生物有机肥对土壤理化性质的影响

周应康，周兆学

（1.昭通市职业教育中心，云南昭通 657000；2.昭阳区靖安镇农业综合服务中心，云南昭阳 657000）

肥料的使用使得粮食产量大幅增长，而伴随着全球人口的不断增长，粮食的需要量将越来越大，如何使用有限的土地养活更多的人已经成为现代农业发展的重中之重。据预测，2050 年左右全球人口将达到100 亿，粮食需求量将会是目前的2 倍。化肥的使用虽然能对粮食等农作物的产量提高起到重要作用，但长期使用也会出现土壤盐碱化、土壤板结、有机质减少以及农作物品质下降等问题。2015 年，原农业部针对我国耕地长时间使用化肥出现酸化、板结等现象，根据土地资源可持续发展战略构想，制定了化肥使用量零增长的行动方案，提出力争在2020 年实现农作物化肥、农药使用量零增长，明确使用有机肥来替代部分化肥的技术思路。生物有机肥是一类将化肥、有机肥以及微生物肥的优势集于一体的新型肥料，具有新型、高效、安全等特点，目前已经被广泛用于我国农业生产中。

1 生物有机肥的概念及类型

有机肥是指主要来源于动物或植物、能够给农作物提供多种无机养分和有机养分、同时对土壤进行改良的一类肥料的总称，其来源范围广、种类较多。作为传统的农业大国，我国有机肥料的来源丰富，如果充分利用这些有机肥中包含的营养元素和丰富的有机质，对减少化肥的使用、降低环境污染、发展绿色生态农业以及改善农村生活环境都具有重要的意义。根据有机肥的来源不同，可以将其分为动物类有机肥和植物类有机肥，其中动物类有机肥主要包括粪肥、堆肥等，植物类有机肥主要包括秸秆、绿肥等。这些有机肥中，动物的粪尿肥所占的比例较高，在20 世纪90 年代，人畜粪尿在我国有机肥资源总量中的比例高达79%，在2005 年其占比已达到88%［1-3］。

2 生物有机肥的发展历史

我国有着悠久的农耕文明历史，很早就有使用有机肥来提高土壤肥力的报道，且在有机肥的制作及使用方面积累了许多经验。但随着工业化肥的使用量日益增加，传统有机肥的使用量日益降低。赵荣芳等通过对华北平原小麦-玉米轮作制度下，农家肥施用仅占总肥料施用量的10%［4］。经济的快速发展，使得农业的需求量日益加大，但目前我国农作物生产主要依赖于化肥，有机肥在农作物生产上的使用比例并不高。随着生活水平的提高，人们对绿色、无公害食品的需求变得十分迫切，因此有机肥在农作物上的使用日益长；此外，化肥的长时间使用，也会造成土壤化学性质发生变化，给耕地带来很多负面影响。联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）数 据 显 示，2014 年我国化肥的使用量达到全球化肥使用量的31%，每1 hm2耕地总氮量为253.95 kg，远高于世界每1 hm2耕地平均施氮量68.75 kg［4-6］。

现代有机农业最早是在20 世纪40 年代的英国土壤学会提出的，当时人们已经发现大量使用工业化肥会给环境以及土壤性质带来不良的影响，但由于工业化肥在对农作物产量的提高方面有着更好的效果，其一直受到广大农民的喜爱。目前的一些研究发现，部分有机肥在对农作物产量提高方面和工业肥料的效果相差无几，但更多情况下，有机肥对农作物产量提高方面的作用效果要显著低于工业肥料的使用，其产量仅为使用工业肥料的60%～80%。从营养学角度来看，农作物在生长过程中会从土壤中带走大量的养分，而从土壤以外系统中国投入养分是提高土壤生产力的最有效手段。传统有机肥在改善土壤环境以及生态环境、促进土壤可持续利用等方面具有重要的作用，但有机肥的使用在提高农作物产量等方面还不能完全替代工业化肥。因此，工业化肥和有机化肥的结合使用的这一发展方向将成为未来农业发展的重中之重［2］。

3 生物有机肥对土壤性质的改良作用

生物有机肥结合了有机肥、微生物肥料以及化肥的优势，通过增加土壤中的有机质含量以及改善土壤中微生物的生命活动，达到改善土壤生态条件，增强农作物对生物和非生物胁迫的抗性，从而提高农作物的产量。目前，生物有机肥不仅能够在物理性质方面对土壤进行改良，还能影响土壤的化学性质。

3.1 生物有机肥对土壤物理性质的影响

水分是农作物生长发育所必需的因子，直接影响着植物的生长。研究发现，水分缺失会造成农作物气孔关闭，气体交换效率降低，严重影响植物的光合作用和蒸腾作用，导致农作物减产甚至绝收。我国是一个水资源分布极不均匀的国家，北方地区水资源相对缺乏，因此提高农作物对水分的利用率显得尤为重要。研究发现，施用一定量的生物有机肥能够有效抑制土壤中水分的蒸发，提高土壤的含水量，具蓄水保墒的效果。吴红等发现，不同浓度的羊粪对土壤蓄水能力具有很大的差异，其中羊粪有机肥的施用量在40 t·hm-2、60 t·hm-2以及80 t·hm-2时，土壤0～15 cm、15～30 cm 以及30～45 cm 土层中的含水量分别达到最高，表明随着肥料使用量的增加不同土层土壤的蓄水能力也呈现逐步增加的趋势［7］。刘立军研究表明，在北方干旱地区使用有机肥以及秸秆还田处理能够有效提高土壤含水量，其含水量较对照组分别提高了16.05%和14.52%［8］。

3.2 生物有机肥对土壤容重的影响

土壤容重是指自然状态下单位体积土壤的质量，对于相似质地的土壤，容重还可以反映出土壤的紧实程度、空隙状况等结构特征。研究结果显示，使用生物有机肥的土壤，其土壤容重降低，会变得疏松多孔，土壤之间的空隙增加，且这种现象随着生物有机肥使用量的增加而出现更加明显的效果。当使用有机土壤改良物质来对土壤进行修复时，土壤的容重变小，且土壤的总孔隙度较未处理的土壤明显增大［9］。

3.3 生物有机肥对土壤紧实度的影响

土壤紧实度是反映土壤紧实程度的一个重要指标，通常与土壤中的含水量、肥力等有着密切的联系，且对农作物的出苗率和产量都有着重要的影响。研究发现，土壤紧实度过高，不利于土壤中有机氮赫尔碳的矿化作用，对土壤中养分的循环以及农作物对养分的吸收都有着很大的抑制作用。石彦琴等研究发现，不同类型的生物有机肥均能够有效改良土壤的紧实度，且这种改良效果在0～20cm 耕作层的效果较好；使用生物有机肥后，0～20cm 土层土壤的紧实度较对照组出现明显的疏松状态，但对于20 cm 以下土壤的紧实度并无显著影响［10］。

3.4 生物有机肥对土壤化学性质的影响

土壤中含有各种各样的有机物质和矿物质，这些物质是植物生长发育所必需的。使用生物有机肥能够改善土壤的化学性质，并为植物提供一个优良的养分环境，这对促进植物生长和发育有着重要的作用。大量研究发现，施用生物有机肥能够增加土壤中养分，提高农作物对养分吸收效率，进而促进农作物的营养和生殖生长过程。这是由于生产上使用的生物有机肥都是要经过发酵这一过程，在这个过程中会产生多种生长素、赤霉素等植物生长调节剂以及氨基酸和维生素等次生代谢物质，这些富含多种生理活性的物质，可以有效刺激农作物的生长发育［11］。

生物有机肥除了提供植物生长发育相关的次生代谢物质外，还能够为农作物的生长提供相关的大量元素和微量元素。研究人员发现使用腐熟的牛粪改良的土壤，土壤中的氮含量、有效钾以及有效磷的含量都有了不同程度的增加，其增加比例在6.22%～11.6%［2,12］。赵德英等使用不同类型的土壤改良剂对土壤进行改良，这些物质均能够有效提高土壤中全效养分的含量，其中使用处理后的羊粪对土壤的改良效果最好，其对土壤中养分的提高效果最显著，其提高比例较对照组增加了98.51%［13］。除此之外，使用生物炭以及无机土壤改良物质对土壤进行改良后，土壤的pH 值较未处理组会出现显著的变化，且通过观察发现生物炭处理的土壤，其土壤pH 值均处在植物生长发育的最佳pH 值范围［12-13］。

生物有机肥中含有丰富的微生物，这些微生物具有较强的生物学功能，能够在植物的根系附近形成微生物圈，促进根系对营养元素的吸收，其中对豆科作物根系对氮的固定作用效果较为出色。同时，生物肥中含有的微生物能够有效分解土壤中残留的化合态磷以及钾，增加土壤中能够被农作物吸收的游离态磷、钾元素的含量。与此同时，生物有机肥中微生物的生命活动能够促进土壤中有机质发生矿化，能够将有机养分快速的转化为植物根系可以直接吸收利用的营养物质。如连作环境下种植黄瓜的土壤中有效磷、速效钾以及土壤pH 值在使用生物有机肥后均发生了显著的提高，其增加幅度在6%～125%［14］。这些结果表明，生物有机肥中的微生物和有机质在协同作用下进一步促进了农作物对土壤中有效磷、钾等大量元素的吸收，极大地改善了土壤的化学性质，并维持土壤中养分以及作物所需营养代谢之间的动态平衡，始终维持在促进作物生长的有利生长环境中［11-15］。

3.5 生物有机肥对土壤生物学性质的影响

微生物是土壤中的重要成分之一，其在养分循环、物质传递以及土壤自我修复等过程中具有非常重要的作用。生物有机肥中能够改良土壤的微生物菌群包括细菌、真菌、放线菌等。在作物根系周围的优势微生物菌群，能够促进根系蛋白质、核酸等生物大分子的合成，还能够抑制根系病原微生物的繁殖，增强作物对逆境的抗性。研究发现，在施用生物有机肥的土壤中细菌、放线菌等土壤益生菌的数量明显增多，其增加比例分别为106%和102%［16］，与此同时，土壤中真菌数量显著减少，竞争关系减弱，增强土壤肥力的细菌菌群数量增多。而且生物有机肥的使用对土壤中的微生物群落结构以及微生物区系等有着更好改良作用，使得土壤的微生物环境朝着更加有利于作物生长方向发展［13,16］。

生物有机肥在改善土壤中各种酶的活性方面也发挥着重要作用。目前的研究结果表明，在施用生物有机肥后，土壤中的超氧化物歧化酶以及过氧化物酶的活性有了显著的增强，其增强比例在18%～113%［11］。而土壤中这些酶的活性与土壤中一系列的生理生化反应密切相关，这些酶参与土壤中养分的转化或植物对逆境的适用性等过程，这些过程均对农作物的生长发育以及品质的改善起到不可或缺的作用。

4 生物有机肥应用中存在的问题以及发展趋势

我国人口基数大，对农产品的需求量较大，这表明我国的生物有机肥有着广阔的市场需要。截至目前，我国生产生物有机肥的企业有近千家，生产企业及其产品遍布全国，而且产业规模正在不断壮大。但不同地区选择生产生物有机肥的主要原材料存在很大的差异，其中草炭、生活垃圾、腐植酸等是常见的原材料，这些原材料可能会存在抗生素残留以及重金属含量超标等风险。特别是鸡粪、猪粪等动物粪便作为原材料制备的生物有机肥，其抗生素残留可能会超标，这是由于在喂养畜禽过程中均会添加抗生素来防止病害的发生。因此，如果这些作为原材料的生物有机肥腐熟不充分，会导致产品中携带更多的病原微生物，给土壤以及农作物带来潜在的风险。另外，生物有机肥产品被杂菌污染的事件也时有发生，这些杂菌均为烈性或条件性的致病菌，其在繁殖过程中会产生大量的毒素，给土壤以及农作物带来一定的副作用。

目前世界各国对农业可持续发展问题高度关注，不断加大对生物有机肥的开发、生产以及应用力度。但由于多方面原因仍然存在一些不足和亟待改善的地方。我国生物有机肥的发展还需从以下3 个方面入手：1）提高生物有机肥产品品质，可以从菌种的选育、工艺优化和开发新产品入手；2）规范产品的管理，当前市场上的有机肥品种繁多，产品质量参差不齐，相关职能部门应加大产品的检测和监管力度，确保农户用到优质有机肥产品；3）加大推广力度，政府以及相关农业技术部门应加强对生物有机肥的宣传，向农民展示有机肥的应用效果，让农民从根本上上了解生物有机肥的经济效益和生态效益，提高农民对生物有机肥使用的积极性。