有机替代对农田土壤肥力及氮磷流失的影响

张康宁，俞巧钢，叶静，马军伟，符建荣

(1.浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321004； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

目前，我国化肥施用普遍过量，利用率低，损失十分严重。化肥较低利用率与高流失率使大量养分随地表径流、淋溶损失，破坏流域水环境并导致农业生态系统失衡，并造成严重的面源污染。过高的化肥施用量、不合理的肥料配比和肥料养分流失严重等是引发农田面源污染的主要原因，其最重要部分则由化学肥料营养元素的流失和水体富集构成，而若继续增加化肥投入强度和密度，其结果往往导致化肥流失量剧增，使得农田面源污染日趋严重[1]。有机无机肥料配施的有机替代模式能改善土壤氮素供应过程，使土壤养分平稳释放。化肥减量有机替代模式与单施化肥相比，既能提高作物产量，又能提高作物品质，还可以减少农田氮磷养分流失，使生态环境得到切实保护，值得目前生产实际中大力推广应用[2]。

1 有机替代的益处及主要替代有机肥种类

常量施肥处理和高量施肥处理都可以快速显著提高土壤全氮、颗粒有机氮、可溶性有机氮、微生物量氮，以及轻组有机氮的含量，但有机替代模式有机肥的施用有着更深层次的作用。宋震震等[3]经过26 a的研究证明，长期施有机肥比长期施化肥更能提高土壤各活性氮库组分含量，并且土壤颗粒有机氮含量与有机肥的施用量呈正相关。而化肥、有机肥配合施用使土壤有机碳含量和土壤碳素明显提高，土壤易氧化有机质的含量逐渐增加[4]，改善土壤质量，提高土壤肥力，保持土地的可持续利用。但不施肥土壤有机质则显著下降，单施化肥或高量化肥土壤有机碳、氮库保持稳定或小幅波动。农业上常用的有机替代有机肥种类有畜禽粪便、绿肥和农业有机废弃物等。

1.1 畜禽粪便

畜禽粪便主要指畜禽养殖业中产生的一类农村固体废物，包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪等。我国畜禽粪便资源充足，2010年全国畜禽粪便总排放量为19.00亿t，若再加上内蒙古、新疆、青海、西藏4省区牛、羊和其他大牲畜的粪便排放量，则总排放量为22.26亿t[5]，而2020年我国畜禽粪便排放量将会比2007年增加37%[6]。畜禽粪便含有丰富的有机物和氮、磷、钾等营养元素，也能供给作物所需的钙、镁、硫等多种矿物质及微量元素，满足作物生长过程中对多种养分的需要。

畜禽粪便可作为制作生物炭的原料。牛粪秸秆混合生物炭较好的炭产率、pH值和孔隙特性，适于作吸附剂等使用。猪粪秸秆混合生物炭具有较好的养分特性，可作为磷肥生产辅料或土壤改良剂使用[7]。

1.2 绿肥

绿肥是用绿色植物体制成的肥料，主要来源闲置地的绿色植物。绿肥按其来源分为栽培绿肥和野生绿肥；按植物学分为豆科绿肥和非豆科绿肥；按种植季节分为冬季绿肥、夏季绿肥和多年生绿肥；按利用方式分为稻田绿肥、麦田绿肥、棉田绿肥、覆盖绿肥、肥菜兼用绿肥、肥饲兼用绿肥、肥粮兼用绿肥等；按生长环境分旱地绿肥和水生绿肥。

最新研究[8]表明，种植翻压绿肥油菜华油杂62号后，土壤常规肥力指标、容重均有不同程度的改善，同时，对后茬作物玉米增产22.2%。绿肥发达的根系不仅能改善土壤的物理化学性状，促进土壤微生物的活动，还能使土壤中难溶性养分转化以利于作物的吸收利用。豆科绿肥的根部聚集大量根瘤菌具有很强的生物固氮作用，还田后经微生物分解可增加土壤中氮含量，供作物吸收利用，还能提高土壤微生物生物量碳、氮的含量，并减少氮的损失，降低因施用氮肥过量造成的环境污染，典型的豆科绿肥紫云英翻压替代部分化肥培肥能显著增加土壤有效氮的含量。

1.3 秸秆类农业废弃物

秸秆是成熟农作物茎叶穗部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花等其他农作物在收获籽实后的剩余部分，是一种富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等具有多用途的可再生的生物资源，在我国每年产生的农作物秸秆量约6.4亿t[9]。秸秆还田和施用有机肥的培肥效果相似，在旱作农区应用前景更为广阔。研究[10]表明，玉米秸秆生物炭能够提高秸秆腐熟体系的升温速率和温度峰值，加快秸秆腐熟进程；提高秸秆腐熟过程中微生物活跃时期的pH值，提高秸秆腐熟体系的电导率，为微生物降解有机物提供更适宜的环境；促进秸秆腐熟体系有机质的降解，增加秸秆腐熟体系的总养分含量，提高秸秆腐熟产物的品质。

2 化肥减量有机替代模式对农田土壤肥力的影响

2.1 对农田土壤结构的影响

优良的土壤结构、适宜的土壤孔隙度是作物正常生长的基础，施入有机物料可降低土壤容重，增加土壤孔隙度。有机肥替代化肥一般为2种替代模式：有机肥替代氮肥(替代氮肥量有100%、50%、25%)；有机肥替代氮磷钾化肥(包括氮肥、磷肥、钾肥，替代量一般为100%、70%、50%、30%、20%)。目前，在玉米、小麦、马铃薯、水稻、蔬菜等作物开展了较多有机肥替代化肥的研究。

配施有机肥能够增加土壤有机质、土壤微生物，改善土壤结构，提高土壤的养分容量，增加土壤胶体对重金属等有毒物质的吸附能力。有机肥替代部分化学肥料的有机替代模式可以显著增加旱地红壤2～0.25 mm、0.25～0.05 mm和0.05～0.01 mm粒级团聚体有机碳含量，提高特征微团聚体比例，增大分形维数，且随着<0.05 mm粒级微团聚体数量的增多分形维数均显著增大[11]。

2.2 对农田土壤养分的影响

有机肥可为农作物提供全面的营养元素，比化肥更好地提高土壤有机质和改善土壤养分状况。有机无机肥料配施的有机替代模式具有持续提高土壤速效养分含量的作用，有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾等含量得到提高，并且随有机肥施用量的增加而持续增大，对于保持土壤养分基本平衡、提高养分有效性有显著的作用。

有机无机肥料配施的有机替代模式不仅能够提高耕层土壤的全氮和全磷含量，而且比单施有机肥或单施无机肥更能提高冬小麦的产量[12]。同一施氮水平下，土壤中的有机质含量随着有机无机肥料配施比例中有机肥料所占比例的增大而升高，有机替代后土壤含水量也得到提高，利于土壤的扩蓄增容，不仅可以降低淋溶液中的养分浓度，减少养分的淋失，而且可以减缓养分淋失的速度，使养分淋失的总量减少，并且土壤对阳离子有更好吸附性能,可释放迁移的养分也较多[13]。

2.3 对农田土壤微生物与酶的影响

有机无机肥料配施的有机替代模式可以明显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，还可促进土壤有机质的分解转化和速效养分的释放，并且随着有机肥施用量的增大，效果更加明显[14]。有机肥替代部分化学肥料能够增加土壤微生物的多样性[15-16]，而土壤线虫取食微生物，也能够增加土壤线虫多样性，有机物料的添加也有利于真菌分解途径的进行[17]。

翻压等量紫云英下减施化肥，并未减少转化酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，同时还有利于提高土壤微生物数量与活度(水稻生育前、中期土壤微生物的活度)[18]。紫云英翻压还田量为22.5 t·hm-2的水稻田土壤微生物数量显著增加，有利于提高农田土壤质量[19-20]，不过养分释放集中在翻压还田后15 d，但紫云英还田不能完全替代化学钾肥的施用效果[21]。

秸秆还田不仅能提高土壤中微生物(细菌、真菌和放线菌)数量，而且还田的秸秆本身也带入了大量活的微生物，提高土壤的生物活性，对土壤微生物数量、土壤酶活性和作物产量存在显著交互作用，土壤的呼吸速率也得到提高，还田后的冬季小麦土壤其呼吸速率增加14.3%。秸秆还田与深耕交互可以提高土壤周年呼吸速率31.4%，降低土壤容重，提高土壤有机碳含量，增加土壤微生物数量和土壤酶活性，进而有利于作物产量的提高，还可显著提高冬小麦和夏玉米等的干物质积累量，促进作物根系的生长[22]。

3 化肥减量有机替代模式对农田氮磷流失的影响

施肥是土壤氮素的主要来源，主要形态为有机态氮和无机态氮，有机态氮组分较为复杂，但可通过矿化生成氨态氮；无机态氮包括氨态氮、硝态氮和少量存在的亚硝态氮。由于降雨和径流的产生，一般土壤氮素的流失会表现为两种形式：一是氮素随地表降雨产生的径流迁移，另外是土壤中氮素随水分沿垂直方向向下迁移。由于以入渗方式迁移的量一般较小，且迁移造成的危害也相对不大，故而氮素流失以随地表径流迁移为主。磷肥施入土壤后，分成两部分, 主要以无机磷形式积累在0～20 cm土层中，其中大部分因土壤的固定作用而积累起来，另一小部分存在于土壤溶液中。农田土壤中磷素进入地表和地下水体的途径主要有3条：地表径流、侵蚀和淋溶(渗漏或亚表层径流)。

3.1 农田氮磷径流损失

常规作物施肥采用有机替代的有机无机配施模式，不但作物产量没有显著减产，还能在一定程度上减少农田磷素损失，提高磷素利用率[23]。与常规化肥处理相比，秸秆长期还田不仅可节肥增效，从源头上减少作物晚稻化肥投入，还可降低稻田径流液中氮、磷养分含量，分别使总氮和总磷流失量减少12.6%、9.7%，秸秆还田处理下早稻较常规化肥处理有增产趋势，增幅为4.5%～10.1%，晚稻有减产风险，但减产差异不显著，平均减幅为6.3%[24]。

采用紫云英等绿肥还田可不同程度降低稻田氮磷的损失，其中径流水中无机态氮的损失减少27.7%～44.3%，溶解态磷损失减少13.0%～36.9%，在减少氮磷径流流失方面，以紫云英(26.25 t·hm-2)+商品有机肥(3 t·hm-2)复合还田及紫云英(52.5 t·hm-2)还田为佳[25]。相同施肥方式等量施肥的条件下，施用牛粪处理的地表径流液、渗漏液和侵蚀泥沙中总氮、总磷浓度均比施用鸭粪处理的偏低，但差异并不显著，采用有机替代可明显减轻养分流失[26]。

3.2 农田氮磷渗漏损失

影响农田土壤氮磷淋溶渗漏的因素有很多，也十分复杂，如气候因子(包括降水强度、降水量、降水时间、蒸发量等)、土壤因子(包括土壤结构、质地、容重、导水率、有机质含量、Fe2O3含量、CaCO3及游离铝、生物活性、土壤氮磷含量、pH值、覆盖度和表面粗糙度等)、水文地理因子(包括海拔、坡度、地下水位等)和农事活动因子(如施肥种类、数量、时间及方式、灌溉、耕作及轮作制度等)等。

农田不施用有机肥时，水溶态氮素流失的主要形态为水溶性无机态氮；施用有机肥后，水溶性氮素流失的主要形态为水溶性有机态氮。采用紫云英等绿肥还田其渗漏水中无机态氮损失减少28.0%～43.3%，溶解态磷损失减少3.7%～32.9%，在减少氮磷渗漏损失方面，以紫云英(52.5 t·hm-2)还田和秸秆(9 t·hm-2)还田为佳[25]。在渗漏流失方面，颗粒态磷是施用有机肥0、15 t·hm-2水平时的主要流失形态，水溶态磷是施用有机肥30、75、150 t·hm-2水平时的主要流失形态。2种流失方式下，水溶性无机磷是水溶态磷素的主要流失形态，所占比例平均值为67.54%，各形态氮、磷流失比重与施肥量和点位差异相关性不显著。不同种植作物类型农田在有机肥用量相同时，氮、磷流失量差异较大，总体表现为蔬菜地块>花卉地块>粮食地块[27]。

3.3 农田氮挥发损失

氨挥发是土壤氮素损失的主要途径之一，全世界每年农田施用氮素的10%～30%以氨挥发形式损失[28]。施肥后10 d内是氨挥发的主要阶段，该阶段的挥发累积量比重可高达整个时期的90%[29]，基肥、追肥施肥后土壤的累计氨挥发量在5.354～8.916 kg·hm-2(N计)，氨挥发损失率在1.824%～6.119%，追肥后土壤的氨挥发损失量占累计氨挥发损失总量的97%以上[12]。利用开放式激光吸收光谱技术建立浓度反演算法模型和氨区域监测系统，采用秸秆还田有机替代下种植玉米和小麦，研究有机替代模式土壤氨挥发特征试验，表明氨浓度具有日变化趋势，白天浓度上升在正午达到最高值，逐步降低到夜间至最小值。夏、秋季典型小时浓度变化为0.6×10-3～1.34×10-3mmol·mol-1和1.14×10-3～1.82×10-3mmol·mol-1，秋季玉米和夏季小麦秸秆还田的最大氨日均浓度为4.6×10-4mmol·mol-1和1.7×10-3mmol·mol-1，还田1个多月后氨浓度明显上升，并存在一定季节性差异。近红外光谱技术为明晰土壤氨排放规律提供了技术支持[30]。

土壤的氨挥发速率随着施氮水平的提高而增大，施用有机肥能够降低土壤的氨挥发速率，减少土壤氨挥发损失，与单施化肥、有机无机各50%配施相比，施用有机肥能够降低农田氨挥发损失62%和57%，降低N2O排放量53%和69%[31]。施用腐植酸可使土壤中铵态氮含量明显增加，但腐植酸具有强大的内表面积和较强的吸附能力，减少氨的挥发。紫云英等绿肥与氮肥配施可有效减少单季稻田外源氮素NH3挥发损失，从而提高氮素养分利用率，降低氮素养分损失的环境风险，还显著降低田面水中铵态氮含量以及水稻分蘖期土壤中羟胺还原酶活性(37.8%)，最终显著降低外源氮素NH3挥发累积量和挥发系数(14.6%和14.8%)[32]。猪粪和化肥配合施用可显著降低土壤氨挥发损失量[33]。

4 研究展望

4.1 现有研究的不足之处

在有机替代的模式背景下，我国有机肥标准化管理目前还不完善。具体表现，在有机肥质量控制标准方面：我国有关重金属的控制标准比较落后，采用的仍是1987年颁布的(GB 8172—1987)城镇垃圾农用控制标准，而国际上对农业上施用的城市垃圾、污泥、畜禽粪便中有害物质的限量标准近年有较大幅度的下调。在有机肥生产过程中质量控制体系方面：我国有机肥施用技术规范尚未制定，导致农民在有机肥施用过程中往往大量盲目施用有机肥，而有些发达国家针对不同的土壤条件以及不同的作物，有不同的有机肥施用技术规范。在有机肥施用过程中的技术规范方面，我国目前状况混乱，而发达国家的有机肥的生产和使用过程中质量控制有一整套标准化的管理程序，有一批相关法规来规范有机肥产业。当前阻碍有机肥市场健康发展的因素：1)概念炒作，过度夸大有机肥功能；2)包装卖点繁杂多样，难以达到品牌共识；3)价格监管缺乏，经销商哄抬利润造成农户用肥成本过高；4)有机肥原料品种杂乱，生物质企业辅料转化慢；5)有机肥鉴定监管标准过低。为保障有机替代模式推广和有机肥市场健康发展，急需有关的政府和科研院所开展相关的工作，解决我国有机肥的生产和使用的标准化问题。

4.2 有待进一步研究的内容

目前，国内外在化肥减量有机替代农田土壤培肥及氮磷流失影响研究方面趋于成熟，已有较多的科研结果累积。但采用有机替代模式有机肥对农田土壤和作物重金属富集的影响研究，以及农田土壤滞留重金属对作物生长及品质的影响研究相对较少。施肥对土壤重金属累积量产生直接影响，肥料在供给作物生长必需营养元素的同时，也会将重金属类的物质带入到土壤中，势必对作物的营养生长和生殖生长产生影响，进而影响农产品品质，因此，对有机肥中重金属与农田土壤和作物生长的研究有待进一步加强。