有機肥施用對土壤環境潛在風險研究進展

武升, 邢素林, 馬凡凡, 甘曼琴, 張俊森, 馬友華

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有機肥施用對土壤環境潛在風險研究進展

武升, 邢素林, 馬凡凡, 甘曼琴, 張俊森, 馬友華*

安徽農業大學資源與環境學院, 合肥市 230036

施用有機肥是培肥地力、改良土壤的重要方式, 有機肥在提高土壤供肥能力和作物產量、改良作物根際生態環境、改善作物的營養品質及抑制病蟲害發生等方面具有重要作用, 但施用有機肥也會帶來一定的土壤環境風險。對規模化養殖來源為主的有機肥施用帶來的土壤環境的風險進行了綜述。未腐熟的有機肥施入農田易出現燒苗、病蟲害等問題, 對農田作物環境造成不利的影響; 規模化養殖場畜禽糞便生產的有機肥存在重金屬、抗生素和激素殘留的現象, 施入農田具有一定的重金屬和有機污染物污染的風險; 此外, 有機肥的不合理的施用還存在農田氮磷流失, 可能會對水體造成富營養化的風險。通過分析有機肥對土壤肥力及環境風險的影響, 為農業生產中有機肥的合理施用提供借鑒, 在降低環境風險的同時達到培肥土壤與提高作物產量和品質的目的。

有機肥; 土壤; 作物; 環境風險

0 前言

施肥是農業生產中提高土壤養分水平的重要方式之一, 在我國近40%農作物的增產依靠化肥的投入[1]。但長期不合理的化肥投入, 導致肥料不能有效的被作物吸收利用, 還引起耕地地力的下降和農田生態環境破壞[2]。有機肥在農業生產中具有重要地位, 是生產綠色有機食品的主要肥料來源。相關研究表明, 有機肥施用可以顯著地提高土壤養分有效性和農田土壤保水保肥能力[3–4], 改善土壤物理化學性質, 調節土壤碳氮比[5], 促進微生物生長繁育、提高土壤微生物活力[6–7]。長達26年的田間定位試驗結果顯示, 有機無機肥能從土壤物理、化學及生物等方面綜合提高土壤養分供應能力[8]。而農業有機廢棄物的肥料化處理是其綜合利用的重要方式[9]。動植物殘體及畜禽糞便中含有豐富的有機質等養分, 是生產商品有機肥的重要來源[10], 但畜禽糞便、動植物殘體中同時存在重金屬、抗生素殘留的問題, 不合理施用有機肥會造成農田面源污染, 破壞生態環境平衡[11]。

在未來大力發展有機肥料部分替代化肥和傳統有機肥, 是保護生態環境、促進農業可持續發展的重要措施和必然趨勢[12]。因此, 研究有機肥對土壤肥力、作物產量品質、環境風險的影響, 對發展現代有機農業, 生產綠色或有機農產品, 促進農業可持續發展具有重要意義。

1 有機肥對土壤肥力與作物產量品質的影響

1.1 有機肥對土壤肥力的影響

農田施入有機肥可充分改善土壤物理化學性質、提高土壤田間持水量、增加土壤水分庫, 抑制土壤水分蒸發、增加土壤的保水和保肥能力, 有利于作物對水分吸收利用。大量長期實驗結果表明, 有機肥施用可增加土壤有機質, 進而顯著增加土壤的礦化氮, 作物產量增加明顯。有機肥的施入有助于土壤有機質含量的提升[13–14]。相關研究表明, 在南方雙季水稻區連續5年施用有機肥土壤有機質較5年前分別提高了18.5%和37.1%[15]。侯紅乾等[16]研究表明隨著有機肥施入量的提高土壤速效磷也不斷上升。并且對土壤pH值具有調節作用, 有助于提高土壤的緩沖能力[17]。有機肥和無機肥料配合施用效果更佳, 還可以提高化學肥料的利用率。李晨華等[18]認為化肥配施有機肥能提高土壤微生物的數量, 增加微生物種類的豐富性。有機肥的施用不僅能夠為土壤中的微生物提供豐富的碳源和氮源, 促進了其生長繁殖, 還能夠有效提升養分有效性, 有利于土壤肥力的改良與提升[19]。有機肥作為一種緩效肥料富含植物必需的大量元素、微量元素, 長期施入有助于提高土壤肥力。

1.2 有機肥施用對作物產量品質的影響

有機肥配施有利于提高農作物的產量和品質。有機肥具有養分完全, 供肥持續穩定, 有機肥有利于增加水稻穗長及穗粒數, 提高水稻實粒數和千粒重, 能夠有效降低水稻空秕粒。我國100多個5年以上的定位試驗研究表明, 施用有機肥與不施有機肥比較, 平均增產率為12.8%。楊長明等[20]通過對比試驗表明有機無機肥配施有利于促進水稻籽粒養分的富集, 進而提高水稻籽粒產量, 這與多人的研究結果基本一致[21–22]。秦德榮等[23]研究表明隨增施有機肥有利于提高水稻干物質日產量。陳貴等[24], 陳帥君等[25]研究得出商品有機肥的增施, 不僅可以提高產量, 還就有提高水稻精米率, 降低堊白粒率, 改善稻米的外觀及口感品質[26]。茶園施入有機肥對提高土壤肥力, 有助于提高茶園茶葉氨基酸、咖啡堿和水浸出物的含量, 使茶多酚含量略有降低, 有利于提高茶葉產量與口感品質[27–28]。

2 未腐熟畜禽糞便有機肥施用潛在風險

腐熟不完全或未腐熟的有機肥施入土壤中會造成作物燒苗燒根、種子不發芽、增加作物病蟲害的發生等危害[29]。未腐熟的有機肥料中有大量的病原菌及害蟲, 不加處理施入農田會引起病蟲害的產生、提高作物發病率, 不利于農業生產[30], 果樹上施入未腐熟雞糞易引起果樹根部根結線蟲的病害, 阻礙了水分、養分的運輸, 使果樹死亡。未發酵的生糞施入農田后容易再次的腐熟發酵, 發酵產生的熱量易引起植株的燒苗現象的產生, 甚至導致絕產絕收, 對農業生產造成嚴重的不良影響[31]。其次是在腐熟分解的過程中產生大量的有毒有害氣體(甲烷、氨等), 可導致土壤內部及作物本身產生酸害和作物根系的破壞。尤其在棚室內, 危害更為嚴重。腐熟不完全或未腐熟的糞肥施入土壤中大量有機物質分解消耗土壤氧氣, 易造成植物缺氧, 不利于作物正常的生長發育[32–33]。未腐熟的有機肥料未經處理直接使用, 具有體積大, 有效成分低的弊端, 肥料中的養分大多是有機態或緩效態形式存在, 作物無法有效吸收利用, 施用到農田中具有一定潛在風險。有機肥生產企業或單位在生產時應不斷提高生產技術水平, 提高有機肥生產產品質量, 嚴格進行產品質量管控, 避免因施用腐熟不完全或未腐熟的有機肥對農田作物環境造成不利的影響[34–35]。

3 有機肥對土壤重金屬積累風險的影響

規?；B殖廠畜禽糞便生產的有機肥施入農田存在一定程度上的重金屬污染風險。畜禽糞便是制作有機肥料的重要原料, 而部分大中型禽畜養殖場的飼料中重金屬含量普遍存在超出相關標準的情況[36], 特別是如銅、鋅、鉻、鉛和鎘的量超標現象嚴重, 加上畜禽的生物富集作用導致排泄的糞便中重金屬含量較飼料還高[37–38]。有研究表明, 英格蘭與威爾士地區農業土壤中Zn、Cu的主要來源之一是畜禽糞農用, 約占到農業土壤Zn、Cu 總輸入量的37%—40%、8%—17%。估計中國畜禽糞便農用輸入農田土壤的Cu、Cd、Zn分別占到總輸入量的69%、55%和51%。相關研究表明, 長期施用有機肥提高了土壤Zn和Cd的有效性, 增加農田重金屬污染風險[39]。同時有報道, 在我國東北地區耕地中因施入畜禽糞便增加了農田中重金元素銅污染的風險。宋琳琳等[40]通過田間試驗研究表明, 土壤中生物有效態的Cd和Zn含量隨著有機肥的施入呈不斷增加的態勢, 殘渣態Pb的含量也相應上升。另一方面也有研究結果報道, 施用有機肥有助于對土壤重金屬的有效性的降低, 如張琴[41]通過不間斷施入有機肥后研究發現: 相對于試驗開始前土壤中重金屬 Hg、Zn、Cd 的有效態均有不同程度的減少。造成這種研究報道結果不一致現象的原因是施入有機肥的種類不同, 有機肥因原料的不同其營養元素及有毒有害物質含量具有差異性, 應針對不同農田土壤重金屬污染狀況分析與評價[42]。在今后的研究中, 應關注不同有機肥品種增施下的長期田間小區定位試驗與大田示范結果的對比性研究。在農田施用有機肥時應明確有機肥的原料來源、有毒有害物質含量等, 從源頭控制, 避免因增施用有機肥對農田的重金屬等污染風險。

4 有機肥對土壤有機污染物積累潛在風險的影響

大中型規?；B殖廠產生畜禽糞便已經成為有機肥生產的重要原料, 其生產的有機肥在使用范圍廣泛, 但同時給土壤環境帶來一定程度的抗生素污染風險。目前, 世界上大約50%的抗生素應用于養殖業, 而40%—90%的藥物又通過糞便排泄出來。規模化養殖場中因使用的飼料中含有多種添加劑和獸藥進入禽畜體內, 在部分畜禽糞便中檢測出較高的有機氯、新霉素等有機污染物的存在。而這些富含抗生素等有機污染物的糞便生產的有機肥施入土壤后易被蔬菜等作物富集, 人食用后不利于身體健康, 抗生素污染風險問題已受到人們的廣泛[43–44]。

中科院廣州地化所應光國課題組通過對我國58條重要河流及部分省份的主要養殖場抗生素使用進行調查, 研究表明抗生素主要通過人畜排泄至環境中, 每年有超過5萬噸抗生素經各種途徑進入水土環境中, 對水土環境造成嚴重污染。陳昦等[45]通過對江蘇省養殖類型的養殖場畜禽糞便取樣分析研究報道, 養殖場對磺胺類藥物具有較高的使用率, 特別是磺胺二甲嘧啶、磺胺氯噠嗪等檢出率均高于50%。這些有機污染物不加任何處理隨糞便作為有機肥腐熟后施入農田, 勢必會對生態環境造成不良影響。張慧敏等[43]通過對采樣浙江北部區域的畜禽糞便樣及施用畜禽糞肥的土壤分析測定表明: 施用畜禽糞肥農田表層土壤中土霉素、四環素和金霉素的平均檢出值分別是未施畜禽糞肥耕地土壤的38、13和12倍。80%以上的畜禽糞便沒有經過綜合無害化處理而被施于農田, 具有較高生態環境安全風險。如果經常大量施用未綜合處理的畜禽糞肥, 必將導致土壤抗生素淋溶概率[46]。糞肥中還含有一些被稱為環境激素(內分泌干擾物質)的持久性有機污染物, 如有機氯農藥、多環芳烴等, 對土壤和水體環境也可能帶來一些環境風險, 而有機污染物的降解需要的時間漫長且降解的過程十分復雜與困難[47–48]。因此, 含有無機污染物的畜禽糞便沒有經過無害化綜合處理或僅僅進行簡單堆肥處理就施用到農田環境中必將帶來較高的土壤生態環境污染風險。

5 有機肥對土壤氮磷流失的影響

農田過量施入有機肥, 存在農田氮磷流失, 可能會對水體造成富營養化的風險。有機肥施入農田后增加土壤氮磷素流失風險[49–50]。有機肥氮磷流失及其對面源污染的影響已受到廣泛關注, 英國洛桑試驗站長期定位試驗的監測結果表明, 有機肥的施用會導致土壤中硝態氮的積累, 增加向水體淋失的風險。隨后, 大量的研究表明, 過量有機肥的施用會直接導致硝態氮和磷在土壤中的積累, 并且隨著施肥年限的增加而積累加劇, 增加向水體的淋失。相關研究報道: 有機肥的使用是導致農田是磷徑流流失的直接原因之一, 不間斷的施入有機肥將導致磷素在土壤剖面不斷累積[48]。當土壤對磷的吸附能力到達一定程度后, 將導致磷元素的淋溶風險[51–52], 導致地表水及地下水中磷元素含量的上升。有機肥施在易發生徑流流失的土壤環境中必將增大農田氮、磷流失風險[53–54]。

目前, 在我國對有機肥引起的農田氮磷流失研究中主要是根據大數據統計計算, 根據環保等政府部門的統計數據進行建模預估, 在分析預估中計算的方法及方式各不相同, 缺乏定量的標準, 且不能比較時空演變特征[55–56]。武淑霞等[57]根據全國統計數據與現場農戶調查數據相結合的方式, 對農田畜禽糞便發生量時空變異特征進行研究。目前, 我國對農田施用有機肥對水體富營養化影響的研究報道不多[58], 而農田有機肥氮、磷流失機理的室內模擬試驗及田間原位實證性試驗也剛興起[59–60], 王濤[61]在云南滇池流域進行田間原位模擬, 研究表明農田氮磷的流失與有機肥量顯著正相關。而在英國等國家, 經過長期研究后, 政府已經明確有機肥施用時必須遠離飲用水源或水源地, 并規定每年10月至第二年2月期間農田禁止使用流質廄肥, 以減少淋溶及徑流造成的面源污染[62]。在我國, 政府相關部門也應根據當地實際情況, 對農戶進行有機肥科學高效使用的技術指導。根據不同種植類型下各種作物品種的需肥特性指導農戶對有機肥施用的時期、施用的方式及施用量等方面進行科學的技術指導, 以減少因有機肥不合理的施用帶來的環境污染風險。

6 展望

目前, 商品有機肥生產標準里尚無對抗生素、激素等指標的要求, 應將有機污染物等監測指標納入。應加強規?；B殖場飼料添加劑及獸藥的監管, 從源頭上減少規?；B殖場畜禽糞便作為有機肥原料帶來的重金屬及有機污染物污染風險; 對有機肥原料和產品中的重金屬、有機污染物等有毒有害物質進行嚴格限制, 完善商品有機肥生產檢測標準; 全面認識和評價不同有機肥在不同地區、不同土壤類型及作物種類的施用效果和機制, 以減少因有機肥不合理的施用帶來氮磷流失, 造成面源污染的風險。加強有機肥料市場準入的管理, 建立健全有機肥安全施用的配套技術, 應根據不同地域及農業生產條件, 對施肥的用量、時間、方式進行施肥指導, 大力推廣果樹茶有機肥養分替代, 走有機與無機相結合道路, 從而降低有機肥施用所帶來的潛在環境污染風險。

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Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, GAN Manqin, ZHANG Junsen, MA Youhua*

College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei,230036, China

Application of organic fertilizer is an important way to improve soil fertility. Organic fertilizer plays an important role in supplying nutrients, increasing crop yield, improving crop rhizosphere ecological environment, promoting crop nutrition quality and inhibiting pest and disease occurrence. However, there are some soil environmental risks with the application of organic fertilizers. The risk of soil environment caused by the application of organic fertilizers from the large-scale breeding sources was reviewed. The application of unfertilized organic fertilizer to farmland is prone to problems such as burning seedlings, pests and diseases, and adversely affecting cropland environment. There are heavy metals, antibiotics and hormone residues in the organic fertilizer produced by large-scale farm livestock and poultry manure with certain risk of heavy metal and organic pollutant pollution in the farmland.In addition, the unreasonable application of organic fertilizer also causes the loss of nitrogen and phosphorus in the farmland, which may raise eutrophication of the water body. By analyzing the effects of organic fertilizers on soil fertility and environmental risks, it can provide reference for the rational application of organic fertilizers in agricultural production, and achieve the purpose of fertilizing soil and improving crop yield and quality with reducing environmental risks.

organic fertilizer; soil; crop; environmental risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.029

X53

A

1008-8873(2019)02-219-08

2018-03-19;

2018-04-24

國家重點研發計劃項目(2016YFD0800503)

武升(1991—), 男, 安徽蕭縣人, 碩士研究生, 主要從事農業資源與環境研究, E-mail: 1916684369@qq.com

馬友華, 男, 博士, 教授, 主要從事農業資源與環境研究, E-mail: yhma@ahau.edu.cn

武升, 邢素林, 馬凡凡,等. 有機肥施用對土壤環境潛在風險研究進展[J]. 生態科學, 2019, 38(2): 219-224.

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, et al. Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 219-224.