化肥減量增效技術及其農學、生態環境效應

邱子健，申衛收*，林先貴

（1.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇 南京 210044；2.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

20世紀以來，化肥的大量施用使全球糧食產量大幅增長［1］。我國作為化肥生產大國，化肥施用量約占世界總量的1/3，化肥為我國糧食增產貢獻40%以上［2］。長期以來，我國化肥施用偏重氮、磷肥，多數地區鉀肥供應不足［3］，目前氮肥在果蔬等經濟作物上的過量施用較為普遍，而部分地區磷肥施用也存在過量的情況。與此同時，我國化肥利用率總體偏低，如三大糧食作物對氮、磷、鉀肥當季平均利用率僅分別為33%、24%和42%［4］。國內糧食主產區化肥施用強度也已超過生態經濟適宜量［5］，區域不均衡現象十分明顯。不合理的施肥造成我國農產品安全、環境污染及資源浪費等問題日益突出，因此科學施用化肥尤為必要。

隨著農業集約化、規模化、機械化和生態化的發展，化肥減量增效技術已獲得廣泛的研究與應用。發達國家一般通過結合作物栽培管理，采用測土配方施肥、水肥一體化、新型肥料等技術，并與現代農業機械相結合，有效提高肥料利用率，實現化肥減量增效。現階段國內化肥減量增效主要以“精、調、改、替”的技術路徑進行示范推廣，但技術、產品發展水平仍較發達國家滯后。本文系統歸納了化肥減量增效技術，并全面總結了減施化肥的農學、生態環境效應，以期為我國化肥減量增效、地力提升和生態環境保護提供科學依據。

1 我國化肥施用現狀及與其他國家的比較

我國作物種植強度大，復種指數高，作物產量長期依賴化肥的大量施用。截至2015年，我國化肥施用量已達歷史最高，為6022.6萬t。隨著國家化肥減量增效戰略的提出，2016年化肥施用量首次出現負增長，到2019年已持續降低至5403.6萬t。

近年來，全球化肥施用量呈波動上升的趨勢（圖1）。印度的化肥施用量僅次于我國，2018年已達2737.5萬t。其次是美國、巴西，巴西近年化肥施用量有所上升，從2009年的754.0萬t增至2018年的1698.8萬t。德國、英國、日本和韓國施用量低，其中德國更是從2014年起出現負增長。全球化肥施用強度則相對平穩（圖2）。其中我國化肥施用強度遠高于其他國家，2016年后略有下降。韓國施用強度僅次于我國，而英國、日本施用強度相近，均穩定在240 kg·hm-2左右；巴西近年施用強度不斷攀升，2018年達267.5 kg·hm-2；德國施用強度整體稍高于印度，2014年后逐年降低；美國化肥施用強度較低，接近全球平均強度。

圖1 2009～2018年全球及部分國家化肥施用量變化

圖2 2009～2018年全球及部分國家化肥施用強度變化

化肥的過量、連續施用造成了我國農業和環境效益降低。在我國增施化肥的作物增產效應早已減弱［6］，而多地氮肥偏生產力則低于30 kg·kg-1［7］，化肥利用率普遍不高。較低的化肥利用率使大量養分在土壤中殘留或以各種形式損失，并對我國生態環境，尤其是土壤健康產生損害，例如導致土壤酸化、板結、生物多樣性降低、土壤結構破壞、肥力下降、重金屬污染及土傳病害加重［3-4，8］，加劇氨、溫室氣體的排放［1，9］，造成水體富營養化及地下水硝酸鹽等超標［10-11］，最終經食物鏈等途徑威脅人體健康。此外，過度依賴化肥施用消耗大量礦產資源，促使原材料價格上漲，種植成本增加［3］，而因作物養分失調引起的農產品品質下降也會影響銷售，進一步限制了我國農戶的持續增收。因此，當前我國農業實施化肥減量增效具有重大意義。

2 化肥減量增效主要技術

2.1 精準施肥

2.1.1 測土配方施肥

測土配方施肥是以土壤測試和田間試驗為基礎，根據作物需肥規律和土壤供肥性能進行施肥的方法。配方肥在科學指導下施用以補充作物所需營養元素，優化了養分配比和施肥管理措施，實現養分平衡供應，提高肥料利用率，保障作物生長，從而減少農業面源污染、改善農產品品質、節支增收［12-13］。我國施肥量在不同地域、作物間差異較大，測土配方施肥作為基礎手段，可以更具針對性地起到促進化肥減量增效的作用。

2.1.2 養分專家系統

養分專家系統（Nutrient Expert）是基于計算機推薦施肥的決策系統，結合4R養分管理原則和田間試驗，根據目標產量、土壤性狀、氣候條件及養分管理措施等生產信息，生成特定空間尺度的施肥建議，實現數據可視化，在亞洲糧食作物施肥上應用較多［14-15］。黃曉萌等［14］發現在長江流域冬小麥生產中，按養分專家系統推薦施肥比習慣施肥降低26.6%、13.3%和12.9%的氮、磷和鉀肥用量，具有良好的效益。柳開樓等［16］研究顯示，雙季稻區采用養分專家系統推薦施肥較習慣施肥，氮、磷、鉀肥可分別減施24.86%～34.43%、15.97%～44.75%、60.35%～74.02%，產量、養分吸收量和化肥偏生產力也均有提升。

2.2 調整化肥施用結構

2.2.1 優化大量元素配比

作物的養分需求因區域、作物品種和管理水平而表現出較大差異。在測土配方施肥及植物營養診斷基礎上，通過調節化肥氮磷鉀配比，合理組合肥料養分，可以提高化肥利用率，減少過量的化肥施用。我國20世紀的化肥試驗網試驗早已充分證實，大量元素配施效果普遍優于單施。我國化肥施用偏重施氮，而復合肥氮磷鉀配比也無法滿足不同種植區作物養分需求，導致養分特別是鉀供應不足。在缺鉀土壤增施鉀肥可以提高黃瓜、葡萄等果蔬產量，減少病害，提高經濟效益［17-18］。

2.2.2 配施中微量元素肥料

中微量元素適量施入被人們長期忽視，造成我國土壤中微量元素缺乏［19］。我國中微量元素肥多是微量元素水溶肥，以鋅、錳、硼等組合為主，涉及59種作物［20］。中微量元素是重要的植物營養元素，補充中微量元素也能提高糧食產量［21］。相較于傳統礦物鹽微量元素肥，一些新型元素肥的養分利用率更高，如萃取植物殘體制成的微量元素肥料等［22］。一般而言，混施多種元素相比單施一種元素效果更好。例如，多種微量元素混施對葡萄產量、品質均有提高［23］。黃忠陽等［24］發現減施20%大量元素化肥配施中微量元素肥、氨基酸水溶肥可提高西瓜可溶性固形物含量、單瓜質量。

2.3 改進施肥方式

2.3.1 機械化深施肥技術

機械深施包括底肥、種肥和追肥深施，能有效減少化肥損失、提高作物單產，并降低勞動強度［13，25］。歐美國家因勞動力匱乏，機械化水平高，大型作業機械數量多，化肥深施更為普遍。2018年，我國機械深施化肥面積已達3527.0萬hm2，有利推動了農業節本增效。研究表明，機械化深施可使糧食作物等增產300～675 kg·hm-2，化肥利用率則可提升至40%～45%［25］。Pan等［26］也發現與人工表施相比，機械深施氮肥可顯著提高水稻產量和氮肥利用率。而在我國魯東南花生種植中，利用配方肥結合機械深施每公頃可減少300 kg的復混肥用量［27］。

2.3.2 水肥一體化技術

水肥一體化技術是水肥耦合的高效管理措施，水肥經管道等輸送到作物根區供作物吸收利用，可顯著提高水肥利用率，保障作物產量［28］。水肥一體化主要包括滴灌、微噴灌、膜下滴灌3種模式，其中微噴灌應用最廣，2016年我國微噴灌應用面積已達995.4萬hm2［25］。水溶性肥料是實現水肥一體化的重要基礎，分為滴灌肥、沖施肥、葉面肥［29］，其中噴施葉面肥是實現“立體農業”的重要方式。我國水資源匱乏，需依靠節水灌溉技術擴大灌溉面積。在我國，水肥一體化目前普遍應用在西北、華北、東北、華南地區，西北干旱、半干旱區的膜下滴灌施肥技術最為成熟。水肥一體化技術如能合理應用，能在節肥 20%～50%、節水35%～60%的同時提高產量10%以上［25］。

2.4 有機肥替代化肥

2.4.1 農牧廢棄物有機肥替代化肥

畜禽廢棄物還田曾是我國有機物料資源化的重要方式。我國畜禽糞尿總量大，替代化肥潛力大，如2015年產生的畜禽糞尿中氮、磷和鉀養分（折純）資源量分別達1478.0萬、901.0萬和1453.9萬t［25］。畜禽糞肥替代化肥的比例和用量合理能緩解土壤養分累積、避免養分淋洗或徑流損失［30］。姚冬輝等［31］發現豬糞商品有機肥能分別替代早、晚稻16.4%和15.0%的化學氮肥來維持水稻產量，還能分別減施化學磷、鉀肥47.3%、34.3%。Jin等［32］調查發現，我國種養結合農戶比例從1986年的71%急劇下降到2017年的12%。事實上，對農業種養結構優化配置，發展高效的生態循環農業也能促進減肥增效，例如豬菜同生（同一棚舍內利用發酵床養豬并種植蔬菜，產出有機肥回收利用）等生產模式。秸稈還田也是減肥增效的重要措施之一，包括翻耕、高茬及覆蓋的直接還田方式和堆肥、過腹及堆漚的間接還田方式兩大類［25］。2014～2018年，我國三大糧食作物秸稈年均產量為65386.6萬t，全量還田氮、磷和鉀養分（折純）當季釋放量分別為294.0萬、194.1萬和1083.9萬t［33］。不過，秸稈還田通常前期效果差，較長時間后才能表現出促進作物生長的作用［34］。秸稈通過堆肥能減少腐殖質中鐵、鋁和鈣的氧化物對磷酸鹽的吸附，提升無機磷酸鹽的有效性［35］。此外，農牧廢棄物等在沼氣池中發酵所得沼渣、沼液等作為沼肥同樣能替代化肥。高杰云等［36］指出沼肥部分替代化肥施用后，設施蔬菜有所增產。

2.4.2 有機無機復混肥替代化肥

無機化肥主要提供速效養分，有機肥則增加土壤有機質并改善土壤結構和質量，但二者單一施用均難以實現農業的可持續性。因此，結合無機、有機肥的優勢可以更好地適應現代農業發展需求。有機無機復混肥是利用秸稈、畜禽糞便等有機物料經人工發酵而成的新型肥料，具有養分全面、利用率高、增產提質、培肥土壤、原料來源廣泛的優點。據王新平等［37］報道，有機無機復混肥與傳統復合肥相比，提高了土壤有機質含量，在減肥的同時還提高了肥料利用率。

2.4.3 綠肥替代化肥

綠肥作為清潔有機肥源，經翻壓、覆蓋或輪作、間作、套種等方式以新鮮綠色植物體為肥料基礎［38］，次生環境風險低。其中豆科綠肥根部存在根瘤菌，其固氮能力強，一般可以從大氣中固氮75～150 kg·hm-2，約等同尿素225 kg·hm-2的作用［39］。綠肥可以提升參與養分轉化相關的微生物生物量和酶活性，促進養分循環周轉，其替代化肥的最優比例取決于土壤肥力、耕作制度和作物種類［40］。我國可供綠肥種植的閑置耕地空間約有4600萬hm2，稻區、華北、西北、西南閑田種植翻壓綠肥均有減施化肥的潛力［41］。種植綠肥可有效解決中低產田、水土養分流失等問題，改善土壤理化性狀，促使有益微生物大量繁殖，提高土壤有機質含量，從而減少化肥投入［42］。目前，鑒于豆科綠肥的高效固氮能力，國外已有在作物中添加固氮酶基因或讓作物與固氮微生物建立共生關系的技術研究，用于替代化肥［43］。

2.4.4 生物肥料替代化肥

生物肥料是以有益微生物活動產生肥效的新型肥料，主要包括微生物菌劑、復合微生物肥料和生物有機肥，通常具有培肥改良土壤、改善土壤微環境和促生抑病的作用。國際根瘤菌接種產業發展較早，國內目前主要開發根瘤菌、聯合固氮菌、溶磷菌、解鉀菌和促生菌等生物肥料［44］。與菌劑等不同，生物有機肥是特定功能微生物與經無害化處理、腐熟的有機肥結合形成的復合肥料［45］，微生物以有機質為載體，施入土壤中更易存活，效果更好。微藻肥是近年來的研究熱點，其具有固氮、固碳和分泌植物生長激素等特性，在作物促生、土壤培肥改良，尤其在荒漠化、鹽漬化土壤修復治理方面作用積極［46］。例如藍藻肥，因藍藻固氮能力強，死亡分解的化合物可供作物利用，抑制雜草萌發，環境風險低，其肥效也比化肥、有機肥更穩定持久［47］，有助于化肥減施。

2.5 其他重要技術

2.5.1 施用緩控釋肥料

緩控釋肥是減緩肥料養分釋放速率且比普通化肥長效的肥料，其養分釋放特性易受植物營養特性、土壤性質、肥料性質、水分、溫度等環境因素的影響［48］，具有養分利用率高、節肥省工、環境負荷輕等優勢［49］，多應用于蔬菜、水稻等作物上。新型緩控釋肥結合包膜新材料、納米技術和添加信號物質等技術可實現肥料養分釋放速率與作物養分吸收同步，常見類型包括穩定性肥料、脲甲醛緩釋肥、硫包膜尿素等。其中穩定性肥料是一類添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑或共同添加起到減緩尿素水解及硝化過程的緩控釋肥［50］，而抑制劑常以嵌入包裹材料內或液體肥料形式施用［51］。20世紀80年代后，日本研制以包膜尿素為代表的新型緩效肥料，其氮素利用率可達80%以上［52］。一些新型納米材料包裹的緩控釋肥也可以提高氮素利用率、土壤殘留氮、作物產量［51］，具備減肥增效的應用價值。

2.5.2 投入氮肥增效劑

氮肥增效劑可以調節部分土壤氮循環相關的酶活性，減少氮損失，具有減施氮肥的作用，主要包括脲酶抑制劑、硝化抑制劑和氨穩定劑［53］。其中脲酶和硝化抑制劑能通過抑制土壤脲酶活性減緩尿素水解和抑制銨態氮向硝態氮轉化以提高氮肥利用率，脲酶抑制劑常用的有正丁基硫代磷酰三胺、對苯二酚等，硝化抑制劑則多用雙氰胺、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽等［50，54］。氨穩定劑研究較少，多為無機酸類、有機酸類、無機鹽類、鈣鹽類化合物，可改善土壤理化性狀，提高土壤對氮素的吸附性能，減少氨揮發等損失［53］。宋燕燕等［55］研究表明，減氮配施硝化和脲酶抑制劑對作物產量、品質、養分吸收均有促進作用，并使土壤、植株中硝態氮累積減少。

2.5.3 推廣養分高效作物品種

養分高效品種指在特定養分供應條件下產量較高的品種，分為適合高養分投入的品種和耐低養分品種兩大類［56］。篩選、培育高產、低氮需求的高效作物品種可起到減少氮肥施用和環境風險的作用［57-58］。由于該類品種大多不適應高氮環境［59］，因此客觀上也更能促進化肥減施，值得將來深入系統地研究和開發。Zhang等［60］研究表明，我國高產超級稻品種需氮量低于普通自交稻和雜交稻品種，適合低氮投入的生產條件。Cong等［61］則指出磷高效作物品種可以通過提高磷吸收效率、利用效率、根際磷活化率和降低種子磷濃度，減少磷肥用量，并能降低環境負荷以及提高食物和飼料的微量營養元素。

3 化肥減量增效的農學效應

3.1 對主要糧食作物產量與品質的影響

在稻田中，有機肥替代化肥施用通過改變土壤氮素供應狀態、根系形態和調控水稻氮素吸收和植株氮素分配過程來影響產量［62］；而酸性土壤、溫暖潮濕的氣候和長期連續施肥條件對產量有明顯的促進作用［63］；但因有機肥質量等問題，稻米和稻殼中部分重金屬含量存在隨著有機肥施用而增加的風險［31］。綠肥和稻草聯合利用有促進水稻增產的作用［64］；但由于稻草碳氮比高，氮、磷含量較低，易造成水稻生育前期氮素供應不足、返青期延長、分蘗期推遲而造成減產［65］。對于旱地作物小麥，有機肥替代化肥能提高籽粒整個生育期氮、磷等養分累積，但需合理調節二者比例施用，否則可能減產［66］。秸稈還田減施化肥在鹽漬化土壤中對玉米產量的提升效果在最初數年內并不理想，而長期累積后有所改善［67］。顏旺［68］、李亞朋［50］均發現緩控釋肥減氮施用，玉米氮肥利用率稍有提高，但略有減產。安文博等［69］則發現緩控釋肥減氮能在穩產的同時，使玉米籽粒維生素C、可溶性糖和蛋白質含量有所增加。Zhang等［9］指出我國東部作物主產區糞肥部分替代氮肥對產量有積極作用，其中旱地作物和水稻產量能分別提高6.6%和4.4%，一般以低于40%的適當比例替代氮肥可有效提升作物氮素利用率。

3.2 對主要經濟作物產量與品質的影響

經濟作物種植面積增加是化肥用量增長的主要原因之一，國內近年有關經濟作物的減肥增效研究較多。馬征等［15］發現在養分專家系統基礎上減施氮肥30%并保證磷、鉀肥供應充足，大蔥基本穩產，而硝酸鹽、維生素C含量無顯著變化。章孜亮等［70］發現減氮20%并接種根瘤菌能增加花生根瘤數、下針數、植株鮮質量、總分枝數、單株果數，提高花生氮素吸收量，但有減產趨勢。黃繼川等［71］發現減施化肥增施氨基酸或氨基酸和膠質芽孢桿菌聯用能顯著提高包菜對氮、磷、鉀養分的吸收累積，提高鉀含量、可溶糖和維生素C含量，降低硝酸鹽含量。武星魁等［72］報道太湖流域有機肥替代化肥減氮25%和等量單施化肥相比使包心菜、小青菜增產，但替代比例過高則不能保證產量。田想等［73］發現氮肥減施30%以內并種植綠肥光葉苕子基本能維持柑橘產量和品質。Otto等［74］發現種植豆科綠肥，氮素投入量約為60 kg·hm-2即能滿足甘蔗的氮需求，蔗莖產量增加了20 Mg·hm-2，而莖所需氮量減少12.5%，減少了氮肥投入。

4 化肥減量增效的生態環境效應

4.1 對水環境的影響

4.1.1 對地表水的影響

化肥濫施易導致養分以地表徑流形式流失，加劇水體富營養化。Xie等［75］發現有機肥替代化肥可顯著減少徑流水中銨態氮、硝態氮、總磷和總鉀的輸入。何石福等［10］發現配施有機肥可有效減少丘陵茶園徑流量，在此基礎上增加稻草覆蓋效果更好，能夠高效攔截和吸收降水形成的徑流，使降水為茶園所吸收利用，減少氮、磷養分流失。王志榮等［76］發現化肥減量配合秸稈還田能減少油菜地地表徑流氮素如硝態氮、銨態氮流失量。磷素在土壤中多被膠體吸附固定，常以水土流失的形式損失。Borda等［77］發現施用有機肥限制了土壤膠體磷的遷移，能提高土壤磷盈余，減少磷素流失。

4.1.2 對地下水的影響

氮素淋洗損失的來源主要是殘留肥料氮、當季輸入肥料氮和土壤背景氮［68］。集約化強度高的地區由于過量施氮和漫灌更易導致地下水硝酸鹽污染［11］。Min等［78］研究顯示，我國長三角地區設施蔬菜地傳統氮肥減施40%，氮淋失量可減少39.6%。施用有機肥通過提高土壤有機質含量，增強土壤表層對硝態氮的吸附固持，可抑制土壤硝態氮向下遷移［79］。張敏等［80］研究表明，化肥減量配施有機肥后設施菜地硝態氮、總磷淋溶量平均分別降低42.8%和38.0%。Kramer等［81］指出施用有機肥有利于提高土壤反硝化微生物群落活性，減少硝酸鹽淋溶損失。Gao等［82］發現冬季種植綠肥能抑制堿性水稻土中氨氧化古菌的活性，減弱硝化潛勢，從而減少硝態氮淋失。高杰云等［36］則發現沼肥替代化肥施用有提高土壤磷素累積和淋失的風險。

4.2 對大氣環境的影響

4.2.1 對氨揮發的影響

化肥氮過量投入是農業土壤氨揮發量大的重要原因。楊亞紅等［83］發現施用解淀粉芽孢桿菌生物有機肥替代部分或全部化肥能促進土壤硝化，降低農田土壤的氨揮發量70%以上。Sun等［45］發現減量化肥配施枯草芽孢桿菌生物肥料通過降低ureC基因豐度，增加amoA基因和氨氧化細菌豐度，減少肥料氮向銨態氮轉化，并增強硝化過程，顯著減少土壤銨態氮累積導致的氨揮發。在高鹽度環境下，硝化過程因受抑制，易導致更多氨揮發。周慧等［84］在河套灌區鹽漬化土壤減量尿素配施有機肥較單施尿素有效降低玉米地氨揮發。有機肥對氨揮發貢獻量主要由施用前有機肥自身速效氮含量和有機氮礦化分解能力決定，大量的有機氮需經礦化后才能參與氨揮發過程［85］。Zhang等［9］指出在我國東部旱地和稻田中，糞肥完全替代氮肥分別顯著減少62%和77%的氨揮發，部分替代則無顯著影響。李喜喜等［86］研究表明，豬糞和化肥配施可減少成都平原稻田氨累積揮發量2.21～8.78 kg·hm-2。但也有研究指出有機肥特別是糞肥還田配施減量化肥會增加氨揮發量，如Tang等［87］用污泥或豬糞堆肥，有機肥部分替代化肥減少了城郊蔬菜地其他活性氮的損失和總活性氮損失，但氨揮發損失卻增加了2.4%～27.8%。

4.2.2 對溫室氣體排放的影響

合理采取化肥減量增效措施對緩解全球變暖趨勢有重要意義。李夏菲等［12］發現測土配方施肥比習慣施肥提高了作物氮肥利用效率，減少了油菜種植過程中溫室氣體排放。對于集約化菜地，減氮添加硝化抑制劑也能減少N2O的排放［54］。Zhang等［88］發現在我國北方運用滴灌減氮優化施肥可顯著降低冬小麥-夏玉米輪作地的N2O排放量，緩解夏玉米季硝化細菌反硝化產生的N2O和NO排放。王艷麗等［28］發現在水肥一體化基礎上減施40%化肥氮量與習慣施肥相比，黃瓜、芹菜地N2O累積排放量顯著減少42.71%。彭術等［89］發現減量30%深施氮肥的早、晚稻季N2O累積排放量較常規施氮分別降低57%、72%，而N2O則僅在雙季稻返青期和成熟期略有排放。有機物替代化肥的減施方式可能導致更多的溫室氣體排放［90］。苗茜等［91］的稻麥輪作地試驗表明，有機肥替代化肥使CH4排放量增加18%～51%，其中城市污泥堆肥和豬糞肥顯著增加稻田CH4排放量，且排放量隨有機肥替代比例增加而增加。Xia等［92］用Meta分析也發現，施用有機肥顯著增加N2O排放，特別是在暖溫帶氣候、種植旱地非豆科作物和施用未熟化有機肥條件下。Zhang等［9］發現，在旱地中不同比例畜禽糞肥代替化學氮肥對N2O和CH4排放量均無顯著影響，但在水稻田中，畜禽糞肥代替氮肥顯著增加了CH4的排放（48%～82%），降低了N2O的排放。

4.3 對土壤環境的影響

4.3.1 對土壤物理性狀的影響

化肥減量配施有機肥對農田土壤容重、孔隙度及團聚體的影響積極，可降低容重，增加團聚體的重量及直徑，改善土壤質量和結構，提高穩定性［63，93-94］。吳憲等［95］研究顯示，在華北潮土區化肥減量配施有機肥、秸稈可促進表層土團聚體形成，并提高其穩定性，有效維持土壤肥力。崔江輝等［96］發現化肥減量配施商品有機肥及秸稈還田對機械穩定性團聚體含量影響不明顯，但顯著增加水穩性團聚體數量，促進微團聚體向大團聚體形成。Lin等［97］長期試驗表明，施用豬糞肥比植物殘渣或化肥施入更有效地增加團聚體，尤其增加了大團聚體所占質量比例。除市售有機肥、秸稈還田外，綠肥間套作或覆蓋還田也具有促進土壤形成團粒結構、改善土壤通透性、增強土壤保水保肥能力的作用［38］。

4.3.2 對土壤化學性狀的影響

有機肥替代化肥施用可提高土壤pH，改善因長期施化肥導致的土壤酸化［75，98-99］，提高土壤有機碳、不穩定碳和有效氮、磷、鉀含量［63，100］。Cai等［98］發現減施化肥配施糞肥使土壤有機質含量在前期明顯增加，長期后趨于穩定。玉米秸稈還田能改變土壤腐殖質組成，并增加土壤不穩定碳，在腐殖酸分解過程中提升有機磷利用率，促進磷礦化［101］。用秸稈還田替代化學鉀肥還能增加土壤鉀含量，提高鉀利用率［102］，如稻草秸稈能延緩種植紫云英導致的土壤鉀素下降［65］。豆科綠肥除提供土壤腐殖質以及通過固氮提供氮素外，其根系分泌的有機酸也能促進土壤難溶性磷、鉀轉化，提高養分有效性［38］。Shen等［103-104］指出在我國長三角設施蔬菜地氮肥減施40%仍能保證效益的基礎上，夏閑期套種甜玉米也可提高土壤有機碳含量、pH，同時降低土壤電導率及硝態氮含量。有機質或微生物能以吸附、生物累積等方式降低土壤重金屬有效性，但事實上化肥減施后對重金屬修復作用有限。由于肥源、生產技術等原因，有機肥施用過量可能導致土壤鹽堿化，增加農作物銅、鋅等重金屬及抗生素累積的風險［31，35］。Ning等［35］發現僅減施20%化肥對土壤重金屬含量無顯著影響，而連續施用有機肥卻導致土壤中鋅、鎘、鉻累積。此外，國外已有報道通過生物殘渣發酵堆肥制成的有機肥中含有微塑料［105］，因而對于新型有害物含量也應及時加以嚴格的控制。

4.3.3 對土壤生物學性狀的影響

4.3.3.1 對土壤動物的影響 土壤動物類群或群落組成等差異能夠反映土壤生態系統中環境的變化。施用有機肥增加土壤有機質等能使土壤動物數量增加、群落結構復雜［106］。吳憲等［107］研究表明，化肥、生物有機肥與秸稈配施更有利于土壤動物群落結構的穩定。土壤線蟲由于其高周轉率、與微生物的相互作用而在農作物殘渣的分解中起重要作用。Zhang等［108］指出糞肥或玉米秸稈與化肥配施能有效增強微生物與線蟲群落間的積極聯動，特別是秸稈還田促進碳向土壤食物網流動，有助于改善長期施用化肥造成的負面影響。張婷等［109］認為土壤中小型節肢動物群落組成與秸稈還田相關，秸稈連續還田對表層土壤動物群落起促進、穩定作用。

4.3.3.2 對土壤微生物的影響 肥料的輸入可以刺激土壤微生物的生長繁殖，影響其豐度、活性、生物量和群落組成。一般認為土壤微生物多樣性越高，土壤功能越完整，生態系統越穩定。Zhong等［110］研究表明，在長三角設施栽培蔬菜地氮肥高強度施用會導致細菌和古菌amoA基因的豐度顯著降低，而Shen等［111］則發現該地區減氮40%條件下能顯著提高氨氧化細菌amoA基因的豐度，提高氨氧化細菌多樣性。楊亞紅等［83］發現解淀粉芽孢桿菌生物有機肥的施用提高了土壤細菌群落多樣性及豐富度，特別是芽孢桿菌、硝化螺菌屬相對豐度明顯提升，土壤硝化作用增強。王興龍等［112］發現減氮20%配施生物有機肥能提高玉米生育期土壤微生物量碳。Yang等［113］發現有機無機配施明顯增加土壤放線菌豐度和多樣性。Khan等［114］發現綠肥能顯著增加微生物量碳，提高真菌/細菌的比例。He等［115］以黑麥草為綠肥，發現南方紅壤水稻土細菌群落多樣性在短期內持續增加，但若對綠肥分解時間、速率不加控制，也可能對細菌活性、養分轉化和作物生長不利。

4.3.3.3 對土壤酶活性的影響 土壤酶活性可以表征土壤生物活性和土壤肥力。化肥和有機肥施用均能提高參與土壤碳、氮循環的酶活性，二者配施能使土壤酶活性更高，尤其是長期施用有機肥的土壤中參與氮循環的酶活性會有明顯增加［116］。Li等［117］長期試驗表明，化肥配合豬糞或秸稈施用提高了脲酶活性。Kramer等［81］發現果園有機耕作土壤中硝化潛力、天門冬酰胺酶和葡糖苷酶活性往往更高。Ning等［35］則發現單一化肥減量20%會使菜地脲酶活性略有降低，顯著降低土壤酸性磷酸酶活性，而在此基礎上進一步減施化肥配施有機肥可顯著提高土壤過氧化氫酶和脲酶活性，但會降低土壤酸性磷酸酶活性。馮愛青等［118］則發現適量減施控釋氮肥后小麥返青期、拔節期、灌漿期土壤脫氫酶活性比不減施處理顯著提高。

5 化肥減量增效主要存在的難點

5.1 科學理論

“4R”養分管理原則是圍繞合理施肥以實現養分高效利用的科學理論，但在實際運用中正確的肥料用量更易受重視，導致肥料品種、施肥時間、施肥位置等方面的相應措施被忽略。事實上，除從肥料角度關注外，尚需將農戶目標、作物品種、種植制度、土壤條件、氣候條件以及其他管理因素考慮在內。此外，盡管農業偏施氮肥，對于過量磷、鉀肥的減施也需加以足夠重視，將來的研究也應提供更多有關減施化學磷、鉀肥的理論依據。

5.2 技術方法

化肥減量增效技術有待進一步提升完善。例如，測土配方施肥存在技術覆蓋的農作物范圍窄、測土方法效率低等問題；水肥一體化技術存在滴灌施肥設備精度低、配套性差致使產品性能不夠穩定等問題；而施用微生物肥料時，一些非土著微生物易受環境存活和繁殖條件制約，也會導致田間應用效果不佳；此外，糞肥采用噴灑或灌溉方式施用過程中則可能釋放NH3、H2S等氣體，可嘗試推廣軟管注射施肥等方法，加強相應的密閉貯存管理。

5.3 推廣應用

當前，國內農民減肥即減產的觀念尚未根除，仍需加強農民教育培訓，完善減肥增效配套技術服務。而在農村勞動力轉移的背景下，部分減肥增效技術雖然理論上可行，但在實際生產中耗時耗力，特別是小農戶經營方式，其經營成本高、風險大、收益低，因地少且分散，機械化難度大，減肥增效使成本增加，更難維持農戶收益。因此，國家需要不斷提升土地流轉質量和流轉土地經營權穩定性，鼓勵土地向專業大戶、家庭農場及合作社的適度規模經營形式流轉，以加強農業規模化、機械化程度和農民減肥增效的意愿，促進相關技術應用。與此同時，國內肥料市場管理缺乏統一規范，新型肥料等成本高、質量參差不齊、合格率偏低且缺乏配套施用技術，而化肥價格相對低，導致農戶對新型肥料認可度和需求低，應進一步規范管理肥料產業，加大產品監督力度，提高化肥稅，并對生產新型肥料的企業予以政策傾斜，提升新型肥料品牌市場競爭力。此外，我國可借鑒國外經驗，通過結合法律強制性與市場引導措施，進一步嚴格限定不同區域肥料用量，穩固提升土壤肥力，對部分安全高效的減肥增效措施以法律法規形式推廣，逐步建立獎懲制度及風險補償機制，并對農戶實際生產投入去向加以嚴格監管，制定更科學、靈活的補貼政策。

6 展望

化肥減量增效技術在我國應用前景廣闊，大量試驗表明化肥減量增效能在保障作物產量、改善農產品品質的同時，具有緩解農業面源污染、控制氨氣與溫室氣體排放、改良培肥土壤和提升土壤生物多樣性與恢復土壤健康的潛力。據此，筆者提出3點展望：（1）根據各區域的氣候-土壤和生產條件，研究切實可行的化肥減量原則和技術，并加強技術集成示范，明確各地施肥推薦用量范圍；（2）構建化肥減量增效長效機制，避免短期效應的不確定性，在充分保障作物穩產保質和生態環境安全的基礎上，再向全國范圍推廣；（3）建議加快肥料管理立法，通過法律強制性規范肥料用量，形成化肥減量增效的規范體系，進一步提升減肥增效的效果，從而更有力地實現我國化肥減量、農業提質的目的。