餐厨堆肥对水稻产量、稻米品质及水土环境的影响

刘欣宇，曹 盼，林永锋，方 昭，王琳琳，田光明

[1.中国农业大学有机循环研究院(苏州)，江苏苏州 215100；2.中国农业大学资源与环境学院，北京100083；3.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州 310058]

随着我国经济的不断发展，餐厨废弃物成为影响城乡环境质量的一个重要问题。资源化利用是处理餐厨废弃物的一条关键路径，包括堆肥化利用、饲料化利用及生物柴油利用等。其中堆肥化利用，即餐厨堆肥，是当前餐厨废弃物资源化利用众多途径中技术难度相对较低的一种方式[1]。Yang等早在1998年就提出将餐厨废弃物作为堆肥进行资源化利用[2]；杨丽娟等研究表明，餐厨堆肥对番茄的产量及品质具有显著的提升促进作用[3]。

有机肥的施用，能够改善土壤的理化性质并提高作物产量及品质。餐厨堆肥相对于其他有机肥有着更加复杂的性质，在当前技术水平之下，餐厨堆肥往往含有大量的油脂及盐分，对农作物的生长及环境容易产生不良影响[4-6]。同时，由于我国各地饮食文化、经济发展状况有所不同，餐厨废弃物性质也有很大的差异，导致以不同地域餐厨废弃物为原料制备的餐厨堆肥在养分含量、盐分含量、含水量等方面有很大的差异。当前关于餐厨废弃物资源化产品在农业生产中的应用已有部分研究，但研究结果却并不完全一致[7-9]，究其原因与餐厨堆肥原始物料的基本性质差异较大有关。因此，本研究提供了试验所用肥料的主要理化性质，可以为后人的相关研究提供参考依据。当前关于餐厨堆肥在水稻生产上应用的报道极少[10]，尤其是关于餐厨堆肥对稻米品质及稻田水体环境质量的影响未见报道。本研究以施用化肥及鸡粪堆肥作为对照，重点研究餐厨堆肥应用于水稻生产过程中对水稻产量、稻米品质及水土环境的影响，从而为餐厨堆肥在农业生产上的合理应用及餐厨废弃物的高效资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省苏州市吴中区东山镇，地处太湖流域，年平均气温18.5 ℃，最高气温35 ℃，最低气温2 ℃，年日照时数2 198 h，年降水量 967 mm。试验地土壤为水稻土，土壤质地为黏土，是环太湖地区水稻生产的主要土壤类型，供试区域平坦向阳，排灌方便，种植前细致整地，在水稻移栽前后无化肥投入施用。

1.2 试验材料

供试水稻品种为南粳46，2007年以关东194为父本，武香粳14为母本经人工选育杂交而成。南粳46抗条纹叶枯病、中抗白叶枯病，感穗颈瘟和纹枯病。全生育期165 d左右，属中熟晚粳类型。供试化肥为复合肥，购自江苏华昌化工股份有限公司，试餐厨堆肥由环太湖地区收集的餐厨垃圾于环太湖有机废弃物处理利用示范中心经好氧发酵而得。试验地土壤及供试肥料基本情况见表1。

表1 供试土壤及肥料主要理化性质

1.3 试验设计

试验共设置6个处理：不施肥(CK)，等氮量化肥2.58 t/hm2(T1)，鸡粪堆肥13.49 t/hm2(T2)，餐厨堆肥15 t/hm2(T3)，餐厨堆肥30 t/hm2(T4)，餐厨堆肥45 t/hm2(T5)，各处理作为水稻基肥于2020年5月21日1次施入。2020年6月5日移栽，2020年11月17日收获。以上各处理地块均多年连续种植水稻，各处理随机排列，重复3次，共18个小区。

1.4 测定项目及调查方法

1.4.1 水稻产量及构成因素调查 以小区收获后全部风干籽粒质量计算产量，产量构成因素于室内进行考种，调查有效穗数、每穗粒数、千粒质量和结实率。

1.4.2 稻米品质调查 参考江苏省地方标准DB32/T 1762—2011《稻米食味品质评价》[11]对稻米蛋白质含量、直链淀粉含量及食味值进行评价；按照国家标准GB 2762—2005《食品中污染物限量》[12]对稻米汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、镉 (Cd)、铬(Cr)、硒(Se)含量进行测定。

1.4.3 水土环境质量调查 于水稻成熟期(2020年10月21日)采集水体样本，以脚踏真空泵采集水面以下、土表以上的水，用250 mL玻璃瓶分装，置于4 ℃冰箱中保存，并参考国家标准GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》中规定的方法，对水样进行评价，测定水样中化学需氧量(COD)、pH值及悬浮物含量。

于水稻收获当日采集土壤样本，采样位置为水稻根系0～15 cm处，将样本风干、磨碎、过100 mm筛备用。土壤理化性质指标的测定参考鲍士旦的方法[13]，测定pH值、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量；依据国家标准GB 15618—2018 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[14]中规定的方法，对土壤中的重金属含量进行测定。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010对试验原始数据进行统计，利用DPS 18.1软件进行灰色关联度与单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由表2可知，相对于化肥处理，餐厨堆肥各个施用量均对水稻产量产生了明显的提升效果，T3、T4、T5处理相对于T1处理分别提升了3.76%、9.96%和13.14%。同时，餐厨堆肥高用量处理(T5)相对于化肥及鸡粪堆肥处理的有效穗数、千粒质量及结实率也均达到了显著差异水平(P<0.05)。在每穗粒数方面，餐厨堆肥处理与其他处理均具有显著差异(P<0.05)。采用灰色关联度法对表2中的数据进行分析，根据分析结果(表3)可知，有效穗数与水稻产量的关联系数最大，说明有效穗数是影响水稻产量的关键因素。随着餐厨堆肥施用量的增加，有效穗数也在逐步上升，并使水稻产量呈现递增趋势。

2.2 不同处理对稻米品质的影响

由表4可知，在稻米外观品质与食味品质方面，与化肥处理及鸡粪堆肥处理相比，餐厨堆肥处理降低了稻米的垩白度，T3处理水稻的垩白度在处理组中最低。餐厨堆肥处理的食味值整体大于化肥处理，其中T3处理餐厨堆肥处理的食味值最高，与鸡粪堆肥处理无显著差异。由此可见，餐厨堆肥替代化肥能够改善稻米的外观品质和食味品质。在稻米安全品质方面(表5)，T3处理能够显著降低稻米中的Hg含量，而在其他重金属含量方面，各个处理并无显著差异。根据国家标准GB 2762—2005《食品中污染物限量》对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，本试验所有处理均符合国家标准。

表2 不同施肥处理条件下水稻产量及构成

表3 产量构成因素与水稻产量的关联度分析

表4 不同施肥处理条件下稻米外观与食味品质

2.3 不同施肥处理对土壤环境的影响

由表6可知，在土壤养分含量方面，施用餐厨堆肥能够提升土壤的有机质及速效钾含量。各处理在土壤全氮含量及pH值方面并无显著差异，而T5处理能够显著提升土壤中的速效磷含量(P<0.05)。在土壤安全性方面，国家标准GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》对农用地土壤污染风险筛选值各项指标做了明确要求，本研究各处理的结果详见表7，各处理pH值无显著差异，重金属含量远低于国家标准规定的上限值，属于安全范围。

表5 不同施肥处理条件下稻米安全品质

表6 不同施肥处理条件下土壤养分含量

表7 不同施肥处理条件下土壤安全性指标

2.4 不同处理对稻田水体环境的影响

受限于当前处理工艺水平，餐厨废弃物在进行堆肥化利用的过程中通常会有大量的盐分及油脂等杂质难以去除，因此施用餐厨堆肥应格外注意对稻田水质的影响。国家标准GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》[15]中对水作作物的水质重点控制项目做出了明确的标准值：COD≤150 mg/L、悬浮物≤80 mg/L、pH值为5.5～8.5。其中，COD为以化学方法测量水样中需要被氧化的物质的氧当量，是衡量水体有机污染的一项重要指标。本试验相关结果见表8，所有处理的水质指标均符合国家标准的规定。相对于其他处理，施用餐厨堆肥处理显著提升了COD及悬浮物的含量(P<0.05)，且随着餐厨堆肥施用量的增加而不断提升。当餐厨堆肥用量为45 t/hm2时，稻田水体中COD及悬浮物含量已接近国家标准规定的上限。由此可见，施用餐厨堆肥会对稻田水体环境产生较大的影响，但在一定用量范围内不会超过国家相关标准的规定。

表8 不同施肥处理条件下水质指标

3 讨论与结论

将餐厨废弃物以堆肥方式进行资源化利用是学界研究较早且普遍采用的一种方式。本试验中，相对于等氮量的化肥及鸡粪堆肥，餐厨堆肥对水稻产量具有明显的提升作用，分析其原因是餐厨堆肥能够显著提升水稻的有效穗数及每穗粒数，这与相关的研究结果[10]一致。

随着人民生活质量的不断提高，农作物的生产不应只满足于产量的提升，更要注重其品质。为此，本试验首次针对餐厨堆肥对稻米品质的影响进行了研究，发现施用餐厨堆肥能够有效改善稻米的加工品质、外观品质及食味品质，且对稻米中的大部分重金属含量没有明显影响，其中施用15 t/hm2餐厨堆肥处理能够显著降低稻米中的Hg含量。

餐厨堆肥作为一种有机肥，能够明显提高土壤中的有机质及速效钾含量，不仅高于化肥处理，而且也高于同为有机肥处理的鸡粪堆肥，各处理在土壤安全性方面没有显著差异，表明餐厨堆肥在一定施用量范围内对稻田土壤具有较高的安全性，并能够改良土壤的理化性质。在农业生产过程中，农田灌溉水的安全性同样极为重要，本试验首次研究施用餐厨堆肥对稻田水质的影响，研究结果表明，餐厨堆肥对稻田水体中COD、悬浮物含量及pH值有着较大的影响，相对于化肥及鸡粪堆肥，对水体存在着一定的污染性，但仍在国家标准所规定的安全范围内，分析其原因在于餐厨废弃物发酵等处理工艺未能完全去除掉其中的油脂等杂质。综上所述，餐厨堆肥适宜替代等氮量的化肥应用于水稻生产，对农田土壤及水体的安全性符合国家标准，建议进一步加大对餐厨废弃物处理工艺的研究。