餐廚堆肥配制基質(zhì)對水稻的育苗效果及應用成本分析

曹盼，敖暉，韓奇航，王文婷，劉錚，劉欣宇

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學有機循環(huán)研究院(蘇州)，江蘇蘇州 215100；3. 中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100083；4. 遼寧省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)村經(jīng)濟研究所，遼寧沈陽 110161)

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活質(zhì)量明顯提高，相應產(chǎn)生的餐廚廢棄物所帶來的環(huán)境問題日益顯現(xiàn)[1]。 產(chǎn)出量大、成分復雜是餐廚廢棄物的兩個重要特點，是垃圾科學分類及有機廢棄物資源化利用所面對的重點難題[2]。 在當前技術背景下，餐廚廢棄物的最佳資源化利用方式之一為堆肥化利用，而由餐廚廢棄物所制成的堆肥即餐廚堆肥在當前肥料市場中尚未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，這不利于反向促進餐廚廢棄物堆肥化利用相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為此，劉欣宇等[3，4]在早期的研究中提出將餐廚堆肥應用于蔬菜育苗基質(zhì)的方法，以促進餐廚堆肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用。

育苗基質(zhì)的應用在很大程度上提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，基質(zhì)育苗能夠明顯提升作物種子的出苗率，提高秧苗質(zhì)量，進而實現(xiàn)農(nóng)作物的早收多收，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。 然而當前針對育苗基質(zhì)的一項主要研究是如何對育苗基質(zhì)中的泥炭進行合理替代。 泥炭屬于不可再生資源，過度開采對自然環(huán)境的安全造成極大破壞。 當前普遍認為椰糠是對泥炭具有較好替代效果的可再生能源之一[5]，但相對而言椰糠的價格較高，對于育苗基質(zhì)生產(chǎn)的相關企業(yè)來說并非是最佳選擇。 如何尋找出一種高效且價廉的可再生資源對育苗基質(zhì)中的泥炭進行替代是擺在眾多相關學者面前的一項重要課題。 經(jīng)過多年探索，部分堆肥化產(chǎn)物已被篩選出并認為它們具有替代部分泥炭用于育苗基質(zhì)配制的潛力，如畜禽糞便堆肥[6]、秸稈堆肥[7]等。 筆者曾對豬糞堆肥及雞糞堆肥在水稻育苗基質(zhì)中的應用比重進行過探索，發(fā)現(xiàn)雞糞堆肥和豬糞堆肥各自對泥炭進行20%和40%的替代，能夠取得較好的育苗效果，但關于餐廚堆肥在水稻育苗基質(zhì)配制方面的應用尚未見到明確報道。 為此，本試驗采用室內(nèi)苗盤育苗方式，以20%體積比重為替代梯度，研究水稻育苗基質(zhì)中餐廚堆肥替代泥炭的效果，旨在獲得適宜的育苗基質(zhì)配方，為促進水稻生產(chǎn)及餐廚廢棄物資源化利用提供新的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022 年7 月25 日至8 月9 日在中國農(nóng)業(yè)大學有機循環(huán)研究院(蘇州)人工氣候與植物培養(yǎng)中心開展。 供試作物為水稻，品種為南粳46 號。 供試餐廚堆肥(價格:0.11 元/L)，用環(huán)太湖地區(qū)收集的餐廚垃圾于環(huán)太湖有機廢棄物處理利用示范中心經(jīng)好氧發(fā)酵完全腐熟得到；供試雞糞堆肥(價格:0.60 元/L)、豬糞堆肥(價格:0.35元/L)、泥炭(價格:0.25 元/L)購自綠源美家農(nóng)業(yè)科技有限公司；供試蛭石(價格:0.16 元/L)由中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院提供。 基質(zhì)采用新鮮原材料配制。 原材料主要理化性質(zhì)詳見表1。

1.2 試驗設計與管理

1.2.1 試驗設計 試驗共設置8 個處理，每處理重復3 次。 各處理所對應的基質(zhì)材料體積比重詳見表2。

1.2.2 育苗基質(zhì)制備 按照表2 所述的各處理設計，于2022 年7 月25 日將經(jīng)過風干的育苗基質(zhì)原材料按比例裝入60 cm×48 cm×20 cm 的塑料盆中，混合均勻。 各處理采集樣品500 g 以備檢測。

1.2.3 播種與管理 將各處理育苗基質(zhì)置于水稻育苗盤(30 cm×10 cm×1 cm)中，每盤點播經(jīng)浸種催芽后的水稻種子50 粒，播種在距離基質(zhì)表層0.2 cm 處。 之后，育苗盤置于人工氣候室，在28℃、80%濕度條件下培養(yǎng)14 d(2022 年7 月25日至8 月9 日)。 各處理統(tǒng)一進行澆水，每個育苗盤澆水1000 mL，試驗期間每2 d 補水500 mL。

1.3 指標測定及方法

1.3.1 育苗基質(zhì)理化性質(zhì)測定 參考農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2118—2012[8]對樣品基質(zhì)的容重、通氣孔隙度進行測定:選取體積為200 mL 的帶底蓋環(huán)刀，稱取環(huán)刀重記為M0；將新鮮基質(zhì)樣品均勻裝入環(huán)刀中，稱取環(huán)刀和基質(zhì)重記為M1；將風干基質(zhì)樣品以育苗時的緊實狀態(tài)裝入環(huán)刀并扣上帶孔的頂蓋，之后置于清水中浸泡24 h 稱重，記為M2；將環(huán)刀置于鋪有濾紙的漏斗上自然瀝干3 h稱重，記為M3。 指標計算公式如下:

參考鮑士旦[9]的方法測定樣品基質(zhì)的pH值、EC 值和堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量。

1.3.2 水稻幼苗生長指標測定 播種后5 d(2022 年7 月30 日)統(tǒng)計水稻種子出苗數(shù)，計算出苗率；播種后14 d，每個育苗盤隨機選取幼苗15 株，用直尺測其株高，用游標卡尺測其莖粗。用電子天平稱取各處理水稻幼苗地上部、地下部鮮重，然后90℃殺酶、60℃烘干至恒重，測定相應干重并計算壯苗指數(shù)。 壯苗指數(shù)計算公式如下:

1.3.3 水稻幼苗根系生化指標測定 播種后14 d，每個育苗盤隨機選取幼苗15 株用于根系生化指標測定。 采用硫代巴比妥酸法[10]測定水稻幼苗根系丙二醛(MDA)含量，采用愈創(chuàng)木酚法[11]測定過氧化物酶(POD)活性，采用分光光度法[12]測定過氧化氫酶(CAT)活性，采用氮藍四唑光化還原法[13]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2019 對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，采用DPS 18.1 軟件以鄧肯氏新復極差法對數(shù)據(jù)進行方差分析，利用Origin 2021 Pro 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)分析

由表3 可以看出，無論以何種有機肥對泥炭進行替代均會導致水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生明顯變化。 當前關于水稻育苗基質(zhì)暫時還未出臺相關的農(nóng)業(yè)行業(yè)標準，故而根據(jù)因地制宜原則[14]，本研究以蘇州市農(nóng)業(yè)地方標準《DB3205/T 212—2014 水稻工廠化基質(zhì)育秧技術規(guī)程》[15]中規(guī)定的技術指標對不同水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)進行對比評價。 DB3205/T 212—2014 中規(guī)定，水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)應符合:0.10 g/cm3≤容重≤0.80 g/cm3、10%≤通氣孔隙度≤40%、6.5≤pH 值≤7.5、EC 值≤1.3 mS/cm、有機質(zhì)含量≥15.0%。 可知，各處理在容重、通氣孔隙度及有機質(zhì)含量方面均符合該標準，而CK、CF 及PF 處理pH 值雖不在該標準的規(guī)定范圍內(nèi)，但根據(jù)前人的研究，pH值在5.5～6.5 范圍內(nèi)能夠為水稻幼苗生長提供較為合適的酸堿環(huán)境[16]。 隨著有機肥替代泥炭的比重增大，水稻育苗基質(zhì)的pH 值、容重、通氣孔隙度、EC 值及有機質(zhì)含量均出現(xiàn)較為明顯的上升趨勢。 當餐廚堆肥對泥炭的替代量達到60%時，水稻育苗基質(zhì)pH 值為7.73，已超出DB3205/T 212—2014 中的規(guī)定。 當餐廚堆肥對泥炭的替代量達到40%時，水稻育苗基質(zhì)EC 值為1.44 mS/cm，同樣超出DB3205/T 212—2014 中的規(guī)定。 在水稻育苗基質(zhì)的養(yǎng)分指標方面，DB3205/T 212—2014 未對其進行詳細規(guī)定，但根據(jù)表3 中數(shù)據(jù)可知，隨著餐廚堆肥替代泥炭量的加大，各處理的有機質(zhì)、有效磷及速效鉀含量均呈現(xiàn)較為顯著的提升，除WF1 處理有效磷外其它均顯著高于CK、CF 及PF 處理。

表3 不同水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)

2.2 不同水稻育苗基質(zhì)對幼苗生長的影響

由表4 可以看出，當餐廚堆肥對泥炭的替代量達到80%時，水稻種子出苗率顯著下降。 餐廚堆肥的添加對水稻幼苗株高有顯著消極影響，當餐廚堆肥對泥炭的替代量為20%時，幼苗株高比CK 降低9.43%，且隨著餐廚堆肥替代量的加大，幼苗株高呈現(xiàn)顯著降低趨勢。 根據(jù)DB3205/T 212—2014 中的規(guī)定，育苗12～14 d 時，幼苗株高應達到12 ～17 cm，出苗率不低于85%。 可以看出，餐廚堆肥替代泥炭量為20%能夠符合該標準中的規(guī)定。 幼苗莖粗方面，除WF5 外，各處理均未表現(xiàn)出顯著差異。 生物量方面，隨著餐廚堆肥替代量的加大，水稻幼苗地上(下)部鮮(干)重均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。 其中，餐廚堆肥替代泥炭量為20%時幼苗地下部生物量比CK 均表現(xiàn)出顯著促進作用，與CF、PF 處理的表現(xiàn)相近；地上部生物量方面，不同于CF、PF 處理，WF1 處理相對于CK 并未表現(xiàn)出促進作用。 采用壯苗指數(shù)對不同水稻育苗基質(zhì)處理的幼苗生長指標進行綜合評價，結(jié)果顯示，PF 及WF1 處理表現(xiàn)最佳，其中WF1 壯苗指數(shù)較CK 提高34.83%，而隨著餐廚堆肥替代量的增大，各處理的壯苗指數(shù)呈明顯降低趨勢。

表4 不同水稻育苗基質(zhì)處理的幼苗生長指標

2.3 不同水稻育苗基質(zhì)對幼苗生化指標的影響

有機肥的添加使得水稻育苗基質(zhì)的EC 值明顯上升，尤其是餐廚堆肥因原材料往往存在大量鹽分[17]，而對植株幼苗生長產(chǎn)生不利影響。 對水稻幼苗根系生化指標的測定發(fā)現(xiàn)，隨著餐廚堆肥用量加大，根系MDA 含量呈顯著上升態(tài)勢(圖1A)，這表示餐廚堆肥的添加相比其它處理均使得幼苗根系出現(xiàn)一定程度的膜脂損傷。 而為了消除因有機肥添加所帶來的相應脅迫，水稻根系CAT(圖1B)、POD(圖1C)及SOD 活性(圖1D)均呈較為明顯的上升趨勢。 其中，隨著餐廚堆肥用量加大，CAT 及SOD 活性均呈現(xiàn)顯著上升趨勢。 相比CK，餐廚堆肥替代泥炭量為100%時，CAT、POD、SOD 活性分別提高213.23%、46.37%和132.77%。相比CF、PF 處理，餐廚堆肥的添加同樣使得水稻幼苗根系發(fā)生更嚴重的膜脂過氧化現(xiàn)象，并且產(chǎn)生更高的抗氧化酶活性以應對生長脅迫。

圖1 不同水稻育苗基質(zhì)處理的幼苗生化指標

2.4 不同水稻育苗基質(zhì)的配制成本分析

配制成本關系著生產(chǎn)方對原料的選擇，并最終影響產(chǎn)品在市場中的競爭力。 由表5 可知，隨著餐廚堆肥逐步替代泥炭，相關水稻育苗基質(zhì)的配制成本也在逐步下降。 當餐廚堆肥替代泥炭的比例為20%時，其配制成本為0.19 元/L，比CK降低9.53%。 豬糞堆肥替代40%的泥炭配制水稻育苗基質(zhì)，其成本比WF1 處理提高31.58%，比CK提高19.05%，雞糞堆肥處理與之配制成本類似。從成本角度考慮，相對于豬糞堆肥與雞糞堆肥，水稻育苗基質(zhì)生產(chǎn)方用餐廚堆肥替代泥炭更有利。

表5 不同水稻育苗基質(zhì)的配制成本

3 討論

當前關于育苗基質(zhì)的研究中，如何降低泥炭的使用量是最為重要的課題之一。 筆者曾對142項育苗基質(zhì)發(fā)明專利的配方進行過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)畜禽糞便堆肥、菌菇渣與椰糠是當前用于替代泥炭的三種熱門有機廢棄物。 而在市場層面，泥炭在育苗基質(zhì)中的使用量仍不可小視。 除了泥炭之外，東北地區(qū)的黑土近些年也逐漸成為育苗基質(zhì)相關生產(chǎn)方的用料選擇之一，相關產(chǎn)業(yè)鏈嚴重威脅到東北地區(qū)的糧食生產(chǎn)安全[18]。 為此，如何尋找一種可以為市場所接受的泥炭替代品，是眾多學者最終所要面對的問題。 本研究以餐廚堆肥對水稻育苗基質(zhì)中的泥炭進行替代，并以前期研究證明具有較好育苗效果的“10%雞糞堆肥+40%泥炭+50%蛭石”“20%豬糞堆肥+30%泥炭+50%蛭石”水稻育苗基質(zhì)為對照進行試驗，結(jié)果顯示，使用雞糞堆肥、豬糞堆肥及餐廚堆肥對泥炭進行替代均會導致水稻育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生明顯變化。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于泥炭與上述三種有機肥的原始理化性質(zhì)存在較大差別，其中餐廚堆肥的pH 值、EC 值比泥炭分別高出93.23%和944.89%，而pH 值與EC 值是影響幼苗生長最關鍵的基質(zhì)內(nèi)環(huán)境因素。 筆者在對蔬菜育苗基質(zhì)的相關研究中發(fā)現(xiàn)，添加硫磺能夠顯著降低蔬菜育苗基質(zhì)的pH 值，同時使得作物葉面積及葉綠素等指標均表現(xiàn)更佳，而水稻育苗基質(zhì)是否適宜采取同樣的手段以降低pH 值則需進一步研究。

本研究中，在植株生長方面，餐廚堆肥對泥炭的替代量為20%時，各個處理中其壯苗指數(shù)最高。 隨著餐廚堆肥用量加大，相應的水稻幼苗生長指標呈逐漸惡化趨勢，這在水稻幼苗根系生化指標方面同樣得到驗證。 可見餐廚堆肥并不能完全替代泥炭，其最佳替代比重與雞糞堆肥相同，均為20%，大幅度低于豬糞堆肥40%的替代比重。相對于雞糞或豬糞堆肥，餐廚堆肥的原料組成更為復雜多樣，且受到不同地域、季節(jié)時令及飲食文化等社會環(huán)境因素的影響很大[19]。 本研究所選取餐廚堆肥的發(fā)酵原料來自環(huán)太湖地區(qū)，且經(jīng)過工廠式發(fā)酵處理。 而當前其它相關研究中的餐廚堆肥原料不乏由研究人員自行配制之后進行發(fā)酵的情況，但這種餐廚堆肥往往原料組分較為簡單，難以為區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)化提供精準的理論支撐。 如:楊麗娟等[20]關于餐廚堆肥在番茄生長過程中的應用效果研究所選用的餐廚堆肥原料收集自沈陽農(nóng)業(yè)大學食堂，其有機質(zhì)含量為56.80%；而李兵等[21]以寧波大學食堂餐廚廢棄物為原料制備的餐廚堆肥其有機質(zhì)含量為77.45%。 可見以小規(guī)模區(qū)域內(nèi)的餐廚廢棄物為原料制備的餐廚堆肥并不具備普遍適用性，也難以用于制備作物生產(chǎn)過程需要使用的農(nóng)資產(chǎn)品。

在育苗基質(zhì)市場化生產(chǎn)過程中，原料成本是生產(chǎn)方最為關注的一項內(nèi)容，同時也決定著相關產(chǎn)品在市場中的定價問題。 為此，本研究首次針對水稻育苗基質(zhì)配制成本開展分析。 根據(jù)原料成本可以看出，餐廚堆肥在本研究的五種材料中成本價格最低，僅為0.11 元/L，相對于泥炭、雞糞堆肥及豬糞堆肥等主料的價格分別降低56.00%、81.67%及68.57%。 對不同水稻育苗基質(zhì)配制成本核算后發(fā)現(xiàn)，餐廚堆肥對泥炭進行替代的水稻育苗基質(zhì)的配制成本相對較低。 其中育苗效果最佳的WF1 處理的配制成本為0.19 元/L，比CK 的配制成本降低9.53%。 由此可見，以餐廚堆肥對泥炭進行20%的體積比重替代，不僅能夠獲得較好的水稻育苗效果，同時也能在一定程度上降低水稻育苗基質(zhì)的配制成本。

4 結(jié)論

本試驗中，10%餐廚堆肥+40%泥炭+50%蛭石配制成的育苗基質(zhì)，其理化性質(zhì)較為適宜水稻幼苗生長，優(yōu)于其它處理，且該配方能夠在一定程度上降低水稻育苗基質(zhì)的配制成本。 因此可以考慮以10%餐廚堆肥+40%泥炭+50%蛭石為基本配方，進行水稻育苗基質(zhì)的研制。