摘要
研究餐厨垃圾类发酵液不同施用年限对土壤理化性状以及玉米产量的影响，为发酵液合理施用提供科学依据。试验布置于 2019 年，设置空白对照，单施化肥以及施用化肥后分别施用发酵液 1、2、3 年，共计 5 个处理。结果表明，施用土壤发酵液可以显著提升土壤肥力，且连续施用效果更好。相较于未施用土壤发酵液处理，施用 2 年及施用 3 年土壤发酵液土壤有机质含量分别提高 21.45% 和 43.24%；土壤养分以氮、磷提升效果最佳，相较于单施化肥处理，连续施用 3 年发酵液土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量分别显著提高 31.43%、12.5%、 27.56% 以及 239.07%。且连续 3 年施用土壤发酵液对土壤全盐含量基本无影响。另外，施用餐厨垃圾类发酵液可改善土壤物理性状，降低土壤容重并提高土壤持水能力，最终提高玉米产量。相较于单施化肥处理，连续 3 年施用土壤发酵液玉米产量显著提高 26.26%。餐厨垃圾类发酵液连续施用效果最好，停止施用后增产效应年限的增加不断降低。通径分析结果表明，土壤发酵液的施用主要通过提高土壤有效磷含量及玉米穗长最终提高玉米产量。
Abstract
The effects of different application years of food waste fermentation broth on soil physical and chemical properties and maize yield were studied to provide scientific basis for the rational application of fermentation broth. The experiment was arranged in 2019，and 5 treatments were set up，including control，single application of chemical fertilizer and application of fermentation broth for 1 year，2 years and 3 years after application of chemical fertilizer. The results showed that the application of soil fermentation broth significantly improved soil fertility，and the effect of continuous application was better. Compared with the treatment without fermentation broth application，the soil organic matter content of fermentation broth application for 2 years and continuous application for 3 years increased by 21.45% and 43.24%，respectively. Compared with the single application of chemical fertilizer，the contents of total nitrogen，total phosphorus，alkali-hydrolyzable nitrogen and available phosphorus in the soil treated with fermentation broth for 3 years were significantly increased by 31.43%，12.5%，27.56% and 239.07%，respectively. The application of fermentation broth for 3 consecutive years had no effect on soil total salt content. On the other hand，the application of food waste fermentation broth improved soil physical properties，reduced soil bulk density and improved soil water holding capacity. The above favorable conditions ultimately increased maize yield. Compared with the single application of chemical fertilizer，the yield of maize with fermentation broth in 3 consecutive years was significantly increased by 26.26%. Moreover，it was found that the continuous application of food waste fermentation broth had the best effect，and the yield-increasing effect decreased with the increase of years after the application was stopped. The results of path analysis showed that the application of fermentation broth mainly increased the yield of maize by increasing the content of available phosphorus and increasing the ear length of maize.
我国是农业大国，调查显示截至 2015 年底，耕地面积为 1.35×1012 m2，但高达 70% 的中低产田严重威胁着我国农业的可持续发展和粮食安全[1]。通过适当的土壤调理剂改善土壤特性，是目前提高土壤质量的重要手段。另外，随着我国经济的快速发展，有机废弃物产量快速增加，其中餐厨垃圾占比达 70%～80%，预计至 2026 年其产量将达 1.8 亿 t [2-3]。且餐厨垃圾属于高浓度的有机废弃物，远高于其他垃圾的水分、有机质含量及营养元素含量，导致其处置难度大幅提高，是城市绿色健康发展的顽疾[4-5]，但丰富的养分也使其具有很高的回收利用价值[6-7]。目前，厌氧发酵因其资源化程度高已成为我国规模化处理餐厨垃圾的主流技术[8-9]，产生的生物发酵液是一种高浓度的有机液体[8，10]，以有机酸为主要组分，可以促进植物对养分的吸收，降低有毒养分的毒害作用[11]，同时含有氮、磷和氨基酸等对土壤和植物有益的物质，同时兼具重金属含量低、有毒成分少等特性[12-13]。不仅如此，发酵液中的维生素以及一些特定的植物激素则可显著抑制土壤中病原菌的生长，而发酵液中的氨基酸及胞外水解酶等物质则利于植物构筑良好的微环境，这些特征均显示了其在调理土壤方面的巨大优势[12]。
近年来，关于餐厨垃圾资源化利用的研究不断增多，结果也比较一致：施用餐厨垃圾类发酵液可以提高土壤中总有机碳含量及土壤碳稳定性，改善土壤肥力[14]，提高土壤团聚体稳定性及土壤抗侵蚀能力[1]，进而促进作物生长。但目前的研究大多为 1 年试验且研究多集中在发酵液用量上，施用 1 年发酵液的后效如何，连续施用不同年限效果又是怎样等问题还亟待明确。因此，以此前研究所得到的最佳施用量为基础[15]，以玉米（Zea mays L.）为指示作物，对该施用量下不同的施用年限效果进行研究，为发酵液的长期合理施用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在甘肃省农业科学院武威绿洲试验站（38°04′N，102°35′E）进行。试验站海拔 1504 m，有效积温 3016℃，年日照时数 2800～3300 h、无霜期约 150 d，年降水量 150 mm，蒸发量 2021 mm。供试土壤为灌漠土，耕层土壤（0～20 cm 土层）pH 8.36，有机质 13.37 g/kg，碱解氮 52.41 mg/ kg，有效磷 9.23 mg/kg，速效钾 128.00 mg/kg，全盐含量 0.06%。
1.2 试验设计
试验始于 2019 年，共设置 5 个处理，不同处理化肥及餐厨垃圾类发酵液施用年限及施用量见表1。每个处理 3 次重复，采用随机区组设计（处理未达到施用年限不做统计分析，因此，T3 及 T4 处理分别在试验开始第2年及第3年进行统计分析）。每个小区面积 26.4 m2 （5.5 m×3.6 m），供试玉米品种为利单 295，于每年 4 月上旬播种，行距 40 cm，株距 20 cm，同年 10 月上旬收获。于玉米播种前基施玉米专用肥（金九月玉米专用肥，N∶P2O5∶K2O= 25∶15∶8），于玉米大喇叭口期追施尿素 75 kg/hm2 ，不同处理除发酵液施用年限不同外，其余田间管理措施均一致。
表1不同处理施肥量
餐厨垃圾类发酵液由甘肃驰奈生物能源系统有限公司提供，是由餐厨垃圾为原料，经过高温厌氧发酵（55℃，3 d）所得到的产物，产品重金属等各项指标符合相关标准，基本理化性状如下：pH 为 3.52，总碳为 12.5 g/L，总氮为 3202 mg/L，总磷为 242 mg/L，总钾为 1402 mg/L，水溶性总盐含量为 14.7 g/L。餐厨垃圾类发酵液按照不同处理所需施用量于种植作物前一次性在表面撒施。
1.3 样品采集与测定方法
玉米成熟后各小区单打单收，自然风干后称量测产。每个小区随机选取 10 株成熟玉米进行玉米考种，分别测定玉米株高、茎粗（于玉米茎秆底部用游标卡尺测得）、穗位、穗长、穗粗（于雌穗中部用游标卡尺测得）、秃顶（由玉米穗底部向上第一轮瘪粒开始至穗顶端的长度）、穗粒数以及千粒重。
于 2021 年玉米收获后，各小区按照 5 点取样法采集 0～20 cm 土层的耕层土壤，混匀后四分法取 500 g 作为一个混合土壤样品，自然风干过筛后用于土壤理化性状的测定（过 1 mm 筛用于土壤速效养分的测定，过 0.149 mm 筛用于全量养分以及土壤有机质含量的测定）。土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤全氮采用半微量开氏法测定；土壤碱解氮采用碱解-扩散法测定；土壤全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法测定，土壤有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾以及全钾用火焰光度法测定。土壤容重采用环刀法测定（10 cm 为一个土壤测定层次）。
1.4 数据处理
采用 Excel 2016 和 SPSS 25.0 对数据进行统计分析，用 Duncan 法对数据进行多重比较（α=0.05），采用 Origin 2021 进行绘图。
2 结果与分析
2.1 发酵液施用年限对玉米产量及其构成要素的影响
由表2可知，施用土壤发酵液后，玉米产量有提升的趋势，且提升幅度随着调理年限的增长不断提高。从不同年份来看，2019 年 T2 处理产量较 T1 处理提高 4.50%，差异未达到显著水平； 2020 年 T2 处理产量较 T1 处理提高 5.60%，略高于第1年的增长幅度，而 T3 处理产量显著高于 T1 处理，提高幅度达 17.65%；2021 年也以 T4 处理产量最高，且显著高于单施化肥以及施用 1 年发酵液处理，提升幅度达 26.26% 及 19.11%。从整体来看，发酵液施用当年效果最佳，3年的产量结果均为持续施用发酵液处理产量最高，停止施用发酵液之后，发酵液的增产效应逐渐下降，不施肥处理玉米产量随着试验年限的增加快速下降。
表2不同处理玉米产量
注：表中数据为平均值 ± 标准差。不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
由图1可知，玉米穗粒数及千粒重趋势较为一致，不同处理之间差异随着试验年限的增长不断加大，同一年度基本表现为施用发酵液处理 >单施化肥处理 >不施肥处理。2021 年度所有施肥处理中无论是穗粒数还是千粒重均以连续施用发酵液处理最高，较不施用发酵液处理分别显著提高 17.84% 及 8.23%。
图1不同处理玉米穗粒数及千粒重
注：图柱上不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平。下同。
2.2 发酵液施用年限对玉米农艺性状的影响
发酵液不同施用年限对不同年度的不同农艺性状均存在不同程度的影响。由图2可知，发酵液不同施用年限对玉米收获期株高、穗位、茎粗、穗长、穗粗影响相对较小，除 CK 处理外，其余处理之间差异均未达到显著水平。秃顶长度在 2021 年差异达到显著水平，随着发酵液施用年限提高呈现降低的趋势，发酵液连续施用 3 年秃顶长度相较于未施用发酵液以及不施肥分别显著降低 25.26% 及 40.83%，2019 和 2020 年虽差异未达到显著水平，但秃顶长度整体呈现不施肥处理 >单施化肥处理 >施用发酵液处理。
2.3 发酵液施用年限对土壤养分含量及有效养分占比的影响
由表3可知，发酵液施用年限对不同土壤理化性状指标均存在一定程度的影响。相较于未施用餐厨垃圾类发酵液处理，施用发酵液后土壤有机质含量呈现提升的趋势，且提升幅度与发酵液施用年限呈正相关关系，施用 1 年发酵液土壤有机质含量较未施用发酵液提高 12.73%，但差异未达显著水平，连续施用 2 年以上差异达到显著水平，T3 及 T4 处理较 T1 分别显著提高 21.45% 及 43.24%。土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量均显著提高，且均以连续施用3年提升幅度最大，相较于 T1 处理分别提高 31.43%、12.50%、27.56% 以及 239.07%。而土壤全钾及土壤速效钾含量有提升趋势，但差异未达到显著水平。同时全盐测定结果表明，连续施用 3 年发酵液对土壤全盐含量无显著影响。
由表4可知，有机酸发酵液可以促进养分向有效态转化，提高有效养分占总养分含量的比例。不同处理有效养分占比对磷影响最大，相较于 T1 处理，施用发酵液显著提高磷的有效养分占比，且随着发酵液施用年限的增长，提升幅度不断升高，T2、T3、T4 处理较 T1 处理分别提高 26%、 70% 以及 203%；钾不同处理有效养分占比除 CK 处理外，其余处理之间无显著差异；不同施肥处理对氮元素占比基本无影响，不同处理占比基本持平。
图2不同处理玉米农艺性状
表3不同处理土壤有机质及养分含量
表4不同处理土壤有效养分占比
2.4 发酵液施用年限对不同深度土层土壤容重及含水率的影响
由表5可知，发酵液不同施用年限对土壤容重及含水率存在一定程度的影响，且对 0～10 cm 土层土壤影响更明显。0～10 cm 土层土壤容重表现为施用发酵液处理容重小于 CK 及 T1 处理，以 T4 处理容重最小，显著低于 T1 处理。且容重随着发酵液施用年限的增加表现出较为规律的减小趋势。土壤含水率结果与土壤容重类似，施用土壤发酵液后土壤含水率有提升或者显著提升趋势，也以连续施用发酵液处理土壤含水率最高。而不同处理 10～20 cm 土层土壤容重及土壤含水率无显著差异。
表5不同处理不同深度土壤容重及含水率
2.5 发酵液施用年限相关指标与产量间相关性
将不同指标 X1（有机质）、X2（碱解氮）、X3 （有效磷）、X4 （速效钾）、X5 （全氮）、X6 （全磷）、 X7（全钾）、X8（株高）、X9（穗位）、X10（茎粗）、 X11（穗长）、X12（穗粗）、X13（秃顶）、X14（穗粒数）、X15（千粒重）与 Y（产量）进行相关性分析（表6），发现土壤有机质含量、土壤有效磷含量、穗长及千粒重与产量呈现极显著的正相关关系；土壤碱解氮含量、土壤速效钾含量、土壤全磷含量以及穗粗与产量呈现显著的正相关关系；秃顶长度则与产量之间存在显著的负相关关系。
表6不同指标间的相关性系数
注：*、** 分别表示相关性在 P<0.05、P<0.01 水平显著。
2.6 发酵液施用年限相关指标与产量通径分析
对 2021 年施肥处理玉米产量进行正态性检验，该检验中 n=12，属于小样本量，因此，进行正态检验后选择 Shapiro-Wilk 检验结果，结果中统计量为 0.952，显著水平为 0.664，因此，玉米产量服从正态分布，可以进行回归分析。
将玉米产量的相关指标导入 SPSS 25.0 进行逐步回归分析，得到的回归方程为 Y=7163.291+ 162.295X3-55.456X9+597.192X11（R2 =0.938）。由该回归方程可知，与产量相关的测定指标中土壤有效磷含量、玉米穗位以及穗长对产量产生极显著的影响，因此，可以进一步进行通径分析。
通径分析可以分析多个自变量与因变量之间的线性相关关系，利用回归分析可以得到直接通径系数、间接通径系数以及决策系数。
式中，ij 均为自变量；PiY 是自变量 i 与响应变量 Y 之间的直接通径系数；PjY 是自变量 j 与响应变量 Y 之间的直接通径系数；rij 是自变量 i 与自变量 j 之间的相关系数；riY 为自变量 i 与响应变量 Y 之间的相关系数。
根据以上计算公式可计算由回归分析筛选出的有统计学意义的自变量的间接通径系数和决策系数，如表8 所示：由简单相关系数可知，对玉米产量起正向贡献作用的指标顺序为 X3>X11>X9，但由直接通径系数可知，X9 对产量起负向贡献作用，X3 及 X11 的间接作用掩盖了 X9 的负向作用。决策系数的结果与直接通径系数一致。综合认为，土壤有效磷含量和玉米穗长是影响玉米产量的主要因素。
表7玉米产量与相关指标间的通径分析
3 讨论
3.1 发酵液不同施用年限对土壤理化性状的影响
土壤有机质的含量是评价土壤肥力的关键指标之一[16]。本研究发现，施用餐厨垃圾类发酵液可显著提高土壤中有机质含量，且有机质提升幅度随着土壤发酵液施用年限的增加而提高，这可能与发酵液含大量的有机物质有关。王站付等[17]的研究结果表明，餐厨垃圾中的有机质、易氧化有机质含量均显著高于传统有机肥，具有更强的供肥潜力，同时餐厨垃圾发酵产物中存在的腐植酸等物质经过积累和转化可形成土壤胶体类物质，有利于土壤团粒结构的形成，减少有机质的矿化和流失，促进有机质的累积[18]。3 种营养元素中，施用发酵液对于土壤有效磷含量的影响最显著，这可能与土壤中磷大多以非活性的形式存在，导致磷元素的吸收利用率较低[19]，而发酵液中的有机酸竞争土壤中磷素的吸附位，降低土壤对磷的固定能力，土壤磷的有效性随之加强[20]，而本研究中土壤磷元素的有效养分占比随着发酵液施用年限的增加显著提高也是其有力佐证。氮素是土壤中最为活跃的营养元素之一，也是植物需求量较大的营养元素[21]，本研究发现，施用餐厨垃圾类发酵液可以显著地提高土壤全氮以及碱解氮含量，一方面发酵液中含有较多氮元素，另一方面发酵液中的有机物质有利于激发土壤微生物的矿化分解作用，促进土壤活性氮组分的增加，进而提高土壤全氮及碱解氮含量[13]，而餐厨垃圾中含有丰富的脂肪、蛋白质等物质可以减缓土壤氮素的迁移转化，延长铵态氮存留时间，进而提高其利用率。本研究还发现，土壤有效磷含量提升幅度随着发酵液施用年限的增加而增加。土壤速效钾也以当年施用发酵液处理含量最高，这可能与发酵液中有机酸类物质活化土壤中被固定的钾素有关[22]。
本研究发现，施用土壤发酵液后 0～10 cm 土层土壤容重呈现下降的趋势，且发酵液施用年限越长，效果越明显，甚至差异达到显著水平。这可能与发酵液对土壤团粒结构的改善有关。朱琳等[23] 的研究结果表明，中长期施用餐厨垃圾类发酵液可以提高土壤团聚程度以及团聚体稳定性，显著提高大团聚体占比，弥补耕作对团聚体的破坏，从而降低土壤容重，改善土壤物理性状；而短期施用主要提高土壤中小团聚体形成以及土壤中有机质及土壤养分含量[24-25]。
3.2 发酵液不同施用年限对作物产量的影响
餐厨垃圾类发酵液能够通过提高土壤养分含量[12，26]，改善土壤物理性状，提升土壤质量[14]，其中的有机酸类物质能够影响土壤微生物群落结构，改善土壤微生态环境，减少土壤病原菌的生长；植物激素、氨基酸等有益物质能够促进植物的生长发育，这些均是提高作物产量的有利条件。张泽旺等[27]的研究表明，有机源发酵液的施用可以减少草莓根腐病的发生，提高其产量和品质。满吉勇等[28]也发现，餐厨垃圾类有机物可以保证后期养分的充足供应，提高水稻穗粒数、千粒重以及结实率等，最终提高水稻产量。这与本研究的结果一致，施用餐厨垃圾类发酵液可以显著降低玉米穗秃顶长度、穗粒数以及千粒重，进而提高玉米的产量。本研究还发现，施用 1 年发酵液后停止，随着试验时间的延长增产效应不断降低，而连续施用产量显著提高。
4 结论
施用餐厨垃圾类发酵液可以显著提升土壤肥力，其中有机质、碱解氮及有效磷提升效果最佳； 改善土壤物理性状，降低土壤容重并提高土壤持水能力；最终提高作物产量，且以连续施用效果更好。