施用生物有機肥對土壤特性、作物品質及產量影響的研究進展

張奇 張振華 陳雅玲

摘要：生物有機肥是利用動植物殘體作為發酵底物，經無公害處理后，添加某些特定有益微生物，腐熟處理后生產出的一種肥料。本文概述了生物有機肥對土壤理化性質的作用效果，以及對作物產量、品質的影響，同時指出了我國生物有機肥應用中存在的問題，并提出了相應的解決辦法。

關鍵詞：生物有機肥;土壤理化性質;微生物;作物品質;產量

中圖分類號： S158 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0071-06

生物有機肥具有營養多樣性和綠色無害性的優勢和特點，但實際使用過程中生物有機肥的推廣一直不理想，很大一部分原因是人們對生物有機肥的了解不多。本文主要總結有機肥的生產、分類、特點，著重綜述施用生物有機肥對土壤特性和作物品質、產量影響的研究進展，并指出生產和應用中的問題，提出了后續研究的重點。

1 化肥的使用現狀及存在的問題

自20世紀50年代起，化肥在我國被逐漸推廣應用，化肥的施用對我國農業增產增收效果顯著，但存在的潛在危害也逐漸顯現。據統計，1979年我國化肥的使用數量為10.86萬t，2013年激增到59.12萬t[1]，人均占有糧食從297.7 kg增長到444.0 kg，增幅達49%，成功解決了我國民眾的溫飽問題。由此可見，化肥的使用確實對增產有顯著的效果[2]，但增產背后是過度使用帶來的一系列問題。經科學統計及計算，我國化肥的利用效率為39.8%[3]，相較于歐美等發達國家50%左右的利用率，我國施用化肥的利用率顯然偏低。過量施用的氮肥會被土壤中的硝化細菌和亞硝化細菌轉變為硝酸鹽，蔬菜和飼料作物在生長過程中不斷吸收產生的硝酸鹽，使之進入食物鏈，最終進入人體[4]。而過量的化肥會隨降水等下滲，導致地下水污染[5]。長期過量施用化肥會對土壤造成嚴重的不良影響。有研究顯示，長期單施化肥會造成土壤各粒級的水穩性團聚體及有機碳含量出現不同程度的降低[6];長期施肥會導致植物根系分泌物含量發生變化，影響土壤微生物的生長環境，間接導致土壤動物的數量、種類發生變化[7];適量的氮肥有助于根系微生物數量、種類的增長，而過量的氮肥會導致微生物的生長受到抑制，造成微生物數量與多樣性顯著下降[8-9]。為保證農業和土壤的可持續發展，應逐步改善長期單施化肥的局面，積極推廣應用有機肥料，并將二者合理配合施用。

2 有機肥的定義及分類

有機肥，俗稱農家肥，是指將各種動、植物廢棄物如糞便、秸稈、落葉等通過特殊工藝去除有害物質、達到無害化標準的一類肥料。生活中常見的有機肥多用畜禽糞便如牛糞等[10]，通過堆肥制成。常見的有機肥如農家肥料，主要利用家畜糞便進行堆積發酵制成。利用糞便制成的有機肥具有刺激性氣味，但所含物質種類豐富，除了含有常見的氮、磷、鉀元素外，還富含鈣、鎂、鐵、鋅、硼、錳等多種礦質元素，可滿足作物不同生長周期的需求。秸稈有機肥主要以小麥、玉米等的秸稈為原料;秸稈富含有機質、氮元素，經發酵制成的有機肥可作為化肥替代品，不僅對農業廢物進行了二次利用，并且避免了秸稈燃燒造成的環境問題，同時帶來了經濟效益。三葉草是一種典型的綠肥，種植三葉草等植物可以有效保墑，生長期的根系可以進行生物固氮，成熟期又可翻壓培肥土壤。沼氣發酵肥主要利用各種果渣及果園修剪的枝條經堆腐發酵而成。生物有機肥是將微生物與有機肥結合，以動植物殘余物為基質，進行無害化處理和分解后的一種肥料;微生物的加入大大豐富了有機肥的成分，提高了養分有效性;同時也使其在土壤改良方面更加具有針對性，例如土地酸堿改良，減少或降低土傳病害的發生等。

3 生物有機肥的特點與優勢

生物有機肥由有機肥衍生而來，它的優點和有機肥相同;首先它的原料來源廣，從最原始的畜禽糞便[11]，到作物秸稈，再到現在的城市污泥、沼液沼渣、餐廚垃圾等，都已成為生物有機肥的原材料，不僅解決了生產問題，還消除了廢棄物引起的環境污染等難題;其次生物有機肥養分成分多樣，包括各類營養元素、小分子酸等，能滿足植物生長的各種需求。與化肥相比，生物有機肥可以改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，對土壤無不良影響。此外，充足的養分能提高作物產量與品質，改善植物根系周圍的微生物環境，從而提高植物的抗病性;與普通有機肥相比，生物有機肥的好氧發酵技術可以使物料的理化性質穩定無害，特有的除臭工藝在氣味的處理上具有明顯效果[12]，完全腐熟的過程能確保蟲卵死亡率達95%，可以有效避免土傳病害的發生;與生物菌肥相比，生物有機肥價格更具有市場競爭力，同樣成本條件下，生物有機肥能為土壤補充更多的有機質，促進土壤養分的釋放。

4 生物有機肥對土壤理化性質的影響

土壤理化性質主要包括pH值、有機質含量、土壤容重、土壤孔隙度和土壤團聚結構。

4.1 生物有機肥對土壤容重及孔隙度的影響

土壤容重是評價土壤緊實度的常用方法。容重過大會導致土壤滲透性和透水性差，阻礙植物生根;過小則會引起有機質分解速度過快，植物扎根不牢。胡誠等通過不同方式處理低產黃泥土，考察土壤腐殖質組成及結合形態、土壤理化性質、雙季稻產量的變化，結果顯示，生物有機肥處理組的土壤有機質、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量和陽離子交換量均高于化肥處理組[13]。張金妹等的研究同樣顯示，生物有機肥的施用可以降低土壤容重[14-15]。土壤容重對土壤入滲能力有很大影響，土壤入滲能力與土壤儲水量和容重呈負相關關系[16]。由此可知，施用生物有機肥能明顯提高土壤的蓄水能力。土壤孔隙度是孔隙體積與土壤體積的比值。合理的孔隙度有益于土壤儲存水分，促進植物的生長。曲成闖等的研究顯示，隨著施肥量的提高，生物有機肥處理組的土壤總孔隙度有所提升，土壤中的各項水力學指標增大[17]。

4.2 生物有機肥對土壤pH值及有機質含量的影響

作為土壤的重要物理指標，土壤pH值通過影響土壤肥力來影響植物生長[18]。不適宜的pH值會抑制土壤養分的相互轉化。研究表明，向鹽堿地中施用生物有機肥可以有效降低土壤pH值[19-20]。長期以來，鹽堿地的pH值一直較高，導致植物減產。生物有機肥的施用可以降低土壤pH值。胡誠等在長期的生物有機肥研究中得出，隨著有機肥投入量的增加，堿性土壤的酸堿度降低[21]。由此可知，長期施用生物有機肥可以有效降低鹽堿地的土壤pH值。土壤有機質泛指土壤中一切源于生命的物質，它是植物生長過程中營養物質的主要來源，其含量是衡量土壤肥力的常用指標[22]，與土壤養分的供應[23-24]和物理性質的改善以及土壤侵蝕的預防有著重要的關系。因此，在一定范圍內土壤有機質含量越高，土壤性質越好[25]。生物有機肥是由生物殘體經發酵處理后添加特定微生物產物制成的，因此，施肥后土壤有機質含量會有所增加。長期施用生物有機肥，不僅能提高土壤有機質含量，還能使有機質含量保持在相對穩定的水平[26-27]。有研究顯示，土壤pH值與有機質含量存在一定的關系[28-29]。相關試驗表明，一定程度上土壤pH值與有機質含量呈負相關關系[30-31]。

4.3 生物有機肥對土壤養分的影響

氮、磷、鉀是主要的土壤養分。而土壤大部分養分存在于不溶性礦物及有機質中，這些物質作用較晚，很難被作物吸收?？晒┍炯咀魑镂绽玫挠行юB分僅占土壤質量的0.005%～0.100%，它們存在于水溶液中，吸附在土壤膠體表面。在一定條件下，這種緩效養分和速效養分能夠相互轉化。土壤速效養分含量是指土壤中水溶性養分含量與交換性養分含量的總和，常用于表征土壤養分供應強度。速效養分是植物營養元素的主要來源，直接影響著作物各個階段的生長?？诐葘Ρ攘伺＜S有機肥與生物有機肥對土壤速效養分的供應情況，結果顯示，施用生物有機肥處理組的速效養分含量顯著增加[32]。這是因為生物有機肥中含有大量的木霉菌，堆肥過程中會產生大量的低分子有機酸，使土壤中的氮、磷、鉀被活化，速效養分含量提高。土壤理化性質直接影響作物對養分及水分的吸收。前述研究表明，有機肥能明顯改善土壤理化性質，促進植物生長。

5 生物有機肥對土壤生物及生物活動的影響

5.1 生物有機肥對土壤動物的影響

土壤生物是指生存在土壤中活的有機體。研究中常將其分為土壤微生物和土壤動物兩大類。土壤生物作為土壤環境的重要組成部分，它在土壤肥力的形成與演化、高等植物的營養供給等方面起著重要的作用。因此，它們種類、含量的變化對土壤有一定的影響。研究表明，土壤的基本理化性質與土壤動物的數量和種類密切相關，土壤動物通過調節土壤中細菌、真菌的類型來改變土壤養分循環[33]。土壤生物類群數會隨著土壤養分含量的增加而增長，隨土壤pH值增大而下降[34]。無脊椎動物在促進團粒結構的形成和穩定中起到了重要作用[35]。陽文銳的研究顯示，施用生物有機肥可以有效增加土壤中蚯蚓的數量[36]。蚯蚓會通過吞噬土壤中富含有機物的土壤顆粒，分泌含有大量含碳氮養分的復合物及水分[37-38]，這些分泌物可為植物和微生物的生長提供營養。有研究顯示，蚯蚓的吞噬作用能顯著提高土壤有效養分的含量，進而提高土壤肥力[39]。除取食、消化、排泄、分泌等過程外，蚯蚓還可以通過掘穴等非取食活動發揮其生態功能[40]，這對改善土壤微環境具有積極意義。除了對土壤礦化具有促進作用及可改良土壤結構外，土壤動物對凋落物的分解作用也會引起土壤中木質素、纖維素、半纖維素、氮、磷等有效成分濃度的變化[41-42]，從而豐富土壤養分。

5.2 生物有機肥對土壤微生物的影響

土壤微生物數量龐大，在土壤養分轉化的過程中具有至關重要的作用。微生物與土壤礦物質的相互作用，可以改變礦物質與微生物的活性，從而提高土壤環境活力[43]。有研究顯示，土壤細菌的數量與pH值呈顯著正相關關系[44]。細菌的最適生長pH值為6～8[45]，生物有機肥能有效保證土壤pH值保持在這個范圍中。土壤微生物量作為一項衡量土壤養分的指標，能有效反映土壤養分轉化率，是分析土壤生物質量變化的指標[46]。薛菁芳等的研究顯示，微生物碳、氮量與土壤全碳、氮量呈極顯著相關關系，可以作為評價土壤肥力的指標[47]。田小明等的研究結果顯示，在中、低肥力土壤中施用生物有機肥，可顯著提高土壤微生物碳、氮含量[48]。施用生物有機肥可以提高土壤中真菌與細菌生物量的比例。而真菌與細菌生物量的比值可以用來評價土壤生態系統的健康和穩定程度，比值越高說明土壤健康程度越高[49]。作為土壤中最活躍的有機碳、氮素儲備庫，微生物碳、氮的轉化速度是普通生物殘體的10倍，它能在極短的時間內為土壤提供大量的碳、氮養分，滿足動植物的生長所需。生物有機肥能有效地提高土壤微生物碳、氮含量，但不同耕作層的效果不同，其中對0～15 cm耕層土壤的提升效果最明顯。

5.3 生物有機肥對土壤酶活性的影響

酶是環境中的有機體產生的一種代謝產物。作為一種蛋白質，酶能催化一系列的化學反應，推動土壤的代謝[50]。土壤中常見的酶有脲酶、磷酸酶等。土壤脲酶能促進尿素向氨的轉化，相關的研究表明，尿素酶活性與氨、總氮含量存在顯著的正相關關系，土壤脲酶與土壤養分含量存在顯著或極顯著相關性[51-52]。因此，可將土壤酶活性作為衡量土壤肥力水平的指標。研究表明，增施有機肥能提高土壤中脲酶的活性;土壤磷酸酶能促進土壤有機磷向無機磷的轉化[53]，它能保障土壤內源無機磷的含量，磷酸酶活性提高能顯著增加土壤有效磷的含量[54]。有研究證明，生物有機肥處理組與其他肥料處理組相比能有效提高土壤磷酸酶的活性[55]?？偟膩碚f，生物有機肥有助于提高土壤生物的豐富度。土壤生物作為土壤養分的分解轉化者，通過吞噬咀嚼、分解動植物殘體，使之不斷降解;土壤生物運動時會翻動、攪拌土壤，可促進土壤團粒結構的形成，在穩定土壤肥力上具有積極作用。

6 生物有機肥對作物產量及品質的影響

植物生長分為營養生長和生殖生長。營養生長是指植物的根莖葉等部分的生長;生殖生長是指植物發育到一定時期后開花、授粉、受精、結果形成種子的過程。生物有機肥對不同作物不同時期的生長都具有顯著的促進作用。

6.1 生物有機肥對作物生長及產量的影響

王立剛等發現，施用生物有機肥可以促進作物的良好生長，提高植物光合作用效率[56]。長期施用生物有機肥有助于作物產量的持續穩定提高。當生物有機肥施用量為 15 000 kg/hm2 時，小麥產量分別比常規、對照處理高1 808.14、3 652.39 kg/hm2，夏玉米產量分別增加2 668、5 062 kg/hm2。鄧接樓等研究顯示，生物有機肥更能促進小白菜的生長發育，小白菜的生長量分別比復合肥、尿素處理高5.4%、18.4%，比未施肥的白菜高34.0%，且差異極顯著[57]。周艷等研究顯示，施用生物有機肥可大幅度提高水稻株高、有效穗數、實粒數、產量[58]。此外，對番茄、黃瓜、甜瓜、魚腥草等不同作物的研究均顯示，生物有機肥能發揮良好的增產作用[59-61]。生物有機肥增產、促生長的效果是多方面的：首先，它自身的疊加效應能長期為土壤提供各種營養元素;其次，生物有機肥富含有機質，植物可以直接吸收某些可溶性有機物中的氮、磷成分，一些特殊的微量元素為植物特定時期的生長提供了保證[62]，也為增產打下基礎;生物有機肥在發酵過程中會產生一系列有益的生理活性物質如吲哚乙酸（IAA）、神經節苷脂（GA）、氨基酸、核酸、尿囊素等[63]，這些植物激素能有效促進根系生長、細胞分裂分化以及單性結實。

6.2 生物有機肥對作物品質的影響

賀蘭山東麓是我國重要的釀酒葡萄產地，長期大面積種植葡萄導致當地土壤貧瘠，葡萄產量及品質均有所下降。郭潔等在此基礎上開展了生物有機肥施用試驗，結果表明，在一定范圍內，生物有機肥施用量與葡萄葉綠素含量、果實干物質和糖含量呈顯著正相關關系，并且能在一定程度上降低酸度，改善口感[64]。韋忠等在烤煙種植研究中發現，施用生物有機肥可以提高煙葉中的鉀含量，從而提高其抗病能力;同時，煙葉含糖量增加，香氣明顯改善[65]。對生姜的研究顯示，施用生物有機肥可以提高根莖干物質和揮發油等的含量，提高生姜品質，降低硝酸鹽含量[66]。李巨等的研究顯示，施用生物有機肥可以顯著提高果實硬度[67]。在小白菜、花生等作物上施用生物有機肥均能在一定程度上改善作物產量及品質。果蔬類品質的提升主要包括外觀品質、口感2個方面。生物有機肥對果實外觀品質的促進作用可能主要通過抑制病害來體現。崔仕春等的研究顯示，施用生物有機肥能促進小麥根系活力，使小麥葉片中苯丙氨酸解氨酶（PAL）、多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）等防御酶活性也有所提高;另外，對生物有機肥浸出液的分析表明，生物有機肥對小麥全蝕病菌有拮抗作用;而有機肥中的某些芽孢桿菌及代謝物能強烈抑制小麥全蝕病菌菌絲生長[68]。影響果蔬口感的因素有很多，除了晝夜溫差帶來的糖分累積外，還有研究顯示，某些酶活性的提高也能增加果實的甜度[69-70]，而生物有機肥具有提高生物量酶活性、促進生物生長的特點，但目前并沒有直接的試驗結果證明生物有機肥對果蔬口感的改良是由肥料促進酶活性引起的。

7 生物有機肥應用中存在的問題

生物有機肥在一些國家得到了廣泛的應用。在一些歐洲國家，生物肥的施用量占農業肥料總施用量的45%～60%，美國的生物肥施用量更高達60%～70%。由此可見，生物有機肥未來大有取代普通化肥成為主要農用肥料的可能。而在我國，生物有機肥的使用并不廣泛。造成這一現象的原因有以下幾個方面：首先，成本太高，生物有機肥的肥效大約為普通復合肥的1/8，施用同等面積的土地化肥只需要幾十千克，而生物有機肥則可能需要消耗幾百千克。其次，有機肥肥效比化肥見效慢，對于土壤的改良作用需要數年的時間，這對于普通農民而言不現實。我國雖然在農業上的扶持力度很大，但對于生物有機肥的推廣并沒有配套的政策，僅僅依靠收入微薄的農民很難完成，因此在我國大規模推廣生物有機肥的可能性不高。生物有機肥的優點很多，但如果僅施用生物有機肥，土壤肥力無法在短時間內迅速提高，所以在實際的應用中需要配施化肥來彌補生物有機肥肥效見效慢的缺點[71]。再次，我國現階段制造的生物有機肥功能單一，且肥效受環境因素影響較大，不同類型的土壤中存在的土著微生物不同，它們長期生存在較為穩定的環境中，土壤環境一旦發生改變可能會引起這些微生物死亡。因此將微生物添加到有機肥中再撒施到土壤中，可能會引起微生物的失活，使得在短期內無法體現出生物有機肥的優點。最后，生物有機肥的制造成本偏高。生物有機肥的制造技術在我國已經比較成熟，但面對目前如此龐大的市場，卻少有公司愿意制造生物有機肥，原因是制造與運輸的成本偏高，不便銷售。

8 小結和展望

生物有機肥作為一種綠色、多功效的土壤養分補充物，雖然目前難以普及，但隨著化肥過量使用危害的日益加重，生物有機肥的大面積推廣將是必然趨勢。生物有機肥可以在保肥土壤的同時改善土壤性質，并對農業廢棄物進行二次利用，有效解決生活廢棄物不經處理造成的環境問題等。生物有機肥的優點很突出，但也存在明顯的不足。首先就是肥效緩慢，其次雖然養分種類豐富，但氮、磷、鉀等元素含量與同等質量的化肥相比明顯不足。所以，生物有機肥與化肥配施時需要尋找到一個合適的比例。如此不僅可以有效地減少化肥的使用量，還可以降低生物有機肥的用量，削減成本。此外，生物有機肥的推廣需要相關政策的支持，如對農民購買生物有機肥進行經濟補貼，對制造肥料的工廠進行降稅甚至前期進行免稅扶持，以保證產業能持續發展。使用生物有機肥種植的作物品質比普通化肥更好。隨著社會的發展，人們對食品質量的要求越來越高，因此，適當提高生物有機肥種植作物的價格，將有助于提高農民的生產積極性。生物有機肥的最大優勢就是添加了有益微生物，但目前可添加的微生物種類有限，且對于某些肥料增產機制的研究還不夠，例如，果蔬品質的提升與肥料施用之間的關系等。如果能尋找到一種能顯著提高果實含糖量的微生物，將其加入到液體生物有機肥中后進行葉面施肥，或許能直接提升作物品質。

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