不同类型肥料对作物品质影响的研究进展

谷学佳 谭嘉怡 王玉峰 孙琦 王硕 李激

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.004

摘要：农业的稳定发展离不开肥料。无机化肥因其速效养分含量丰富、增产效果显著、施加方式简便等特点被广泛应用于缓解粮食短缺压力，但随着无机肥长期、过量投入，农作物糖分、蛋白质含量降低，土壤板结酸化、肥力下降，对作物的生长环境也带来不利影响。有机肥养分全面、原料易得，有利于减少作物中硝酸盐的积累，但其养分物质含量相对较低、肥效缓慢，单施有机肥并不能满足作物生长发育需求，且存在重金属、抗生素和病原菌污染问题。具有特定肥效的微生物肥料环保无公害，可以通过微生物作用均衡作物对养分的吸收，进而提高作物品质，但尚存在产品活菌数低、效果不稳定、成本较高等问题。污泥含有大量N、P、K等元素和氨基酸、腐殖质等对作物的生长发育起着积极作用的物质，但是传统的污泥农业应用方式（直接填土、堆肥、发酵）引起的重金属、病原菌污染问题是遏制其发展的瓶颈。污泥基营养激励素作为污泥农用的新方式，富集污泥中的有益养分，在提高作物品质、改善土壤质量方面潜力巨大。本文综述了无机肥料、有机肥料、微生物肥料和污泥基营养激励素等不同类型肥料对作物品质和土壤环境的影响及施用现状，为选择合理的施肥类型以提高作物品质提供参考，以期推进我国农业长效、稳定、安全的发展。

关键词：作物品质；土壤质量；无机肥料；有机肥料；微生物肥料；污泥农用；污泥基营养激励素

中图分类号：S14  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）10-0029-10

收稿日期：2023-07-01

基金项目：黑龙江省农业科技创新跨越工程重点项目（编号：HNK2023CXZD08）；江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金（编号：BE2022303）。

作者简介：谷学佳（1984—），男，黑龙江佳木斯人，副研究员，研究方向为农业环境。E-mail：gxjforever@aliyun.com。

通信作者：王  硕，博士，副研究员，研究方向为污水生物处理技术、污泥处理处置技术、有机废弃物资源化、新兴污染物去除、环境健康与生态风险评价、碳减排与碳中和。E-mail：shuowang@jiangnan.edu.cn。

人体所需要的营养物质如碳水化合物、蛋白质、脂肪和维生素1/2～3/4都是从农产品中获得的［1］，这些营养物质对于维持人体正常生理活动和健康至关重要且不可替代。随着世界人口的增加，人类对农产品的需求量增大，增施肥料是农作物获得高产的重要手段，可缓解粮食压力和耕地压力并为农业带来巨大的经济效益。但是，随着肥料的大量投入，作物产量虽然飞速增长但其品质却在不断下滑。例如，蔬菜口感变得粗糙；瓜果甜味不足，其体内的维生素C和可溶性糖的含量下降，但酸浓度却明显上升［2］。对比1963年发行的《食物成分表》（第2版）和2018年发行的《中国食物成分表》（第6版），谷物如小麦粉的碳水化合物含量由74.0 g/100 g下降至 70.9 g/100 g，豆类如豌豆的蛋白质含量由 24.6 g/100 g 下降至7.4 g/100 g，茄果类如黄瓜的维生素C含量由14 mg/100 g下降至9 mg/100 g。此外，钙、铁、镁等人体所必需的矿质元素含量都出现了不同程度的下滑，据调查，1940—2019年期间除磷元素以外，水果和蔬菜中的矿物元素浓度均有所下降，其中钠元素下降幅度最大，约为52%［3］。

作物品质既受品种本身固有遗传因素的影响，也受肥料施用、栽培技术及外界生态环境等方面的影响，其中肥料是影响作物品质的重要因素之一［4］。本研究通过总结和梳理无机肥料、有机肥料、微生物肥料和污泥肥料等不同类型肥料对作物品质的影响及目前施用存在的问题，旨在为作物选择合理的肥料类型提供参考，以期改善当前我国由于肥料大量施用造成作物品质下降和土壤质量低下的问题。

1  施用不同类型肥料对作物品质的影响

1.1  施用无机肥料对作物品质的影响

无机肥是一种无机盐态肥料，经过提取、机械粉碎和化学合成等工艺加工制成，又称化学肥料，主要含有的营养元素N、P、K等均以无机化合物的形式存在。无机肥因其施加方式简便、增产效果显著而被广泛应用，减缓了粮食紧缺问题。据估算，截至20世纪末我国由于化肥增加的农作物产量占年粮食总产量的47.3%［5］。化肥可按其提供的养分种类进行分类：（1）单一养分肥料，如氮肥（尿素、硫酸铵、硝酸铵等）、磷肥（磷酸钙、磷矿粉等）和钾肥（草木灰、氯化钾、硫酸钾等）；（2）含有2种以上的常量养分的复合肥料（磷酸二铵、磷酸二氢钾等）。

1.1.1  无机氮肥对作物品质的影响  氮是作物生长发育期间最主要的、必需的营养元素，它是构成蛋白质的主要成分，同时也是叶绿素、各种酶以及核酸的主要组成部分。大量研究已经证实，适量施用氮肥有利于提高作物产量和品质。姜东等研究发现，长期施用氮肥对小麦籽粒产量和籽粒蛋白质含量的增幅分别达到107%～268%和7.4%～13.9%［6］。合理施用氮肥也可以提高小麦和玉米的可溶性糖含量，而可溶性糖含量是决定作物口感风味的重要因素，也是影响消费者选择的衡量标准之一［7］。但是当氮肥用量不足或者过多时，会导致作物籽粒中糖分含量下降，产生这种现象的原因主要在于合理施氮可以提高磷酸蔗糖合成酶（SPS）和蔗糖合成酶（SS）的活性［8］，从而促进碳水化合物的积累。增加氮肥用量能显著提高番茄红素含量，番茄红素具有抗氧化作用，在抗癌和增强机体免疫力等方面极具潜力，也是评定番茄品质的重要指标之一［9-10］。徐春梅等研究发现，施氮量超过150 kg/hm2时，稻米的糙米率、精米率和整精米率出现下降［11］。维生素C含量和可溶性糖含量等品质指标在一定的氮肥用量范围内会随着氮肥用量的增加而增加，超过一定的用量后反而随之减少［12］。此外，过量施用氮肥还会使作物中的硝酸盐含量明显升高［13］。通过农田试验，施加化肥后芹菜可食用部分的硝酸盐含量增加40.20%，数值也超过了无公害蔬菜生产的标准［14］。硝酸盐在硝酸盐还原酶的作用下易转变为亚硝酸盐，亚硝酸盐和人体肠胃中的胺类物质是合成致癌物质——亚硝胺的前体，这表明氮肥的大量施用也会对人体健康带来风险危害［15］。

1.1.2  无机磷肥对作物品质的影响  磷是核酸及核苷酸的主要组成成分，同时还是原生质和细胞核的构成要素，参与作物体内各种代谢过程。磷元素充足可以促进作物体内的物质合成与代谢，从而提高其产量与品质［15］。王建国等研究发现，施磷肥能使大豆蛋白质含量增加1.0%～1.5%，还可减少大豆中的棕榈酸和亚麻酸的含量，提高油酸含量［16-17］。但是，过量施用磷会导致某些微量元素缺乏，破坏土壤中的元素平衡，从而影响作物生长。张鑫尧等研究发现，降低20%的磷肥用量，籽粒蛋白质含量和谷蛋白质含量相应降低，但显著提高了微量元素（如Fe、Cu和Zn）的含量和生物有效性［18］。此外，磷肥对作物的增产效果明显低于氮肥、钾肥［15］。

1.1.3  无机钾肥对作物品质的影响  钾元素具有促进光合作用以及活化酶类的能力，有助于合成碳水化合物、脂肪和蛋白质。施钾肥可提高作物蛋白质、可溶性糖、维生素C、可溶性固形物和淀粉的含量，增幅分别为7.3%、19.3%、18.6%、8.7%和5.2%［19］。此外，施用钾肥也可以降低蔬菜中的硝酸盐含量，这可能是因为钾能够提高植物叶片硝酸酶的活性，从而降低硝酸盐的含量［20］。与氮肥、磷肥一致，钾肥施用量过高时，小麦对钾的过量吸收会引起土壤和作物体内的氮钾比例失调，影响各种元素间的平衡，进而导致小麦籽粒品质降低［21］。

1.2  施用有机肥料对作物品质的影响

相较于无机化肥，有机肥养分全面、肥效稳定，可以提供植物所需的中量元素、微量元素以及氨基酸类、腐植酸类和酶类等有机态成分。有机肥按来源可分为动物源有机肥和植物源有机肥（表1）［22］。动物源有机肥主要是畜禽粪便（如富含有机质的羊粪、猪粪、牛粪）以及一些动物残体；植物源有机肥主要是农林废弃物，如秸秆类（如富含纤维素和木质素等大分子物质的玉米秸秆、小麦秸秆、豆秸秆和水稻秸秆）、粕类（如豆粕、棉粕、蓖麻粕、花椒粕等农产品加工产生的废弃物）以及菌糠类（如富含菌体蛋白质、维生素、微量元素及生长素的蘑菇渣、金针菇渣、平菇渣、杏鲍菇渣）［22-23］。

1.2.1  动物源有机肥对作物品质的影响  有机肥中丰富的有机成分是提高作物品质性状的关键，如氨基酸和葡萄糖、果糖、麦芽糖等水溶性糖都可作为有机养分被水稻所吸收［24］。羊粪、猪粪、牛粪等都是常见的动物源有机肥原料，有机质含量高，但纤维含量少，不易被分解，使用时需要经过充分腐熟发酵，利用高温杀灭潜在的病原菌、虫卵和杂草种子等风险危害。杜少平等研究发现，对比化肥处理，牛粪、鸡粪、猪粪类有机肥均显著提高了西瓜中心、边缘的可溶性固形物含量和维生素C含量［25］。

施用有机肥也可以提高生菜糖酸比，同时显著降低硝酸盐含量，在改善作物口感、提高品质和减少潜在癌症诱发风险方面具有重要作用（表2）［26］。此外，动物残体有机肥对葡萄果实的生长和提质效果都优于牛羊粪肥类有机肥［27］。

1.2.2  植物源有机肥对作物品质的影响  在茶叶生产中，施加菜子饼有机肥能显著提高茶叶的氨基酸含量，与空白组相比提高13.49%［28］。Benítez等研究发现，橄榄饼肥施入土壤后，胡椒叶片的磷含量由1.5 g/kg增加至4.5～5.7 g/kg，而钾含量由51 g/kg增加至65～85 g/kg［29］。高量菌渣配施低量无机肥可显著提高丹参中迷迭香酸和紫草酸含量［30］。此外，植物源有机肥对作物的抗病能力也会产生积极影响。菌渣有机肥能有效延缓黄瓜枯萎病的发病时间和病情发展，提高黄瓜抗枯萎病能力［31］。陆方燕等对比动物源和植物源有机肥对藏红花生长和产量的影响，发现植物源有机肥对藏红花的增产率更高，但其成本也更高，综合考虑产量和成本因素，施用动物源有机肥比不施有机肥增加5.3%的收益（表3）［32］。施用有机肥也可以有效减少作物中硝酸盐的累积，周焱等研究发现，施用有机肥后小白菜的硝酸盐含量减少19.4%，菠菜的硝酸盐含量减少22.8%，可能是因为生物降解有机物是一个渐进过程，养分释放缓慢，适宜蔬菜对养分的吸收［33］。此外，有机肥中的多酚、糖、醛类化合物及羧基等成分能够吸附和固定肥料中的NH+4，抑制硝化作用，减少作物对硝态氮的吸收从而提高品质。

1.2.3  有机肥对土壤质量的影响  有机肥对作物生长环境的调节也是使其品质优于无机肥的原因之一。有机肥中的腐殖质具有重要作用，它能改善土壤结构，增加水稳性团粒，吸持、保存并转化养分，为土壤微生物提供能量，提高其活性并促进其繁衍［34］。张锐等对盐渍土进行改良，发现施用有机肥不仅能改善土壤物理性状，还能提高盐渍土的脱盐、抑盐能力，增加土壤胶体对盐分的吸附，降低盐分在土壤中的活性［35］。在对烟田进行连续4年施用猪粪和秸秆混合有机肥后，土壤中放线菌、硝化细菌、亚硝化细菌数量分别增加6.1、12.2、11.5倍，表明有机肥的施加显著提高了土壤中的微生物丰度［36］。有机肥通过供给土壤养分，增加微生物丰度和群落多样性，改善土壤物理化学性质，改良土壤质量，调节作物生长发育环境等方式最终以提升其品质。

1.3  施用微生物肥料对作物品质的影响

微生物肥料是一种通过微生物的代谢活动使农作物得到特定肥料效应的制品，它也被称为接种剂或菌肥，其中包括传统的固氮、解磷、解钾细菌，以及光合细菌、抗生菌和促进植物生长的根际细菌等。固氮菌和根瘤菌可以把空气中的氮气转化成植物可吸收利用的氮素养分，增加土壤中的氮素来源，溶磷菌、解钾菌可以将土壤中难溶的磷、钾分解并转变为作物能够吸收利用的速效磷和速效钾化合物，为作物生长提供充足的元素供应［37］。此外，微生物还可以分泌杀虫抗菌类物质，增强作物的抗病能力，以避免土传性病原菌的侵害，对作物品质和土壤质量调节均发挥正向作用。

1.3.1  微生物肥料对作物品质的影响  微生物的活动均衡了土壤中的养分供应，防止了作物对氮的过量吸收，进而提高蛋白质、糖分、维生素的含量，降低硝酸盐含量，作物品质得到明显改善。高效解钾菌可使黄瓜增产8.50%，可溶性固形物、可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白质的含量分别提高6.82%、2.78%、43.21%、20.90%［38］。对比常规施肥，单施或者按照不同比例配施根瘤菌和胶质类芽孢杆菌均能提高大豆蛋白质的含量［39］。微生物肥料也可以提高作物中的矿质元素含量，何建清等研究发现，根际促生菌配施半量化肥后，黑青稞籽粒的粗脂肪、磷、钾和锌的含量分别比全量化肥处理增加41.67%、11.31%、17.07%和55.86%［40］。增产菌的投加除了能促进棉纤维强度和长度之外，还可使人体所必需的5种氨基酸平均增加13.2%，且降低了人参斑点病和锈病的发病率，从而有效保证了人参的品质［41-42］。微生物肥料能改善作物品质，但是依赖单施微生物菌剂增产的效果不稳定，微生物菌剂在与化肥结合施用的条件下，各类微生物肥料的增产范围在12.2%～22.3%之间［43］。

1.3.2  微生物肥料对土壤质量的影响  微生物肥料内部含有的解钾、解磷等微生物通过自身的代谢活动可以溶解土壤中难以分解的钾、无机磷或有机磷等物质，土壤逐渐吸收微生物分解出的有益物质，进而实现自身肥力的恢复，促进作物生长发育并改善品质［44］。刘晓倩等通过向植烟土壤中增施解磷菌、解钾菌生物菌肥，发现土壤中的过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性均显著提高，分别较对照提高40.2%、95.6%、119.4%和29.0%［45］。与此同时，微生物的活性特征还能有效分解土壤中重金属等有害物质，改善土壤盐渍化，中和土壤酸碱值以确保土壤内部生态系统的平衡。在添加比例为1.5%的真菌微生物肥后，镉（Cd）含量降幅最高达到63.9%［46］。接种功能菌剂后，丛植菌根真菌在Pb胁迫下能与小麦形成良好的共生关系，有效缓解Pb对小麦的毒害，促进作物的生长发育［47］。

1.4  施用污泥肥料对作物品质的影响

污泥中含有许多有益养分，如作物生长所必需的N、P等元素以及蛋白质、多糖、腐殖质、核酸和脂质等营养物质，这些物质对作物的生长发育和品质提升均发挥积极作用（表4）［48］。我国在污泥农用方面采用了多种施肥方式，如污泥直接施用、污泥堆肥、污泥与有机肥/无机肥复混等传统农用方式，以及通过碱热水解提取有益养分形成高氮液体肥料等新型农用方式。

1.4.1  传统污泥农用对作物品质的影响  Mohamed等研究发现，相比施用化肥的植物，施用30、60、120 t/hm2 污泥后的向日葵产量分别提高2.4、 5、 8倍［49］。施用城市污泥后，种植的水稻、小麦和玉米蛋白质含量比对照均有所提高［50］。污泥水培有利于提高大叶木耳菜中维生素C、叶绿素和可溶性蛋白质含量，且效果好于有机营养液［51］。此外，污泥施用有效改善了作物的生长环境，增加了土壤中有机质、全氮、全磷、碱解氮和速效磷的含量，活化了土壤氮磷钾，提高了有机碳含量和全氮固存率，降低了土壤pH值和容重［52］。周东兴等研究发现，单独施用城市污泥15、30、 60 t/hm2 后，土壤的速效氮含量分别增加32%、128%、213%，施用污泥混合堆肥后，土壤速效氮分别增加47%、242%和345%［53］。适当的污泥施用可以促进大豆增产并增加其营养成分含量，但污泥浓度超过一定限度以后，作物产量及营养成分会有所下降［50］。

1.4.2  污泥基营养激励素对作物品质的影响  污泥基营养激励素（sewage sludge-derived nutrients and biostimulants）是将污泥通过碱热性水解生产富含蛋白质、多肽、氨基酸、腐殖质等有机养分以及Ca、Fe、Mg、Zn等植物必需微量元素的高氮液体肥料（图1）［53］。在碱性和高温环境下，可以加速活性污泥细胞的破裂、胞外聚合物絮凝体的分解和有机物的降解，显著提高蛋白质的溶解速率。养分丰富全面的污泥基营养激励素可以促进作物生长，提高酶活性，使作物对养分的转化吸收更加高效，在改善作物品质方面发挥重要作用（图2）。Tang等使用发芽指数评估这种液体肥料的效果，发现污泥基营养激励素的发芽率几乎是原始污泥的2倍［54］。污泥基营养激励素对作物的光合能力和抗氧化能力均有积极影响（图3），显著降低了重金属含量（Cr、Ni和Pb），且其靶标危害系数（THQ）评估值均小于1，说明污泥基营养激励素处理后作物对人体的潜在健康风险不明显［55］。与无机化肥相比，土施污泥基营养激励素可以提高番茄的维生素C含量，降低可滴定酸和硝酸盐的含量，从而提高糖酸比，改善番茄的口感风味与营养品质［56］。

1.4.3  污泥基营养激励素对土壤品质的影响  污泥中原有的病原菌在碱热条件下灭活，重金属沉淀， 因此污泥基营养激励素对土壤带来的重金属风险远低于传统污泥农用方式。污泥基营养激励素可以增加作物对碳捕获和同化能力以提供能量，增加生物碱和茉莉酸含量以提高抗病能力，调节氮同化能力以促进氨基酸的合成和转化，与传统化肥相比具有更强的增强抗氧化能力、二氧化碳固定促进潜力、抗病性和氨基酸代谢能力（图4）［55］。此外，污泥基营养激励素的施加提高了土壤中参与碳、氮循环的微生物群落活性，减少了土生单胞菌（Terrimonas）和慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）等反硝化细菌的相对丰度，对土壤质量的调节发挥正向作用，还具有降低土壤N2O排放的潜力［56］。施用污泥营养激励素对作物生长发育都具有良好的效果，相关生理生化指标均有一定程度的提高，促进了土壤对速效养分的吸收，提高了收获物的品质和产量。

2  施用不同类型肥料面临的问题

2.1  无机肥料施用现状及存在的问题

化肥多是无机化合物，只能给作物提供无机养分，并且成分单一。长期和大量施加极易导致作物营养失调，影响其体内物质的转化与合成，从而导致作物品质下降。此外，N、P、K等一些化学物质易被土壤固结，使各种盐分在土壤中积累，造成土壤板结酸化，对作物生长环境产生不利影响。土壤微生物主导着土壤生命活动，通过调节养分循环、分解有机质、影响土壤结构等功能而抑制植物病害和提高植物生产力［57］。土壤微生物利用的碳源主要是糖类、羧酸类、氨基酸和聚合物，而单施化肥的土壤尤其是氮肥的土壤微生物代谢活性和群落功能多样性下降，无机养分无法为土壤微生物的健康循环提供支持。有研究发现，施用化肥后土壤微生物数量多于空白土壤，但是其土壤微生物群落DNA序列的丰富度、均匀度及多样性指数都有所降低，这说明化肥施用很可能会引起某些土壤微生物的富集和一些物种的消失［58］。土壤质量直接关系到作物生长发育状况，进而影响作物的产量和品质。

过量施用化肥还会带来大量的环境问题，磷肥也会在水土流失的作用下进入水底成为淤泥；氮肥中的硝态氮施入农田后，难以被带负电的土壤团聚体所吸附，因此易在降雨和灌溉的条件下径流至地表水中，不仅通过渗漏污染地下水，并且加剧了湖泊水体的富营养化程度［59］。董章杭等研究发现，地下水中的硝酸盐含量与同区氮肥施用水平呈正相关关系，氮肥过量施用是造成地下水硝酸盐污染的根源［60］。此外，农业生产会导致大量温室气体（N2O和CH4）的排放，氮肥的施用是造成农业源N2O排放的首要因素［61］。

2.2  有机肥料施用现状及存在的问题

有机肥养分全面，但相较于化肥其养分物质含量相对较低，单独施加并不能满足作物生长发育的营养需求，从而导致增产效果不明显。在同等氮磷钾施加量条件下，早稻单施有机肥较单施化肥产量降低了8.1%［62］。有机肥料中养分多为有机态或缓效态，需要一定的时间进行发酵分解转化为速效态才能被作物吸收利用。未腐熟的有机肥直接添加会对作物生长产生不利影响：发酵时产生的热量会引发植物出现“烧苗”现象；未腐熟的粪便在分解过程中消耗土壤中的氧气，使土壤暂时性处于缺氧状态，作物的生长发育同时也受到了抑制［63］。

目前许多研究对于有机肥施用会带来土壤重金属积累问题已达成共识，特别是铅、砷、汞等元素，在施用等氮量有机肥后发现其在土壤、果蔬中均表现出较强的积累性，并直接导致果实中Pb含量超标［64］。顾思婷研究发现，有机肥部分替代氮肥施用后，黄松土Cd含量降低的同时显著增加了As含量［65］。畜禽粪便类有机肥中残存的抗生素施入土壤后不仅破坏土壤中微生物的生态平衡，且会富集在植物体中进入食物链，土壤的抗生素累积与有机肥施用量呈显著正相关关系［66］。另外，有机肥施用后的土壤剖面20 cm以下土层仍能检测出一定量的抗生素，表明有机肥施用造成的抗生素污染不仅存在于土壤表层，还有可能向下迁移造成地下水污染［67］。

有机肥虽然来源广泛，但其施用量巨大，施用过程中费时、费力、不卫生。化肥在市场上的价格高于有机肥等天然肥料，但按单位面积养分投入成本（购置成本、运输成本和施用成本）折算，发现化肥的投入成本更低［68］。因此，需要采取相应的措施对有机肥品质进行严格管控，以保障作物品质和土壤质量安全。

2.3  微生物肥料施用现状及存在的问题

微生物肥料可以通过微生物作用增加土壤中可利用营养元素的含量，提高植物对肥料的利用率，在实际农业生产中取得了较好的效果［69］。微生物通过固氮酶发挥固氮作用，可将环境中的氮素固定。然而氮源丰富时，氨阻遏机制将发挥作用，抑制固氮酶活性和微生物固氮作用［70］。微生物菌种在研发过程也受众多因素的影响（表5）［71］。大规模生产微生物肥料时，需要考虑到孕育剂的问题，孕育载体需要保证可持续供应、无毒无害且不易受环境影响。在运输过程中，也要保障微生物细胞的活性。评价微生物肥料的关键指标之一接种的成功率，要求引进的接种剂不仅要保证存活，还要具备竞争力成为优势种群［72］。此外，微生物增殖需要合适的生长条件，对环境的要求高于化肥和有机肥，因此要考量土壤的温度、湿度、酸碱度等环境因素。我国微生物肥料生产目前还存在着许多问题，如产品活菌数低、品种少、效果不稳定、成本和价格较高等，以及该产业中存在大量鱼龙混杂、参差不齐和知识产权受侵害等现象，这也在一定程度上阻碍了微生物肥料的产业化推广。

2.4  污泥肥料施用现状及存在的问题

国内外大量的研究充分肯定了污泥农用对作物品质和土壤质量的提升效果，但这些污泥肥料还存在着由于重金属污染、病原体危害、难降解有机物等因素导致的负面效应。盆栽试验表明，随着发酵污泥施用量的增加，土壤和蔬菜中的重金属含量也出现增加趋势［73］。长期大田试验表明，城市污泥长期土地利用对玉米、小麦、大麦、白菜和番茄这几种作物均存在重金属污染风险，且部分重金属的含量超过食品卫生标准［74-75］。根据土壤重金属累积模型预测，施肥比例为10%的林地在连续施肥11年后，土壤重金属含量将会超标（图5）［76］。污泥有机污染物中还存在大量病原微生物（如寄生虫卵和肠道传染病毒）和多环芳烃类化合物（PAHs）等，土壤中的PAHs总含量在6.3～33.3 mg/kg之间，市政污泥中PAHs总量在2.27～143.80 mg/kg之间，当污泥和化肥配合施加后，土壤中PAHs总含量明显提高［77-78］。

污泥基营养激励素的产生过程中，污泥细胞在强碱和高温环境下破裂，胞外聚合物絮体的分解和有机物的降解，使包括蛋白质在内的营养物质溶出，再通过闪蒸使污泥中原有的一些病原菌灭活、重金属沉淀，经过固液分离后上清液中含有N、P、K等植物生长所需的大量元素，还包含Ca、Fe、Mg、Zn等植物生长所必需的微量元素。污泥基营养刺激素中重金属含量低于农业土壤金属限量标准，且其中的病原菌灭活、有机污染物降解，对农田风险危害小；污泥基营养刺激素富集污泥中的有益养分，施加方式更加简便高效，间接降低了污泥的运输成本。因此，污泥基营养激励素作为化肥和有机肥的替代品可以提高作物品质，对农业可持续发展意义重大，但其对作物品质和土壤质量的影响机制还有待深入分析。

3  总结与展望

肥料是影响作物品质的重要因素之一，化肥速效养分含量丰富、增产效果显著，但其养分单一，过量施用导致作物的糖酸比、维生素C含量下降，口感风味与营养品质变差，还会造成土壤板结酸化、水体富营养化、增加温室气体排放等一系列环境问题。有机肥所含营养物质全面且养分多呈有机态，对作物品质的调节发挥积极作用，还可以补充土壤有机质含量，但其肥效长、施用量大、施用费时费力不卫生，长期施用可能造成土壤重金属累积和抗生素污染等风险。微生物肥料可以表达特定的肥料效应，通过微生物分泌多种生理性物质，直接刺激和调节作物生长，还可以活化土壤养分，间接改善作物生长环境和作物品质，但是单施微生物肥料的增产效果不稳定，研发高效型微生物菌剂成本高。污泥含有大量N、P、K和蛋白质、多糖、腐殖质、核酸和脂质等营养物质，都会对作物生长发育和品质改良发挥积极作用，农用潜力巨大，但是传统的污泥农用方式引发的土壤重金属积累和病原菌污染问题，以及污染物可能造成危害性是限制污泥农用的最大障碍。

污泥基营养激励素是通过碱热水解从污泥中提取的高蛋白质肥料，营养价值高于无机肥料，无重金属、病原菌残留，投加量较有机肥和传统污泥农用方式更小，投加方式更简便卫生，对环境的要求与研发成本均低于微生物肥料，农业应用前景广泛。现关于污泥基营养激励素投入农业使用的研究还较少，寻找合适的施用量或与其他肥料联合施用形成高效环保的“绿色肥料”，及其对作物品质和土壤质量的影响机理有待深入发掘。

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