生物有機肥對土壤理化性質(zhì)的影響

周應(yīng)康 周兆學

摘 要 生物有機肥是一類兼具有機肥和微生物肥料性質(zhì)的新型肥料，在調(diào)節(jié)土壤中微生物生態(tài)平衡、增加土壤中營養(yǎng)元素含量以及改善農(nóng)作物品質(zhì)等方面均有著重要的作用?；诖?，闡述生物有機肥的概念以及生物有機肥在改善土壤理化性質(zhì)方面的主要貢獻以及特點，并對目前生物有機肥生產(chǎn)過程中存在的一些問題進行探討，希望能給生物有機肥的開發(fā)利用以及保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等方面提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 生物有機肥;土壤性質(zhì);土壤改良

中圖分類號：S141 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.03.107

肥料的使用使得糧食產(chǎn)量大幅增長，而伴隨著全球人口的不斷增長，糧食的需要量將越來越大，如何使用有限的土地養(yǎng)活更多的人已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。據(jù)預(yù)測，2050年左右全球人口將達到100億，糧食需求量將會是目前的2倍。化肥的使用雖然能對糧食等農(nóng)作物的產(chǎn)量提高起到重要作用，但長期使用也會出現(xiàn)土壤鹽堿化、土壤板結(jié)、有機質(zhì)減少以及農(nóng)作物品質(zhì)下降等問題。2015年，原農(nóng)業(yè)部針對我國耕地長時間使用化肥出現(xiàn)酸化、板結(jié)等現(xiàn)象，根據(jù)土地資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想，制定了化肥使用量零增長的行動方案，提出力爭在2020年實現(xiàn)農(nóng)作物化肥、農(nóng)藥使用量零增長，明確使用有機肥來替代部分化肥的技術(shù)思路。生物有機肥是一類將化肥、有機肥以及微生物肥的優(yōu)勢集于一體的新型肥料，具有新型、高效、安全等特點，目前已經(jīng)被廣泛用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1 生物有機肥的概念及類型

有機肥是指主要來源于動物或植物、能夠給農(nóng)作物提供多種無機養(yǎng)分和有機養(yǎng)分、同時對土壤進行改良的一類肥料的總稱，其來源范圍廣、種類較多。作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，我國有機肥料的來源豐富，如果充分利用這些有機肥中包含的營養(yǎng)元素和豐富的有機質(zhì)，對減少化肥的使用、降低環(huán)境污染、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)以及改善農(nóng)村生活環(huán)境都具有重要的意義。根據(jù)有機肥的來源不同，可以將其分為動物類有機肥和植物類有機肥，其中動物類有機肥主要包括糞肥、堆肥等，植物類有機肥主要包括秸稈、綠肥等。這些有機肥中，動物的糞尿肥所占的比例較高，在20世紀90年代，人畜糞尿在我國有機肥資源總量中的比例高達79%，在2005年其占比已達到88%[1-3]。

2 生物有機肥的發(fā)展歷史

我國有著悠久的農(nóng)耕文明歷史，很早就有使用有機肥來提高土壤肥力的報道，且在有機肥的制作及使用方面積累了許多經(jīng)驗。但隨著工業(yè)化肥的使用量日益增加，傳統(tǒng)有機肥的使用量日益降低。趙榮芳等通過對華北平原小麥-玉米輪作制度下，農(nóng)家肥施用僅占總肥料施用量的10%[4]。經(jīng)濟的快速發(fā)展，使得農(nóng)業(yè)的需求量日益加大，但目前我國農(nóng)作物生產(chǎn)主要依賴于化肥，有機肥在農(nóng)作物生產(chǎn)上的使用比例并不高。隨著生活水平的提高，人們對綠色、無公害食品的需求變得十分迫切，因此有機肥在農(nóng)作物上的使用日益長;此外，化肥的長時間使用，也會造成土壤化學性質(zhì)發(fā)生變化，給耕地帶來很多負面影響。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）數(shù)據(jù)顯示，2014年我國化肥的使用量達到全球化肥使用量的31%，每1 hm2耕地總氮量為253.95 kg，遠高于世界每1 hm2耕地平均施氮量68.75 kg[4-6]。

現(xiàn)代有機農(nóng)業(yè)最早是在20世紀40年代的英國土壤學會提出的，當時人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量使用工業(yè)化肥會給環(huán)境以及土壤性質(zhì)帶來不良的影響，但由于工業(yè)化肥在對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高方面有著更好的效果，其一直受到廣大農(nóng)民的喜愛。目前的一些研究發(fā)現(xiàn)，部分有機肥在對農(nóng)作物產(chǎn)量提高方面和工業(yè)肥料的效果相差無幾，但更多情況下，有機肥對農(nóng)作物產(chǎn)量提高方面的作用效果要顯著低于工業(yè)肥料的使用，其產(chǎn)量僅為使用工業(yè)肥料的60%～80%。從營養(yǎng)學角度來看，農(nóng)作物在生長過程中會從土壤中帶走大量的養(yǎng)分，而從土壤以外系統(tǒng)中國投入養(yǎng)分是提高土壤生產(chǎn)力的最有效手段。傳統(tǒng)有機肥在改善土壤環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境、促進土壤可持續(xù)利用等方面具有重要的作用，但有機肥的使用在提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面還不能完全替代工業(yè)化肥。因此，工業(yè)化肥和有機化肥的結(jié)合使用的這一發(fā)展方向?qū)⒊蔀槲磥磙r(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重[2]。

3 生物有機肥對土壤性質(zhì)的改良作用

生物有機肥結(jié)合了有機肥、微生物肥料以及化肥的優(yōu)勢，通過增加土壤中的有機質(zhì)含量以及改善土壤中微生物的生命活動，達到改善土壤生態(tài)條件，增強農(nóng)作物對生物和非生物脅迫的抗性，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。目前，生物有機肥不僅能夠在物理性質(zhì)方面對土壤進行改良，還能影響土壤的化學性質(zhì)。

3.1 生物有機肥對土壤物理性質(zhì)的影響

水分是農(nóng)作物生長發(fā)育所必需的因子，直接影響著植物的生長。研究發(fā)現(xiàn)，水分缺失會造成農(nóng)作物氣孔關(guān)閉，氣體交換效率降低，嚴重影響植物的光合作用和蒸騰作用，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。我國是一個水資源分布極不均勻的國家，北方地區(qū)水資源相對缺乏，因此提高農(nóng)作物對水分的利用率顯得尤為重要。研究發(fā)現(xiàn)，施用一定量的生物有機肥能夠有效抑制土壤中水分的蒸發(fā)，提高土壤的含水量，具蓄水保墑的效果。吳紅等發(fā)現(xiàn)，不同濃度的羊糞對土壤蓄水能力具有很大的差異，其中羊糞有機肥的施用量在40 t·hm-2、60 t·hm-2以及80 t·hm-2時，土壤0～15 cm、15～30 cm以及30～45 cm土層中的含水量分別達到最高，表明隨著肥料使用量的增加不同土層土壤的蓄水能力也呈現(xiàn)逐步增加的趨勢[7]。劉立軍研究表明，在北方干旱地區(qū)使用有機肥以及秸稈還田處理能夠有效提高土壤含水量，其含水量較對照組分別提高了16.05%和14.52%[8]。

3.2 生物有機肥對土壤容重的影響

土壤容重是指自然狀態(tài)下單位體積土壤的質(zhì)量，對于相似質(zhì)地的土壤，容重還可以反映出土壤的緊實程度、空隙狀況等結(jié)構(gòu)特征。研究結(jié)果顯示，使用生物有機肥的土壤，其土壤容重降低，會變得疏松多孔，土壤之間的空隙增加，且這種現(xiàn)象隨著生物有機肥使用量的增加而出現(xiàn)更加明顯的效果。當使用有機土壤改良物質(zhì)來對土壤進行修復(fù)時，土壤的容重變小，且土壤的總孔隙度較未處理的土壤明顯增大[9]。

3.3 生物有機肥對土壤緊實度的影響

土壤緊實度是反映土壤緊實程度的一個重要指標，通常與土壤中的含水量、肥力等有著密切的聯(lián)系，且對農(nóng)作物的出苗率和產(chǎn)量都有著重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，土壤緊實度過高，不利于土壤中有機氮赫爾碳的礦化作用，對土壤中養(yǎng)分的循環(huán)以及農(nóng)作物對養(yǎng)分的吸收都有著很大的抑制作用。石彥琴等研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的生物有機肥均能夠有效改良土壤的緊實度，且這種改良效果在0～20cm耕作層的效果較好;使用生物有機肥后，0～20cm土層土壤的緊實度較對照組出現(xiàn)明顯的疏松狀態(tài)，但對于20 cm以下土壤的緊實度并無顯著影響[10]。

3.4 生物有機肥對土壤化學性質(zhì)的影響

土壤中含有各種各樣的有機物質(zhì)和礦物質(zhì)，這些物質(zhì)是植物生長發(fā)育所必需的。使用生物有機肥能夠改善土壤的化學性質(zhì)，并為植物提供一個優(yōu)良的養(yǎng)分環(huán)境，這對促進植物生長和發(fā)育有著重要的作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，施用生物有機肥能夠增加土壤中養(yǎng)分，提高農(nóng)作物對養(yǎng)分吸收效率，進而促進農(nóng)作物的營養(yǎng)和生殖生長過程。這是由于生產(chǎn)上使用的生物有機肥都是要經(jīng)過發(fā)酵這一過程，在這個過程中會產(chǎn)生多種生長素、赤霉素等植物生長調(diào)節(jié)劑以及氨基酸和維生素等次生代謝物質(zhì)，這些富含多種生理活性的物質(zhì)，可以有效刺激農(nóng)作物的生長發(fā)育[11]。

生物有機肥除了提供植物生長發(fā)育相關(guān)的次生代謝物質(zhì)外，還能夠為農(nóng)作物的生長提供相關(guān)的大量元素和微量元素。研究人員發(fā)現(xiàn)使用腐熟的牛糞改良的土壤，土壤中的氮含量、有效鉀以及有效磷的含量都有了不同程度的增加，其增加比例在6.22%～11.6%[2，12]。趙德英等使用不同類型的土壤改良劑對土壤進行改良，這些物質(zhì)均能夠有效提高土壤中全效養(yǎng)分的含量，其中使用處理后的羊糞對土壤的改良效果最好，其對土壤中養(yǎng)分的提高效果最顯著，其提高比例較對照組增加了98.51%[13]。除此之外，使用生物炭以及無機土壤改良物質(zhì)對土壤進行改良后，土壤的pH值較未處理組會出現(xiàn)顯著的變化，且通過觀察發(fā)現(xiàn)生物炭處理的土壤，其土壤pH值均處在植物生長發(fā)育的最佳pH值范圍[12-13]。

生物有機肥中含有豐富的微生物，這些微生物具有較強的生物學功能，能夠在植物的根系附近形成微生物圈，促進根系對營養(yǎng)元素的吸收，其中對豆科作物根系對氮的固定作用效果較為出色。同時，生物肥中含有的微生物能夠有效分解土壤中殘留的化合態(tài)磷以及鉀，增加土壤中能夠被農(nóng)作物吸收的游離態(tài)磷、鉀元素的含量。與此同時，生物有機肥中微生物的生命活動能夠促進土壤中有機質(zhì)發(fā)生礦化，能夠?qū)⒂袡C養(yǎng)分快速的轉(zhuǎn)化為植物根系可以直接吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)。如連作環(huán)境下種植黃瓜的土壤中有效磷、速效鉀以及土壤pH值在使用生物有機肥后均發(fā)生了顯著的提高，其增加幅度在6%～125%[14]。這些結(jié)果表明，生物有機肥中的微生物和有機質(zhì)在協(xié)同作用下進一步促進了農(nóng)作物對土壤中有效磷、鉀等大量元素的吸收，極大地改善了土壤的化學性質(zhì)，并維持土壤中養(yǎng)分以及作物所需營養(yǎng)代謝之間的動態(tài)平衡，始終維持在促進作物生長的有利生長環(huán)境中[11-15]。

3.5 生物有機肥對土壤生物學性質(zhì)的影響

微生物是土壤中的重要成分之一，其在養(yǎng)分循環(huán)、物質(zhì)傳遞以及土壤自我修復(fù)等過程中具有非常重要的作用。生物有機肥中能夠改良土壤的微生物菌群包括細菌、真菌、放線菌等。在作物根系周圍的優(yōu)勢微生物菌群，能夠促進根系蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的合成，還能夠抑制根系病原微生物的繁殖，增強作物對逆境的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，在施用生物有機肥的土壤中細菌、放線菌等土壤益生菌的數(shù)量明顯增多，其增加比例分別為106%和102%[16]，與此同時，土壤中真菌數(shù)量顯著減少，競爭關(guān)系減弱，增強土壤肥力的細菌菌群數(shù)量增多。而且生物有機肥的使用對土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)以及微生物區(qū)系等有著更好改良作用，使得土壤的微生物環(huán)境朝著更加有利于作物生長方向發(fā)展[13，16]。

生物有機肥在改善土壤中各種酶的活性方面也發(fā)揮著重要作用。目前的研究結(jié)果表明，在施用生物有機肥后，土壤中的超氧化物歧化酶以及過氧化物酶的活性有了顯著的增強，其增強比例在18%～113%[11]。而土壤中這些酶的活性與土壤中一系列的生理生化反應(yīng)密切相關(guān)，這些酶參與土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化或植物對逆境的適用性等過程，這些過程均對農(nóng)作物的生長發(fā)育以及品質(zhì)的改善起到不可或缺的作用。

4 生物有機肥應(yīng)用中存在的問題以及發(fā)展趨勢

我國人口基數(shù)大，對農(nóng)產(chǎn)品的需求量較大，這表明我國的生物有機肥有著廣闊的市場需要。截至目前，我國生產(chǎn)生物有機肥的企業(yè)有近千家，生產(chǎn)企業(yè)及其產(chǎn)品遍布全國，而且產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷壯大。但不同地區(qū)選擇生產(chǎn)生物有機肥的主要原材料存在很大的差異，其中草炭、生活垃圾、腐植酸等是常見的原材料，這些原材料可能會存在抗生素殘留以及重金屬含量超標等風險。特別是雞糞、豬糞等動物糞便作為原材料制備的生物有機肥，其抗生素殘留可能會超標，這是由于在喂養(yǎng)畜禽過程中均會添加抗生素來防止病害的發(fā)生。因此，如果這些作為原材料的生物有機肥腐熟不充分，會導(dǎo)致產(chǎn)品中攜帶更多的病原微生物，給土壤以及農(nóng)作物帶來潛在的風險。另外，生物有機肥產(chǎn)品被雜菌污染的事件也時有發(fā)生，這些雜菌均為烈性或條件性的致病菌，其在繁殖過程中會產(chǎn)生大量的毒素，給土壤以及農(nóng)作物帶來一定的副作用。

目前世界各國對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題高度關(guān)注，不斷加大對生物有機肥的開發(fā)、生產(chǎn)以及應(yīng)用力度。但由于多方面原因仍然存在一些不足和亟待改善的地方。我國生物有機肥的發(fā)展還需從以下3個方面入手：1）提高生物有機肥產(chǎn)品品質(zhì)，可以從菌種的選育、工藝優(yōu)化和開發(fā)新產(chǎn)品入手;2）規(guī)范產(chǎn)品的管理，當前市場上的有機肥品種繁多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，相關(guān)職能部門應(yīng)加大產(chǎn)品的檢測和監(jiān)管力度，確保農(nóng)戶用到優(yōu)質(zhì)有機肥產(chǎn)品;3）加大推廣力度，政府以及相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)部門應(yīng)加強對生物有機肥的宣傳，向農(nóng)民展示有機肥的應(yīng)用效果，讓農(nóng)民從根本上上了解生物有機肥的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，提高農(nóng)民對生物有機肥使用的積極性。

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（責任編輯：趙中正）