有機(jī)肥對(duì)作物品質(zhì)、土壤肥力及環(huán)境影響的研究進(jìn)展

晁 贏，付鋼鋒，閻祥慧，杭中橋，楊全剛，王 會(huì)，潘 紅，婁燕宏，諸葛玉平

（1土肥高效利用國(guó)家工程研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018；2泰安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)科技創(chuàng)新部，山東泰安 271000；3山東新超農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東聊城 252800；4鄒城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東濟(jì)寧 273500）

0 引言

肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用至關(guān)重要，但不合理的施肥現(xiàn)象普遍存在，過(guò)量施用化肥的問(wèn)題尤為突出[1-2]，化肥的長(zhǎng)期大量、不合理施用，導(dǎo)致土壤板結(jié)、結(jié)構(gòu)性變差、有機(jī)質(zhì)降低等理化性狀惡化的問(wèn)題[3]。而施用有機(jī)肥不僅可以為植物生長(zhǎng)提供大量元素和多種中微量元素養(yǎng)分，同時(shí)由于含有多種有機(jī)物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、氨基酸、纖維素、半纖維素、脂肪、胡敏酸以及植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)），還可在土壤肥力提升、土壤有機(jī)質(zhì)更新、土壤團(tuán)聚體的形成方面發(fā)揮著重要的作用，可以提高土壤微生物活性、增強(qiáng)土壤保蓄能力，改善作物品質(zhì)[4]。另外，有機(jī)肥施用對(duì)溫室氣體排放以及增加土壤環(huán)境中污染物負(fù)荷的貢獻(xiàn)也不容小覷[5]。本研究從作物品質(zhì)改善、土壤培肥改良、溫室氣體排放、農(nóng)業(yè)面源污染防控等方面綜述了有機(jī)肥施用產(chǎn)生的影響，并對(duì)未來(lái)有機(jī)肥施用的研究趨勢(shì)提出了建議，以期為科學(xué)、合理、高效使用有機(jī)肥，保障土壤資源的可持續(xù)利用提供理論指導(dǎo)。

1 有機(jī)肥施用對(duì)作物品質(zhì)的影響研究進(jìn)展

作物品質(zhì)概念較為寬泛，涵蓋外觀品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、食味品質(zhì)和加工品質(zhì)等。近年來(lái)，隨著居民生活水平的不斷提高，對(duì)作物品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。

1.1 外觀品質(zhì)

有機(jī)肥所含養(yǎng)分全面，釋放緩慢，養(yǎng)分供應(yīng)周期長(zhǎng)，可減緩因?yàn)轲B(yǎng)分缺乏導(dǎo)致的作物葉面積指數(shù)下降，葉片光合面積維持較高水平，有利于光合產(chǎn)物積累，促進(jìn)籽粒形成[6]，對(duì)于提高大田作物的產(chǎn)量、蔬菜作物和水果的商品性發(fā)揮著重要作用。有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理稻米堊白粒率和堊白度較單施無(wú)機(jī)肥處理分別降低2.25%和0.35%[7]，同時(shí)有利于提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，提高碾磨品質(zhì)[8]。楊志剛等[9]研究表明，有機(jī)肥的施用顯著促進(jìn)辣椒果實(shí)橫向生長(zhǎng)及果肉厚度增加，單果重、果實(shí)橫徑和果肉厚度顯著提高。而陳帥君等[10]對(duì)華北地區(qū)主栽的11個(gè)水稻品種的研究表明，不同有機(jī)肥處理對(duì)水稻的外觀品質(zhì)沒(méi)有顯著影響。同時(shí)，不同類型的有機(jī)肥以及不同的施用量，其對(duì)作物外觀品質(zhì)的影響差異較大。司若彤等[11]發(fā)現(xiàn)生物有機(jī)肥替代20%化肥處理芒果單果重量較發(fā)酵純羊糞替代10%化肥處理提高19.42%。

1.2 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要體現(xiàn)在維生素C、可溶性糖、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸含量等方面[12]。研究表明，有機(jī)肥的施用顯著降低了小白菜[13]、番茄[14]硝酸鹽的含量，提高了椪柑維生素C含量[15]和可溶性糖含量[14]。但是，趙滿興等[16]研究表明，化肥配施腐殖酸肥或生物有機(jī)肥降低了果實(shí)維生素C質(zhì)量分?jǐn)?shù)。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明，單施有機(jī)肥(60000 kg/hm2)提高了小麥淀粉、粗脂肪、氨基酸的含量，但單施低量有機(jī)肥(30000 kg/hm2)降低了蛋白質(zhì)含量，且有機(jī)肥施用對(duì)小麥品質(zhì)的影響與化學(xué)氮肥的投入量密切相關(guān)[17]。孫鷹翔等[18]研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施較單施無(wú)機(jī)肥顯著提高了脂肪的含量(P<0.05)，增加了蛋白質(zhì)、油酸含量和油酸/亞油酸比值，但并不顯著?？梢?jiàn)，有機(jī)肥施用對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的作用受到有機(jī)肥用量、作物種類、土壤肥力等因素的影響。

1.3 食味品質(zhì)

食味品質(zhì)主要體現(xiàn)在糊化溫度、粘度、崩解值、膠稠度等方面[19]。張欣等[20]對(duì)稻米食味品質(zhì)的研究表明，有機(jī)肥的施用顯著提高了稻米的最高粘度、最低粘度和崩解值。在甘薯的研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著降低糊化特性的回復(fù)值和糊化溫度，而顯著提高蛋白質(zhì)及最高粘度值和崩解值[21]。在稻米的研究表明，與單施有機(jī)肥相比，有機(jī)無(wú)機(jī)配施提高峰值黏度，降低糊化溫度及消減值[22]。賈輝輝等[23]研究發(fā)現(xiàn)，除糊化溫度外，有機(jī)肥處理在糊化特性值的各項(xiàng)指標(biāo)上均達(dá)到極顯著水平，有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥互作對(duì)低谷黏度、稀懈值和峰值黏度有顯著或極顯著的影響。

1.4 加工品質(zhì)

加工品質(zhì)直接影響到加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。賀陽(yáng)東等[24]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用可提高稻米的加工品質(zhì)，降低堊白粒率和堊白度。方玉川等[25]研究表明，有機(jī)肥的施用通過(guò)提高馬鈴薯與加工品質(zhì)密切相關(guān)的塊莖淀粉、蛋白質(zhì)含量，降低還原糖含量來(lái)改善其加工品質(zhì)。高榮岐等[26]在小麥上也取得了類似的結(jié)果，施用有機(jī)肥可明顯改善蛋白質(zhì)和濕面筋含量以及沉淀值等加工品質(zhì)指標(biāo)。但是，對(duì)于不同的有機(jī)肥種類、用量，以及對(duì)不同作物加工品質(zhì)的影響尚缺乏深入研究。

2 有機(jī)肥施用對(duì)土壤肥力的影響

2.1 培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)

有機(jī)肥中含有的養(yǎng)分比較全面，不僅含有植物生長(zhǎng)必須的氮磷鉀等大量營(yíng)養(yǎng)元素外，還含有多種中微量元素，而且這些營(yíng)養(yǎng)元素貯存在有機(jī)質(zhì)中緩慢釋放以滿足作物生長(zhǎng)需求。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，促進(jìn)了礦物風(fēng)化和養(yǎng)分釋放，而且通過(guò)絡(luò)合（螯合）作用增加了礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性[27]。有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)含有一定量的有機(jī)酸、糖類、酚類及含N、S的雜環(huán)化合物等活性基團(tuán)，很容易絡(luò)合或螯合土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等元素，提高其生物有效性滿足作物對(duì)微量元素的需求[28]。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)肥的施用增加了土壤全氮、堿解氮、全磷、有效磷等含量[29]。同時(shí)，有機(jī)肥的施用，顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加了土壤大團(tuán)聚體數(shù)量，增強(qiáng)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性[30]。陳修斌等[31]通過(guò)基于11年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用增加了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、土壤總孔隙度，降低了土壤的粘結(jié)度，提高土壤的保水保肥能力，土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，利于土壤水肥協(xié)調(diào)供應(yīng)。

2.2 增強(qiáng)土壤緩沖性能，提高肥料利用率

土壤是一個(gè)緩沖體系，有機(jī)質(zhì)的含量影響到土壤的緩沖容量。有機(jī)肥中的有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)與土壤中的黏土或鈣離子結(jié)合，有利于土壤團(tuán)聚體的形成，提高蓄水保墑能力；提高土壤陽(yáng)離子交換量，由于更多可交換離子被替代中和，土壤的緩沖性能顯著增加[32]。除此之外，有機(jī)肥的施用還可以提高養(yǎng)分的緩沖性能和肥料利用率。劉建玲等[33]研究表明有機(jī)肥的施用主要增加了土壤磷的吸附位點(diǎn)，從而相應(yīng)地增加了土壤磷吸附能力，土壤易解吸磷明顯降低。有機(jī)肥的施用實(shí)現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)養(yǎng)分的互補(bǔ)，顯著提高了肥料利用率。研究表明，有機(jī)肥替代提高了煙草[34]、黃瓜[35]、水稻[36]、玉米[37]等的養(yǎng)分利用率。李其勝等[38]在對(duì)稻麥輪作模式的研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代化肥處理的水稻各部位養(yǎng)分含量和累積量顯著增加，肥料貢獻(xiàn)率，農(nóng)學(xué)效率，以及氮肥和磷肥的偏生產(chǎn)力和利用率增幅最高達(dá)到66.67%。但是，溫延臣等[39]通過(guò)31年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)高。但也有研究表明施用有機(jī)肥土壤硝態(tài)氮淋溶稍低于或接近化肥處理[40]。

2.3 改善土壤微生物群落，減少作物病蟲(chóng)害

微生物數(shù)量及其活性是反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。有機(jī)肥施用可為微生物提供其活動(dòng)所需的碳源、氮源和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，優(yōu)化土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能[1]。李林林等[41]對(duì)苧麻施用有機(jī)肥的研究表明，土壤微生物多樣性指數(shù)顯著提高，增強(qiáng)了微生物代謝功能。微生物參與分解有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)與養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，調(diào)控土壤中物質(zhì)能量流動(dòng)、養(yǎng)分循環(huán)。有研究表明，有機(jī)肥的施用促進(jìn)了土壤真菌、放線菌和細(xì)菌等微生物的生長(zhǎng)和繁衍，降低反硝化細(xì)菌的數(shù)量[42]，土壤中不能被植物所利用的有機(jī)態(tài)含氮化合物轉(zhuǎn)化為可供給態(tài)氮，為土壤微生物供給更多的可利用底物，改善微生物群落功能，提高代謝能力[43]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著增加棉田土壤細(xì)菌、放線菌和假單胞桿菌數(shù)量，抑制真菌生長(zhǎng)，從而改變土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于土傳病害的防治效果明顯[44]。究其原因主要是有機(jī)肥中含有大量的有益微生物，一方面與致病微生物競(jìng)爭(zhēng)生存環(huán)境和資源起到拮抗的作用，另一方面還可產(chǎn)生抑制致病微生物的物質(zhì)抑制其生長(zhǎng)。此外，有機(jī)肥中的無(wú)機(jī)鹽類和抗生素類可直接抑制病原菌，且有機(jī)物質(zhì)的降解也會(huì)產(chǎn)生對(duì)病原菌有毒的揮發(fā)性物質(zhì)，從而抑制土傳病害的發(fā)生。

3 有機(jī)肥施用對(duì)土壤環(huán)境的影響

3.1 促進(jìn)有機(jī)碳的積累，影響溫室氣體排放

有機(jī)肥施用可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[45]。侯淑艷等[46]通過(guò)32年的長(zhǎng)期定位研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的施用能夠顯著增加土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。李文軍等[47]在湖南常德國(guó)家稻田肥力與肥料效應(yīng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究表明，有機(jī)肥配施化肥增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的積累。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施與單施化肥相比增加稻田CH4排放量[48]，對(duì)N2O排放量的影響不顯著。Shang等[49]通過(guò)3年的雙季稻定位觀測(cè)發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用增加了N2O排放量，而在小麥-水稻輪作的研究中卻發(fā)現(xiàn)降低N2O排放量[50]。相反，也有研究表明有機(jī)肥施用降低CH4的排放，但卻增加CO2的排放量[51]。不同的有機(jī)肥及其耕作管理方式對(duì)土壤有機(jī)碳累積的速率和溫室氣體的排放是存在差異的。

3.2 影響重金屬生物有效性，降低農(nóng)田面源污染

已有研究表明，有機(jī)肥中的腐殖質(zhì)通過(guò)螯合、絡(luò)合反應(yīng)固定重金屬，可降低重金屬對(duì)植物的有效性，如李順江等[52]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可降低土壤中Cd和Cr的生物有效性，抑制小白菜對(duì)Cd和Cr的吸收。但也有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬具有活化效應(yīng)，會(huì)提高土壤重金屬的移動(dòng)性，如夏文建等[53]對(duì)長(zhǎng)期施肥下紅壤稻田土壤重金屬累積及有效態(tài)分布特征研究表明，有機(jī)肥處理顯著提高了土壤有效態(tài)Cu、Zn、Cr、Cd、As和Fe的含量。因此，有機(jī)肥的施用對(duì)于土壤重金屬的生物有效性具有雙重效應(yīng)。有機(jī)肥養(yǎng)分釋放緩慢，可提高土壤陽(yáng)離子代換量，提高土壤保肥性能，可有效減小氮磷淋失[54-55]。蔡佳佩等[56]研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量20%配施有機(jī)肥處理較常規(guī)施肥處理的總氮、銨態(tài)氮與總磷平均值分別降低了6.5%、9.1%和3.1%，降低了氮、磷地表徑流產(chǎn)生的農(nóng)田面源污染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，有機(jī)肥的施用顯著降低了土層氮、磷淋出量[57]。閆佳會(huì)等[58]研究表明，有機(jī)肥替代顯著降低土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)，0～20 cm土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮減少22.87%～76.17%和10.84%～80.48%。

4 研究展望

4.1 強(qiáng)化品質(zhì)調(diào)控研究，提升有機(jī)肥品質(zhì)

有機(jī)肥的施用對(duì)作物增產(chǎn)提質(zhì)的效果已被廣泛報(bào)道，但是在不同肥力土壤上種植不同的作物，其有機(jī)肥的最佳施用量、替代化肥的比例尚缺乏系統(tǒng)的研究。此外，有機(jī)肥施用對(duì)作物品質(zhì)的調(diào)控機(jī)制尚不明晰，對(duì)外觀品質(zhì)、食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的協(xié)同作用效應(yīng)認(rèn)識(shí)不足。有機(jī)肥產(chǎn)品種類頗多，原料涉及面廣，產(chǎn)品特性千差萬(wàn)別，其對(duì)作物品質(zhì)的影響必然存在差異。因此，在明確有機(jī)肥最優(yōu)施用量，明晰有機(jī)肥對(duì)作物品質(zhì)的調(diào)控基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝，不斷提升有機(jī)肥品質(zhì)，研發(fā)高有效養(yǎng)分含量、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)平衡的增量型高品質(zhì)有機(jī)肥產(chǎn)品，配合相應(yīng)的造粒工藝使之與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效目標(biāo)的要求相匹配。

4.2 強(qiáng)化定位觀測(cè)研究，提升肥力監(jiān)測(cè)水平

為切實(shí)掌握有機(jī)肥施用對(duì)土壤肥力的作用效應(yīng)，可在不同土壤類型上建立不同作物的有機(jī)肥長(zhǎng)期施用監(jiān)測(cè)平臺(tái)，充分利用土壤團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)研究技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)、土壤傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立有機(jī)肥長(zhǎng)期施用土壤肥力數(shù)據(jù)庫(kù)，從物理、化學(xué)、生物學(xué)角度全面分析有機(jī)肥長(zhǎng)期施用對(duì)土壤肥力的作用效應(yīng)，可為有機(jī)肥的科學(xué)合理施用提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

4.3 加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究，增強(qiáng)施用的針對(duì)性和有效性

目前有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，主要原因還是原材料質(zhì)量控制不嚴(yán)格，有些原材料本身含有重金屬、抗生素等有毒有害物質(zhì)，施用后可能產(chǎn)生一系列環(huán)境問(wèn)題，因此一方面亟需建立有機(jī)肥肥源監(jiān)控體系；另一方面要加強(qiáng)對(duì)有機(jī)肥施用后的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)。特別是要更加關(guān)注有機(jī)肥施用對(duì)溫室氣體排放、碳收支、有毒有害物質(zhì)有效性及作物抗逆性的影響。綜合權(quán)衡有機(jī)肥施用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，提高其施用的有效性和針對(duì)性。