生物有机肥在作物品质改良和土壤修复中的研究进展

郭之乐，杨 宸，孙朝阳，路斯晗，马彦波，侯余勇，王巍杰

（1. 华北理工大学生命科学学院，河北 唐山 063210；2. 唐山市丰南区惠福园生态养殖有限公司，河北 唐山 063300；3. 中国科学院天津工业生物技术研究所，天津 300308）

我国地域辽阔，土壤种类丰富，部分土壤不能提供满足作物生长发育所需的所有养分。因此，为了提高作物产量，农户常通过播撒灰分或施肥等方式补给植物养分，使其达到最佳生长状态[1]。化肥能够在一定程度上补充作物合成以及相关能量物质（如ADP和ATP）葡萄糖、蛋白质和核酸有机物所需要的氮磷钾元素，从而提高作物产量和品质。

但是化肥和农药的生产和大量使用不仅造成了环境污染，而且长期施用后将影响土壤肥力，导致土壤养分供给失衡、肥料利用率下降等情况发生[2]。长此以往土壤本身有机质含量降低，土壤团聚结构遭破坏，与作物生长密切相关的土壤微生物生态被破坏，进而对植物生长和作物产量产生破坏性影响[3-4]。因此，充分利用生物废弃物这个大型资源库，通过生物加工生产各种肥料，推动化肥生产向生物有机肥生产转型，以可持续的方式最大限度地从生物废弃物中回收有价值的营养物质被视为解决这一难题的理想方法[5]。生物有机肥的开发可以替代人工合成的化肥，提高土壤养分含量，并修复土壤供肥能力，为作物生长提供良好条件，是符合循环经济要求的可持续农业生产资料，也是满足现代农业发展要求的农业生产资料[4]。

1 生物有机肥概述

生物有机肥是以动物粪便、农副产品残体为原料，通过添加特定功能微生物发酵腐熟形成的一类兼具微生物肥和有机肥效应的肥料。生物有机肥不仅含有氮磷钾等无机养分，还含有植物生长所需的多种营养物质，如氨基酸、蛋白质、微量元素、糖和脂肪等有机质，同时富含一种或多种功能性微生物（表1）。研究表明，生物有机肥可以通过调节土壤pH 值、养分含量和功能性细菌种类及数量等来调控植物生长，提高植物养分利用率，直接影响作物产量和品质；同时，可以改善土壤结构和功能，减少养分流失，增强微生物的丰度和活性，实现修复土壤的目的[6]。此外，施用生物有机肥可以增加重组菌群中特定的植物有益菌群的数量，如根瘤菌、偶氮螺旋菌、芽孢杆菌、固氮菌、磷酸盐溶剂菌、菌根菌等[7]，代替人工合成的矿物氮，更有利于形成农业生产氮流闭环，在一定程度上减少土传病害的发生，使土壤微生物群落发展进入良性循环（表2），是可持续的循环经济农业必不可少的技术支持，符合环保、无害、绿色的现代化农业发展主旋律[8]。

表1 生物有机肥微生物的功能及类别

表2 生物有机肥菌种名称及菌种作用

2 生物有机肥对于作物的影响

2.1 生物有机肥可提高作物产量及品质

生物有机肥一方面通过有机质分解过程中产生的有机质使土壤潜在养分活化，增强土壤中氮、磷、钾元素的有效性，提高无机肥料利用率，从而促进作物内营养平衡，提高作物产量。另一方面，生物有机肥可以快速活化土壤微生物，促使土壤结构优化，改善土壤质量，使肥效更持久，有助于提升作物品质。作物种植过程中施用生物有机肥，作物的株高、有效叶数、有效穗数、籽粒产量等均有显著提高[11]。

研究表明，在土壤中将生物有机肥和无机肥料共同配比施用，能显著提高红辣椒产量[1]。施用生物有机肥可以提供植物生长所需的有机质、全氮和碱解氮、全磷和速效磷，从而提高三七和人参的植株鲜重、干重、茎长和根长等指标[8]。提高生物有机肥与化肥配施比例有助于生姜可溶性糖、维生素C 和挥发油的积累，显著降低生姜中粗纤维和硝酸盐的含量[12]。Jin等[13]研究发现，减少化肥施用量并辅助应用生物有机肥，可以提高莴笋产量，并且降低叶片中的硝酸盐含量，提升叶片中可溶性糖和维生素C 的含量。吴旭东等[14]研究发现，施用木霉菌生物有机肥可显著增加西瓜植株的株高、茎粗、叶片SPAD 值以及果实可溶性蛋白含量。Kholssi 等[15]研究发现，在稻田中使用丝状蓝藻生物肥后，通过蓝藻对氮元素的固定，水稻叶绿素含量增加了近50%，氮含量增加了10%以上，小麦质量整体提高了40%。Patriyawaty等[16]研究认为，生物肥施用配合水稻株距的调整，能够显著促进水稻分蘖和稻穗伸长。无机肥料与生物肥配施可促进水稻植株养分吸收，提高养分利用效率和产量[17]。当链脲菌素与生物菌剂共同施用时，有利于龙葵的生长发育，其果实和枝条明显增加，根长显著增长[18]。马齿苋中可溶性糖、总黄酮等营养成分含量及ω-3 多不饱和脂肪酸（PUFA）等相对含量在生物有机肥的作用下均显著增高，而硝酸盐、可溶性草酸等抗营养成分含量则有明显降低[19]。生物有机肥中的微生物可促进甘蔗根系分泌物的增加，增加甘蔗根系对养分的吸收，使甘蔗产量可提高12%[20]。同时，生物肥料中有机质的输入可以改善土壤微量元素的水溶性和交换态，进一步增强甘蔗根系对土壤微量元素的吸收，从而提高甘蔗含糖量。相对于化肥处理，生物有机肥处理能够提高香蕉果实的还原糖和维生素C 的含量，糖酸比显著提高，显著提升香蕉口感[21]。生物有机肥施用还可加强大气氮素固定，提高植株光合活性，对苦瓜的株高、叶数、分支数均有显著影响[2]。固氮菌复配蚯蚓粪渣发酵生产的生物有机肥可提高刺头草的叶绿素和油脂含量，进而使刺头草籽粒产量得到显著提升[22]。

2.2 生物有机肥具有一定生物防治能力

在生产过程中，由于生物和非生物胁迫的影响，农作物在生长过程中会发生多种病害，其中土传病害是引起植物减产降质的主要原因之一，而生物有机肥能够在一定程度上增强植株抗性，并且针对不同病原菌有特定的生防菌种（表3）。生物有机肥中乳酸菌属与红假单胞菌属、放线菌属和链霉菌属联合作用可提高作物的水溶性磷、钾元素含量[23]。含有芽孢菌株的生物肥料能够有效抑制菌核病的发生[24]。链霉菌腐熟生物有机肥不仅能够促进植物生长，还能提高植物预防病虫害的能力。混合菌株的应用能够使土壤微生态更趋近自然环境，而且可以扩大植物耐受范围，提高生物防治的有效性和稳定性[25]。枯草芽孢杆菌与发酵鸡粪制成的有机肥能够抑制49.97%的根结病，具有作为新型线虫防治剂的潜力[26]。减少病原菌Leifsonia aquatica，可抑制或减缓作物持续性矮化病的发生，促进植株健康生长[20]。生物有机肥还可用于种子的处理，防止种子之间传播的疾病和害虫，维持种子的良好萌发能力和幼苗活力[27]。

表3 生防菌种、类型、名称和抑制对象

2.3 生物有机肥可提高植株抗逆能力

在农业生产过程中，水分胁迫、重金属离子积累、酸碱失常等环境胁迫常制约农业生产，严重降低生产效率。在非生物胁迫作用下，植物气孔关闭，净光合作用和蒸腾作用降低，组织含水量降低，导致光合作用、呼吸作用等生理活动减弱，生长素和赤霉素分泌受到影响，最终导致作物产量下降。生物有机肥的使用可提升植物激素等植物生长调节物质的作用效果，加速植株对水分和养分的吸收，提高光合作用强度，促进固碳作用，生成有机物质，从而保障作物在胁迫条件下的正常生长发育，保障作物产质量[28]。此外，Kong 等[29]研究发现，生物有机肥可使酸性镉污染土壤中生长的水稻根系表面形成氧化铁膜，从而降低水稻对镉的吸收，提高水稻产量，并保障粮食生产安全。

2.4 生物有机肥的节肥效应

随着人口的增加和人们生活水平的提高，各种农产品的需求逐年增加，化肥的用量也随之增加，且由于肥料利用率低下，导致化肥用量已超过农产品高产所需用量尤其是。据测算，中国水稻生产过程中氮元素的利用效率已低于40%，不仅不利于节省成本，而且对环境也会造成污染[30]。因此，农业生产者需要在粮食高产和肥料节约之间选择一个平衡。生物有机肥可以促进作物代谢，加速氮元素利用，并且推动生态循环和元素流通，平衡人类活动与环境之间的关系。此外，将食品工业废物作为有机肥料的原料，一方面能够回收富含有机质、矿质养分和大量生物量的废物，减少环境污染；另一方面，在不影响土壤平衡的情况下可以降低农田施肥成本[31]。Wang 等[32]以厨余垃圾为原料，通过热处理批量生产生物肥料，一方面变废为宝，减少了资源浪费；另一方面节省了化肥成本，提升了经济效益。

3 生物有机肥对土壤的修复功效

3.1 生物有机肥影响土壤理化性质

过度使用化肥是造成土壤中盐、重金属离子污染的主要原因。盐碱土中含有较多的可溶性盐类，导致pH 值较高，不利于作物的生长发育。同一作物在同一地块连续种植会造成土壤紧实、蓄水能力降低、作物产量下降等问题。而生物有机肥可集环保、经济于一身，近年来在盐碱地等耕种条件差的土壤改良方案中应用越来越多。大量研究表明，在肥料中添加有益微生物菌剂能够使土壤生态结构多元化，促进元素循环；协调土壤水、肥、氧气、温度之间的矛盾，激发土壤活性，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使得土壤结构变疏松，有利于作物根系在土壤中延伸，促进作物更好地生长；增强土壤酶活性，为作物提供大量营养物质，促进作物对营养物质的吸收利用效率，从而提高农作物抗性，减少病虫害危机[1,33-34]。适当的土壤pH 值有利于农业生产，与常规耕作相比，施用生物有机肥使土壤pH 值从5.64 提升到6.04，较大地缓解了土壤酸化，改善了土壤养分和有机质条件[8,13]。在生物有机肥中添加芽孢杆菌后能够减少土壤的含氮量，提高土壤速效磷和碱解氮含量[35]。此外，施加生物有机肥后土壤孔隙增加5.66%～8.30%，水稳性团聚体含量及其平均颗粒直径均呈增加趋势[36-37]。用生物有机肥替代部分化肥可以改善连作土壤的物理和水力特性，显著提高土壤有机肥的干湿重[38]。还有研究表明，施用生物有机肥后土壤氮磷钾含量分别提升了9.88%、21.39%和7.99%[39]。

3.2 生物有机肥影响土壤微生物群落

微生物是土壤生态系统的重要组成部分，参与土壤养分循环、有机质分解等一系列土壤生化反应，与植物的健康息息相关。土壤微生物群落结构的稳定性和特异性决定了耕地的生态功能和生产力水平。农资使用、耕作方式等人类生产活动会影响土壤微生物群落的分布和功能。与化肥相比，有机肥改善了土壤真菌多样性和群落结构。生物有机肥中的有益菌可参与生态系统的多个生化活动，包括有机质分解、养分循环、植物生长和疾病防护等，以此维持土壤微生物群落结构的稳定性与特异性，调节根际微生物群落的多样性，进而影响植物根际微生态，对耕地产生正向生态反馈。在土壤中施加生物有机肥还可促使植物与细菌、真菌协同作用共同改善生存环境，促进植物生长代谢，提升植物对环境胁迫的适应能力。添加生物有机肥可促进共生微生物的生长繁殖，增加细菌群落的丰富度和多样性[40]。Guo 等[41]发现生物有机肥与常规氮磷钾化肥共同施用，在提高水稻产量的同时，还改善了土壤中真菌群落多样性。添加生物有机肥使腐生菌丰度平均增加了22.55%～76.09%，动物致病菌平均减少率了28.61%～73.84%[8,41]。有研究发现，生物有机肥和硅肥作为改良剂可以提高土壤微生物活性，增加土壤养分的有效性。施用生物有机肥还可提高土壤有机碳含量，增加nirS 型反硝化菌的丰度，加速土壤氮元素流通，从而提高土壤生产力[42]。施用生物有机肥，同时辅助土壤熏蒸除菌技术，其解决农作物连作障碍的原因在于降低了有害真菌子囊菌和镰刀菌的丰度，提高了土壤有益微生物肾小球菌、孢霉菌、腐质霉和芽孢杆菌的相对丰度，有利于作物生长发育[39]。

3.3 生物有机肥促进土壤可持续利用

为了解决全球粮食短缺问题，在农业生产过程中种植户尝尝密集施用化肥、生长促进剂、农药、除草剂和土壤消毒剂等试剂以加速作物生长。但长此以往，将导致土壤形态和农业生态系统功能紊乱，严重影响农业可持续发展。将秸秆等有机废物与土壤改良剂等一起制成有机肥料，再添加一些有益微生物菌群制成生物有机肥料，既可使作物获得较高产量和品质，又可减少生态污染，从而实现高产、环保农业的双赢[43]。

生物有机肥一方面微生物通过多种机制促进植物生长，保护植物免受虫害和病原菌侵蚀，增加营养物质利用率，改善周围的土壤结构，提升作物品质。另一方面植物根系通过光合作用释放碳渗出物为微生物提供养分，实现植物-微生物共生，促进土壤可持续利用[44]。研究表明，在肥料中添加PGPB 菌株对重金属和有机化合物污染的土壤有明显的修复作用施用生物有机肥DNBF32 可通过调节土壤菌群结构和数量促进除草剂阿特拉津的降解，实现土壤污染修复，保持土壤肥力[45]；生物有机肥料还能够减少耕地中碳排放，缓解温室作用[46]。

4 小 结

当前，面对全球经济不稳定、气候恶化和生物多样性退化、粮食供应紧张的大环境，目前农业生产还不能完全摆脱对化肥的需求，为确保粮食安全，增加农民收入，提高人民生活水平，以生物有机肥逐渐替代化肥将是农业可持续发展的必然趋势。随着对生物有机肥潜力的不断探索以及可持续发展理念的深入人心，绿色健康的生物有机肥将成为农业生产的首选。尽管，目前生物有机肥对作物不同时期影响研究尚不明确，以及周期性施用生物有机肥促进作物增产，尚未形成规范性、模式化、流程化产业模型，导致生物有机肥尚未进行大规模推广。但是生物有机肥能够保证植物所需营养物质的最适供应，刺激土壤微生物群落，抑制自然病害，是肥料行业发展的新趋势，施用生物有机肥替代化肥，对实现土壤绿色发展和改善气候具有重要意义，将成为21 世纪农业生产的主流和方向。