸秆堆肥化利用是秸秆肥料化利用的另外一个重要模式。堆肥是在人为控制的好氧环境下实现有机物快速生物降解的过程，堆肥过程中微生物将有机物转化为腐殖质等高分子物质，同时堆肥过程中产生的高温可有效杀灭秸秆中的有害微生物、虫卵和杂草种子等[7]，实现秸秆的无害化和稳定化，从而减少还田后病害、虫害的发生。但由于受到秸秆自身高碳氮比，以及纤维素、木质素等难降解有机物含量高、养分含量低等因素的影响[8]，秸秆堆肥化利用生产商品有机肥的研究还有待进一步的深入。

水稻是浙江省主要粮食作物，2016年全省的水稻种植面积为81.83万hm2[9]，也是浙江省秸秆产生的主要来源之一。水稻秸秆每年产量达500万t左右，同样面临着秸秆资源化利用难题[10]。针对当前秸秆肥料化存在问题，本文通过秸秆机械化收集，经机械粉碎后与不同比例的猪粪配比后进行堆肥发酵，通过对堆肥产品进行理化指标检测和肥效评估试验，探索建立秸秆堆肥化生产商品有机肥的技术工艺。

1 材料与方法

1.1 材料

稻秸秆堆肥试验地点位于浙江省衢州市衢江区全旺镇贺辂亭村衢州市春秋农业开发有限公司产区内。稻秸秆堆肥肥效试验位于全旺镇水稻种植大户水稻田中。供试水稻品种为甬优1540。试验用稻秸秆由衢州市春秋农业开发有限公司采取机械化操作方式收集于衢江区全旺镇水稻种植大户，累计收集水稻面积约13.33 hm2，收集稻秸秆约20 t，用于堆肥试验。畜禽粪主要由衢州市春秋农业开发有限公司收集于全旺镇规模化养猪场。

1.2 方法

稻秸秆堆肥试验将不同比例稻秸秆用量与畜禽粪协同发酵。试验设3个处理，秸秆添加量分别为20%、40%、60%。将稻秸秆与畜禽粪按照重量比均匀混合后，做成宽1 m、高1 m的条垛式堆肥，每堆总重量为10 000 kg。做堆后，前7 d每天测定堆体温度，后面定期测定堆体温度，直至堆肥温度下降。堆肥结束后采集堆肥样品，测定不同秸秆用量堆肥产品有机质、氮磷钾、重金属含量等指标。

稻秸秆有机肥肥效试验选择水稻为试验作物，试验地点为衢州市衢江区水稻种植大户水稻田中，选择相对平整、前期种植模式基本一致的试验地块，对照和各处理试验小区面积均为60 m2。试验以每667 m2施常规化肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)30.27 kg，以不施秸秆有机肥作为对照，按照总养分相等，以20%、40%和60%比例的稻秸秆有机肥替代全部或者部分化肥作为3个处理，各按每667 m2施用200 kg，其中20%、40%和60%比例的稻秸秆有机肥替代处理小区，有机肥小区施用量分别为13.64 kg、9.36 kg和8.1 kg，化肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)施用量分别为0、8.27和12.2 kg，秸秆有机肥作为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%。试验前采集水稻土耕层土样品1个，样品由5个以上该处理地块按照耕层土壤采样方法采集的土壤混合起来，风干后采用四分法进行土壤制备，测定土壤有机质、pH、总氮、总磷、总钾含量。

试验过程中定期记录水稻生长情况，记录主要农事操作情况。水稻收获时，对水稻产量进行测产，采集对照和不同处理水稻田耕层土壤样品4个，测定土壤有机质、pH、总氮、总磷、总钾含量。

1.3 有机肥和土壤理化性状测定

采集的有机肥样品按照NY 525—2012中的方法测定有机质、pH、总氮、总磷、总钾、重金属含量等指标。采集的土壤样品，分析测定土壤理化性状。土壤pH测定按照水土比为(2.5∶1)采用pH计进行测定。土壤有机质、全氮、全磷、全钾按照《土壤农化分析》[11]中的方法进行测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2013和GraphPad Prism 5软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 稻秸秆的收集

为开展秸秆堆肥工艺研究，累计收集同一水稻种植大户约13.33 hm2的水稻秸秆，收集量约20 t。收集后的稻秸秆经粉碎机粉碎至1 cm以下，按照20%、40%和60%添加量的比例将粉碎后的稻秸秆与新鲜的猪粪搅拌均匀后做堆，在堆肥厂区内开展堆肥试验。

2.2 堆肥温度

添加不同比例稻秸秆进行堆肥，堆肥发酵温度变化如图1所示。初始堆肥升温速率随着稻秸秆添加量的增加而增加，但40%稻秸秆添加量的最高堆肥温度要高于20%和60%处理，20%处理的堆肥高温期要长于40%和60%处理。堆肥16 d后，40%和60%的堆肥温度降至40 ℃左右，20%处理堆肥温度仍达到59 ℃。

图1 不同处理堆肥温度的变化

2.3 堆肥养分变化

堆肥结束后，采集不同处理的堆肥样品进行堆肥理化指标测定。

由表1可知，稻秸秆处理的有机质含量较高；堆肥各处理随着稻秸秆添加量的增加，其有机质含量逐渐增高，60%稻秸秆堆肥处理的有机质含量达到80.98%。堆肥结束时，堆肥各处理的pH均较高，但随着稻秸秆添加量的增加，堆肥pH呈下降趋势，20%处理堆肥pH为9.02，60%处理的堆肥pH为8.51。稻秸秆处理的总养分含量较低，堆肥各处理的总养分含量随着稻秸秆添加量的增加而下降，20%处理的堆肥养分含量达到6.82%，而60%处理的堆肥养分含量仅为4.05%。

表1 不同处理对稻秸秆堆肥产品养分的影响

2.4 堆肥重金属含量变化

重金属是影响堆肥质量安全的重要指标。如表2所示，堆肥产品中的砷、铅、铬含量均随着稻秸秆添加量的增加而逐渐减少，尤其是40%和60%堆肥中的铬含量仅为20%堆肥中的10.3%和7.0%。但3个处理中镉的含量却随着稻秸秆添加量的增加而升高，20%堆肥处理中镉含量仅为0.3 mg·kg-1，而40%和60%处理中镉含量分别为0.4和0.6 mg·kg-1。

表2 不同处理对稻秸秆堆肥重金属含量的影响

2.5 稻秸秆堆肥肥效试验

2.5.1 不同秸秆堆肥处理对土壤理化性状的影响

由表3可知，对照地块的土壤有机质含量较低，仅为1.56%，而施用秸秆堆肥产品后土壤有机质含量快速升高，且土壤有机质含量随着施用秸秆堆肥的增加而增加，施用20%秸秆有机肥土壤有机质含量达1.98%，而施用60%秸秆有机肥土壤有机质含量达3.15%。

表3 不同稻秸秆堆肥对土壤养分的影响

对照试验地块的pH为5.22，施用有机肥处理的土壤pH均高于对照，且随着有机肥中秸秆添加量的增加而增加，其中施用60%秸秆堆肥处理的土壤pH最高为5.66，这可能与其有机质含量较高而具有较大缓冲性能有关。

试验对照区土壤的养分含量相对较低，肥力较差。施用秸秆有机肥后，土壤中的总养分含量明显增加。其中，施用20%秸秆堆肥的综合土壤养分含量最高，施用40%和60%稻秸秆堆肥的土壤总养分含量相接近。施用不同秸秆有机肥的土壤中养分比例存在差异，其中施用20%秸秆有机肥的土壤氮含量较高，而施用40%秸秆有机肥和60%秸秆有机肥的土壤中氮含量逐渐降低，而钾含量逐渐增加，这与添加不同比例秸秆的有机肥养分组成相一致。

2.5.2 稻秸秆有机肥对水稻生长及产量的影响

由表4可知，不同处理和对照种植水稻密度约为20株·m-2。水稻分蘖后，统计对照和不同堆肥处理的平均分蘖数。施用20%和40%稻秸秆有机肥的处理平均分蘖数较多，多于60%处理和对照，对照的分蘖数最低。水稻成熟时，采集稻穗计数稻谷粒数，60%稻秸秆堆肥处理的平均粒数最多，20%和40%稻秸秆堆肥处理次之，对照最低。相比对照，施用稻秸秆有机肥处理的平均瘪谷数较低，不同施肥处理间瘪谷数也存在较大差异。其中，20%稻秸秆堆肥处理的平均瘪谷数最高为17粒，60%处理的瘪谷数最低为9粒。对不同处理的稻谷产量进行测产显示，施用稻秸秆有机肥处理的均明显高于对照。施用稻秸秆有机肥的667 m2产量均大于800 kg，其中40%稻秸秆有机肥处理的产量最高，为914 kg；20%处理的产量次之，而施用化肥的对照处理的产量仅为611 kg。

表4 不同处理稻秸秆堆肥对水稻生产和产量的影响

3 讨论

农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中，秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生生物资源[11-12]。秸秆作为肥料化利用不仅可提高土壤的有机质含量，还可增加土壤养分，减少化肥使用，促进生态循环农业的发展[13]。但直接还田利用易造成病害高发，造成农药用量增加，影响产量。因此，探索和建立秸秆堆肥化利用的技术工艺，实现秸秆无害化还田是秸秆还田利用的重要途径。

秸秆堆肥试验表明，不同比例稻秸秆添加对堆肥发酵有明显影响。堆肥初始，升温速率随着稻秸秆添加量的增加而增加，这可能是由于添加较多的稻秸秆增加了孔隙度，从而增加了堆体内的氧含量，促进了微生物的活性。但添加较高比例的秸秆，其堆肥高温期相对较短，20%处理的堆肥高温期大于10 d，而40%和60%处理分别只有7和5 d，这可能是由于秸秆中主要为纤维素和木质素等较难降解的有机物，高比例的秸秆添加导致微生物容易利用的碳源含量下降[8]。堆肥产生的高温可有效杀灭秸秆中所带的病原微生物、害虫、杂草种子等[7]，较短的高温期不利于实现秸秆的无害化。因此，秸秆堆肥化利用中秸秆的添加比例不宜太高。

为了实现秸秆堆肥化利用的可持续性，利用秸秆生产商品有机肥是一条有效途径，但需符合商品有机肥质量要求。NY 525—2012规定，商品有机肥有机质含量≥40%，总养分≥5%，砷、铅、汞、镉、铬5个重金属含量需要符合相应标准规定。本研究中，测定不同比例秸秆添加量堆肥产品的理化指标，只有20%稻秸秆堆肥处理的其养分含量、有机质含量及重金属含量均达到NY 525—2012中规定的商品有机肥质量标准，符合商品有机肥质量要求。而40%和60%处理的堆肥养分含量低于商品有机肥养分含量的要求，无法用于商品有机肥的生产。3个处理中秸秆堆肥的砷、铅、汞、铬、镉均符合NY 525—2012标准的限量要求。堆肥产品中的砷、铅、铬含量均随着稻秸秆添加量的增加而逐渐减少，尤其是40%和60%堆肥中的铬含量仅为20%堆肥中的10.3%和7.0%，远低于有机肥质量标准150 mg·kg-1的限量值。但40%和60%堆肥处理产品的镉含量要高于20%处理，秸秆中高含量的镉可能与衢州地区高地质背景相关[14]。

肥效试验表明，相比对照，施用秸秆有机肥可快速提升土壤有机质含量和pH值，增加土壤肥力，这是由于采用秸秆生产的有机肥的有机质含量较高，提高了土壤的保肥保水能力，这与文献报道一致[15]。测定水稻的长势结果显示，施用秸秆有机肥处理的每丛分蘖数、每株稻穗颗粒数(实粒)、千粒重和平均产量均要高于对照，说明施用秸秆有机肥在改良土壤的同时，可以促进水稻生长，提高水稻产量。其中40%堆肥处理的水稻产量最高，这可能与其养分比例更适合水稻生长有关。

4 小结

收集并经粉碎后的稻秸秆可与猪粪进行协同发酵，其中20%稻秸秆与80%猪粪协同发酵生产的有机肥，其养分含量、有机质含量及重金属含量均达到商品有机肥的质量标准，可用于商品有机肥生产。肥效试验表明，稻秸秆有机肥部分替代化肥，可提高土壤有机质，改良酸化土壤，增加土壤肥力，从而提高水稻的产量。综上所述，利用稻秸秆进行商品有机肥生产是稻秸秆资源化利用的一条可行性途径，相关的研究结果为稻秸秆的肥料化利用提供了一定的依据。