化肥有机替代技术在我国小麦、玉米生产中的应用研究进展

相浩龙郑文魁刘艳丽陈宝成

(1. 山东农大肥业科技有限公司，山东 肥城 271600；2. 山东农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018)

化肥在促进粮食生产和农业发展中起着关键作用。 我国于20 世纪70年代开始大规模使用化肥，化肥的施用为我国蔬菜、水果、棉花、油料等重要农产品生产尤其是粮食连年增产起到了不可低估的作用[1]。 然而，过度施用化肥也造成了资源浪费、环境污染和生态破坏等问题[2]。 国家统计局数据显示，1980—2015年间，我国农业化肥施用折纯量从1269.4 万吨增长至历史最高的6022.6万吨，增长3.7 倍，单位面积农业化肥施用量已超过国际公认安全用量上限的两倍[3]。 过量施用化肥会引起土壤酸化和板结、土壤次生盐渍化、硝酸盐污染和重金属污染，从而降低土壤肥力和农作物品质，并且造成水体富营养化[4]。 因此，探寻行之有效的施肥措施对于解决土壤退化、农产品安全以及生态环境等难题，促进农业可持续发展具有重要意义[5]。

保障当前和未来粮食安全同时减少粮食生产所带来的环境影响是农业可持续发展的必然要求，科学施肥是保证作物高产高效及减少环境污染的重要措施之一[6]。 有机肥作为传统的农业投入品，在促进我国农业生产发展中发挥了极其重要的作用，充分合理利用有机肥不仅可以保持土壤肥力、增加作物产量、改善农产品品质[7]，而且对推动农业废弃物资源化利用、提高农产品的市场竞争力、保护农业生态环境等方面有着重要意义[8]。 我国有机肥资源丰富，总养分8000 多万吨，实际利用不足30%[9]。 为加快推进农业绿色发展，开发利用我国丰富的有机肥资源，改善因化肥过量和盲目施用带来的成本增加和环境污染等问题，国家积极开展有机肥推广工作，出台了一系列措施:2009年中央1 号文件明确指出“开展鼓励农民增施有机肥、种植绿肥、秸秆还田奖补试点”；2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》；2017年农业部制定了《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017—2020年)》和《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》等。 目前，化肥有机替代技术在农业生产中已取得明显成效，在水果、蔬菜、茶叶等园艺作物生产中不断得到广泛认可和应用[10]。 目前国内有机肥替代化肥主要包括四种基本技术模式:一是发展“畜—沼—果(菜、茶)”等种养结合的废弃物综合利用，二是秸秆直接还田、绿肥生草/还田，三是堆制有机肥，四是有机肥的功能化，即生产商品有机肥[11]。

当前我国三大粮食主产区的施肥问题仍然比较突出，粮食生产中不合理施肥现象仍然普遍存在。 小麦和玉米是我国重要的粮食作物，2019年我国小麦播种面积2298.4 万公顷，玉米种植面积达到3813.3 万公顷，其种植规模对于保障国家粮食安全具有重要意义[12]。 但是由于小麦和玉米经济附加值低，有机肥施用过程投入劳动力大，化肥施用更方便易行等原因，农民在施肥时往往偏施化肥而忽视施用有机肥[13]。 因此，在现有农民大量使用化肥的情况下，优化化肥用量、调整施肥结构十分必要。 近些年，化肥有机替代在小麦、玉米生产中的相关研究不断深入，有机替代技术得到广泛应用，其中秸秆还田以及化肥配施有机肥在小麦-玉米轮作生产中的应用最为广泛[14]。 综合分析化肥有机替代对小麦、玉米产量品质、土壤肥力和综合性质的影响，为今后我国农田生态保护和农业生产具有十分重要的意义。

1 化肥有机替代对小麦、玉米产量和品质的影响

大量研究结果表明，有机肥和化肥配施可显著提高小麦、玉米产量稳定性与产量可持续性指数，对其品质的提升也具有积极的改善作用[15，16]。 筛选国内274 篇相关文献进行Mate 分析，结果显示秸秆还田对小麦的平均增产率为5.7%，对玉米的平均增产率为9.2%[17]。 刘义国等[18]发现玉米秸秆还田可提高小麦的分蘖数及产量构成因素，在3000 ～6000 kg/hm2秸秆还田量范围内小麦增产效果明显。 众多试验的秸秆还田处理普遍呈“低氮减产、高氮增产”的规律，并且最适还田量的增产率集中在5.6%～9.5%[19]。这主要是秸秆高碳氮比的性质所决定的，即在秸秆分解初期易造成秸秆分解与作物生长之间对氮素的争夺利用，因此秸秆还田应与施用氮肥配合进行，调节土壤营养平衡[20]。 郑凤霞等[21]研究表明，化肥和腐熟牛粪1∶1 配施促进光合产物向籽粒的转运积累，显著提高冬小麦籽粒产量和干物质积累量。 李银坤等[22]研究发现，在华北平原小麦-玉米轮作体系中氮肥减施1/3 并配施鸡粪，小麦玉米周年总产最高，相比习惯施氮增产1.85%，氮肥利用率提高36.9%。 有机肥种类的不同是造成作物产量差异的重要原因，这主要是由于有机肥本身的矿质养分含量不同，在土壤中矿化分解快慢也不同，因此对作物产量的影响也不尽相同[23]。 张睿等[24]研究发现，化肥配施有机肥可显著提高小麦生育后期不同叶位和茎蘖功能叶光合速率，增产效应主要是成穗数显著增加所致。 也有学者认为有机肥替代比例能更好地优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系，促进光合产物向籽粒转运，从而提高玉米籽粒产量[25]。

合理施用有机肥是提高农产品品质的一项措施[26]。 江晓东等[27]研究认为短期秸秆还田对小麦、玉米增产效果不显著，但可以提高小麦籽粒蛋白质含量，延长面团稳定时间，改善加工品质。 张广凯等[28]研究表明，与常规施肥相比，氮磷与有机肥配合施用，小麦籽粒品质显著提高，面团稳定时间增加80.3%，蛋白质增加4.1%，面粉降落值降低6.1%，吸水率降低7.2%。 这是因为有机肥含有丰富养分，适量的有机肥使得氮磷钾平衡，促进了土壤养分库的积累，进而提高作物籽粒品质[29]。 但是也有研究认为，长期配施秸秆虽对提高小麦产量具有一定的积极作用，但籽粒氨基酸含量及面粉品质指标等则表现出明显的劣化现象[30]。 粗脂肪对玉米品质有重要影响，一定程度上提高籽粒粗脂肪含量能极显著改善玉米品质。酵素菌生物有机肥与化肥配施对增加玉米蛋白质和脂肪含量有极显著的效果[31]。 郑若良等[32]研究表明，化肥和有机肥配施可提高籽粒蛋白质和可溶性糖含量，降低脂肪和淀粉含量，进而改善甜玉米品质。

2 化肥有机替代对土壤肥力的影响

2.1 化肥有机替代对土壤有机质和养分的影响

土壤有机质是表征土壤质量的关键指标，直接或间接地影响土壤特性和养分循环[33，34]。 秸秆富含纤维素、木质素等富碳物质，是形成土壤有机质的主要来源[35]。 大量研究证明，在小麦-玉米轮作中施用有机肥可显著提高土壤有机质含量，增强土壤保水、保肥能力，特别是在改善土壤结构和保护农田生态环境等方面具有化肥不可替代的作用[36]。 张建军等[37]在陇东半湿润偏旱雨养农业区连续11年的定位试验表明，采用化肥与有机肥配施(生物有机肥、秸秆还田、农家肥)显著提高土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量。 温延臣等[38]发现商品有机肥部分替代化肥施用3年后，与单施化肥相比，土壤有机碳增加19.5%，土壤全氮提高12.3%。 韩晓萍等[39]通过8年的定位试验表明，化肥配施有机肥不仅显著提高土壤有机质含量，而且有效提高胡敏酸和富里酸比值以及腐殖质的松紧比，促进有机质活化，改善耕地质量。 另有研究表明，生物炭改良剂可显著增加土壤中溶解性有机碳含量，具有固碳、改善土壤质量和减少农业温室气体排放的潜力[40]。 不同的有机-无机肥配比会产生不同的效果，学者普遍认为，有机肥以占50%左右的比例为好，高产田可以低一些，低产田则应高一些[41]。 众多研究表明，我国目前农业生产条件下，通过秸秆还田和施用有机肥，农田土壤有机质含量的相对提高将很难超过30%，这亦表明土壤有机物质供应量的提升对土壤理化性状的影响是有限的[42]。

土壤速效氮、有效磷和速效钾是作物可直接利用的有效养分，关系到小麦玉米的生长与产量[43]。 贾中涛等[44]在夏玉米上的研究结果表明，氮肥施用量相同时，土壤碱解氮、速效钾、速效磷均随畜禽粪便施用量的增加而增加，而活性有机质则表现为先增加后降低。 刘盼盼[45]在皖北砂姜黑土区小麦-玉米轮作体系中的研究表明，秸秆还田提高了土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量，秸秆还田＋50%化肥＋2 倍猪粪有机肥处理的土壤碱解氮、速效磷和全磷含量增加效果最显著。 另外，张建军等[46]研究发现，有机质分解过程中，也可通过酸溶作用促进矿物的风化和养分释放，通过络合(螯合)作用增加矿质养分的有效性。 有机肥不仅含有作物生产所必需的大量元素，还含有丰富的微量元素，长期施用有机肥的土壤一般不缺乏微量元素[47]。

2.2 化肥有机替代对土壤结构的影响

土壤团聚体作为土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体，能够协调土壤水肥气热之间的关系[48]。 有机肥通过改变土壤有机碳含量、分布和微生物活动生境，从而影响土壤团聚体的变化[49]。 李娇等[50]研究发现长期施用有机肥显著提高耕层土壤中大于2 mm 团聚体的比例，较单施化肥增加17%。 李昊昱等[51]研究发现，秸秆还田尤其是双季秸秆还田模式促进了0 ～30 cm 土层0.25 mm 粒级团聚体向大团聚体团聚，5、5～2 mm 和1 ～0.5 mm 粒级团聚体质量平均增加57.2%、25.0%、13.7%；同时，土壤团聚体的平均重量直径提高22.7%。 李仟等[52]研究发现秸秆还田配施有机肥处理和配施秸秆腐熟剂处理，能够显著提高0～20 cm 土层＞0.25 mm 水稳性大团聚体比例，降低＜0.25 mm 水稳性微团聚体比例。 李婕等[53]通过18年长期定位试验发现，当土壤有机碳含量未达到饱和状态时，其含量随着有机肥施用量的增加而增加，进而形成更多土壤团聚体；而当土壤有机碳含量达到饱和状态后，有机物质的输入将不再增加土壤有机碳含量。 配施有机肥改善土壤团聚体基本性能的原因主要是植物残体和有机肥的施入能为微生物维系生命活动提供充足能量，从而促进土壤表层的生物活性，包括真菌生长、根和土壤动物区系，有助于大团聚体内部结合形成微粒有机质[54]。 其次，有机肥还可以改变土壤孔隙、水、气、热及养分状况，提高微生物活性，促进团聚体的形成。

2.3 化肥有机替代对土壤微生物的影响

相对于土壤传统理化参数，土壤各种酶活性、微生物量、微生物商、代谢商等生物指标对土壤性质的影响更为灵敏，可反映土壤质量或健康度[55]。 有机肥能提高土壤微生物碳、氮及可溶性有机碳、氮，为微生物的生长繁殖及活性的提高创造有益条件[56]。 在华北平原小麦-玉米轮作体系中，有机肥与化肥配施显著增加土壤中细菌、真菌和放线菌的数量[57]。 曲成闯等[58]研究发现，有机肥提高小麦土壤微生物量碳、氮含量，增幅分别为33.7%～52.7%和11.5%～22.6%。 秸秆还田配施有机肥与微生物有机肥能合理调节土壤水氮环境，显著提高土壤微生物的数量与活性，有利于土壤生态环境的改善[59]。 Zhao 等[60]基于冬小麦-夏玉米轮作体系上的长期试验结果得出，秸秆还田增加总磷脂脂肪酸含量，提高细菌与真菌的丰度，且还田量越高，对微生物群落结构的影响越显著。 上述结果表明，施肥水平高低、施肥处理年限长短、肥料类型及施肥具体应用措施都会造成土壤成分的物理、化学变化，进而影响土壤中微生物的群落结构及其稳定性[61]。 因此，在具体实践中，应根据实际情况，制定科学的施肥措施，为微生物的生长繁殖提供良好的生态环境。

土壤酶参与许多重要的生物化学过程和物质循环，可反映土壤肥力状况[62]。 增施有机肥可影响土壤某些酶的活性[63]。 孙瑞莲等[64]研究认为玉米秸秆还田有利于提高土壤转化酶活性，而有机肥则主要提高土壤脲酶和磷酸酶活性，C/N 的不同是其二者酶活性产生差异的主要原因。 刘恩科等[65]研究认为化肥与有机肥长期配合施用的土壤中蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性高于只施化肥和不施肥处理，但其土壤的代谢商、pH 值和容重值较低。 罗慧等[66]研究认为施用3 种有机肥(猪粪、生物有机肥、牛粪)可以提高甜糯玉米田土壤过氧化氢酶和脲酶活性。 但是也有研究发现，土壤蔗糖酶、多酚氧化酶和蛋白酶活性表现先上升后下降的趋势，且在不同土壤上施用生物有机肥10～30 g/kg 时基本达到最高，过氧化氢酶活性无显著变化[67]。 有机肥增加土壤酶活性的主要原因可能是:有机肥含有大量植物残体及微生物，多种酶会受到诱导而活性提高[68]。 与添加有机物不同，化肥的施用通常对酶活性产生抑制作用，土壤酶活性也相对较低。

3 化肥有机替代对环境生态效益的影响

全球变暖问题已日益成为国际社会普遍关注的全球性问题[69]。 农业生产对温室气体总排放量的贡献率约为20%，是温室气体重要的排放源[70]。 大量施用有机肥和化肥都会产生过多的温室气体。 有机肥具有固碳效应，适量施用有机肥是实现农田固碳减排的重要途径[71]。 Zhang等[72]基于中国143 篇发表文献，整合分析了粪肥替代化肥对作物产量、氮利用效率、NH3、N2O 以及CH4排放的影响效应，得出粪肥部分替代化肥可以提高作物产量，并减少NH3和N2O 的排放，但取决于特定地点的条件。 柳文丽[73]研究表明，单施有机肥可促进土壤氮氧化物的排放，而秸秆还田配施氮磷钾肥在保证作物高产的同时能有效实现氮氧化物排放和氮素径流流失的协同减排，达到生产效益和环境效益的协同一致。 侯苗苗等[74]研究表明，在塿土区小麦/玉米轮作体系中有机氮替代化肥氮75%最好，可以保证作物产量、实现N2O 减排。 范靖尉[75]综合作物产量、N2O 排放、生命周期碳排放足迹、碳成本以及产投比等多项指标，推荐有机肥配施化肥和秸秆还田作为冬小麦-夏玉米生产系统稳产低碳的最佳农作管理措施。

在氮素淋洗方面，高忠霞等[76]研究表明，在小麦-玉米生长期间，有机肥与化肥合理配合施用可以降低氮素的淋溶损失。 有机无机肥配施可提高土壤有机肥氮素的残留并促进其向土壤酸解性铵态氮和酸解未知氮、铵态氮和硝态氮等有效形态转化，从而提高有机肥的有效性，降低环境风险[77]。 而盖霞普等[78]研究表明，在氮磷钾化肥基础上增施有机肥或秸秆还田会提高作物产量和土壤肥力，但也会提高土壤氮盈余量，提高氮素淋失风险，尤其是增施有机肥会大大增加氮素淋失风险。 因此，有机肥与化肥合理配施才可减少农田氮素淋溶损失。

在重金属污染方面，施用生物有机肥可有效降低小麦籽粒Cd 含量、增加小麦产量[79]。 而茹淑华等[80]研究表明，随着鸡粪用量的增加，土壤Cu、Zn、Cr、Pb、Cd 含量有明显增加，随着猪粪用量的增加，土壤Cu、Zn、Cd 含量有明显增加，但均未超过国家二级土壤标准(GB 15618—1995)。实际生产中长期过量施用有机肥(主要来源于畜禽粪便)造成土壤重金属污染的风险较大，有必要尽快制定有机肥中重金属的安全限量标准，以确保土壤和农产品安全[41，81]。

4 研究展望

通过总结有机肥替代化肥对农作物产量、品质、土壤肥力以及生态环境效益的相关研究，结果显示有机肥替代化肥在改善土壤质量状况、促进农作物产品质量提升、减少化肥工业所带来的环境污染等方面发挥出极大优势，但其带来的土壤重金属含量增加、病虫草害几率增大等不利影响还未得到有效解决，秸秆还田的配套机械和技术措施比较落后。 农民积造农家肥缺乏积极性，而且制作工艺还比较粗放，商品有机肥质量参差不齐[82]，这说明我国在真正合理有效使用有机肥方面还存在着很大挑战。 今后关于化肥有机替代的研究应重点关注:(1)对有机肥生产原料中各种成分含量，特别是畜禽粪便中重金属含量以及有害病菌的品种及含量进行全面和系统的分析[83]，综合分析有机肥对土传病原菌抑菌的效果，为安全施用有机肥提供依据；(2)采用先进的农业废弃物无害化处理方式，注重对商品有机肥的研制与推广，不断提升商品有机肥的质量；(3)结合国际前沿研究结果，深入研究有机肥替代对土壤理化性质的影响机制，提出有机肥替代的不利影响的产生原因以及相应解决措施；(4)完善有机肥补贴政策与机制，加强施用有机肥补贴政策，鼓励农民施用有机肥；(5)综合环境效益开展有机肥对温室气体影响的研究，深入开展有机肥对单一温室气体排放的影响及对生态系统总体增温潜势影响的分析，挖掘有机肥固碳减排的潜力，进一步研究有机肥替代对温室气体排放的影响机制。