定额制施肥对土壤及生态环境影响的研究

杨东，刘晓霞，陈红金，虞轶俊

（浙江省耕地质量与肥料管理总站，杭州 310020）

0 引言

化肥是作物的“粮食”，是保障作物产量和品质的重要因素[1]。当前，化肥过量施用问题引起人们普遍担忧，据统计，2020 年中国耕地单位化肥用量达到313.5 kg/hm2，是国际化肥安全施用上限标准(225 kg/hm2)的1.39倍。过量施肥导致土壤退化、农产品产量品质降低、环境破坏等问题，严重威胁粮食安全、生态安全和人体健康，制约现代农业可持续发展。中国从2005 年起连续出台了一系列政策推进化肥减量增效工作，取得积极成效，2021 年全国农用化肥施用量5191 万t（折纯）、比2015 年减少13.8%。面临新时代背景下的重要农产品的保供压力、化肥持续减量和生态保护等多种因素，2019 年，浙江省率先提出建立化肥最高用量制度，相继出台《关于试行农业投入化肥定额制的意见》、《关于推行化肥农药实名制购买定额制施用的实施意见》等政策文件；农业农村部先后于发布了关于实施水稻、玉米等作物的氮肥定额制意见；广东、安徽、江苏等省相继实施化肥定额制。2022 年生态环境部等五部门联合印发《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025 年）》，提出“制定水稻、玉米、小麦、油菜等氮肥推荐定额用量，依法落实化肥使用总量控制”；农业农村部关于印发《到2025年化肥减量化行动方案》提出建立健全主要农作物氮肥施用定额，推行施肥定额制、台账制管理，为推进化肥定额制提供了有力制度支撑。

土壤质量被定义为“在生态系统水平和土地利用的边界范围内，维持生产植物性和动物性产品的能力，维持或改善水和大气质量的能力，促进植物和动物健康的能力”[2]。在化肥减量增效和农业绿色发展的政策背景下，加强耕地土壤质量保护与地力提升已成为实现农业可持续发展的基础和关键工作。中国高度重视耕地土壤质量提升工作，习近平总书记强调“农田就是农田，而且必须是良田”、“逐步把永久基本农田全部建成高标准农田”，为中国耕地质量建设指明方向。土壤质量与土壤健康和人体健康息息相关，而施肥则是土壤质量管理中不可替代的关键环节，守护土壤健康离不开科学施肥技术的助力。定额制施肥作为绿色高效施肥技术，是提高耕地产能、保障粮食安全和落实“藏粮于地、藏粮于技”战略的有力抓手。当前，已有研究者从多角度讨论了定额制施肥和土壤质量的关系，但目前对定额制施肥与土壤质量的内在关联缺乏系统认识，且对实施化肥定额制后土壤、作物和环境的影响了解较少。因此，本研究在系统总结定额制施肥的基础上，选择与土壤质量相关的普适性指标以及与农田生态相关的指示性指标，探究了化肥定额制施肥管理实践对耕地质量的影响，分析了定额制施肥在土壤质量提升和健康土壤培育方面发挥的积极作用，以期为推动耕地质量保护提升和农业低碳绿色发展提供科学参考。

1 定额制施肥的内涵

化肥定额制是通过制定主要作物化肥投入定额标准，综合采取科学测土、科学配方、多元替代、精准施肥等措施，达到减少农田化肥投入、保障耕地综合产能、优化生态环境质量的目标。国外对化肥施用管理已有较多研究。例如，美国化肥管理中重视平衡施肥，要求每3年测定土壤养分，根据氮、磷、钾含量精准施肥，与中国测土配方施肥具有共通之处；注重施肥执法，对因不合理施肥造成化肥残留超标或产地污染问题的农场主处以高额罚款，以督促科学施肥[3]。欧洲国家则以共同农业政策、硝酸盐指令、水框架指令、环境控制质量指令等限制性政策为依托，根据作物需求和土壤状况制定不同的总氮投入最高限量，并结合生态补贴调控化肥和有机肥投入，实现土壤养分投入和盈余的显著降低[4]。

为促进农业高水平绿色发展，浙江省发布《关于再创体制机制新优势高水平推进农业绿色发展的实施意见》，在全国率先探索化肥定额施用[5-6]，制定了水稻、小麦等17 种主要农作物化肥定额用量标准，发布了《水稻、小麦、油菜区域施用用量要求》省级地方标准；杭州市临安区发布了全国首个化肥施用限量地方标准《主要作物化肥定额制的限量标准》，在化肥定额制推进过程中，逐渐形成有机养分替代、精准科学施肥、调优结构减量、改进施肥方式、创新农作制度、新型肥料研发等多种形式的定额制施肥技术标准体系[7]，为全国化肥减量增效工作提供“浙江经验”。耕地是粮食生产的命根子，耕地质量提升是保障粮食安全的根基。为提升耕地质量等级，培育健康优质的土壤，2022 年浙江省农业农村厅等5 部门联合出台《土壤健康行动实施意见》，探索建立提升耕地土壤健康水平的新路径。

施肥是影响土壤环境质量和耕地产能的关键因素，是土壤健康管理的核心环节，以定额制施肥为代表的科学施肥技术已成为推动耕地质量提升和农业绿色发展的重要举措。因此，全面客观认识定额制施肥对土壤质量的提升效应，对健康土壤培育、耕地产能提高和保障粮食安全具有重要意义，已成为现阶段研究者的关注热点。

2 定额制施肥对土壤性质的影响

2.1 定额制施肥对土壤理化性质的影响

土壤理化性质是表征土壤质量的重要指标，其变化会直接或间接影响土壤生态系统服务功能。土壤物理指标主要包括容重、含水量和质地等，化学指标主要包括土壤pH 及有机质、氮、磷、钾等养分含量。有机养分替代（秸秆还田、种植绿肥、增施有机肥等）通过增加有机养分施用替代部分化肥投入，是推进定额制施肥的主要技术路径之一。肖占文等[8]研究发现，化肥减量20%配施有机肥(600 kg/hm2)处理，土壤容重、含水量、孔隙度和团聚体较常规施肥分别显著降低10.95%、12.44%、19.11%和10.66%，改善了玉米田土壤结构。土壤pH 变化调控诸多土壤关键生态过程，而化肥过量施用导致大量土壤H+积累，加速了耕地土壤酸化进程，导致中国特别是南方地区耕地酸化现象严重。有机物料多含有大量碳和盐基离子，研究发现农业废弃物（稻草、水葫芦、西兰花茎叶）还田部分替代化肥，稻田土壤pH 较常规施肥提升了0.10～0.14个单位；稻—菜轮作下连续秸秆还田结合化肥减量20%～30%，土壤pH 提高0.06～0.55 个单位，其中秸秆全量覆盖还田缓解土壤酸化效果最佳[9]。然而部分研究表明，化肥配施有机肥处理对碱性土壤pH 无显著影响[10]。

土壤养分含量是评价土壤质量状况的关键指标[11]。有机物料通常含有丰富营养元素和有机成分，还田后为土壤微生物提供碳氮源，活跃微生物活动层的生成促进了有机及速效养分的释放，改善土壤养分状况，满足作物生长过程中对养分的需求[12]。因此，综合考虑农产品产量，化肥减量配施有机物料是经济实用、操作性强的定额制施肥方式[13]。靳晓拓等[14]研究发现，化肥减量20%配施有机肥(600 kg/hm2)处理对土壤养分提升效果显著，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别比常规施肥显著提高15.80%、38.51%、20.71%、46.40%和44.78%，养分指标的提升证实了化肥减量配施有机肥在土壤质量建设方面的积极效应。化肥减量15%配施腐植酸生物肥(6 kg/hm2)处理，土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量较常规施肥分别增加了8.2%、17.1%和9.6%，且生物肥用量的增加有助于磷素和钾素的活化[15]。此外，有机养分替代配合化肥减施处理，还可解决单施有机肥造成的农产品产量降低的缺陷，有效维持土壤养分输入和输出的动态平衡。

2.2 定额制施肥对养分利用效率的影响

人类约95%的食物直接或间接来自于土壤，提升土壤质量已成为保障食物稳定供应的基础。近年来，传统小农种植模式以追求产量最大化为目标，驱动农户过量使用化肥，导致化肥利用效率不足发达国家的50%[16]。定额制下化肥适度减量有助于减少养分元素淋溶，提升养分利用效率，保障粮食安全和农业绿色发展。

尽管增施化肥是作物增产的有效措施，但过量施肥降低了养分利用效率[17-18]。生物质炭作为环境友好的新型材料，不仅可改善养分状况和利用效率，其稳定富碳性质还有助于中国“双碳”战略的实现[19-20]。前人研究表明，化肥减量15%配施生物质炭处理，可显著增加紫色土坡耕地土壤氮磷养分库容量[21]。郑剑超等[22]探究了化肥减量配施菌肥和黄腐酸肥对辣椒种植区肥料利用率的影响，发现追施高钾肥减量20%配施菌肥+黄腐酸处理，不仅辣椒产量最高，其氮肥利用率、磷肥利用率和钾肥利用率也均显著高于其他常规施肥处理（正常施肥、正常施肥+菌肥+黄腐酸肥），实现化肥减量20%的绿色种植。化肥减量20%配施生物肥处理提高了肥料利用率，主要是通过平衡氮、磷、钾的输入以及有机肥环境下促进CO2释放，增加了花椰菜的光合效率，优化了作物根际环境，有效协调农作物对养分的吸收利用效率[23]。

紫云英通过根瘤菌固氮增加土壤氮库，其部分替代化肥是中国南方稻田可持续生产的常见措施。张济世等[24]采用化肥减量20%+紫云英还田(22.5 t/hm2)处理，发现该处理下土壤无机氮含量显著增加，氮素表观损失量较低，这主要是由于紫云英还田不仅提高了土壤对氮素的固持，还增加了与氮转化有关的氮循环功能菌群活性，促进了农作物对氮素的吸收利用效率，因而作物的干物质积累量较对照处理显著升高。改进施肥方式可提高施肥的精细化水平，提高土壤养分利用效率。前人研究发现，土壤氨挥发量与田面NH4+浓度显著正相关，而氮肥深施可降低田面水NH4+浓度进而减少稻田氨挥发损失，氮肥减量30%结合深施处理，氮素释放趋势与水稻需肥特征较一致，有助于提高氮素利用率并增加水稻干物质积累量，促进水稻灌浆并保障不减产[25]。刘晓霞等[26]研究发现常规施肥氮肥利用效率较低(27.52%)，而减氮20%结合侧深施肥技术，氮肥养分利用效率可达到40.98%，同时避免常规减氮20%造成的水稻减产现象；减氮25%结合隔行开沟追肥，氮肥吸收效率、氮肥偏生产力及氮肥利用率显著提高，其中25～30 cm 的深耕处理要优于旋耕[27]。

3 定额制施肥对土壤生物的影响

3.1 定额制施肥对土壤动物的影响

土壤动物通过参与养分转化、土壤理化性质和微生物调节等诸多生态过程影响土壤功能，具有促进团聚体生成、促进水分流动及加快有机质分解等环境效应，在保障土壤质量方面发挥重要作用[28]。孔云等[29]探究了不同施肥方式对玉米田土壤中小型节肢动物的影响，发现化肥减量50%配施有机肥(15 t/hm2)土壤动物类群（科）数较常规施肥多3 种，分别为虫齿目(Psocoptera)、等翅目(Isoptera) 和大翼甲螨科(Galumnidae)；土壤动物总量高10个，同时群落均匀性指数也显著升高，体现了化肥减量对优化土壤动物群落组成的促进效应。吴宪基于土壤线虫形态学鉴定技术，发现小麦—玉米轮作体系下化肥减量配施有机物料（秸秆和有机肥），小麦和玉米季土壤线虫数量较常规施肥分别提高了178.46%～240.46%和85.11%～170.09%，这增加了线虫生态网络规模和群落间互作效率，提高线虫群落结构的稳定性，是保障土壤生物健康的有效手段[30]。李其胜等[31]对菜地土壤线虫的研究同样发现有机肥替代化肥对土壤生物的有益效果。

当前，关于定额制施肥对土壤动物的影响研究仍较少，朱永官院士等倡议研究者关注土壤动物在物质循环与能量流动中的贡献，明确土壤动物关键类群在维持土壤健康中所发挥的积极作用[32]。

3.2 定额制施肥对土壤微生物的影响

土壤微生物在维持土壤质量、保障作物生长和缓解环境污染等方面发挥积极作用，其类群演变特征被认为是土壤质量关键指标。施肥方式影响了土壤微生物数量和群落结构组成。氮素是作物生长的必要元素，在维持农业生产方面发挥重要作用[33]，而施肥方式变化会影响氮循环微生物（固氮细菌、氨氧化微生物、反硝化微生物等）活性，改变固氮、氨氧化和反硝化等氮循环网络。李胜君等[34]比较了常规施肥与化肥减量30%配施有机物料（秸秆、有机肥）潮土中与氮循环相关的微生物类群丰度的关系，发现有机养分替代增加了异养氮循环功能微生物的数量，减弱了化学施肥抑制几丁质分解细菌丰度的不利影响，有助于增加农田土壤氮库并减少N2O排放，降低大气环境污染风险。

秸秆还田作为推动农业绿色发展的有力措施，是定额制施肥中有机养分替代的良好选择。微生物在秸秆还田后的生物降解中发挥关键作用，同样秸秆还田也增加了农田有益土壤微生物群落多样性，提高了土壤细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量以及细菌/真菌值，塑造了更为稳定的土壤微生物体系；秸秆还田带来的更多种类和数量的碳源输入，还可促进多种类固氮菌的生长[35]。研究发现，与常规施肥处理相比，连续3 a 化肥减量结合秸秆还田(3 t/hm2)处理改变了土壤固氮菌群落结构，优势种群以α-变形菌纲(α-Proteobacteria)、β-变形菌纲(β-Proteobacteria)、γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)和δ-变形菌纲(δ-Proteobacteria)为主[36]，冗余分析表明土壤性质变化（土壤pH及有机质、总氮、有效钾含量）是导致土壤群落结构发生变化的主要驱动因子[37]。化肥减量对土壤结构的改善增加了土壤通透性，氧气含量增加抑制了厌氧产CH4菌株活性；高孔隙度也可产生对NO3-的高吸附性，抑制反硝化细菌的反硝化作用[38]。

4 定额制施肥对作物生产影响

4.1 定额制施肥对作物产量的影响

作物产量和品质直接反映了土壤质量水平。众多研究者发现，定额制施肥处理下化肥减量措施不会对作物产量产生消极影响，化肥减量多在10%～30%之间（表1）。例如，化肥减量15%配施生物质炭或秸秆处理，油菜和玉米产量与常规施肥相比无显著差异[19]；采用测深施肥新技术，以80%缓控释肥替代常量化肥施用不会降低稻米产量[39]；稻—油轮作系统中油菜秸秆还田条件下，水稻当季化肥减施25%不会降低水稻产量[40]。相对于常规施肥，化肥配施有机肥可提高净光合速率、蒸腾速率及气孔导度，降低胞间CO2浓度，作物光合速率增加是作物增产的主要原因[21]。浙贝母被列入“浙八味”中药材之首，定额制施肥模式下，每公顷化肥用量减少49.5 kg 而产量提高4065 kg，经济效益增加61515元/hm2[41]。

表1 不同化肥减量技术对作物产量的影响

轻简化施肥是化肥定额制改革的创新手段。研究发现，氮磷双控专用肥减量30%结合侧深施肥处理，水稻产量与常规施肥产量无显著差异，而化肥减量20%结合后期补施穗肥还可显著提高水稻产量[42]。新型肥料的合理应用可减少化肥用量并保障作物产量，例如基施万里神农有机缓释肥减量10.7%，小香薯产量及商品薯产量分别较常规施肥提高16.5%和13.9%[43]。新型树脂包膜氮肥减量10%，提高了生产效率和鲜食甜玉米品质，减少了常规施肥中追肥所用机械作业次数，起到降低成本的目的[44]。

4.2 定额制施肥对作物品质的影响

化肥过量施用不仅造成农作物产量下降，还会影响农产品品质，而优化肥料施用策略可改善农产品品质。现有研究表明，定额制施肥可实现健康土壤培育，促进土壤养分转化效率，提高作物叶绿素含量和根系活力，进而增加作物可溶性糖、可溶性蛋白及各类矿质元素含量，并降低蔬菜中硝酸盐含量，在保障产量前提下提升农产品品质[50]。

与单施化肥处理，化肥减量40%+40%生物有机肥可提高马铃薯薯块粗蛋白、淀粉、还原糖和维生素C含量，增加马铃薯商品薯率和鲜薯产量[10]。化肥减量20%配施生物有机肥(6 t/hm2)还田，茄子果实可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C 含量较常规施肥提高了1.08%～27.68% ，粗纤维含量则降低了18.51%～66.67%，保障了茄子优质生产种植[49]。执行定额制施肥耕作制度，浙贝母总灰分含量较常规施肥处理降低了0.1%～0.8%，而贝母素含量提高了0.036～0.073，有效改善了浙贝母品质[40]。在新型肥料应用方面，毛震宇等[52]研究发现缓控释肥减量50%处理下，蒜苗中可溶性蛋白、维生素C及可溶性糖含量较常规施肥处理增加了12.6%～84.2%，同时粗纤维及硝酸盐含量显著下降。

过量化肥施用易引发大棚种植连作障碍[53]。化肥定额制背景下，化肥减量可优化土壤微生物群落数量和结构，提高土壤酶活性，抑制真菌病原体的繁殖，实现土壤微生物健康和作物根际生长环境优化，进而增强植物光合能力和抗逆性，提高农产品品质。李进等[54]采用化肥减量40%+60%有机肥处理，发现该处理在大幅减少化肥用量的同时，还可改善大棚连作草莓土壤养分失衡状况，不仅产量显著增加14.37%，果实中可溶性固形物、可溶性糖和维生素C 含量也增加了10%～30%，实现了草莓产量与品质双提升。生物有机肥部分替代化肥实现了温室黄瓜的优质高产，与单施化肥处理相比，化肥减施20%配施生物有机肥(6 t/hm2)效果较好，增加了黄瓜产量及可溶性糖、可溶性蛋白含量，并降低了果实中硝酸盐含量，实现黄瓜增产提质[55]。

5 定额制施肥对农田生态的影响

5.1 定额制施肥对农业面源污染的影响

化肥定额制改革旨在通过综合措施、提高肥料利用率，将化肥用量控制在合理区间，从源头控制农田氮磷钾等养分的流失。提出粮油作物“减氮、控磷、稳钾”、经济作物“减氮、减磷、控钾”作为化肥定额制的总体要求，其对农业面源污染的削减效应有助于改善流域水质，推动流域和农业农村绿色发展[56]。前人研究发现，定额制施肥可有效减少淋溶氮素流失，在传统化肥施用(250 kg/hm2)基础上减氮40%，可使总氮和硝态氮流失量分别减少12.18 kg/hm2和11.38 kg/hm2，小白菜产量提升20%以上[57]。毛倩等[58]研究发现，稻田化肥减量10%～30%处理下，排水中总氮、总磷和总钾含量较常规施肥分别下降了3.7%～27.1%、26.3%～59.5%和5.8%～32.7%，有效降低农业面源污染风险。习斌等[59]基于连续5 a 监测数据，发现有机替代（猪粪替代50%化肥氮用量）下总氮淋溶量显著降低了71.4%，淋溶水中NO3--N 浓度低于地下水Ⅲ类水质量标准(GB/T 14848—9)，而常规化肥淋溶水中NO3--N浓度多次超过Ⅴ类水标准(＞30 mg/L)，此外有机替代处理下玉米平均产量也提高了10.3%。龚蓉等[60]探讨了磷肥减量对玉米-小白菜轮作模式下磷淋失的影响，发现与常规过磷酸钙施用相比，磷肥减量10%～30%处理下总磷径流损失量降低了4.18%～24.30%，总磷和可溶性磷渗漏分别显著减少18.38%～31.62%和32.81～46.88%，控制农田径流水中磷流失对周围水体的影响。

5.2 定额制施肥对气候变化的影响

农田作为重要的生态资源，可通过碳封存和减少温室气体排放缓解全球气候变化。定额制施肥一方面可提高土壤固碳潜力，将大量碳直接固定于土壤环境中；另一方面有助于减少温室气体排放，降低全球温室气体通量。前人研究发现，化肥减量20%配施生物有机肥(3000 kg/hm2)处理，植烟土壤总有机碳、活性有机碳和碳库管理指数分别提高了20.00%、36.95%和41.75%，有效提高土壤碳储量[61]。联合国政府间气候变化专门委员会报道，农业温室气体排放量约占全球排放总量的12%[62]，其中农业产生的温室气体中约37%归因于土壤排放[63]，减少农业温室气体排放意义重大。秸秆碳化还田不仅实现碳封存，还可降低土壤N2O等温室气体排放[64]，SHIN等制备了含40%氮稻壳生物炭颗粒，作为新型肥料部分替代化肥（化肥减量60%），研究发现水稻季土壤碳封存量从0.89 t/hm2提升到1.23 t/hm2，温室气体（CO2当量）排放量减少了10 kg/hm2，同时不降低水稻产量[65]。轻简化施肥处理下，化肥减量8.33%～13%与硝化抑制剂联用不仅可维持水稻产量，温室气体CH4和N2O 累计排放量分别减少5.94%～14.34%和12.88%～32.65%，减缓全球变暖趋势[38]。综上所述，定额制施肥可在保障作物产量基础上，降低环境负荷压力，推动农业低碳绿色可持续发展。

6 结论与展望

定额制施肥是落实“肥药两制”改革的有效手段，有助于提升土壤质量、发展绿色低碳农业。本研究从影响土壤质量关键性指标入手，探讨了定额制施肥对耕地土壤质量的影响，揭示了化肥定额制技术措施可通过调整土壤pH、提高土壤养分含量、优化生物群落结构等途径提升土壤质量，明确了有机养分替代、高效肥料研发、创新施肥方式等定额制施肥技术路径在推进土壤质量保护提升和改善农田生态系统服务功能方面发挥的积极作用。

定额制施肥兼顾环境效益与社会经济效益，促进了土壤质量的正向发展，夯实了粮食安全和生态安全的根基，应加大化肥定额制推广和应用力度，充分发挥其在土壤质量提升、健康土壤培育和农业绿色发展方面的积极作用。然而现有研究中，基于健康土壤定向培育的定额制施肥技术有待进一步探究，同时定额制施肥政策下农户行为对土壤健康促进效应的理解还不够深入，这在一定程度上限制了化肥定额制的推广。接下来，需要以“土壤健康行动”为契机，根据土地禀赋、肥料类型、作物需肥规律及目标产量等多重因素，多措并举，加强研究深度和广度，积极组织探索化肥限量措施下健康土壤定向培育技术；遵循差异化政策思路，建立适合不同地区或不同种植制度的定额制施肥技术和配套政策体系，提高农户施肥的规范性和科学性，提高耕地土壤质量水平，实现土壤生态系统服务的多功能协调；注重政策宣传引导，在宣传经济效益和社会效益的同时，充分考虑定额制施肥在土壤质量提升过程中产生的环境效益，提高农户对绿色农业及生态文明建设的参与感，激发对实施各类化肥减量措施的积极性和自觉性，保障土壤质量和农业绿色发展。