有机肥无机肥配施对水稻产量及重金属含量的影响

张文洁 许能祥 丁成龙 顾洪如

摘要：为高效合理地进行发酵床熟化垫料有机肥大田利用，在等氮量（225 kg/hm²）条件下，以有机肥不同比例替代化肥，研究其对水稻株高、稻草产量、稻米产量、地上部生物量、有效穗数、结实率、千粒质量、水稻不同部位及0～20 cm 耕层土壤中铜、锌和镉全量的影响。连续2年的定位试验结果表明，有机无机肥配施对水稻产量影响显著，其中25%有机肥配施处理显著提高水稻稻草产量和稻米产量及有效穗数、结实率、千粒质量等产量构成因子，50%有机肥配施处理与纯化肥处理产量差异不显著。土壤和水稻茎、叶、穗中的重金属铜、锌和镉含量均随着有机肥配施比例的增加表现为递增的趋势。水稻不同部位对不同重金属的富集能力不同，铜含量表现为稻米>茎>叶；锌表现为茎>稻米>叶；镉表现为茎>叶>稻米。水稻茎、叶和穗中的铜、锌和镉与土壤中的铜、锌和镉含量显著或极显著相关。综合分析水稻产量、水稻不同部位和土壤重金属含量，猪发酵床熟化垫料有机肥配施比例不超过50%施用效果较好。

关键词：有机肥；无机肥；配施比例；水稻；产量；重金属

中图分类号：S511.06文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）16-0069-07

收稿日期：2022-12-15

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金［编号：CX（21）2017］；江苏现代农业产业技术体系建设专项［编号：JATS（2022）440］。

作者简介：张文洁（1986—），女，山东菏泽人，博士，助理研究员，主要从事畜禽粪污资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：丁成龙，博士，研究员，主要从事饲草调制加工与利用技术研究。E-mail：dingcl@jaas.ac.cn。

随着家畜集约化、规模化养殖业的快速发展，其面临的畜禽废弃物治理问题日益突出，畜禽粪污已成为农业面源污染的主要来源^［1］。现代发酵床养猪技术模式是利用微生物分解、消化猪养殖过程中产生的粪尿，真正实现零排放、零污染的绿色养殖模式^［2］。发酵床废弃垫料营养丰富，制成有机肥料还田利用，实现养殖废弃物高效资源化利用，双向促进种植业和养殖业的发展^［3-4］。但是猪粪尿中含有大量的重金属，特别是铜、锌等元素会在发酵床里富集，直接还田利用会带来潜在风险，对农产品质量安全和生态环境安全构成严重威胁^［5-6］。学者们对发酵床垫料重金属含量及不同重金属累积规律做了大量的研究^［7-10］，但结果不尽相同。张丽萍等研究发现，铜、锌和砷易在发酵床垫料中富集，使用年限超过3年的发酵床垫料不建议直接还田利用^［8］。张霞等研究发现，施用猪发酵床熟化垫料显著提高土壤中锌、铜、铬、铅的含量^［9］。侯建华等研究表明，使用4个猪生长周期的发酵床垫料镉、铅含量超标严重，直接还田利用存在安全风险^［10］。规模化养殖畜禽粪便中重金属含量及其可能对环境造成的污染等也有相关报道^［11-12］，但猪发酵床熟化垫料作为有机肥还田后对土壤重金属积累、农作物生长和质量安全等方面的研究较少，对发酵床熟化垫料作为有机肥替代部分化肥对水稻土壤和植株不同部位重金属含量的影响研究还鲜见报道。因此，本试验在等氮养分施用条件下，研究不同比例的猪发酵床熟化垫料有机肥与化肥配施对水稻产量和土壤、水稻茎、叶、稻米中铜、锌和镉含量的影响，为长江中下游地区发酵床熟化垫料有机肥合理消纳利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在江苏省农业科学院溧水植物科学基地进行，位于江苏省南京市溧水区白马镇，属亚热带季风气候，年平均气温15.3 ℃，≥10 ℃ 的年积温4 800 ℃，年降水量1 000 mm，无霜期234 d。试验前土壤为马肝土，0～20 cm土壤理化性质：pH值6.75，有机质含量11.51 g/kg，全氮含量0.95 g/kg，速效磷含量9.45 mg/kg，速效钾含量99.51 mg/kg，全铜含量27.93 mg/kg，全锌含量73.80 mg/kg，全镉含量0.09 mg/kg。种植制度为夏水稻-冬多花黑麦草。

1.2 试验材料

供试水稻品种为南粳9108，由江苏省农业科学院粮食作物研究所提供。

试验用熟化垫料有机肥由江苏省农业科学院六合动物科学基地猪发酵床养殖场提供，是使用3年的废弃垫料经熟化堆置发酵后制成的有机肥，2019年和2020年共采用2次（肥料原料成分组成一致，其中各营养指标和重金属含量会有差异），其pH值、养分含量及重金属含量见表1。

1.3 试验设计

试验在2019—2020年期间开展，采用完全随机区组设计，以N 225 kg/hm²为基准等氮替代，设6个处理分别为：对照（CK，不施肥）；100%化肥（0%OF）；75%化肥+25%熟化垫料有机肥（25%OF）；50%化肥+50%熟化垫料有机肥（50%OF）；25%化肥+75%熟化墊料有机肥（75%OF）；100%熟化垫料有机肥（100%OF），每处理3次重复，各处理小区面积24 m²（4 m 6 m）。小区周围设置1.5 m的保护行，小区中间筑0.5 m宽的田埂，覆地膜防止水肥互相渗漏，小区设置独立进水排水。水稻分别于2019年5月10播种，2019年6月13日插秧；2020年5月13日播种，2020年6月15日插秧。随机区组设计，每小区20行，每行20株，1穴1株，株行距为 20 cm×30 cm。各处理基肥 ∶穗肥施用比例为 1 ∶1，P₂O₅含量为150 kg/hm²，K₂O含量为 150 kg/hm²，其中有机肥、磷肥及钾肥全部作基肥一次性施入，用化肥补齐不足施用比例处理的磷钾肥量，部分处理磷钾肥过量。田间管理按一般大田生产进行。施肥方案见表2。

1.4 样品采集及测定项目

分别于2019年10月8日和2020年10月12日对成熟期的水稻进行测产和考种。产量测定单打、单收，每小区实割10行，水稻实际产量以风干质量计产。每小区取代表性植株5株，进行茎、叶、穗分离，在105 ℃下杀青30 min，在65 ℃条件下烘至恒质量，称质量。

水稻收获后，每小区随机采集5点0～20 cm土壤，混匀后，在室内风干，供土壤营养成分和重金铜、锌、镉含量的测定。

参照《土壤农业化学分析方法》^［13］，对有机肥和土壤中的营养成分和元素含量进行测定，其中pH值采用酸度计测定；有机质含量采用K₂Cr₂O₇-H₂SO₄消煮后，FeSO₄滴定法测定；全氮含量采用凯氏定氮法；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；P₂O₅含量采用氟化铵-盐酸溶液，钼锑抗比色法测定；K₂O含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计测定；重金属含量采用微波消解，原子吸收法测定。

土壤全量铜、锌、镉含量采用HF-HNO₃-H₂O₂消解-ICP-MS法^［14］测定；水稻茎、叶、穗中全量铜、锌、镉的含量按照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》中的方法^［15］测定。

1.5 数据处理

用SPSS 16.0进行方差分析，用Duncans法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 有机无机肥配施对水稻产量及产量构成因子的影响

由表3可知，适当比例的有机肥配施处理显著提高水稻的株高和产量，但随着有机肥配施比例的增加株高和产量均呈现降低的趋势。稻草产量在25%有机肥配施处理下2019年和2020年分别为 5 610.20 kg/hm²和6 061.11 kg/hm²，比纯化肥处理分别提高4.63%和11.13%；而50%有机肥配施处理与纯化肥处理差异不显著，但显著高于其他处理。稻米产量25%有机肥配施处理最高，50%有机肥配施处理与纯化肥处理相当。地上部分生物量的差异与稻草产量差异相似，均是随着有机肥配施比例的增加而降低，其中2019年和2020年25%有机肥配施处理下的地上生物量分别比纯化肥处理增加4.17%和7.06%，然而50%有机肥配施处理与纯化肥处理差异不显著，但显著高于其他处理。同一施肥处理，年份间产量差异显著，随着时间的延长，有机肥配施处理显著提高水稻地上部分生物量。

不同施肥处理对水稻产量构成因子的影响差异显著（表4）。2019年和2020年水稻单位面积有效穗数均随着有机肥配施比例的增加呈现降低的趋势，其中25%有机肥配施处理下最高，分别为238.0万个/hm²和216.1万个/hm²，较纯化肥处理分别提高16.55%和18.09%。有机肥配施处理显著提高2020年水稻的实粒数，其中 25%、50%、75%、100%有机肥配施处理分别比纯化肥处理提高10.78%、11.38%、11.38%、10.18%。2019年和2020年水稻的结实率均是25%有机肥配施处理最高，50%有机肥配施处理与纯化肥处理差异不显著。施肥处理显著影响水稻的千粒质量，适当比例有机无机肥配施处理下2019年水稻的千粒质量较纯化肥处理有提高的趋势，但方差分析差异不显著；2020年25%有机肥处理最高，不施肥最低，其他处理间差异不显著。同一施肥处理，不同种植年限间差异显著，其中有机肥配施处理下，有效穗数、结实率和千粒质量有增加的趋势。

2.2 有机无机肥配施对土壤铜、锌和镉含量的影响

有机肥施用显著影响土壤中铜、锌、镉含量，且随着有机肥配施比例的增加，铜、锌、镉含量均显著增加（表5）。土壤中铜含量有机肥配施处理显著高于不施肥处理和纯化肥处理，其中100%有机肥施用处理最高，2019年和2020年分别为38.45 mg/kg和32.11 mg/kg，比纯化肥处理分别提高36.69%和17.53%。有机肥配施处理显著提高土壤锌含量，其中2019年和2020年100%有机肥配施处理含量最高，分别为106.03 mg/kg和95.42 mg/kg，较其他施肥处理增加幅度分别为3.02%～45.27%和7.88%～35.06%。土壤镉含量均是100%有机肥施用处理最高，75%有机肥配施、50%有机肥配施、25%有机肥配施和纯化肥处理差异不显著。同一施肥处理不同年份间水稻土壤中的铜、锌和镉含量差异达显著水平。2019年土壤中铜和锌含量显著高于2020年，可能与有机肥重金属输入有关，2019年施用的有机肥中的铜和锌含量显著高于2020年。

2.3 有机无机肥配施对水稻不同部位铜、锌和鎘含量的影响

由表6可知，不同施肥处理下水稻不同部位中全铜含量差异达显著水平。茎中铜含量，2019年和2020年均是100%有机肥施用处理的最高，分别为4.07 mg/kg和3.04 mg/kg，75%和50%有机肥配施处理差异不显著，但显著高于25%有机肥配施、纯化肥和不施肥处理。叶中铜含量，100%有机肥施用与75%有机肥配施处理差异不显著，但显著高于其他处理；25%有机肥配施处理和纯化肥处理差异不显著，但显著低于50%有机肥配施处理。稻米中铜含量，100%有机肥施用与75%有机肥配施处理差异不显著，但显著高于其他施肥处理。

同一施肥处理下，不同种植年限间水稻茎和稻米中的铜含量均是2019年显著高于2020年，但叶中铜含量种植年份间差异不显著。同一施肥处理，水稻不同部位的铜含量差异明显，表现为稻米>茎>叶。

由表7可知，不同施肥方式显著影响水稻不同部位锌含量，随着有机肥配施比例的增加水稻茎、叶和稻米中的锌含量均呈现增加的趋势。茎中锌含量100%有机肥施用处理最高，2019年和2020年分别为48.92 mg/kg和46.19 mg/kg，比纯化肥处理增加30.42%和22.45%；其次是75%有机肥配施处理。叶中锌含量100%有机肥施用处理最高，2019年和2020年分别为 27.60 mg/kg 和24.31 mg/kg，比不施肥处理分别增加42.49%和25.50%。稻米中锌含量有机肥配施处理显著高于纯化肥和不施肥处理，其中100%有机肥施用处理和75%有机肥配施处理最高，二者差异不显著；其次是50%和25%有机肥配施处理。同一施肥处理下，不同种植年份间水稻不同部位的锌含量差异明显，茎、叶和稻米均是2019年高于2020年。同一施肥处理不同部位间锌含量差异明显，其中茎中最高，其次是稻米，叶中含量最低。

由表8可知，施肥处理显著影响水稻不同部位镉含量，茎、叶和稻米中镉含量均随着有机肥配施比例的增加呈现增加的趋势。茎中镉含量是100%有机肥施用和75%有机肥配施处理显著高于其他处理，但二者差异不显著；50%有机肥配施和25%有机肥配施处理差异不显著，但显著高于纯化肥和不施肥处理。叶中镉含量100%有机肥施用处理最高，2019年和2020年分別为40.8 mg/kg和 35.3 mg/kg，其次是75%有机肥配施处理。稻米中镉含量100%有机肥施用处理下最高，2019年和2020年分别比不施肥处理增加66.49%和68.33%。75%和50%有机肥配施处理差异不显著，但显著高于25%有机肥配施处理、纯化肥处理和CK处理。同一施肥处理下，不同种植年份间水稻不同部位镉含量差异明显，均是2019年高于2020年。同一施肥处理，水稻不同部位镉含量表现出一致的规律性，均是茎>叶>稻米。

2.4 土壤重金属与水稻不同部位重金属的相关性

由表9可知，有机无机肥配施处理水稻地上部分不同部位重金属含量与土壤中相应重金属含量显著或极显著相关。其中，茎和稻米中铜、锌含量与土壤中铜、锌含量极显著正相关，叶中铜、锌含量与土壤中铜、锌含量显著正相关。茎、叶和稻米中镉含量与土壤中含量极显著正相关。

3 讨论

3.1 水稻产量及产量构成因子对不同施肥处理的响应

有机废弃物堆制熟化后制成有机肥与化肥配合施用不仅可以促进植物生长发育，改善产量结构，提高农作物的经济产量和生物学产量，还可以减少化肥施用量，提高氮肥利用率及降低环境污染，有利于农业生产可持续发展，实现经济和生态效益共赢^［16-20］。本研究表明，在等氮量养分施用条件下，适当比例的有机肥配施处理可以显著提高水稻的株高和产量，但随着有机肥配施比例的增加呈现下降趋势。相对于纯化肥处理，25%有机肥配施处理显著提高水稻的产量，2019年和2020年稻草产量分别提高4.63%和11.13%；稻米产量分别提高3.84%和4.11%；地上生物量分别提高4.17%和7.06%。50%有机肥配施处理的产量与纯化肥处理产量差异不显著。这可能是因为适当比例的有机肥与化肥配施有利于肥料的肥效挥发，满足作物生长所需要养分^［21-22］，但随着有机肥配施比例的增加养分的释放速度变慢，不能及时满足作物对养分的需求，从而导致水稻产量下降，这与裴雪霞等研究结果^［23］相似。有机无机肥配施对水稻产量构成因子方面的研究结果不尽相同，温延臣等研究表明，水稻有效穗数、实粒数和千粒质量等指标在有机无机肥配施处理与单施化肥处理相比差异不显著^［24］。然而，其他学者研究表明，有机肥与化肥配合施用显著影响水稻产量构成因子（显著提高水稻有效穗数和实粒数）的组成^{［19，25-26］}。在本研究中，2年的定位试验表明相对于纯化肥处理配施25%的有机肥显著提高水稻的实粒数，但结实率和千粒质量配施有机肥与纯化肥处理差异不显著，这可能与有机肥来源、水稻品种和供试土壤理化性质有关。

3.2 有机肥等氮量替代化肥对土壤和水稻不同部位重金属含量的影响

畜禽粪便重金属含量较高，作为肥料施入土壤，会直接影响土壤重金属的积累^［27-28］。在本研究中随着有机肥替代比例的增加，土壤中铜、锌和镉的含量均显著增加，但均未超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》规定的风险筛选值，说明配施有机肥促进了壤中的铜、锌和镉的富集，这与吴荣等的研究结果^［29］一致。在本研究中，2019年中土壤铜、锌和镉全量显著高于2020年，可能与有机肥中重金属含量及输入量有关，2019年熟化垫料中铜、锌和镉含量显著高于2020年。

水稻是我国最主要的粮食作物，稻草是南方农区重要的饲料资源，研究有机肥施用对稻草和稻米重金属的影响对粮食安全生产和饲料化安全利用具有重要的意义。有研究表明，长期施用有机废弃物有机肥影响作物不同部位重金属的富集^［30-31］。姚冬辉等研究表明，稻米和稻壳中重金属镉、铬、铜、锌含量和稻壳中铅含量均随着商品有机肥施用量的增加而增加^［19］；吴荣等研究表明，长期配施污泥有机肥显著提高玉米籽粒中铜和锌的含量^［29］。在本研究中，随着有机肥配施比例的增加，水稻茎、叶和穗中的铜、锌、镉含量均呈现递增的趋势，但均未超过GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》的限值。铜、锌和镉在水稻不同部位积累的量不同，铜表现为稻米>茎>叶；锌表现为茎>稻米>叶；镉表现为茎>叶>稻米，而纪玉琨等研究表明，主要农作物不同部位富集重金属的能力表现为根>叶>茎>籽^［32］，与本研究的结果不尽相同，这可能与有机肥种类及作物不同部位内部结构对重金属的吸收能力和响应机制有关，从而影响不同重金属在作物不同部位的分布^［33］。

本研究结果发现土壤中重金属含量与水稻体内重金属含量显著正相关，这表明水稻体内积累的重金属主要是从土壤中吸收而来，这与吴荣等的研究结果^［29］一致。因此，尽管配施该试验条件下的发酵床熟化垫料有机肥不会造成土壤和水稻重金属的污染风险，但熟化垫料进入土壤，土壤富集的铜、锌和镉含量与水稻体内对应的元素含量均显著正相关，在施肥过程中应注意熟化垫料有机肥的安全施用，关注土壤和作物重金属的积累，保证土壤、粮食和饲料安全。

4 结论

在等氮（多花黑麦草225 kg/hm²、水稻 225 kg/hm²）条件下，适当比例的有机肥替代化肥能够保持水稻和多花黑麦草的高产和稳产。连续2年的定位试验结果呈现一致的规律性，相对纯化肥，25%有机肥配施处理显著提高水稻产量，50%有机肥替代处理与纯化肥处理差异不显著。连续2年的定位试验结果表明，土壤和水稻茎、叶、穗中的重金属铜、锌和镉含量均随着熟化垫料有机肥配施比例的增加表现为递增的趋势，但均未超标。铜、锌和镉在水稻不同部位积累的量不同，铜表现为稻米>茎>叶；锌表现为茎>稻米>叶；镉表现为茎>葉>稻米。水稻茎、叶和穗中的铜、锌和镉含量与土壤中相应的重金属呈正相关。因此，在本试验条件下，综合产量和环境效益熟化垫料有机肥替代比例不能超过50%。

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