有機肥替代化肥對土壤肥力的影響

曾國勝，鈕 紅

（河南省新野縣施庵鎮人民政府，河南 新野 473500）

隨著農業供給側結構性改革的不斷推進，農業未來的主要發展方式需要從完全依賴自然環境資源向綠色可持續方向轉變[1]，即通過有機肥替代化肥的使用，降低化肥的使用率，實現農業可持續發展。

土壤肥力能夠衡量土壤所提供給各類作物所需要養分的能力，是反映土壤肥沃性的指標，是土壤各種基本性質的一個度量。Long Guo 等[2]快速、準確地獲取土壤有機碳（SOC）圖，幫助了解農田土壤肥力，為管理礦物肥料提供了極大便利。Esmaeil 等[3]通過研究發現，在伊朗北部從天然林到耕地、柑橘園和水田的土地利用變化對土壤物理、化學和生物特性的影響。此外，采用基于土壤有機質（SOM）、土壤基礎研究的生物肥力指數（BFI）的普通Kriging（OK）法對土壤肥力進行了定位。Guo Di 等[4]在冶煉廠污染土壤中單獨施用有機肥，或與PART 12 鏈霉菌（Act 12）聯合施用，進行堆肥處理，研究其對土壤污染的影響，同時研究了芥菜的土壤肥力、酶活性、潛在毒性金屬（PTMS）溶解度和植物修復效率，結果表明：聯合施用處理條件下，土壤肥力和酶活性顯著提高，土壤pH 值降低，潛在毒性金屬（PTMS）溶解度增加，植物修復效率明顯提升，并且提高了土壤電導率（EC）7.0 倍和速效磷（AP）含量。本文綜述了國內外有機肥替代化肥施用對農田土壤的物理性狀、土壤營養狀況、土壤生物學狀況、土壤環境狀況的影響，重點討論有機肥替代化肥后對土壤肥力的影響機理效果與單獨施用化肥的效果對比，全面合理深入認識有機肥的優勢與劣勢，提高有機肥的利用效率，降低有機肥施用危害，為合理高效綠色施肥提供理論指導以及正確建議，使有機肥的施用更加科學。

1 有機肥替代化肥對土壤物理性狀的影響

施用有機肥可以極大改善土壤的物理性狀，但這需要長期的作用。有機肥施入土壤后發生的反應，首先會發生礦質化，有機物完全分解為二氧化碳、水分和礦質營養（氮、磷、鉀、鈣等），又經過一定的時間，如氣、水、熱等一系列條件適宜，腐殖化過程開始進行，生成的腐殖物質（腐殖質、腐殖酸、胡敏酸、胡敏素等）能改善土壤的理化性質，土壤的保水保肥的能力也得到提高，進而提高土壤養分和水分的利用效率[5]。胡誠等[6]研究發現，在將秸稈還田時，配合施用秸稈腐熟劑不僅能夠顯著提高早稻和晚稻產量，且土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量都大大提高，陽離子交換量也增加，土壤容重降低。秸稈還田能夠增加團聚體含量，主要是＞0.25 mm 的風干團聚體以及水穩性大團聚體，土壤團聚體破壞率顯著降低。鄧超等[7]研究表明：有機肥的施入能夠增加土壤的大、中孔隙度，并且有機肥處理與化肥處理以及不施肥處理的大、中孔隙度的倍數關系分別是1.45～1.68 倍和1.22～1.43 倍。葉協鋒等[8]的研究發現，綠肥翻壓后，土壤酶活性和土壤肥力水平能夠顯著增加。如果翻壓綠肥量超過15 000 kg/hm2，與對照組相比，經過綠肥翻壓的地塊，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶等各種酶活性都顯著增加，增幅分別為13.10%～23.81%、12.92%～29.38%、75.35%～234.51%、29.17%～37.08%；土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、孔隙度均大幅度增加，增幅分別為13.01%～70.41%、6.42%～27.52%、1.14%～10.99%、15.97%～34.99%、10.28%～38.30%、2.74%～7.05%、0.19%～2.50%，土壤容重下降。此外，施用有機肥能夠提高植煙土壤的pH、EC、CEC 值。

2 有機肥替代化肥對土壤營養狀況的影響

Huang 等[9]經研究發現，有機肥經過長期施用，土壤的供肥容量顯著提高，腐殖酸對土壤養分的活化速度加快，土壤養分含量升高，速效養分供應處于平衡狀態，同時效果非常明顯。在施肥相當的情況下，有機肥比化肥具有更加顯著的作用，可以大量增加土壤營養物質含量，提升土壤有機質的質量。由于硝酸鹽（NO3-）出口和水生系統富營養化以及一氧化二氮（N20）排放到大氣中，農業強化造成的氮（N）損失是全球變化的主要原因。具有豆科作物的多樣化農業生態系統將氮素和碳（C）耦合到土壤中，減少N素污染，但有必要確定不同土壤條件下不同生態系統對豆科植物N2固定的控制措施。Blesh 等[10]研究表明：不同農業生態系統中豆科植物N 固定量的變化規律隨聚集體內氮利用率的增加和N 礦化的增加而降低。豆科牧草與禾本科牧草間作，由于牧草對氮的同化作用，削弱了POM中N 與N2固定的關系。此外，隨著豆科牧草覆蓋作物混播的2 個季節，土壤N 和C 礦化的平均速率增加，隨著時間的推移，土壤N 有效性與不固定之間的這種穩定反饋增強。有機肥長期施用能夠增加土壤活性炭和活性氮含量，使與養分轉化有關的微生物和酶的活性也得到增強，從而提高土壤有效養分。Yang 等[11]經過長期定位試驗，發現所有施肥處理均能使土壤全氮量顯著提高，并且有機肥投入比例越高，土壤全氮含量也越高，呈正比關系。有機肥對土壤肥力的影響見表1。

表1 有機肥對土壤肥力的影響

3 有機肥替代化肥對土壤生物學狀況的影響

有機肥能夠增加土壤養分有效性，使土壤理化性質更加符合作物生長要求，而且還可以顯著影響土壤的生物和生物化學特性，這一特性能夠使土壤環境變化和施肥管理的響應更加敏感迅速[12]。土壤微生物在土壤碳循環中發揮著重要作用，能夠反映土壤肥力和土壤質量的重指標包括土壤微生物數量和活性。有機肥也能提供給土壤微生物其生命活動所需的能源，主要有碳源、氮源和能量，同時使土壤微生態環境的理化性狀更加適合農作物生長，加快微生物的生長和繁殖，使土壤微生物群落的結構和功能得到完善。影響土壤微生物動態的因素主要是有機質。部分專家認為長期施用有機肥使土壤有機質含量顯著提高，加劇土壤微生物群落的變化。此外，土壤中絕大多數的酶以吸附狀態存在，它吸附在土壤有機質和礦質顆粒上時以物理和化學的形式存在，或者與腐殖物質絡合形式共存于土壤中。施用有機肥能夠顯著增加土壤中有機酸和腐殖質含量。它提供了豐富的結合位點或保護性位點給土壤中的酶，并且使土壤酶活性大幅度提高。黃炳林等[13]經過長期研究發現，土壤磷酸酶活性在各個生育時期都較高；土壤蔗糖酶活性在大豆成熟期也較高；而大豆成熟期，PT1 較PCK 和RT1 較RCK 的CAT 活性均顯著提高。堿解氮、速效鉀含量均分別顯著高于PCK、RCK 在PT2、RT2 時期。

4 有機肥替代化肥對土壤環境的影響

根據《土壤環境質量：農用地土壤污染風險管控標準(試行)》（GB 15618—2018）農用地土壤污染風險篩選值（見表2），與各個地塊對比，發現自21世紀以來，很多國家都出現了農田土壤重金屬累積和超標等一系列問題，給作物生產及人類身體健康都帶來嚴重影響甚至威脅。有機肥是一種綠色環保可循環利用的肥料，具有能夠顯著增強地力，提高微生物活性，促進團粒結構的形成等一系列優點，同時它也含有一定數量的重金屬元素，特別是糞便類的有機肥，施用此類有機肥，一定會增加作物體重金屬含量，進一步會導致人體內重金屬含量超標的風險。有機肥中的污泥和畜類糞便中的重金屬含量遠高于其他有機肥種類的含量，在污泥中鎘、鉛含量明顯高于其他重金屬含量。豬糞中鋅、銅含量處于較高水平，而雞糞中鉻的含量更高[14]。研究表明：無論是施用化肥還是有機肥，土壤中重金屬含量都會逐漸增加，都有重金屬超標的風險，并且單施有機肥和有機肥與化肥混合施用使土壤中重金屬含量增加得更為明顯。

表2 農用地土壤污染風險篩選值 單位：mg/kg

評價土壤中重金屬是否超標，主要看土壤中重金屬的有效性。而重金屬的化學形態又是判定其是否有效的關鍵。有機肥對土壤中的重金屬影響是巨大的，主要通過改變土壤的電導率等一系列化學性質來影響重金屬的有效性。然而施用有機肥對土壤重金屬化學形態的作用是不一致的。一方面，有機肥可以直接增加土壤中重金屬含量，并使重金屬的生物有效性增強，因為有機物的腐解過程中會釋放有機酸，有機酸對土壤中強結合態的重金屬具有活化力，使重金屬的有效性增強[15]；另一方面，有機質是一類大分子物質，有大量的官能團，對于重金屬離子有很強的吸附能力，同時有機質中的腐殖質分解可以產生腐殖酸，它可以與重金屬離子形成絡合物，起到固定重金屬的作用，反而使重金屬的有效性降低，同時降低對作物的毒害作用。因此，不能單獨說有機肥會使重金屬有效性增加或降低，這要從以上兩個方面考慮。同時，有機肥種類和土壤類型也會對土壤中重金屬有效性產生影響。劉秀珍等[16]發現，土壤中重金屬的形態并非一成不變的，隨著有機肥的施入，可以使重金屬形態發生改變，將一般而言的具有有效性向不具有有效性的非生物性狀轉化。

5 研究展望

有機肥綠色、安全、環保，符合農業未來發展趨勢，具有改善土壤物理性狀，改良養分狀況，使土壤養分保持平衡，增加養分有效性，提高土壤中酶的活性等一系列優點，這些是使用化肥不能比擬的。有機肥替代化肥施用，在這些方面來說具有可行性。然而畜禽糞便類有機肥的施用，會增加土壤中重金屬含量以及重金屬在人體內的積累，危害人體的健康。也有部分有機肥種類能與重金屬絡合，降低重金屬的有效性，使有機肥更加安全。因此，建議在農業生產中加強對有機肥的管控，嚴格按照標準規范進行有機肥的生產，減少畜禽類糞便等有機肥的施用。同時，建立耕作一體化技術，完善有機肥施用比例，把每一個地塊各元素具體分析，建立起土壤情況表，按地施肥。不能完全用有機肥替代無機肥，可以將兩者混合施用。要完善有機肥的生產過程，確定合適施用量，即適量施用有機肥，確定最大量，最大限度發揮有機肥和化肥優點，盡可能避免其缺點，健全施肥制度，真正做到綠色高效施肥，達到高產的最終目的。