有机无机肥配施影响土壤肥力与土壤环境的研究进展

2022-11-21张卫杰徐博涵庄秋丽姜秀芳黄玉波

河南农业科学 2022年3期

梁路，张卫杰，徐博涵，庄秋丽，姜秀芳，黄玉波

（周口市农业科学院，河南周口 466000）

化肥可以迅速提高土壤中作物生长所需的养分含量，对作物增产作用较大，因而被长期大量投入到农业生产中。在化肥农药减施增效政策驱动下，虽然我国2020 年化肥用量零增长目标已实现，但当前化肥施用总量依然很高，且肥料利用率不足40%，与发达国家相比仍有较大提升空间[1]。大量养分经由不同途径损失，造成土壤肥力下降、微生物多样性降低、水体富营养化等问题，破坏农田生态系统可持续发展[2-3]。因此，有机肥替代化肥技术作为我国持续推进化肥减量的重要措施应运而生。有机肥含有大量有机物质、养分全面，在维持和提高土壤肥力、促进水肥协调等方面有着特殊作用，但肥效缓慢、养分含量低，不能及时满足作物对养分的需求[4-5]。有机肥与化肥配合施用，集二者之所长，既可以达到缓急相济的效果，又能减少化肥用量、培肥土壤、减轻环境压力[6]，对实现农业转型、推动农业绿色发展有重要意义。

近年来，有关有机无机肥配施对土壤肥力和土壤环境影响的研究成了众多学者关注的焦点，但大多数研究聚焦在有机无机肥配施对土壤理化性质、土壤微生物、土壤环境等单个或若干方面的影响[7-10]，缺乏对其影响和影响机制的系统概括。因此，在前人研究的基础上，结合国内外最新研究进展，综述有机无机肥配施对土壤物理性质、养分状况、土壤微生物、土壤重金属和土壤氮磷流失的影响及作用机制，并对有机无机肥配施过程中存在的主要问题提出建议，以期正确认识有机无机肥配施的优缺点，为有机无机肥合理配施及农业可持续发展提供依据。

1 有机无机肥配施对土壤物理性质的影响

1.1 有机无机肥配施对土壤容重和孔隙度的影响

土壤物理性质对调节土壤水、肥、气、热具有决定性作用。当土壤水分入渗率低、地表径流增强、黏聚力差、通气性差、根系密度低以及机械化困难时，这种土壤通常被认为是物理条件差的土壤[11]。土壤物理结构受土壤有机质含量的影响[12]，而有机无机肥配施有利于土壤有机质的积累。同时，土壤有机质中长链分子能够有效地黏结矿物颗粒，促进团聚体结构的形成[13]，改善土壤结构。因此，土壤物理特性如孔隙度、容重、通气性、水分入渗率和水分保持能力也会提高。容重和孔隙度是土壤物理性质中最具有代表性的指标。MEENA 等[14]的研究结果表明，与单施化肥相比，仅施粪肥或粪肥与化肥配施土壤的容重分别显著降低了20.7%和20.1%。DU 等[15]对141 篇相关文献、774 组数据进行整合分析，发现施用有机肥处理的土壤容重显著降低了3.9%，这主要与配施有机肥的土壤有机碳含量较高有关。此外，土壤孔隙是养分运输、水分运动和土壤呼吸的通道，其结构变化会影响土壤肥力、通气性和水分有效性[16]。LUAN等[17]的研究结果表明，有机无机肥配施能显著提高土壤大、中、微孔体积，减少土壤超微孔体积，增加土壤保水性和通气性。彭娜等[18]观察到，长期有机无机肥配施可以促进土壤有机碳及活性有机碳积累，降低土壤容重，提高土壤孔隙度特别是土壤通气孔隙度，这与兰志龙等[19]的研究结果类似。另外，不规则土壤孔隙对土壤水分和气体的传输、存储非常重要。LUAN 等[17]、PITUELLO 等[20]的研究结果均表明，有机肥施用可显著提高土壤孔隙的孔隙率和向异性程度，改变土壤孔隙网络结构，提高土壤不规则孔隙含量，降低土壤规则孔隙含量。

1.2 有机无机肥配施对土壤结构的影响

土壤团聚体是土壤结构形成的基础，影响土壤的通气性、渗透性和养分循环，也是土壤微生物和动物的庇护所[21]。土壤有机质是土壤团聚体的主要胶结剂，有机肥的施用有利于土壤有机质积累，进而增加土壤团聚体中颗粒间的内聚力和疏水性，减少团聚体分解，增强其稳定性[22]。此外，有机肥分解能激发土壤微生物活性，其代谢产物（例如多糖）可以胶结土壤颗粒形成团聚体，并增加团聚体间的内聚力[23]。DORADO 等[24]通过16 a 的定位试验发现，施用农家粪肥和作物秸秆后，土壤腐殖质含量和土壤团聚体疏水性均显著提高。冷延慧等[25]进行了长达22 a 的定位试验后发现，长期有机无机肥配施显著增加了大于2 mm 的大团聚体含量和0.05～0.25 mm 的微团聚体含量，各级团聚体有机碳含量显著增加，土壤结构得到改善。高强等[26]的研究认为，与单施化肥相比，连续7 a 的有机无机肥配施显著增加了各级团聚体有机碳含量和大于2 mm 团聚体所占比例，提高了土壤团聚体的稳定性。

2 有机无机肥配施对土壤化学性质的影响

2.1 有机无机肥配施对土壤养分含量的影响

土壤有机碳影响土壤中的重要功能过程，如养分（主要是氮）储存、持水能力和团聚体稳定性，其含量是反映土壤肥力的重要指标之一[12]。有机无机肥配施提高土壤有机碳含量，一方面是有机肥中含有大量有机物，另一方面是有机无机肥配施促进了作物生长，从而使地上部和地下部更多的有机残余物（例如根）进入土壤中[27]；此外，施用有机肥能够促进土壤微生物代谢，增加代谢产物[17]，从而提高土壤有机碳含量。QASWAR 等[28]通过34 a 的定位试验发现，有机无机肥配施能增加土壤有机碳固存率，而不施肥和单施化肥土壤的有机碳固存率有所降低。ZHANG 等[29]比较了我国1990—2000 年建立的长期定位试验站中不同处理土壤的有机碳含量差异，发现单施化肥处理土壤的有机碳含量最高为27 t/hm2，而施用有机肥处理土壤的有机碳含量为31 t/hm2。温延臣等[30]进行的长达26 a 的定位试验表明，与单施化肥相比，仅施有机肥以及有机无机肥配施处理，土壤有机碳含量增加95%～136%。另外有研究表明，土壤有机碳初始值越低，配施有机肥后土壤有机碳含量的提高幅度越大[14，31]，但不同有机肥类型对土壤有机碳含量提高的幅度并不一致。DIACONO 等[32]研究分析了长期施用堆肥、牛粪、羊粪和沼渣等有机肥对土壤有机碳的影响后发现，不同有机肥类型对土壤有机碳含量的提高幅度介于24.0%～92.0%。

作物生长需要的养分主要来自土壤，有机肥和化学肥料配合使用能更好地促进土壤中有效养分的积累。研究表明，长期施用有机肥能增加土壤供肥容量，加快腐植酸对土壤养分的活化速度，提高土壤养分含量，保证养分供应平衡[5，33]；此外，施用有机肥还可以增加土壤活性碳、氮组分，促进微生物生长和代谢，进而增加土壤酶活性，提高土壤有效养分含量[34]。土壤氮素主要以硝态氮、有机态氮或潜在矿化氮的形式存在于土壤有机质中[12]。长期施用化学氮肥能够提高土壤供氮能力，但是配施有机肥能增加土壤有机氮库的容量，土壤供氮能力可得到显著提高[35]。马力等[36]进行的26 a 的定位试验表明，长期施有机肥以及化肥与有机肥或秸秆配施对提高耕层土壤供氮能力有更明显的效果。另外，有机肥使土壤在供氮方式上具有渐进性和持续性。LEROY 等[37]的研究结果表明，短期内微生物对有机氮的矿化率比较低，但施用有机肥4～5 a 后，土壤速效氮含量得到显著提高。许多研究表明，有机肥与化肥配合施用也能显著提高土壤速效磷含量[35，38-39]：有机肥自身腐解释放出部分磷素；有机肥施入土壤后能够刺激土壤微生物活化磷素[40]；有机肥施用后可以降低土壤对无机磷的固定，并促进无机磷溶解[41]。高菊生等[35]通过29 a 的试验发现，有机无机肥配施土壤的速效钾平均含量显著高于单施化肥的处理，这与许小伟等[42]、梁路等[43]的研究结果相似。这可能是由于有机肥施入土壤能提供一定量的钾，其能与有机质、黏土相互作用，且有机肥分解能释放出大量CO2，CO2进入土壤溶液后形成碳酸，可分解某些矿物质，释放养分[44]。

土壤微量元素也是植物生长所必需的养分。在农田中施入有机肥能增加微生物活性，微生物分解土壤有机质形成有机酸和腐殖质等络合剂，促进土壤微量元素从土壤固相移动到土壤溶液中[45]，从而增加其有效性。SETIA 等[45]研究发现，化肥的大量施用加速了土壤有效锌的耗竭，而有机无机肥配施可显著增加土壤锰、铁、铜、锌的有效性。CHOUDHARY 等[46]进行了长达21 a的研究后发现，单施有机肥或有机无机肥配施能显著增加土壤锰、铁、铜、锌的有效性。此外，有机肥施用能够改善土壤理化性质，如土壤pH 值、有机碳含量和质地等其他土壤特性，进而影响土壤微量元素的有效性。DHALIWAL 等[47-48]指出，在农田中定期施用农家肥会增加有机碳含量，从而增加土壤微量营养元素的有效性；土壤微量营养元素有效性与黏土含量呈正相关。AGHILI 等[49]观察到，在土壤中施用绿肥后，土壤pH值更低，土壤锌有效性更高。同延安等[50]进行了12 a 的定位试验后发现，有机肥的施用及根茬腐解降低了土壤pH 值，从而提高了土壤锰、铁、铜、锌的有效含量。另外，有机肥的种类、施用量和施用方式对土壤微量元素的有效性也有影响。据ABUZAHRA 等[51]报道，施用羊粪对提高土壤铁、锰含量的效果最好，而牛粪对提高土壤锌、铜含量的效果最明显。CHAUDHARY 等[52]研究发现，有机肥的用量和施用方式对土壤中DTPA（二乙基三胺五乙酸）可提取锌、铁、锰、铜含量以及全量锌、铁、锰、铜含量都有显著影响，其中45 t/hm2的有机肥用量最为有效，且冬季施用效果比夏季好。

2.2 有机无机肥配施对土壤酸碱缓冲性能的影响

土壤pH 值与养分的有效性和溶解度直接相关，也影响着土壤中微生物的活动，是决定土壤肥力的重要特征参数之一。施用有机肥对土壤pH 值的影响与土壤初始pH 值有关。ZHONG 等[53]在酸性红壤上进行的长达21 a 的研究结果表明，有机肥配施化肥后土壤的pH值从最初的5.36增加到了5.85。李军营等[54]指出，施用腐熟有机肥可显著提高酸性植烟土壤的pH 值，缓解土壤酸化。LIU 等[31]的研究结果表明，我国亚热带地区稻田土壤主要呈酸性，配施有机肥可提高土壤的pH 值，对酸性土壤改良具有重要意义。配施有机肥提高酸性土壤pH 值的可能原因：一方面，有机质矿化过程中释放OH-并吸收H+[55]；另一方面，有机肥中含有大量有机质，对盐基离子有很强的吸附能力，长期施用有机肥可以提高土壤阳离子交换容量，增加土壤酸缓冲容量[56]。此外，杜康瑞等[57]观察到，盐碱地土壤配施有机肥后会降低土壤pH 值，与不施肥相比，土壤pH 值降低了0.32 个单位。JAGTAP 等[58]指出，粪肥与化肥配施能够显著降低盐碱性土壤的pH 值，这可能与有机肥料分解过程中释放的有机酸有关。

3 有机无机肥配施对土壤微生物及土壤酶活性的影响

3.1 有机无机肥配施对土壤微生物群落结构组成的影响

土壤微生物是土壤有机物的主要分解者，由真菌、细菌、原生动物和藻类构成，对土壤中的有机物分解、养分循环和其他化学转化起着关键作用[59]，其数量和活性对维持土壤生产力至关重要。土壤微生物群落结构和组成的变化与土壤有机质含量有密切关系[60]。有机无机肥配施不仅能提高土壤有机质含量，为土壤增加新的微生物生物量，又有可被生物降解的有机物质作为微生物反应底物，从而增加微生物数量，刺激土壤微生物群落活性，提高微生物多样性[61]。陶磊等[62]认为，长期有机无机肥配施可明显增加土壤细菌、放线菌和假单胞杆菌数量，抑制真菌的生长，达到调控土壤微生物区系组成结构的目的。MARINARI 等[61]的研究结果表明，施用有机肥处理较单施化肥处理提高了土壤微生物生物量及其活性。赵军等[63]的研究认为，有机无机肥配施能够增加土壤细菌丰富度、多样性和均匀度指数，显著改变土壤细菌区系，且这种改变随着有机肥替代化肥量的增加而变大。

3.2 有机无机肥配施对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤物质循环和能量流动的主要参与者[64]，能推动土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化，其活性是土壤肥力评价的重要指标之一[65]。有机无机肥配施可以提高土壤有机质和腐殖质含量，一方面，土壤有机质能提供土壤酶合成所需的反应底物，进而提高土壤酶活性；另一方面，土壤酶能被土壤黏粒吸附或者与土壤腐殖质结合形成有机无机复合物，增强其稳定性[66]。此外，有机肥本身携带了一定量的微生物和酶[67]，这也可能是配施有机肥后土壤酶活性提高的原因之一。研究发现，有机无机肥配施处理土壤的蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性和酶活性综合指数均显著高于化肥处理[68]。MARCOTE 等[69]的研究结果表明，与单施化肥相比，有机无机肥配施可提高土壤酪蛋白水解酶、β-葡萄糖苷酶和脱氢酶活性。李其胜等[70]的研究结果表明，相比于单施化肥，有机无机肥配施可显著提高β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和木聚糖酶等碳循环相关酶的活性，增幅为12.99%～60.90%。

4 有机无机肥配施对土壤氮磷流失的影响

4.1 有机无机肥配施对土壤氮流失的影响

含量低于地下水Ⅲ类水质量标准。但是长期大量施用有机肥会导致硝态氮在土壤中的大量累积，不易被土壤胶体吸附，增加向水体淋失的风险。英国洛桑试验站研究发现，长期施用含氮的畜禽粪便比单施化肥处理的地下水中硝态氮的含量及淋失量高[75]。袁新民等[76]进行的长期定位试验表明，随着有机肥施用量不断增加，0～400 cm 土层土壤累积的NO-N含量也表现为明显增加。

4.2 有机无机肥配施对土壤磷流失的影响

农业生产中过量施用化肥使土壤磷素大量积累，导致农田磷污染风险逐渐增大[77]。土壤磷素流失与土壤理化性质密切相关，一般来说，土壤有机质含量越高，土壤结构越好，抗蚀性越强，磷素越不易流失[78]。而化肥与有机肥合理配施可以提高土壤有机质含量，改善土壤结构，进而减少磷素流失。吕宏伟等[79]的研究结果表明，与单施化肥相比，有机肥替代27.5%化肥+30%节水灌溉处理既能保持蔬菜产量稳定，又能有效降低露地菜田氮磷的径流流失。黄东风等[80]的研究认为，有机无机肥合理配施能够明显减少菜地水溶性总磷随地表径流的流失量，降低磷素对水体造成的农业面源污染。但需要注意，众多研究表明，过量施用有机肥会促进土壤磷素淋失。马凡凡等[81]研究认为，100%较50%、30%有机肥替代化肥处理，其全磷流失量和流失率均显著增加。这主要是因为有机肥的N/P一般比农作物的需求比例小，过量施用有机肥会导致磷素在土壤剖面累积，随着含磷量的增多，减弱了土壤对磷的固定能力，因此径流中磷流失量大幅度增加[18]。庄远红等[82]的研究结果表明，配施有机肥的用量越大，土壤磷淋失量越高。张凤华等[83]认为，当P2O5和有机肥用量分别超过360 kg/hm2和150 t/hm2时，增施磷肥或有机肥均会导致农田磷环境风险或使潜在风险增大。

5 有机无机肥配施对土壤重金属的影响

施用有机肥除了可以达到培肥土壤、提高作物产量的效果，同时也是土壤重金属的主要输入途径之一。与化肥相比，一些有机肥中含有重金属，且其中大部分重金属比较稳定，只有一小部分能够被去除，而这些重金属会通过施肥进入土壤[31]。因此，长期施用含有重金属的有机肥会造成土壤重金属累积的风险。王美等[84]研究认为，长期有机无机肥配施与不施肥相比，显著提高了土壤铜、锌和镉的含量。杨国航等[85]进行了长达8 a的研究后发现，污泥与化肥配施显著增加了土壤中锌、铜、镉、铅的总量，而对镍总量无显著影响。BARTL 等[86]的研究结果表明，在施用32 t/hm2的生物堆肥5 a 后，土壤锰、镉、钼、镍总量没有显著变化，但土壤锌、铅含量显著提高。

此外，土壤中的重金属以不同的化学形态存在，不同形态决定了重金属的有效性不同，而重金属的有效性直接决定了其在土壤中的移动性、生物有效性及对植物的毒性。目前，关于有机肥对土壤重金属有效性影响的认识存有分歧。一方面，有机肥本身携带的重金属的生物有效性较强，且有机肥腐解过程中产生的有机酸对土壤中强结合态重金属元素有活化效应[87]，从而提高了土壤重金属的有效性。研究表明，与单施化肥相比，长期有机无机肥配施显著提高了土壤中全量与有效态镉、锌、铜含量，并显著增加了水稻对镉、铜的吸收和累积，且其效应随有机肥用量增大而增强[88]。夏文建等[89]进行了35 a 的长期定位试验后发现，长期施用化肥对土壤重金属全量影响不大，而长期有机肥与化肥配施使土壤铜、锌、镉全量和有效态显著提高，并显著提高了铬、砷、铁有效态含量。另一方面，配施有机肥可提高土壤腐殖质含量，而腐殖质带有的羧基、羟基、羰基和氨基等官能团，能与重金属发生络合或螯合，使重金属在土壤溶液中失去活性[90-91]。同时，腐殖质中的官能团可释放出H+而带负电，吸附重金属[92]，进而降低土壤重金属的有效性，并减轻对作物的毒害作用。薛毅等[93]指出，化肥配施有机肥后可显著降低土壤交换态镉含量，提升土壤有机态镉含量，显著降低双季稻稻米镉含量。金洪石等[94]的研究结果表明，化肥+有机肥+生物炭配施可以降低土壤有效态铅含量，减少铅在烟株根系、茎、叶中的积累。张琴[95]认为，连续施用有机肥后，土壤中重金属汞、铅、镉有效态含量与试验开始前相比，呈逐渐降低趋势，且随着有机肥的连续施用，重金属有效态含量的递减率在逐步增大。