我國肥料施用現(xiàn)狀及化肥減量研究進展

袁旭 張家安 常飛楊 王鑫月 李寒 張雪梅

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

中國是世界最大的化肥生產(chǎn)國和消費國?；试谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，據(jù)統(tǒng)計，全球作物增產(chǎn)有1/2是源于化肥的施用。施肥是促進苗木生長和提高苗木質(zhì)量的重要栽培措施。適當(dāng)施用化肥可以增加土壤養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。然而，農(nóng)民缺乏科學(xué)的施肥指導(dǎo)，在種植過程中為實現(xiàn)高產(chǎn)量高收益往往會盲目施用過量的化肥?；实倪^量施用不但會造成資源浪費，環(huán)境污染，降低肥料利用率，還會導(dǎo)致作物減產(chǎn)、品質(zhì)下降、口感變差等不良影響。因此在不減產(chǎn)的基礎(chǔ)上通過化肥減量配施有機肥實現(xiàn)培肥地力，提升作物品質(zhì)，減少環(huán)境污染是保障我國農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

1 肥料施用現(xiàn)狀

1.1 化肥施用現(xiàn)狀

化肥在我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)上起到了的重要作用，我國的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)21.7%來源于化肥施用量的增加。20世紀初，我國部分地區(qū)初步進行化肥的施用，20世紀30年代化肥開始走進市場。隨著我國農(nóng)業(yè)與化工業(yè)的發(fā)展，化肥施用量飛速增長。我國化肥施用總量從20世紀50年代的7.8萬t增長至2015年的6022萬t，年均增長率為9.8%。目前我國在化肥的生產(chǎn)和消費上已領(lǐng)先全球，產(chǎn)量和消費量均占全球總量的30%，單位面積用量約為世界平均水平的3.7倍。同時，我國單位耕地面積投入強度也超出國際水平，據(jù)統(tǒng)計，1990—2014年化肥的投入強度由174kg·hm-2上升到362kg·hm-2，約為發(fā)達國家設(shè)置安全上限的1.6倍?？梢钥闯鑫覈释度肷线h超國際標準，在化肥使用上存在很大的盲目性，缺乏一個科學(xué)完善化肥施用體系，廣大農(nóng)民缺乏科學(xué)的施肥觀念。過量的化肥投入雖能實現(xiàn)短期增產(chǎn)的效果，但是長遠來看過量施肥不僅會造成大量資源浪費，土壤養(yǎng)分流失，地力下降，減少產(chǎn)量，還會造成環(huán)境污染。我國肥料利用率遠不及發(fā)達國家，土壤養(yǎng)分流失嚴重，氮肥的利用率為30%～35%，磷肥10%～20%，鉀肥35%～50%，甚至部分地區(qū)的氮磷肥利用率僅10%，化肥利用率不到發(fā)達國家的50%。

1.2 有機肥施用現(xiàn)狀

我國有機肥資源豐富，據(jù)統(tǒng)計我國年有機養(yǎng)分總量約為7500萬t，其中養(yǎng)殖糞污占有機養(yǎng)分總量的50%。大量畜禽糞便若不加以處理利用，不僅影響農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生，而且會對環(huán)境造成污染，因此畜禽糞便肥料化處理制成有機肥便是較為合理的解決方案。然而有機肥存在養(yǎng)分釋放速度慢、含量低、費工費力等缺點，相比化肥而言有機肥不受農(nóng)民重視，至2003年我國有機肥施用量僅占肥料總量的1/4。過量化肥施用引起包括土壤酸化、鹽漬化、土壤養(yǎng)分失衡等在內(nèi)的土壤質(zhì)量退化以及土壤硝酸鹽積累、地下水和地表水農(nóng)業(yè)面源污染等問題，而有機肥可以很好地改善這些問題。有機肥中富含有機質(zhì)和各種養(yǎng)分，具有改善土壤理化性質(zhì)、培肥地力、維持土壤養(yǎng)分平衡、提高土壤酶活、改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，過量施用有機肥也會存在重金屬積累的風(fēng)險。有機肥可以作為化肥的良好替代品。已有大量研究表明，在化肥減量配施有機肥有提升作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)，提高微生物數(shù)量及酶活性等效果。

2 過量施用化肥對環(huán)境的影響

2.1 面源污染

過量的施用化肥已成為多數(shù)農(nóng)民慣用的生產(chǎn)方式，化肥的過量施用是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一?；蔬^量投入后僅有部分被作物吸收，最終養(yǎng)分通過各類水文途徑下滲到土壤、水體中。過量氮磷的遷移使水體養(yǎng)分富集，從而造成地表水富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽污染。研究表明，磷在化肥中施用相較于在有機肥中施用更容易從土壤中流失下滲至水體。我國多數(shù)湖泊與水庫面源污染嚴重，水體處于富營養(yǎng)狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計，我國主要湖泊中富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊約占總數(shù)的79%，主要水庫中富營養(yǎng)狀態(tài)與中營養(yǎng)狀態(tài)水庫占評價水庫總數(shù)的29%。

2.2 影響土壤理化性質(zhì)

過量施肥會對土壤的理化性質(zhì)造成嚴重影響。長期單施化肥會破壞土壤結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定性，容重增值，孔隙度降低，水穩(wěn)性結(jié)構(gòu)破壞率提高，致使土壤緊實，耕性變壞，土壤肥力衰退。

長期過量施用氮肥會導(dǎo)致土壤酸化。氮肥施用后在土壤中轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，進而產(chǎn)生硝化作用導(dǎo)致土壤酸化。唐賢等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在平均施氮量為150kg·hm-2的條件下，與不施氮肥相比土壤pH顯著降低。施用有機肥可改善土壤的pH值，而單施化肥會使土壤pH值降低，加速土壤酸化。

土壤有機質(zhì)就是土壤中含碳的有機化合物，是反映土壤肥力的重要指標。有機質(zhì)是供給植物養(yǎng)分重要保障，也是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要因素。土壤有機質(zhì)會受到氣候環(huán)境、整地耕作、土壤質(zhì)地等因素影響，其中施肥是影響土壤有機質(zhì)的主要原因。何翠翠等[2]研究表明，黑土長期單施化肥有機質(zhì)含量較不施化肥處理有所下降，有機肥配施化肥處理可以顯著提高有機質(zhì)含量。有研究表明，過量施肥會降低土壤有機質(zhì)含量，有機質(zhì)隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，長期不施肥或長期施用化肥土壤有機質(zhì)含量均會下降。

2.3 土壤重金屬污染

過量施用化肥會導(dǎo)致土壤重金屬積累。磷肥中富含重金屬元素，大量施用磷肥會導(dǎo)致重金屬在土壤中積累，從而造成土壤重金屬污染。研究表明，施用磷肥過量，會導(dǎo)致施肥土壤含鎘量增長數(shù)十倍，最終造成土壤鎘污染。Wang等[3]分析菜地土壤中重金屬的含量與來源發(fā)現(xiàn)，土壤中Cu、Hg、Zn、Cd等重金含量超標與化肥施用有關(guān)，其中Cd、Hg污染程度較高。閆湘等[4]研究表明，微量元素肥料和磷肥中重金屬含量較高，其他肥料中也含有不同程度的重金屬，大量施用會對農(nóng)田土壤造成嚴重污染。

3 化肥減量配施有機肥研究進展

3.1 化肥減量配施有機肥對作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

化肥減量配施有機肥在提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面都有顯著成效。方成等[5]研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量配施有機肥處理的產(chǎn)量較常規(guī)施肥無顯著差異，不同梯度減肥處理均顯著提高玉米果實品質(zhì)。楊莉莉等[6]研究表明，蘋果氮肥減量配施有機肥處理可滴定酸顯著低于施化肥處理，產(chǎn)量、可溶性固形物、可溶性糖、糖酸比均較單施化肥有所提高，其中有機肥替代50%氮肥處理的果實品質(zhì)與產(chǎn)量提升效果最佳。杜少平等[7]研究表明，有機肥替代氮肥處理顯著增加西瓜產(chǎn)量，其中100%氮肥替代處理的水分利用效率、氮素利用率和可溶性糖含量較常規(guī)施肥處理提升效果最佳。

3.2 化肥減量配施有機肥對作物葉片光合作用的影響

光合作用是植物太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的重要生理過程，是植物生長發(fā)育以及果實質(zhì)量形成的生理基礎(chǔ)。而礦質(zhì)元素在植物進行光合作用過程中發(fā)揮著重要的作用，養(yǎng)分不足會對植物光合作用產(chǎn)生影響。石鑫蕊等[8]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量的增加可以顯著提高水稻葉片的光合性能，高氮處理效果最佳但肥料利用率較低。高中氮有機替代處理光合性能無顯著差異但顯著高于中低氮處理。蘇蘭茜等[9]研究表明，有機肥替代處理下菠蘿蜜幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度隨有機肥施用量的增加而增加，于70%有機替代處理時達到峰值。

3.3 化肥減量配施有機肥對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒馐翘綔y葉綠體和光合作用的重要參數(shù)，葉綠素?zé)晒饪梢苑从吵霎?dāng)前植物的生理狀況、脅迫環(huán)境對植物的影響及光合作用的變化。王通明等[10]研究發(fā)現(xiàn)，烤煙有機肥處理相較化肥處理葉綠素?zé)晒鈪?shù)Y[Ⅱ]、qL、Fv/Fm顯著提高，葉齡30以上化肥處理NPQ值高于有機肥處理。宋文博等[11]研究表明，減施化肥增施有機肥能有效降低烤煙中部葉的實際熒光，提高烤煙中部葉的實際光化學(xué)效率ΦPSⅡ，增強凈光合作用提高葉片質(zhì)量。

3.4 化肥減量配施有機肥對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤理化性質(zhì)是反應(yīng)土壤養(yǎng)分、質(zhì)量的重要指標，是影響植物生長提升作物產(chǎn)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素。謝巧娟[12]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥土壤理化性質(zhì)得到了明顯改善，不但降低了土壤容重，調(diào)節(jié)了土壤pH，還顯著提高了土壤肥力。說明有機肥能夠起到改善土壤理化性質(zhì)及培肥土壤的效果。胡柯鑫等[13]研究發(fā)現(xiàn)，水稻化肥減量處理后土壤理化性質(zhì)得到明顯改善，其中30%氮肥減量處理的早稻效果最佳，產(chǎn)量較常規(guī)施肥顯著提高，土壤速效養(yǎng)分含量與有機質(zhì)含量均較對照有所增長。

3.5 化肥減量配施有機肥對土壤酶活性與微生物的影響

土壤微生物和酶是土壤有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及營養(yǎng)元素的固持與釋放的積極參與者，有助于植物對土壤養(yǎng)分的吸收與利用。施用有機肥能促進土壤養(yǎng)分循環(huán)、植物根系生長，改善土壤環(huán)境，提高土壤微生物多樣性，增加土壤微生物生物量碳氮，改善微生物群落結(jié)構(gòu)，提升土壤酶活性。

李司童[14]研究表明，各梯度蚯蚓糞代替化肥處理下土壤酶活性及細菌、真菌、放線菌數(shù)量均較常規(guī)施肥有所提高，其中蚯蚓糞代替30%化肥處理效果最佳。李想等[15]研究表明，化肥配施有機肥處理較單施化肥處理顯著提高土壤的脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性及根際土壤微生物數(shù)量，在提高微生物群落的豐度的同時調(diào)節(jié)了微生物群落的平衡性。吳憲等[16]研究表明，化肥減量和有機替代能提高細菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和物種間傳遞物質(zhì)、能量和信息的效率，提高真菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、群落互作，同時起到穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)的作用。

3.6 化肥減量配施有機肥對作物養(yǎng)分利用效率的影響

肥料利用率是指作物對施入肥料的吸收效率?；实倪^量施用會造成我國肥料資源的浪費，肥料利用率遠低于正常標準，而化肥減量配施有機肥可以在減少化肥投入保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上提高肥料利用率。研究表明，施用有機肥能促進作物對土壤中氮和磷的吸收利用，顯著提高氮肥利用率，氮、磷養(yǎng)分利用率隨有機肥施用量的增加而增加。陳玉真[17]等研究發(fā)現(xiàn)，化肥有機替代處理能提高茶樹新梢養(yǎng)分吸收量，肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和養(yǎng)分回收率都較對照有所提升。尹彩俠等[18]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代氮肥10%處理的水稻養(yǎng)分積累量較對照顯著增加，適當(dāng)?shù)挠袡C肥替代化肥可以顯著提高水稻對養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用。

4 前景與展望

長期以來，我國為達到作物增產(chǎn)增收在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化肥，盲目的化肥投入最終導(dǎo)致了諸多環(huán)境問題。而不合理施肥現(xiàn)象的根源以及解決方法是關(guān)注的焦點話題。農(nóng)民為實現(xiàn)增產(chǎn)創(chuàng)收又缺乏科學(xué)的指導(dǎo)造成我國存在不合理施肥現(xiàn)象的發(fā)生。為解決當(dāng)今農(nóng)產(chǎn)品供給需求與發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)之間的矛盾，我國開展了化肥零增長行動，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機肥替代化肥總進程，實現(xiàn)我國傳統(tǒng)施肥方式向綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的方針。2021年中央一號文件提出，要深入推進化肥減施增效，明確實施化肥減量方法和途徑，出臺相應(yīng)政策為目前我國過量施肥問題提供有力的支持。

目前，化肥減量配施有機肥已在多種作物上展現(xiàn)顯著成效，可以有效改善土壤理化性質(zhì)，提升作物品質(zhì)與產(chǎn)量，提高肥料利用率，減少過量施肥造成的環(huán)境污染。但想要解決化肥不合理施肥帶來的問題僅僅實施化肥減量是遠遠不夠的。如今，隨著經(jīng)濟發(fā)展物品流通便利，出現(xiàn)了如農(nóng)田帶出養(yǎng)分難以還田的問題。并且我國種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)分離，有機養(yǎng)分就地還田困難。我國養(yǎng)殖業(yè)每年產(chǎn)生糞污綜合利用率不足60%，不僅造成資源浪費，還可能造成重金屬污染。因此，通過推動我國養(yǎng)殖業(yè)廢棄糞污資源化合理利用，既能解決養(yǎng)殖糞污造成環(huán)境污染治理難題，又能實現(xiàn)有機養(yǎng)分還田減少農(nóng)民化肥施用。因此，有效利用養(yǎng)殖糞污還田，推動養(yǎng)分在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)利用，便于提高農(nóng)民對有機肥的施用率，從而提高我國肥料養(yǎng)分利用率，在保障作物產(chǎn)量的同時也提高作物品質(zhì)，減少化肥過量施用對環(huán)境的污染，推進我國綠色農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。