有机肥替代化肥对土壤肥力的影响

曾国胜，钮 红

（河南省新野县施庵镇人民政府，河南 新野 473500）

随着农业供给侧结构性改革的不断推进，农业未来的主要发展方式需要从完全依赖自然环境资源向绿色可持续方向转变[1]，即通过有机肥替代化肥的使用，降低化肥的使用率，实现农业可持续发展。

土壤肥力能够衡量土壤所提供给各类作物所需要养分的能力，是反映土壤肥沃性的指标，是土壤各种基本性质的一个度量。Long Guo 等[2]快速、准确地获取土壤有机碳（SOC）图，帮助了解农田土壤肥力，为管理矿物肥料提供了极大便利。Esmaeil 等[3]通过研究发现，在伊朗北部从天然林到耕地、柑橘园和水田的土地利用变化对土壤物理、化学和生物特性的影响。此外，采用基于土壤有机质（SOM）、土壤基础研究的生物肥力指数（BFI）的普通Kriging（OK）法对土壤肥力进行了定位。Guo Di 等[4]在冶炼厂污染土壤中单独施用有机肥，或与PART 12 链霉菌（Act 12）联合施用，进行堆肥处理，研究其对土壤污染的影响，同时研究了芥菜的土壤肥力、酶活性、潜在毒性金属（PTMS）溶解度和植物修复效率，结果表明：联合施用处理条件下，土壤肥力和酶活性显著提高，土壤pH 值降低，潜在毒性金属（PTMS）溶解度增加，植物修复效率明显提升，并且提高了土壤电导率（EC）7.0 倍和速效磷（AP）含量。本文综述了国内外有机肥替代化肥施用对农田土壤的物理性状、土壤营养状况、土壤生物学状况、土壤环境状况的影响，重点讨论有机肥替代化肥后对土壤肥力的影响机理效果与单独施用化肥的效果对比，全面合理深入认识有机肥的优势与劣势，提高有机肥的利用效率，降低有机肥施用危害，为合理高效绿色施肥提供理论指导以及正确建议，使有机肥的施用更加科学。

1 有机肥替代化肥对土壤物理性状的影响

施用有机肥可以极大改善土壤的物理性状，但这需要长期的作用。有机肥施入土壤后发生的反应，首先会发生矿质化，有机物完全分解为二氧化碳、水分和矿质营养（氮、磷、钾、钙等），又经过一定的时间，如气、水、热等一系列条件适宜，腐殖化过程开始进行，生成的腐殖物质（腐殖质、腐殖酸、胡敏酸、胡敏素等）能改善土壤的理化性质，土壤的保水保肥的能力也得到提高，进而提高土壤养分和水分的利用效率[5]。胡诚等[6]研究发现，在将秸秆还田时，配合施用秸秆腐熟剂不仅能够显著提高早稻和晚稻产量，且土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量都大大提高，阳离子交换量也增加，土壤容重降低。秸秆还田能够增加团聚体含量，主要是＞0.25 mm 的风干团聚体以及水稳性大团聚体，土壤团聚体破坏率显著降低。邓超等[7]研究表明：有机肥的施入能够增加土壤的大、中孔隙度，并且有机肥处理与化肥处理以及不施肥处理的大、中孔隙度的倍数关系分别是1.45～1.68 倍和1.22～1.43 倍。叶协锋等[8]的研究发现，绿肥翻压后，土壤酶活性和土壤肥力水平能够显著增加。如果翻压绿肥量超过15 000 kg/hm2，与对照组相比，经过绿肥翻压的地块，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶等各种酶活性都显著增加，增幅分别为13.10%～23.81%、12.92%～29.38%、75.35%～234.51%、29.17%～37.08%；土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、孔隙度均大幅度增加，增幅分别为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，施用有机肥能够提高植烟土壤的pH、EC、CEC 值。

2 有机肥替代化肥对土壤营养状况的影响

Huang 等[9]经研究发现，有机肥经过长期施用，土壤的供肥容量显著提高，腐殖酸对土壤养分的活化速度加快，土壤养分含量升高，速效养分供应处于平衡状态，同时效果非常明显。在施肥相当的情况下，有机肥比化肥具有更加显著的作用，可以大量增加土壤营养物质含量，提升土壤有机质的质量。由于硝酸盐（NO3-）出口和水生系统富营养化以及一氧化二氮（N20）排放到大气中，农业强化造成的氮（N）损失是全球变化的主要原因。具有豆科作物的多样化农业生态系统将氮素和碳（C）耦合到土壤中，减少N素污染，但有必要确定不同土壤条件下不同生态系统对豆科植物N2固定的控制措施。Blesh 等[10]研究表明：不同农业生态系统中豆科植物N 固定量的变化规律随聚集体内氮利用率的增加和N 矿化的增加而降低。豆科牧草与禾本科牧草间作，由于牧草对氮的同化作用，削弱了POM中N 与N2固定的关系。此外，随着豆科牧草覆盖作物混播的2 个季节，土壤N 和C 矿化的平均速率增加，随着时间的推移，土壤N 有效性与不固定之间的这种稳定反馈增强。有机肥长期施用能够增加土壤活性炭和活性氮含量，使与养分转化有关的微生物和酶的活性也得到增强，从而提高土壤有效养分。Yang 等[11]经过长期定位试验，发现所有施肥处理均能使土壤全氮量显著提高，并且有机肥投入比例越高，土壤全氮含量也越高，呈正比关系。有机肥对土壤肥力的影响见表1。

表1 有机肥对土壤肥力的影响

3 有机肥替代化肥对土壤生物学状况的影响

有机肥能够增加土壤养分有效性，使土壤理化性质更加符合作物生长要求，而且还可以显著影响土壤的生物和生物化学特性，这一特性能够使土壤环境变化和施肥管理的响应更加敏感迅速[12]。土壤微生物在土壤碳循环中发挥着重要作用，能够反映土壤肥力和土壤质量的重指标包括土壤微生物数量和活性。有机肥也能提供给土壤微生物其生命活动所需的能源，主要有碳源、氮源和能量，同时使土壤微生态环境的理化性状更加适合农作物生长，加快微生物的生长和繁殖，使土壤微生物群落的结构和功能得到完善。影响土壤微生物动态的因素主要是有机质。部分专家认为长期施用有机肥使土壤有机质含量显著提高，加剧土壤微生物群落的变化。此外，土壤中绝大多数的酶以吸附状态存在，它吸附在土壤有机质和矿质颗粒上时以物理和化学的形式存在，或者与腐殖物质络合形式共存于土壤中。施用有机肥能够显著增加土壤中有机酸和腐殖质含量。它提供了丰富的结合位点或保护性位点给土壤中的酶，并且使土壤酶活性大幅度提高。黄炳林等[13]经过长期研究发现，土壤磷酸酶活性在各个生育时期都较高；土壤蔗糖酶活性在大豆成熟期也较高；而大豆成熟期，PT1 较PCK 和RT1 较RCK 的CAT 活性均显著提高。碱解氮、速效钾含量均分别显著高于PCK、RCK 在PT2、RT2 时期。

4 有机肥替代化肥对土壤环境的影响

根据《土壤环境质量：农用地土壤污染风险管控标准(试行)》（GB 15618—2018）农用地土壤污染风险筛选值（见表2），与各个地块对比，发现自21世纪以来，很多国家都出现了农田土壤重金属累积和超标等一系列问题，给作物生产及人类身体健康都带来严重影响甚至威胁。有机肥是一种绿色环保可循环利用的肥料，具有能够显著增强地力，提高微生物活性，促进团粒结构的形成等一系列优点，同时它也含有一定数量的重金属元素，特别是粪便类的有机肥，施用此类有机肥，一定会增加作物体重金属含量，进一步会导致人体内重金属含量超标的风险。有机肥中的污泥和畜类粪便中的重金属含量远高于其他有机肥种类的含量，在污泥中镉、铅含量明显高于其他重金属含量。猪粪中锌、铜含量处于较高水平，而鸡粪中铬的含量更高[14]。研究表明：无论是施用化肥还是有机肥，土壤中重金属含量都会逐渐增加，都有重金属超标的风险，并且单施有机肥和有机肥与化肥混合施用使土壤中重金属含量增加得更为明显。

表2 农用地土壤污染风险筛选值 单位：mg/kg

评价土壤中重金属是否超标，主要看土壤中重金属的有效性。而重金属的化学形态又是判定其是否有效的关键。有机肥对土壤中的重金属影响是巨大的，主要通过改变土壤的电导率等一系列化学性质来影响重金属的有效性。然而施用有机肥对土壤重金属化学形态的作用是不一致的。一方面，有机肥可以直接增加土壤中重金属含量，并使重金属的生物有效性增强，因为有机物的腐解过程中会释放有机酸，有机酸对土壤中强结合态的重金属具有活化力，使重金属的有效性增强[15]；另一方面，有机质是一类大分子物质，有大量的官能团，对于重金属离子有很强的吸附能力，同时有机质中的腐殖质分解可以产生腐殖酸，它可以与重金属离子形成络合物，起到固定重金属的作用，反而使重金属的有效性降低，同时降低对作物的毒害作用。因此，不能单独说有机肥会使重金属有效性增加或降低，这要从以上两个方面考虑。同时，有机肥种类和土壤类型也会对土壤中重金属有效性产生影响。刘秀珍等[16]发现，土壤中重金属的形态并非一成不变的，随着有机肥的施入，可以使重金属形态发生改变，将一般而言的具有有效性向不具有有效性的非生物性状转化。

5 研究展望

有机肥绿色、安全、环保，符合农业未来发展趋势，具有改善土壤物理性状，改良养分状况，使土壤养分保持平衡，增加养分有效性，提高土壤中酶的活性等一系列优点，这些是使用化肥不能比拟的。有机肥替代化肥施用，在这些方面来说具有可行性。然而畜禽粪便类有机肥的施用，会增加土壤中重金属含量以及重金属在人体内的积累，危害人体的健康。也有部分有机肥种类能与重金属络合，降低重金属的有效性，使有机肥更加安全。因此，建议在农业生产中加强对有机肥的管控，严格按照标准规范进行有机肥的生产，减少畜禽类粪便等有机肥的施用。同时，建立耕作一体化技术，完善有机肥施用比例，把每一个地块各元素具体分析，建立起土壤情况表，按地施肥。不能完全用有机肥替代无机肥，可以将两者混合施用。要完善有机肥的生产过程，确定合适施用量，即适量施用有机肥，确定最大量，最大限度发挥有机肥和化肥优点，尽可能避免其缺点，健全施肥制度，真正做到绿色高效施肥，达到高产的最终目的。