生物有機(jī)肥在作物品質(zhì)改良和土壤修復(fù)中的研究進(jìn)展

郭之樂，楊 宸，孫朝陽，路斯晗，馬彥波，侯余勇，王巍杰

（1. 華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 唐山市豐南區(qū)惠福園生態(tài)養(yǎng)殖有限公司，河北 唐山 063300；3. 中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308）

我國地域遼闊，土壤種類豐富，部分土壤不能提供滿足作物生長發(fā)育所需的所有養(yǎng)分。因此，為了提高作物產(chǎn)量，農(nóng)戶常通過播撒灰分或施肥等方式補(bǔ)給植物養(yǎng)分，使其達(dá)到最佳生長狀態(tài)[1]?；誓軌蛟谝欢ǔ潭壬涎a(bǔ)充作物合成以及相關(guān)能量物質(zhì)（如ADP和ATP）葡萄糖、蛋白質(zhì)和核酸有機(jī)物所需要的氮磷鉀元素，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

但是化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)和大量使用不僅造成了環(huán)境污染，而且長期施用后將影響土壤肥力，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分供給失衡、肥料利用率下降等情況發(fā)生[2]。長此以往土壤本身有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)遭破壞，與作物生長密切相關(guān)的土壤微生物生態(tài)被破壞，進(jìn)而對植物生長和作物產(chǎn)量產(chǎn)生破壞性影響[3-4]。因此，充分利用生物廢棄物這個大型資源庫，通過生物加工生產(chǎn)各種肥料，推動化肥生產(chǎn)向生物有機(jī)肥生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，以可持續(xù)的方式最大限度地從生物廢棄物中回收有價值的營養(yǎng)物質(zhì)被視為解決這一難題的理想方法[5]。生物有機(jī)肥的開發(fā)可以替代人工合成的化肥，提高土壤養(yǎng)分含量，并修復(fù)土壤供肥能力，為作物生長提供良好條件，是符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，也是滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[4]。

1 生物有機(jī)肥概述

生物有機(jī)肥是以動物糞便、農(nóng)副產(chǎn)品殘體為原料，通過添加特定功能微生物發(fā)酵腐熟形成的一類兼具微生物肥和有機(jī)肥效應(yīng)的肥料。生物有機(jī)肥不僅含有氮磷鉀等無機(jī)養(yǎng)分，還含有植物生長所需的多種營養(yǎng)物質(zhì)，如氨基酸、蛋白質(zhì)、微量元素、糖和脂肪等有機(jī)質(zhì)，同時富含一種或多種功能性微生物（表1）。研究表明，生物有機(jī)肥可以通過調(diào)節(jié)土壤pH 值、養(yǎng)分含量和功能性細(xì)菌種類及數(shù)量等來調(diào)控植物生長，提高植物養(yǎng)分利用率，直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)；同時，可以改善土壤結(jié)構(gòu)和功能，減少養(yǎng)分流失，增強(qiáng)微生物的豐度和活性，實現(xiàn)修復(fù)土壤的目的[6]。此外，施用生物有機(jī)肥可以增加重組菌群中特定的植物有益菌群的數(shù)量，如根瘤菌、偶氮螺旋菌、芽孢桿菌、固氮菌、磷酸鹽溶劑菌、菌根菌等[7]，代替人工合成的礦物氮，更有利于形成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮流閉環(huán)，在一定程度上減少土傳病害的發(fā)生，使土壤微生物群落發(fā)展進(jìn)入良性循環(huán)（表2），是可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)必不可少的技術(shù)支持，符合環(huán)保、無害、綠色的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展主旋律[8]。

表1 生物有機(jī)肥微生物的功能及類別

表2 生物有機(jī)肥菌種名稱及菌種作用

2 生物有機(jī)肥對于作物的影響

2.1 生物有機(jī)肥可提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)

生物有機(jī)肥一方面通過有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)使土壤潛在養(yǎng)分活化，增強(qiáng)土壤中氮、磷、鉀元素的有效性，提高無機(jī)肥料利用率，從而促進(jìn)作物內(nèi)營養(yǎng)平衡，提高作物產(chǎn)量。另一方面，生物有機(jī)肥可以快速活化土壤微生物，促使土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善土壤質(zhì)量，使肥效更持久，有助于提升作物品質(zhì)。作物種植過程中施用生物有機(jī)肥，作物的株高、有效葉數(shù)、有效穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量等均有顯著提高[11]。

研究表明，在土壤中將生物有機(jī)肥和無機(jī)肥料共同配比施用，能顯著提高紅辣椒產(chǎn)量[1]。施用生物有機(jī)肥可以提供植物生長所需的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮、全磷和速效磷，從而提高三七和人參的植株鮮重、干重、莖長和根長等指標(biāo)[8]。提高生物有機(jī)肥與化肥配施比例有助于生姜可溶性糖、維生素C 和揮發(fā)油的積累，顯著降低生姜中粗纖維和硝酸鹽的含量[12]。Jin等[13]研究發(fā)現(xiàn)，減少化肥施用量并輔助應(yīng)用生物有機(jī)肥，可以提高萵筍產(chǎn)量，并且降低葉片中的硝酸鹽含量，提升葉片中可溶性糖和維生素C 的含量。吳旭東等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施用木霉菌生物有機(jī)肥可顯著增加西瓜植株的株高、莖粗、葉片SPAD 值以及果實可溶性蛋白含量。Kholssi 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在稻田中使用絲狀藍(lán)藻生物肥后，通過藍(lán)藻對氮元素的固定，水稻葉綠素含量增加了近50%，氮含量增加了10%以上，小麥質(zhì)量整體提高了40%。Patriyawaty等[16]研究認(rèn)為，生物肥施用配合水稻株距的調(diào)整，能夠顯著促進(jìn)水稻分蘗和稻穗伸長。無機(jī)肥料與生物肥配施可促進(jìn)水稻植株養(yǎng)分吸收，提高養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量[17]。當(dāng)鏈脲菌素與生物菌劑共同施用時，有利于龍葵的生長發(fā)育，其果實和枝條明顯增加，根長顯著增長[18]。馬齒莧中可溶性糖、總黃酮等營養(yǎng)成分含量及ω-3 多不飽和脂肪酸（PUFA）等相對含量在生物有機(jī)肥的作用下均顯著增高，而硝酸鹽、可溶性草酸等抗?fàn)I養(yǎng)成分含量則有明顯降低[19]。生物有機(jī)肥中的微生物可促進(jìn)甘蔗根系分泌物的增加，增加甘蔗根系對養(yǎng)分的吸收，使甘蔗產(chǎn)量可提高12%[20]。同時，生物肥料中有機(jī)質(zhì)的輸入可以改善土壤微量元素的水溶性和交換態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)甘蔗根系對土壤微量元素的吸收，從而提高甘蔗含糖量。相對于化肥處理，生物有機(jī)肥處理能夠提高香蕉果實的還原糖和維生素C 的含量，糖酸比顯著提高，顯著提升香蕉口感[21]。生物有機(jī)肥施用還可加強(qiáng)大氣氮素固定，提高植株光合活性，對苦瓜的株高、葉數(shù)、分支數(shù)均有顯著影響[2]。固氮菌復(fù)配蚯蚓糞渣發(fā)酵生產(chǎn)的生物有機(jī)肥可提高刺頭草的葉綠素和油脂含量，進(jìn)而使刺頭草籽粒產(chǎn)量得到顯著提升[22]。

2.2 生物有機(jī)肥具有一定生物防治能力

在生產(chǎn)過程中，由于生物和非生物脅迫的影響，農(nóng)作物在生長過程中會發(fā)生多種病害，其中土傳病害是引起植物減產(chǎn)降質(zhì)的主要原因之一，而生物有機(jī)肥能夠在一定程度上增強(qiáng)植株抗性，并且針對不同病原菌有特定的生防菌種（表3）。生物有機(jī)肥中乳酸菌屬與紅假單胞菌屬、放線菌屬和鏈霉菌屬聯(lián)合作用可提高作物的水溶性磷、鉀元素含量[23]。含有芽孢菌株的生物肥料能夠有效抑制菌核病的發(fā)生[24]。鏈霉菌腐熟生物有機(jī)肥不僅能夠促進(jìn)植物生長，還能提高植物預(yù)防病蟲害的能力?；旌暇甑膽?yīng)用能夠使土壤微生態(tài)更趨近自然環(huán)境，而且可以擴(kuò)大植物耐受范圍，提高生物防治的有效性和穩(wěn)定性[25]?？莶菅挎邨U菌與發(fā)酵雞糞制成的有機(jī)肥能夠抑制49.97%的根結(jié)病，具有作為新型線蟲防治劑的潛力[26]。減少病原菌Leifsonia aquatica，可抑制或減緩作物持續(xù)性矮化病的發(fā)生，促進(jìn)植株健康生長[20]。生物有機(jī)肥還可用于種子的處理，防止種子之間傳播的疾病和害蟲，維持種子的良好萌發(fā)能力和幼苗活力[27]。

表3 生防菌種、類型、名稱和抑制對象

2.3 生物有機(jī)肥可提高植株抗逆能力

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，水分脅迫、重金屬離子積累、酸堿失常等環(huán)境脅迫常制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。在非生物脅迫作用下，植物氣孔關(guān)閉，凈光合作用和蒸騰作用降低，組織含水量降低，導(dǎo)致光合作用、呼吸作用等生理活動減弱，生長素和赤霉素分泌受到影響，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。生物有機(jī)肥的使用可提升植物激素等植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的作用效果，加速植株對水分和養(yǎng)分的吸收，提高光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)固碳作用，生成有機(jī)物質(zhì)，從而保障作物在脅迫條件下的正常生長發(fā)育，保障作物產(chǎn)質(zhì)量[28]。此外，Kong 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥可使酸性鎘污染土壤中生長的水稻根系表面形成氧化鐵膜，從而降低水稻對鎘的吸收，提高水稻產(chǎn)量，并保障糧食生產(chǎn)安全。

2.4 生物有機(jī)肥的節(jié)肥效應(yīng)

隨著人口的增加和人們生活水平的提高，各種農(nóng)產(chǎn)品的需求逐年增加，化肥的用量也隨之增加，且由于肥料利用率低下，導(dǎo)致化肥用量已超過農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)所需用量尤其是。據(jù)測算，中國水稻生產(chǎn)過程中氮元素的利用效率已低于40%，不僅不利于節(jié)省成本，而且對環(huán)境也會造成污染[30]。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者需要在糧食高產(chǎn)和肥料節(jié)約之間選擇一個平衡。生物有機(jī)肥可以促進(jìn)作物代謝，加速氮元素利用，并且推動生態(tài)循環(huán)和元素流通，平衡人類活動與環(huán)境之間的關(guān)系。此外，將食品工業(yè)廢物作為有機(jī)肥料的原料，一方面能夠回收富含有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)養(yǎng)分和大量生物量的廢物，減少環(huán)境污染；另一方面，在不影響土壤平衡的情況下可以降低農(nóng)田施肥成本[31]。Wang 等[32]以廚余垃圾為原料，通過熱處理批量生產(chǎn)生物肥料，一方面變廢為寶，減少了資源浪費；另一方面節(jié)省了化肥成本，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

3 生物有機(jī)肥對土壤的修復(fù)功效

3.1 生物有機(jī)肥影響土壤理化性質(zhì)

過度使用化肥是造成土壤中鹽、重金屬離子污染的主要原因。鹽堿土中含有較多的可溶性鹽類，導(dǎo)致pH 值較高，不利于作物的生長發(fā)育。同一作物在同一地塊連續(xù)種植會造成土壤緊實、蓄水能力降低、作物產(chǎn)量下降等問題。而生物有機(jī)肥可集環(huán)保、經(jīng)濟(jì)于一身，近年來在鹽堿地等耕種條件差的土壤改良方案中應(yīng)用越來越多。大量研究表明，在肥料中添加有益微生物菌劑能夠使土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)多元化，促進(jìn)元素循環(huán)；協(xié)調(diào)土壤水、肥、氧氣、溫度之間的矛盾，激發(fā)土壤活性，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使得土壤結(jié)構(gòu)變疏松，有利于作物根系在土壤中延伸，促進(jìn)作物更好地生長；增強(qiáng)土壤酶活性，為作物提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用效率，從而提高農(nóng)作物抗性，減少病蟲害危機(jī)[1,33-34]。適當(dāng)?shù)耐寥纏H 值有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，與常規(guī)耕作相比，施用生物有機(jī)肥使土壤pH 值從5.64 提升到6.04，較大地緩解了土壤酸化，改善了土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)條件[8,13]。在生物有機(jī)肥中添加芽孢桿菌后能夠減少土壤的含氮量，提高土壤速效磷和堿解氮含量[35]。此外，施加生物有機(jī)肥后土壤孔隙增加5.66%～8.30%，水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其平均顆粒直徑均呈增加趨勢[36-37]。用生物有機(jī)肥替代部分化肥可以改善連作土壤的物理和水力特性，顯著提高土壤有機(jī)肥的干濕重[38]。還有研究表明，施用生物有機(jī)肥后土壤氮磷鉀含量分別提升了9.88%、21.39%和7.99%[39]。

3.2 生物有機(jī)肥影響土壤微生物群落

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解等一系列土壤生化反應(yīng)，與植物的健康息息相關(guān)。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和特異性決定了耕地的生態(tài)功能和生產(chǎn)力水平。農(nóng)資使用、耕作方式等人類生產(chǎn)活動會影響土壤微生物群落的分布和功能。與化肥相比，有機(jī)肥改善了土壤真菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)。生物有機(jī)肥中的有益菌可參與生態(tài)系統(tǒng)的多個生化活動，包括有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)、植物生長和疾病防護(hù)等，以此維持土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與特異性，調(diào)節(jié)根際微生物群落的多樣性，進(jìn)而影響植物根際微生態(tài)，對耕地產(chǎn)生正向生態(tài)反饋。在土壤中施加生物有機(jī)肥還可促使植物與細(xì)菌、真菌協(xié)同作用共同改善生存環(huán)境，促進(jìn)植物生長代謝，提升植物對環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力。添加生物有機(jī)肥可促進(jìn)共生微生物的生長繁殖，增加細(xì)菌群落的豐富度和多樣性[40]。Guo 等[41]發(fā)現(xiàn)生物有機(jī)肥與常規(guī)氮磷鉀化肥共同施用，在提高水稻產(chǎn)量的同時，還改善了土壤中真菌群落多樣性。添加生物有機(jī)肥使腐生菌豐度平均增加了22.55%～76.09%，動物致病菌平均減少率了28.61%～73.84%[8,41]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物有機(jī)肥和硅肥作為改良劑可以提高土壤微生物活性，增加土壤養(yǎng)分的有效性。施用生物有機(jī)肥還可提高土壤有機(jī)碳含量，增加nirS 型反硝化菌的豐度，加速土壤氮元素流通，從而提高土壤生產(chǎn)力[42]。施用生物有機(jī)肥，同時輔助土壤熏蒸除菌技術(shù)，其解決農(nóng)作物連作障礙的原因在于降低了有害真菌子囊菌和鐮刀菌的豐度，提高了土壤有益微生物腎小球菌、孢霉菌、腐質(zhì)霉和芽孢桿菌的相對豐度，有利于作物生長發(fā)育[39]。

3.3 生物有機(jī)肥促進(jìn)土壤可持續(xù)利用

為了解決全球糧食短缺問題，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中種植戶嘗嘗密集施用化肥、生長促進(jìn)劑、農(nóng)藥、除草劑和土壤消毒劑等試劑以加速作物生長。但長此以往，將導(dǎo)致土壤形態(tài)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。將秸稈等有機(jī)廢物與土壤改良劑等一起制成有機(jī)肥料，再添加一些有益微生物菌群制成生物有機(jī)肥料，既可使作物獲得較高產(chǎn)量和品質(zhì)，又可減少生態(tài)污染，從而實現(xiàn)高產(chǎn)、環(huán)保農(nóng)業(yè)的雙贏[43]。

生物有機(jī)肥一方面微生物通過多種機(jī)制促進(jìn)植物生長，保護(hù)植物免受蟲害和病原菌侵蝕，增加營養(yǎng)物質(zhì)利用率，改善周圍的土壤結(jié)構(gòu)，提升作物品質(zhì)。另一方面植物根系通過光合作用釋放碳滲出物為微生物提供養(yǎng)分，實現(xiàn)植物-微生物共生，促進(jìn)土壤可持續(xù)利用[44]。研究表明，在肥料中添加PGPB 菌株對重金屬和有機(jī)化合物污染的土壤有明顯的修復(fù)作用施用生物有機(jī)肥DNBF32 可通過調(diào)節(jié)土壤菌群結(jié)構(gòu)和數(shù)量促進(jìn)除草劑阿特拉津的降解，實現(xiàn)土壤污染修復(fù)，保持土壤肥力[45]；生物有機(jī)肥料還能夠減少耕地中碳排放，緩解溫室作用[46]。

4 小 結(jié)

當(dāng)前，面對全球經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)定、氣候惡化和生物多樣性退化、糧食供應(yīng)緊張的大環(huán)境，目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還不能完全擺脫對化肥的需求，為確保糧食安全，增加農(nóng)民收入，提高人民生活水平，以生物有機(jī)肥逐漸替代化肥將是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。隨著對生物有機(jī)肥潛力的不斷探索以及可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，綠色健康的生物有機(jī)肥將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首選。盡管，目前生物有機(jī)肥對作物不同時期影響研究尚不明確，以及周期性施用生物有機(jī)肥促進(jìn)作物增產(chǎn)，尚未形成規(guī)范性、模式化、流程化產(chǎn)業(yè)模型，導(dǎo)致生物有機(jī)肥尚未進(jìn)行大規(guī)模推廣。但是生物有機(jī)肥能夠保證植物所需營養(yǎng)物質(zhì)的最適供應(yīng)，刺激土壤微生物群落，抑制自然病害，是肥料行業(yè)發(fā)展的新趨勢，施用生物有機(jī)肥替代化肥，對實現(xiàn)土壤綠色發(fā)展和改善氣候具有重要意義，將成為21 世紀(jì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主流和方向。