有機(jī)肥施用對土壤環(huán)境潛在風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

武升, 邢素林, 馬凡凡, 甘曼琴, 張俊森, 馬友華

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有機(jī)肥施用對土壤環(huán)境潛在風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

武升, 邢素林, 馬凡凡, 甘曼琴, 張俊森, 馬友華*

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 合肥市 230036

施用有機(jī)肥是培肥地力、改良土壤的重要方式, 有機(jī)肥在提高土壤供肥能力和作物產(chǎn)量、改良作物根際生態(tài)環(huán)境、改善作物的營養(yǎng)品質(zhì)及抑制病蟲害發(fā)生等方面具有重要作用, 但施用有機(jī)肥也會(huì)帶來一定的土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。對規(guī)?；B(yǎng)殖來源為主的有機(jī)肥施用帶來的土壤環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜述。未腐熟的有機(jī)肥施入農(nóng)田易出現(xiàn)燒苗、病蟲害等問題, 對農(nóng)田作物環(huán)境造成不利的影響; 規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便生產(chǎn)的有機(jī)肥存在重金屬、抗生素和激素殘留的現(xiàn)象, 施入農(nóng)田具有一定的重金屬和有機(jī)污染物污染的風(fēng)險(xiǎn); 此外, 有機(jī)肥的不合理的施用還存在農(nóng)田氮磷流失, 可能會(huì)對水體造成富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。通過分析有機(jī)肥對土壤肥力及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥的合理施用提供借鑒, 在降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)達(dá)到培肥土壤與提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。

有機(jī)肥; 土壤; 作物; 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

0 前言

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高土壤養(yǎng)分水平的重要方式之一, 在我國近40%農(nóng)作物的增產(chǎn)依靠化肥的投入[1]。但長期不合理的化肥投入, 導(dǎo)致肥料不能有效的被作物吸收利用, 還引起耕地地力的下降和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境破壞[2]。有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位, 是生產(chǎn)綠色有機(jī)食品的主要肥料來源。相關(guān)研究表明, 有機(jī)肥施用可以顯著地提高土壤養(yǎng)分有效性和農(nóng)田土壤保水保肥能力[3–4], 改善土壤物理化學(xué)性質(zhì), 調(diào)節(jié)土壤碳氮比[5], 促進(jìn)微生物生長繁育、提高土壤微生物活力[6–7]。長達(dá)26年的田間定位試驗(yàn)結(jié)果顯示, 有機(jī)無機(jī)肥能從土壤物理、化學(xué)及生物等方面綜合提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[8]。而農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的肥料化處理是其綜合利用的重要方式[9]。動(dòng)植物殘?bào)w及畜禽糞便中含有豐富的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分, 是生產(chǎn)商品有機(jī)肥的重要來源[10], 但畜禽糞便、動(dòng)植物殘?bào)w中同時(shí)存在重金屬、抗生素殘留的問題, 不合理施用有機(jī)肥會(huì)造成農(nóng)田面源污染, 破壞生態(tài)環(huán)境平衡[11]。

在未來大力發(fā)展有機(jī)肥料部分替代化肥和傳統(tǒng)有機(jī)肥, 是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施和必然趨勢[12]。因此, 研究有機(jī)肥對土壤肥力、作物產(chǎn)量品質(zhì)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響, 對發(fā)展現(xiàn)代有機(jī)農(nóng)業(yè), 生產(chǎn)綠色或有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 有機(jī)肥對土壤肥力與作物產(chǎn)量品質(zhì)的影響

1.1 有機(jī)肥對土壤肥力的影響

農(nóng)田施入有機(jī)肥可充分改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)、提高土壤田間持水量、增加土壤水分庫, 抑制土壤水分蒸發(fā)、增加土壤的保水和保肥能力, 有利于作物對水分吸收利用。大量長期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 有機(jī)肥施用可增加土壤有機(jī)質(zhì), 進(jìn)而顯著增加土壤的礦化氮, 作物產(chǎn)量增加明顯。有機(jī)肥的施入有助于土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升[13–14]。相關(guān)研究表明, 在南方雙季水稻區(qū)連續(xù)5年施用有機(jī)肥土壤有機(jī)質(zhì)較5年前分別提高了18.5%和37.1%[15]。侯紅乾等[16]研究表明隨著有機(jī)肥施入量的提高土壤速效磷也不斷上升。并且對土壤pH值具有調(diào)節(jié)作用, 有助于提高土壤的緩沖能力[17]。有機(jī)肥和無機(jī)肥料配合施用效果更佳, 還可以提高化學(xué)肥料的利用率。李晨華等[18]認(rèn)為化肥配施有機(jī)肥能提高土壤微生物的數(shù)量, 增加微生物種類的豐富性。有機(jī)肥的施用不僅能夠?yàn)橥寥乐械奈⑸锾峁┴S富的碳源和氮源, 促進(jìn)了其生長繁殖, 還能夠有效提升養(yǎng)分有效性, 有利于土壤肥力的改良與提升[19]。有機(jī)肥作為一種緩效肥料富含植物必需的大量元素、微量元素, 長期施入有助于提高土壤肥力。

1.2 有機(jī)肥施用對作物產(chǎn)量品質(zhì)的影響

有機(jī)肥配施有利于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。有機(jī)肥具有養(yǎng)分完全, 供肥持續(xù)穩(wěn)定, 有機(jī)肥有利于增加水稻穗長及穗粒數(shù), 提高水稻實(shí)粒數(shù)和千粒重, 能夠有效降低水稻空秕粒。我國100多個(gè)5年以上的定位試驗(yàn)研究表明, 施用有機(jī)肥與不施有機(jī)肥比較, 平均增產(chǎn)率為12.8%。楊長明等[20]通過對比試驗(yàn)表明有機(jī)無機(jī)肥配施有利于促進(jìn)水稻籽粒養(yǎng)分的富集, 進(jìn)而提高水稻籽粒產(chǎn)量, 這與多人的研究結(jié)果基本一致[21–22]。秦德榮等[23]研究表明隨增施有機(jī)肥有利于提高水稻干物質(zhì)日產(chǎn)量。陳貴等[24], 陳帥君等[25]研究得出商品有機(jī)肥的增施, 不僅可以提高產(chǎn)量, 還就有提高水稻精米率, 降低堊白粒率, 改善稻米的外觀及口感品質(zhì)[26]。茶園施入有機(jī)肥對提高土壤肥力, 有助于提高茶園茶葉氨基酸、咖啡堿和水浸出物的含量, 使茶多酚含量略有降低, 有利于提高茶葉產(chǎn)量與口感品質(zhì)[27–28]。

2 未腐熟畜禽糞便有機(jī)肥施用潛在風(fēng)險(xiǎn)

腐熟不完全或未腐熟的有機(jī)肥施入土壤中會(huì)造成作物燒苗燒根、種子不發(fā)芽、增加作物病蟲害的發(fā)生等危害[29]。未腐熟的有機(jī)肥料中有大量的病原菌及害蟲, 不加處理施入農(nóng)田會(huì)引起病蟲害的產(chǎn)生、提高作物發(fā)病率, 不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[30], 果樹上施入未腐熟雞糞易引起果樹根部根結(jié)線蟲的病害, 阻礙了水分、養(yǎng)分的運(yùn)輸, 使果樹死亡。未發(fā)酵的生糞施入農(nóng)田后容易再次的腐熟發(fā)酵, 發(fā)酵產(chǎn)生的熱量易引起植株的燒苗現(xiàn)象的產(chǎn)生, 甚至導(dǎo)致絕產(chǎn)絕收, 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的不良影響[31]。其次是在腐熟分解的過程中產(chǎn)生大量的有毒有害氣體(甲烷、氨等), 可導(dǎo)致土壤內(nèi)部及作物本身產(chǎn)生酸害和作物根系的破壞。尤其在棚室內(nèi), 危害更為嚴(yán)重。腐熟不完全或未腐熟的糞肥施入土壤中大量有機(jī)物質(zhì)分解消耗土壤氧氣, 易造成植物缺氧, 不利于作物正常的生長發(fā)育[32–33]。未腐熟的有機(jī)肥料未經(jīng)處理直接使用, 具有體積大, 有效成分低的弊端, 肥料中的養(yǎng)分大多是有機(jī)態(tài)或緩效態(tài)形式存在, 作物無法有效吸收利用, 施用到農(nóng)田中具有一定潛在風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)或單位在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)不斷提高生產(chǎn)技術(shù)水平, 提高有機(jī)肥生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量, 嚴(yán)格進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量管控, 避免因施用腐熟不完全或未腐熟的有機(jī)肥對農(nóng)田作物環(huán)境造成不利的影響[34–35]。

3 有機(jī)肥對土壤重金屬積累風(fēng)險(xiǎn)的影響

規(guī)模化養(yǎng)殖廠畜禽糞便生產(chǎn)的有機(jī)肥施入農(nóng)田存在一定程度上的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。畜禽糞便是制作有機(jī)肥料的重要原料, 而部分大中型禽畜養(yǎng)殖場的飼料中重金屬含量普遍存在超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況[36], 特別是如銅、鋅、鉻、鉛和鎘的量超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重, 加上畜禽的生物富集作用導(dǎo)致排泄的糞便中重金屬含量較飼料還高[37–38]。有研究表明, 英格蘭與威爾士地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中Zn、Cu的主要來源之一是畜禽糞農(nóng)用, 約占到農(nóng)業(yè)土壤Zn、Cu 總輸入量的37%—40%、8%—17%。估計(jì)中國畜禽糞便農(nóng)用輸入農(nóng)田土壤的Cu、Cd、Zn分別占到總輸入量的69%、55%和51%。相關(guān)研究表明, 長期施用有機(jī)肥提高了土壤Zn和Cd的有效性, 增加農(nóng)田重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[39]。同時(shí)有報(bào)道, 在我國東北地區(qū)耕地中因施入畜禽糞便增加了農(nóng)田中重金元素銅污染的風(fēng)險(xiǎn)。宋琳琳等[40]通過田間試驗(yàn)研究表明, 土壤中生物有效態(tài)的Cd和Zn含量隨著有機(jī)肥的施入呈不斷增加的態(tài)勢, 殘?jiān)鼞B(tài)Pb的含量也相應(yīng)上升。另一方面也有研究結(jié)果報(bào)道, 施用有機(jī)肥有助于對土壤重金屬的有效性的降低, 如張琴[41]通過不間斷施入有機(jī)肥后研究發(fā)現(xiàn): 相對于試驗(yàn)開始前土壤中重金屬 Hg、Zn、Cd 的有效態(tài)均有不同程度的減少。造成這種研究報(bào)道結(jié)果不一致現(xiàn)象的原因是施入有機(jī)肥的種類不同, 有機(jī)肥因原料的不同其營養(yǎng)元素及有毒有害物質(zhì)含量具有差異性, 應(yīng)針對不同農(nóng)田土壤重金屬污染狀況分析與評(píng)價(jià)[42]。在今后的研究中, 應(yīng)關(guān)注不同有機(jī)肥品種增施下的長期田間小區(qū)定位試驗(yàn)與大田示范結(jié)果的對比性研究。在農(nóng)田施用有機(jī)肥時(shí)應(yīng)明確有機(jī)肥的原料來源、有毒有害物質(zhì)含量等, 從源頭控制, 避免因增施用有機(jī)肥對農(nóng)田的重金屬等污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 有機(jī)肥對土壤有機(jī)污染物積累潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響

大中型規(guī)?；B(yǎng)殖廠產(chǎn)生畜禽糞便已經(jīng)成為有機(jī)肥生產(chǎn)的重要原料, 其生產(chǎn)的有機(jī)肥在使用范圍廣泛, 但同時(shí)給土壤環(huán)境帶來一定程度的抗生素污染風(fēng)險(xiǎn)。目前, 世界上大約50%的抗生素應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè), 而40%—90%的藥物又通過糞便排泄出來。規(guī)?；B(yǎng)殖場中因使用的飼料中含有多種添加劑和獸藥進(jìn)入禽畜體內(nèi), 在部分畜禽糞便中檢測出較高的有機(jī)氯、新霉素等有機(jī)污染物的存在。而這些富含抗生素等有機(jī)污染物的糞便生產(chǎn)的有機(jī)肥施入土壤后易被蔬菜等作物富集, 人食用后不利于身體健康, 抗生素污染風(fēng)險(xiǎn)問題已受到人們的廣泛[43–44]。

中科院廣州地化所應(yīng)光國課題組通過對我國58條重要河流及部分省份的主要養(yǎng)殖場抗生素使用進(jìn)行調(diào)查, 研究表明抗生素主要通過人畜排泄至環(huán)境中, 每年有超過5萬噸抗生素經(jīng)各種途徑進(jìn)入水土環(huán)境中, 對水土環(huán)境造成嚴(yán)重污染。陳昦等[45]通過對江蘇省養(yǎng)殖類型的養(yǎng)殖場畜禽糞便取樣分析研究報(bào)道, 養(yǎng)殖場對磺胺類藥物具有較高的使用率, 特別是磺胺二甲嘧啶、磺胺氯噠嗪等檢出率均高于50%。這些有機(jī)污染物不加任何處理隨糞便作為有機(jī)肥腐熟后施入農(nóng)田, 勢必會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成不良影響。張慧敏等[43]通過對采樣浙江北部區(qū)域的畜禽糞便樣及施用畜禽糞肥的土壤分析測定表明: 施用畜禽糞肥農(nóng)田表層土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素的平均檢出值分別是未施畜禽糞肥耕地土壤的38、13和12倍。80%以上的畜禽糞便沒有經(jīng)過綜合無害化處理而被施于農(nóng)田, 具有較高生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。如果經(jīng)常大量施用未綜合處理的畜禽糞肥, 必將導(dǎo)致土壤抗生素淋溶概率[46]。糞肥中還含有一些被稱為環(huán)境激素(內(nèi)分泌干擾物質(zhì))的持久性有機(jī)污染物, 如有機(jī)氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等, 對土壤和水體環(huán)境也可能帶來一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 而有機(jī)污染物的降解需要的時(shí)間漫長且降解的過程十分復(fù)雜與困難[47–48]。因此, 含有無機(jī)污染物的畜禽糞便沒有經(jīng)過無害化綜合處理或僅僅進(jìn)行簡單堆肥處理就施用到農(nóng)田環(huán)境中必將帶來較高的土壤生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

5 有機(jī)肥對土壤氮磷流失的影響

農(nóng)田過量施入有機(jī)肥, 存在農(nóng)田氮磷流失, 可能會(huì)對水體造成富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)肥施入農(nóng)田后增加土壤氮磷素流失風(fēng)險(xiǎn)[49–50]。有機(jī)肥氮磷流失及其對面源污染的影響已受到廣泛關(guān)注, 英國洛桑試驗(yàn)站長期定位試驗(yàn)的監(jiān)測結(jié)果表明, 有機(jī)肥的施用會(huì)導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮的積累, 增加向水體淋失的風(fēng)險(xiǎn)。隨后, 大量的研究表明, 過量有機(jī)肥的施用會(huì)直接導(dǎo)致硝態(tài)氮和磷在土壤中的積累, 并且隨著施肥年限的增加而積累加劇, 增加向水體的淋失。相關(guān)研究報(bào)道: 有機(jī)肥的使用是導(dǎo)致農(nóng)田是磷徑流流失的直接原因之一, 不間斷的施入有機(jī)肥將導(dǎo)致磷素在土壤剖面不斷累積[48]。當(dāng)土壤對磷的吸附能力到達(dá)一定程度后, 將導(dǎo)致磷元素的淋溶風(fēng)險(xiǎn)[51–52], 導(dǎo)致地表水及地下水中磷元素含量的上升。有機(jī)肥施在易發(fā)生徑流流失的土壤環(huán)境中必將增大農(nóng)田氮、磷流失風(fēng)險(xiǎn)[53–54]。

目前, 在我國對有機(jī)肥引起的農(nóng)田氮磷流失研究中主要是根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算, 根據(jù)環(huán)保等政府部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模預(yù)估, 在分析預(yù)估中計(jì)算的方法及方式各不相同, 缺乏定量的標(biāo)準(zhǔn), 且不能比較時(shí)空演變特征[55–56]。武淑霞等[57]根據(jù)全國統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式, 對農(nóng)田畜禽糞便發(fā)生量時(shí)空變異特征進(jìn)行研究。目前, 我國對農(nóng)田施用有機(jī)肥對水體富營養(yǎng)化影響的研究報(bào)道不多[58], 而農(nóng)田有機(jī)肥氮、磷流失機(jī)理的室內(nèi)模擬試驗(yàn)及田間原位實(shí)證性試驗(yàn)也剛興起[59–60], 王濤[61]在云南滇池流域進(jìn)行田間原位模擬, 研究表明農(nóng)田氮磷的流失與有機(jī)肥量顯著正相關(guān)。而在英國等國家, 經(jīng)過長期研究后, 政府已經(jīng)明確有機(jī)肥施用時(shí)必須遠(yuǎn)離飲用水源或水源地, 并規(guī)定每年10月至第二年2月期間農(nóng)田禁止使用流質(zhì)廄肥, 以減少淋溶及徑流造成的面源污染[62]。在我國, 政府相關(guān)部門也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況, 對農(nóng)戶進(jìn)行有機(jī)肥科學(xué)高效使用的技術(shù)指導(dǎo)。根據(jù)不同種植類型下各種作物品種的需肥特性指導(dǎo)農(nóng)戶對有機(jī)肥施用的時(shí)期、施用的方式及施用量等方面進(jìn)行科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo), 以減少因有機(jī)肥不合理的施用帶來的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

6 展望

目前, 商品有機(jī)肥生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)里尚無對抗生素、激素等指標(biāo)的要求, 應(yīng)將有機(jī)污染物等監(jiān)測指標(biāo)納入。應(yīng)加強(qiáng)規(guī)?；B(yǎng)殖場飼料添加劑及獸藥的監(jiān)管, 從源頭上減少規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞便作為有機(jī)肥原料帶來的重金屬及有機(jī)污染物污染風(fēng)險(xiǎn); 對有機(jī)肥原料和產(chǎn)品中的重金屬、有機(jī)污染物等有毒有害物質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格限制, 完善商品有機(jī)肥生產(chǎn)檢測標(biāo)準(zhǔn); 全面認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)不同有機(jī)肥在不同地區(qū)、不同土壤類型及作物種類的施用效果和機(jī)制, 以減少因有機(jī)肥不合理的施用帶來氮磷流失, 造成面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)有機(jī)肥料市場準(zhǔn)入的管理, 建立健全有機(jī)肥安全施用的配套技術(shù), 應(yīng)根據(jù)不同地域及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件, 對施肥的用量、時(shí)間、方式進(jìn)行施肥指導(dǎo), 大力推廣果樹茶有機(jī)肥養(yǎng)分替代, 走有機(jī)與無機(jī)相結(jié)合道路, 從而降低有機(jī)肥施用所帶來的潛在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

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Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, GAN Manqin, ZHANG Junsen, MA Youhua*

College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei,230036, China

Application of organic fertilizer is an important way to improve soil fertility. Organic fertilizer plays an important role in supplying nutrients, increasing crop yield, improving crop rhizosphere ecological environment, promoting crop nutrition quality and inhibiting pest and disease occurrence. However, there are some soil environmental risks with the application of organic fertilizers. The risk of soil environment caused by the application of organic fertilizers from the large-scale breeding sources was reviewed. The application of unfertilized organic fertilizer to farmland is prone to problems such as burning seedlings, pests and diseases, and adversely affecting cropland environment. There are heavy metals, antibiotics and hormone residues in the organic fertilizer produced by large-scale farm livestock and poultry manure with certain risk of heavy metal and organic pollutant pollution in the farmland.In addition, the unreasonable application of organic fertilizer also causes the loss of nitrogen and phosphorus in the farmland, which may raise eutrophication of the water body. By analyzing the effects of organic fertilizers on soil fertility and environmental risks, it can provide reference for the rational application of organic fertilizers in agricultural production, and achieve the purpose of fertilizing soil and improving crop yield and quality with reducing environmental risks.

organic fertilizer; soil; crop; environmental risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.029

X53

A

1008-8873(2019)02-219-08

2018-03-19;

2018-04-24

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0800503)

武升(1991—), 男, 安徽蕭縣人, 碩士研究生, 主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究, E-mail: 1916684369@qq.com

馬友華, 男, 博士, 教授, 主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究, E-mail: yhma@ahau.edu.cn

武升, 邢素林, 馬凡凡,等. 有機(jī)肥施用對土壤環(huán)境潛在風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(2): 219-224.

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, et al. Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 219-224.