有機(jī)替代對農(nóng)田土壤肥力及氮磷流失的影響

張康寧，俞巧鋼，葉靜，馬軍偉，符建榮

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

目前，我國化肥施用普遍過量，利用率低，損失十分嚴(yán)重。化肥較低利用率與高流失率使大量養(yǎng)分隨地表徑流、淋溶損失，破壞流域水環(huán)境并導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)失衡，并造成嚴(yán)重的面源污染。過高的化肥施用量、不合理的肥料配比和肥料養(yǎng)分流失嚴(yán)重等是引發(fā)農(nóng)田面源污染的主要原因，其最重要部分則由化學(xué)肥料營養(yǎng)元素的流失和水體富集構(gòu)成，而若繼續(xù)增加化肥投入強(qiáng)度和密度，其結(jié)果往往導(dǎo)致化肥流失量劇增，使得農(nóng)田面源污染日趨嚴(yán)重[1]。有機(jī)無機(jī)肥料配施的有機(jī)替代模式能改善土壤氮素供應(yīng)過程，使土壤養(yǎng)分平穩(wěn)釋放。化肥減量有機(jī)替代模式與單施化肥相比，既能提高作物產(chǎn)量，又能提高作物品質(zhì)，還可以減少農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失，使生態(tài)環(huán)境得到切實保護(hù)，值得目前生產(chǎn)實際中大力推廣應(yīng)用[2]。

1 有機(jī)替代的益處及主要替代有機(jī)肥種類

常量施肥處理和高量施肥處理都可以快速顯著提高土壤全氮、顆粒有機(jī)氮、可溶性有機(jī)氮、微生物量氮，以及輕組有機(jī)氮的含量，但有機(jī)替代模式有機(jī)肥的施用有著更深層次的作用。宋震震等[3]經(jīng)過26 a的研究證明，長期施有機(jī)肥比長期施化肥更能提高土壤各活性氮庫組分含量，并且土壤顆粒有機(jī)氮含量與有機(jī)肥的施用量呈正相關(guān)。而化肥、有機(jī)肥配合施用使土壤有機(jī)碳含量和土壤碳素明顯提高，土壤易氧化有機(jī)質(zhì)的含量逐漸增加[4]，改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力，保持土地的可持續(xù)利用。但不施肥土壤有機(jī)質(zhì)則顯著下降，單施化肥或高量化肥土壤有機(jī)碳、氮庫保持穩(wěn)定或小幅波動。農(nóng)業(yè)上常用的有機(jī)替代有機(jī)肥種類有畜禽糞便、綠肥和農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物等。

1.1 畜禽糞便

畜禽糞便主要指畜禽養(yǎng)殖業(yè)中產(chǎn)生的一類農(nóng)村固體廢物，包括豬糞、牛糞、羊糞、雞糞等。我國畜禽糞便資源充足，2010年全國畜禽糞便總排放量為19.00億t，若再加上內(nèi)蒙古、新疆、青海、西藏4省區(qū)牛、羊和其他大牲畜的糞便排放量，則總排放量為22.26億t[5]，而2020年我國畜禽糞便排放量將會比2007年增加37%[6]。畜禽糞便含有豐富的有機(jī)物和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，也能供給作物所需的鈣、鎂、硫等多種礦物質(zhì)及微量元素，滿足作物生長過程中對多種養(yǎng)分的需要。

畜禽糞便可作為制作生物炭的原料。牛糞秸稈混合生物炭較好的炭產(chǎn)率、pH值和孔隙特性，適于作吸附劑等使用。豬糞秸稈混合生物炭具有較好的養(yǎng)分特性，可作為磷肥生產(chǎn)輔料或土壤改良劑使用[7]。

1.2 綠肥

綠肥是用綠色植物體制成的肥料，主要來源閑置地的綠色植物。綠肥按其來源分為栽培綠肥和野生綠肥；按植物學(xué)分為豆科綠肥和非豆科綠肥；按種植季節(jié)分為冬季綠肥、夏季綠肥和多年生綠肥；按利用方式分為稻田綠肥、麥田綠肥、棉田綠肥、覆蓋綠肥、肥菜兼用綠肥、肥飼兼用綠肥、肥糧兼用綠肥等；按生長環(huán)境分旱地綠肥和水生綠肥。

最新研究[8]表明，種植翻壓綠肥油菜華油雜62號后，土壤常規(guī)肥力指標(biāo)、容重均有不同程度的改善，同時，對后茬作物玉米增產(chǎn)22.2%。綠肥發(fā)達(dá)的根系不僅能改善土壤的物理化學(xué)性狀，促進(jìn)土壤微生物的活動，還能使土壤中難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以利于作物的吸收利用。豆科綠肥的根部聚集大量根瘤菌具有很強(qiáng)的生物固氮作用，還田后經(jīng)微生物分解可增加土壤中氮含量，供作物吸收利用，還能提高土壤微生物生物量碳、氮的含量，并減少氮的損失，降低因施用氮肥過量造成的環(huán)境污染，典型的豆科綠肥紫云英翻壓替代部分化肥培肥能顯著增加土壤有效氮的含量。

1.3 秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物

秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉穗部分的總稱，通常指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花等其他農(nóng)作物在收獲籽實后的剩余部分，是一種富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機(jī)質(zhì)等具有多用途的可再生的生物資源，在我國每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈量約6.4億t[9]。秸稈還田和施用有機(jī)肥的培肥效果相似，在旱作農(nóng)區(qū)應(yīng)用前景更為廣闊。研究[10]表明，玉米秸稈生物炭能夠提高秸稈腐熟體系的升溫速率和溫度峰值，加快秸稈腐熟進(jìn)程；提高秸稈腐熟過程中微生物活躍時期的pH值，提高秸稈腐熟體系的電導(dǎo)率，為微生物降解有機(jī)物提供更適宜的環(huán)境；促進(jìn)秸稈腐熟體系有機(jī)質(zhì)的降解，增加秸稈腐熟體系的總養(yǎng)分含量，提高秸稈腐熟產(chǎn)物的品質(zhì)。

2 化肥減量有機(jī)替代模式對農(nóng)田土壤肥力的影響

2.1 對農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)的影響

優(yōu)良的土壤結(jié)構(gòu)、適宜的土壤孔隙度是作物正常生長的基礎(chǔ)，施入有機(jī)物料可降低土壤容重，增加土壤孔隙度。有機(jī)肥替代化肥一般為2種替代模式：有機(jī)肥替代氮肥(替代氮肥量有100%、50%、25%)；有機(jī)肥替代氮磷鉀化肥(包括氮肥、磷肥、鉀肥，替代量一般為100%、70%、50%、30%、20%)。目前，在玉米、小麥、馬鈴薯、水稻、蔬菜等作物開展了較多有機(jī)肥替代化肥的研究。

配施有機(jī)肥能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的養(yǎng)分容量，增加土壤膠體對重金屬等有毒物質(zhì)的吸附能力。有機(jī)肥替代部分化學(xué)肥料的有機(jī)替代模式可以顯著增加旱地紅壤2～0.25 mm、0.25～0.05 mm和0.05～0.01 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，提高特征微團(tuán)聚體比例，增大分形維數(shù)，且隨著<0.05 mm粒級微團(tuán)聚體數(shù)量的增多分形維數(shù)均顯著增大[11]。

2.2 對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的影響

有機(jī)肥可為農(nóng)作物提供全面的營養(yǎng)元素，比化肥更好地提高土壤有機(jī)質(zhì)和改善土壤養(yǎng)分狀況。有機(jī)無機(jī)肥料配施的有機(jī)替代模式具有持續(xù)提高土壤速效養(yǎng)分含量的作用，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀等含量得到提高，并且隨有機(jī)肥施用量的增加而持續(xù)增大，對于保持土壤養(yǎng)分基本平衡、提高養(yǎng)分有效性有顯著的作用。

有機(jī)無機(jī)肥料配施的有機(jī)替代模式不僅能夠提高耕層土壤的全氮和全磷含量，而且比單施有機(jī)肥或單施無機(jī)肥更能提高冬小麥的產(chǎn)量[12]。同一施氮水平下，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量隨著有機(jī)無機(jī)肥料配施比例中有機(jī)肥料所占比例的增大而升高，有機(jī)替代后土壤含水量也得到提高，利于土壤的擴(kuò)蓄增容，不僅可以降低淋溶液中的養(yǎng)分濃度，減少養(yǎng)分的淋失，而且可以減緩養(yǎng)分淋失的速度，使養(yǎng)分淋失的總量減少，并且土壤對陽離子有更好吸附性能,可釋放遷移的養(yǎng)分也較多[13]。

2.3 對農(nóng)田土壤微生物與酶的影響

有機(jī)無機(jī)肥料配施的有機(jī)替代模式可以明顯地提高土壤微生物量碳、氮含量和土壤酶(土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶)活性，還可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化和速效養(yǎng)分的釋放，并且隨著有機(jī)肥施用量的增大，效果更加明顯[14]。有機(jī)肥替代部分化學(xué)肥料能夠增加土壤微生物的多樣性[15-16]，而土壤線蟲取食微生物，也能夠增加土壤線蟲多樣性，有機(jī)物料的添加也有利于真菌分解途徑的進(jìn)行[17]。

翻壓等量紫云英下減施化肥，并未減少轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，同時還有利于提高土壤微生物數(shù)量與活度(水稻生育前、中期土壤微生物的活度)[18]。紫云英翻壓還田量為22.5 t·hm-2的水稻田土壤微生物數(shù)量顯著增加，有利于提高農(nóng)田土壤質(zhì)量[19-20]，不過養(yǎng)分釋放集中在翻壓還田后15 d，但紫云英還田不能完全替代化學(xué)鉀肥的施用效果[21]。

秸稈還田不僅能提高土壤中微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)數(shù)量，而且還田的秸稈本身也帶入了大量活的微生物，提高土壤的生物活性，對土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和作物產(chǎn)量存在顯著交互作用，土壤的呼吸速率也得到提高，還田后的冬季小麥土壤其呼吸速率增加14.3%。秸稈還田與深耕交互可以提高土壤周年呼吸速率31.4%，降低土壤容重，提高土壤有機(jī)碳含量，增加土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，進(jìn)而有利于作物產(chǎn)量的提高，還可顯著提高冬小麥和夏玉米等的干物質(zhì)積累量，促進(jìn)作物根系的生長[22]。

3 化肥減量有機(jī)替代模式對農(nóng)田氮磷流失的影響

施肥是土壤氮素的主要來源，主要形態(tài)為有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮，有機(jī)態(tài)氮組分較為復(fù)雜，但可通過礦化生成氨態(tài)氮；無機(jī)態(tài)氮包括氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和少量存在的亞硝態(tài)氮。由于降雨和徑流的產(chǎn)生，一般土壤氮素的流失會表現(xiàn)為兩種形式：一是氮素隨地表降雨產(chǎn)生的徑流遷移，另外是土壤中氮素隨水分沿垂直方向向下遷移。由于以入滲方式遷移的量一般較小，且遷移造成的危害也相對不大，故而氮素流失以隨地表徑流遷移為主。磷肥施入土壤后，分成兩部分, 主要以無機(jī)磷形式積累在0～20 cm土層中，其中大部分因土壤的固定作用而積累起來，另一小部分存在于土壤溶液中。農(nóng)田土壤中磷素進(jìn)入地表和地下水體的途徑主要有3條：地表徑流、侵蝕和淋溶(滲漏或亞表層徑流)。

3.1 農(nóng)田氮磷徑流損失

常規(guī)作物施肥采用有機(jī)替代的有機(jī)無機(jī)配施模式，不但作物產(chǎn)量沒有顯著減產(chǎn)，還能在一定程度上減少農(nóng)田磷素?fù)p失，提高磷素利用率[23]。與常規(guī)化肥處理相比，秸稈長期還田不僅可節(jié)肥增效，從源頭上減少作物晚稻化肥投入，還可降低稻田徑流液中氮、磷養(yǎng)分含量，分別使總氮和總磷流失量減少12.6%、9.7%，秸稈還田處理下早稻較常規(guī)化肥處理有增產(chǎn)趨勢，增幅為4.5%～10.1%，晚稻有減產(chǎn)風(fēng)險，但減產(chǎn)差異不顯著，平均減幅為6.3%[24]。

采用紫云英等綠肥還田可不同程度降低稻田氮磷的損失，其中徑流水中無機(jī)態(tài)氮的損失減少27.7%～44.3%，溶解態(tài)磷損失減少13.0%～36.9%，在減少氮磷徑流流失方面，以紫云英(26.25 t·hm-2)+商品有機(jī)肥(3 t·hm-2)復(fù)合還田及紫云英(52.5 t·hm-2)還田為佳[25]。相同施肥方式等量施肥的條件下，施用牛糞處理的地表徑流液、滲漏液和侵蝕泥沙中總氮、總磷濃度均比施用鴨糞處理的偏低，但差異并不顯著，采用有機(jī)替代可明顯減輕養(yǎng)分流失[26]。

3.2 農(nóng)田氮磷滲漏損失

影響農(nóng)田土壤氮磷淋溶滲漏的因素有很多，也十分復(fù)雜，如氣候因子(包括降水強(qiáng)度、降水量、降水時間、蒸發(fā)量等)、土壤因子(包括土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、容重、導(dǎo)水率、有機(jī)質(zhì)含量、Fe2O3含量、CaCO3及游離鋁、生物活性、土壤氮磷含量、pH值、覆蓋度和表面粗糙度等)、水文地理因子(包括海拔、坡度、地下水位等)和農(nóng)事活動因子(如施肥種類、數(shù)量、時間及方式、灌溉、耕作及輪作制度等)等。

農(nóng)田不施用有機(jī)肥時，水溶態(tài)氮素流失的主要形態(tài)為水溶性無機(jī)態(tài)氮；施用有機(jī)肥后，水溶性氮素流失的主要形態(tài)為水溶性有機(jī)態(tài)氮。采用紫云英等綠肥還田其滲漏水中無機(jī)態(tài)氮損失減少28.0%～43.3%，溶解態(tài)磷損失減少3.7%～32.9%，在減少氮磷滲漏損失方面，以紫云英(52.5 t·hm-2)還田和秸稈(9 t·hm-2)還田為佳[25]。在滲漏流失方面，顆粒態(tài)磷是施用有機(jī)肥0、15 t·hm-2水平時的主要流失形態(tài)，水溶態(tài)磷是施用有機(jī)肥30、75、150 t·hm-2水平時的主要流失形態(tài)。2種流失方式下，水溶性無機(jī)磷是水溶態(tài)磷素的主要流失形態(tài)，所占比例平均值為67.54%，各形態(tài)氮、磷流失比重與施肥量和點位差異相關(guān)性不顯著。不同種植作物類型農(nóng)田在有機(jī)肥用量相同時，氮、磷流失量差異較大，總體表現(xiàn)為蔬菜地塊>花卉地塊>糧食地塊[27]。

3.3 農(nóng)田氮揮發(fā)損失

氨揮發(fā)是土壤氮素?fù)p失的主要途徑之一，全世界每年農(nóng)田施用氮素的10%～30%以氨揮發(fā)形式損失[28]。施肥后10 d內(nèi)是氨揮發(fā)的主要階段，該階段的揮發(fā)累積量比重可高達(dá)整個時期的90%[29]，基肥、追肥施肥后土壤的累計氨揮發(fā)量在5.354～8.916 kg·hm-2(N計)，氨揮發(fā)損失率在1.824%～6.119%，追肥后土壤的氨揮發(fā)損失量占累計氨揮發(fā)損失總量的97%以上[12]。利用開放式激光吸收光譜技術(shù)建立濃度反演算法模型和氨區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，采用秸稈還田有機(jī)替代下種植玉米和小麥，研究有機(jī)替代模式土壤氨揮發(fā)特征試驗，表明氨濃度具有日變化趨勢，白天濃度上升在正午達(dá)到最高值，逐步降低到夜間至最小值。夏、秋季典型小時濃度變化為0.6×10-3～1.34×10-3mmol·mol-1和1.14×10-3～1.82×10-3mmol·mol-1，秋季玉米和夏季小麥秸稈還田的最大氨日均濃度為4.6×10-4mmol·mol-1和1.7×10-3mmol·mol-1，還田1個多月后氨濃度明顯上升，并存在一定季節(jié)性差異。近紅外光譜技術(shù)為明晰土壤氨排放規(guī)律提供了技術(shù)支持[30]。

土壤的氨揮發(fā)速率隨著施氮水平的提高而增大，施用有機(jī)肥能夠降低土壤的氨揮發(fā)速率，減少土壤氨揮發(fā)損失，與單施化肥、有機(jī)無機(jī)各50%配施相比，施用有機(jī)肥能夠降低農(nóng)田氨揮發(fā)損失62%和57%，降低N2O排放量53%和69%[31]。施用腐植酸可使土壤中銨態(tài)氮含量明顯增加，但腐植酸具有強(qiáng)大的內(nèi)表面積和較強(qiáng)的吸附能力，減少氨的揮發(fā)。紫云英等綠肥與氮肥配施可有效減少單季稻田外源氮素NH3揮發(fā)損失，從而提高氮素養(yǎng)分利用率，降低氮素養(yǎng)分損失的環(huán)境風(fēng)險，還顯著降低田面水中銨態(tài)氮含量以及水稻分蘗期土壤中羥胺還原酶活性(37.8%)，最終顯著降低外源氮素NH3揮發(fā)累積量和揮發(fā)系數(shù)(14.6%和14.8%)[32]。豬糞和化肥配合施用可顯著降低土壤氨揮發(fā)損失量[33]。

4 研究展望

4.1 現(xiàn)有研究的不足之處

在有機(jī)替代的模式背景下，我國有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)化管理目前還不完善。具體表現(xiàn)，在有機(jī)肥質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)方面：我國有關(guān)重金屬的控制標(biāo)準(zhǔn)比較落后，采用的仍是1987年頒布的(GB 8172—1987)城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)，而國際上對農(nóng)業(yè)上施用的城市垃圾、污泥、畜禽糞便中有害物質(zhì)的限量標(biāo)準(zhǔn)近年有較大幅度的下調(diào)。在有機(jī)肥生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制體系方面：我國有機(jī)肥施用技術(shù)規(guī)范尚未制定，導(dǎo)致農(nóng)民在有機(jī)肥施用過程中往往大量盲目施用有機(jī)肥，而有些發(fā)達(dá)國家針對不同的土壤條件以及不同的作物，有不同的有機(jī)肥施用技術(shù)規(guī)范。在有機(jī)肥施用過程中的技術(shù)規(guī)范方面，我國目前狀況混亂，而發(fā)達(dá)國家的有機(jī)肥的生產(chǎn)和使用過程中質(zhì)量控制有一整套標(biāo)準(zhǔn)化的管理程序，有一批相關(guān)法規(guī)來規(guī)范有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前阻礙有機(jī)肥市場健康發(fā)展的因素：1)概念炒作，過度夸大有機(jī)肥功能；2)包裝賣點繁雜多樣，難以達(dá)到品牌共識；3)價格監(jiān)管缺乏，經(jīng)銷商哄抬利潤造成農(nóng)戶用肥成本過高；4)有機(jī)肥原料品種雜亂，生物質(zhì)企業(yè)輔料轉(zhuǎn)化慢；5)有機(jī)肥鑒定監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)過低。為保障有機(jī)替代模式推廣和有機(jī)肥市場健康發(fā)展，急需有關(guān)的政府和科研院所開展相關(guān)的工作，解決我國有機(jī)肥的生產(chǎn)和使用的標(biāo)準(zhǔn)化問題。

4.2 有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容

目前，國內(nèi)外在化肥減量有機(jī)替代農(nóng)田土壤培肥及氮磷流失影響研究方面趨于成熟，已有較多的科研結(jié)果累積。但采用有機(jī)替代模式有機(jī)肥對農(nóng)田土壤和作物重金屬富集的影響研究，以及農(nóng)田土壤滯留重金屬對作物生長及品質(zhì)的影響研究相對較少。施肥對土壤重金屬累積量產(chǎn)生直接影響，肥料在供給作物生長必需營養(yǎng)元素的同時，也會將重金屬類的物質(zhì)帶入到土壤中，勢必對作物的營養(yǎng)生長和生殖生長產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，因此，對有機(jī)肥中重金屬與農(nóng)田土壤和作物生長的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。