有機肥對水稻產量和溫室氣體排放影響的研究進展

周舟 王俊 張杏雨 劉立軍

摘要：水稻是我國最主要的糧食作物，稻田是農業溫室氣體的重要排放源。在水稻種植和研究中，有機肥因其有機質含量高、養分全面、肥效穩定等特性被廣泛應用。有機肥能夠改善稻田土壤的理化性質，改變土壤微生物的活性和群落結構，進而直接或間接影響稻田溫室的氣體排放。然而，有機肥種類繁多，不同類型有機肥對稻田土壤的作用機理及影響溫室氣體排放的機制存在一定的復雜性。本文以有機肥對土壤理化性質的影響為出發點，系統綜述有機肥對水稻根系、地上部生長、產量及其構成因素的影響，闡述有機肥通過改變土壤碳氮比以及土壤產甲烷菌、甲烷氧化菌等微生物活性等途徑，直接或間接影響稻田甲烷和氧化亞氮排放的生理機制，并闡述不同類型有機肥對稻田甲烷、氧化亞氮排放的影響。結合國內外研究進展，對不同類型有機肥增減排稻田甲烷、氧化亞氮能力的文獻進行梳理，提出未來有機肥對水稻生產和稻田溫室氣體排放關系的研究方向，以期為更好地揭示有機肥對水稻產量形成、稻田溫室氣體排放的作用機制及為稻田溫室氣體減排提供理論依據。

關鍵詞：有機肥；水稻；產量；溫室氣體；微生物活性；生理機制；研究進展

中圖分類號：S511.06文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）06-019-06

收稿日期：2023-03-24

基金項目：國家自然科學基金（編號：32071947、31871557）。

作者簡介：周 舟（1999—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事水稻栽培生理研究。E-mail：1924227671@qq.com。

通信作者：劉立軍，博士，教授，博士生導師，主要從事作物栽培生理與作物營養管理。E-mail：ljliu@yzu.edu.cn。

我國是水稻種植大國，水稻種植面積約為3.01×10⁷hm^2[1]。在水稻生產過程中需要消耗大量的肥料資源。近年來，隨著化肥用量的增加，土壤中有機質含量迅速提高，水稻產量也得到了顯著提高。然而過量或長期施用無機化肥，會導致土壤有機質存量下降，影響土壤微生物的活性，破壞土壤肥力^[2]。與普通無機肥相比，有機肥能夠改善土壤肥力，調控土壤與肥料養分的釋放強度和速率，提高作物的氮肥利用率，使作物在各生育階段得到穩定持續的均衡養分供給，從而促進作物生長，提高作物結實率和產量^[3]。

近年來全球氣候變暖問題愈發嚴峻，甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）等溫室氣體的濃度不斷上升。稻田作為農田溫室氣體的主要排放源，其CH₄、N₂O的排放總量高于其他谷物種植系統^[4]，約占全球農業生產活動CH₄、N₂O排放總量的15%、11%^[5]，對全球溫室效應的影響不言而喻?；实倪^量施用，使得產甲烷細菌、甲烷氧化細菌大量繁殖，硝化反應等一系列反應增加^[6-7]，導致CH₄、N₂O的排放量增多。已有大量研究表明，有機肥替代化肥施用，在一定程度上能夠減少溫室氣體排放。我國有機肥資源豐富，種類多樣，對水稻生長的影響不盡相同。鑒于此，本文綜述有機肥對水稻產量形成和稻田溫室氣體排放的影響，以期為水稻高效高產栽培和稻田溫室氣體減排提供理論與實踐依據。

1 有機肥概念及分類

有機肥是指主要來源于植物和（或）動物，經過發酵腐熟的含碳有機物料，其功能是改善土壤肥力、為植物提供營養、提高作物品質^[8]。根據有機肥的原料來源和生產方式，可將其分為農家有機肥、商品有機肥兩大類。

1.1 農家有機肥

農家有機肥是指人畜排泄物以及動植物殘體等有機物經過腐熟、發酵、漚制而形成的一種緩效肥料。農家有機肥種類繁多，主要分為糞尿肥、堆漚肥、綠肥、雜肥（表1）。

1.2 商品有機肥

商品有機肥是指以人畜糞便、動植物殘體等有機物料為主要原料，經過一系列物理、生物、化學技術處理，去除對農作物有害的物質后達到國家標準的有機肥料^[8]。商品有機肥主要由表1中1種或多種資源為原料加工生產而來。按照成分劃分，商品有機肥目前主要分為生物有機肥、精制有機肥、有機無機復混肥3類。

2 有機肥對土壤理化性質的影響

土壤理化性質是衡量土壤肥力的重要指標。土壤的pH值、孔隙度、容重、保水性能、硬度、團聚體結構等性狀直接影響水稻的生長發育和產量形成^[13]。Rendana等研究發現，與施化肥處理相比，施有機肥處理的土壤pH值顯著提高，說明施用有機肥可以緩解長期施用化肥造成的土壤酸化問題^[14]。施用有機肥，能夠增加土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤腐殖質。柳開樓等對不同土層深度稻田土壤的團聚體進行研究，發現有機肥能夠顯著提高0～20 cm土層土壤中各團聚體的質量百分比和平均質量直徑，團聚體結構的穩定性顯著提高，從而促進土壤磷素的供給^[15]。有機肥對土壤化學性質的影響主要表現為土壤有機質、銨態氮、磷、鉀等含量的增加，進而調節土壤的碳氮比^[16]。嚴建立等使用不同調理劑對低丘新墾耕地土壤的物理性狀進行改良，結果顯示，商品有機肥、水稻秸稈、紫云英可明顯提高土壤的有機碳含量^[17]。然而，有機肥可能存在重金屬含量超標^[18]，引發土壤重金屬污染，例如畜禽糞便就是我國南方地區土壤重金屬的主要來源^[19]。夏文建等對長期施用化肥、有機肥2種處理下稻田土壤的重金屬有效性進行研究，發現有機肥雖然提高了土壤的重金屬總量，但降低了有效態重金屬含量，從而降低了重金屬活性^[20]。

3 有機肥對水稻生長和產量形成的影響

施用有機肥能夠促進水稻根系的生長，這是因為施用有機肥之后，土壤通透性增強，水稻根系得以縱深發展，吸收更多養分，根系活性提高。趙紅霞等的研究表明，與施化肥相比，施有機肥能夠提高根系氧化力，從而提高水稻的抗逆能力^[21]。Perdani等對早稻施用生物有機肥，結果顯示，與化肥處理相比，有機肥處理的水稻須根大量增加，根系體積增大，水稻根系對養分的吸收利用效率得到提高^[22]。此外，有機肥富含胡敏酸、富里酸等物質，可促進作物根系呼吸，最終促進水稻根系生長^[23]。

有機肥對水稻地上部生長發育的影響，主要表現在對群體質量指標的影響上。與常規施肥相比，施用有機肥能夠促進水稻分蘗，增加葉面積指數，從而提高群體光合生產能力，增強光合產物的同化能力，促進干物質積累^[24]。懷寶東等研究發現，水稻分蘗末期之后，有機肥處理的分蘗數、凈光合速率、蒸騰速率、地上部干重、葉面積、葉長寬比等指標均得到提高，而在分蘗末期之前則低于常規施肥處理；可能是因為一次性施用全量有機肥會導致肥效釋放量過大，從而對植株生長發育產生抑制作用^[25]。此外，有機肥分解時能夠產出大量CO₂，促進水稻光合作用，顯著增加水稻葉片的SPAD值，從而促進水稻碳水化合物的累積^[26]。

合理施用有機肥是增加水稻有效穗數、穗粒數等產量構成因素的有效手段^[27]。施用有機肥能夠增加土壤的有機質、全氮、有效磷含量，促進水稻對土壤養分的吸收利用，從而提高水稻產量。戴競雄等探究長期施肥對水稻養分吸收利用的影響時發現，與不施肥相比，施用有機肥能夠增加水稻的每穗粒數，且籽粒產量增幅達到61.1%～97.7%^[28]。有機肥和無機肥配施情況下，水稻產量能夠進一步增加。楊勝玲等將有機肥與無機肥配施，結果表明，水稻地上部氮素總積累量顯著增加，且氮素轉運量對籽粒的貢獻率提高，有利于養分向籽粒轉運，從而提高水稻粒重，促進水稻產量增加^[29]。一般而言，有機肥中的養分釋放速率較慢，前期養分供應較少，不能滿足產量對養分的需求，而在后期養分釋放相對較多，能夠有效提高水稻的成穗率^[30]。但當有機肥完全替代化肥施用時，則會導致水稻抽穗期延長，最終造成作物產量降低^[31]。因此有機肥的施用量應當保持在適宜范圍內。

4 有機肥施用對稻田CH₄排放的影響

4.1 有機肥對CH₄排放的影響機制與途徑

4.1.1 通過向土壤提供產CH₄前體影響CH₄排放

有機質降解為產甲烷菌提供了豐富的前體物質^[32]。前人的研究表明，以乙酸為底物的微生物甲烷合成途徑是 CH₄產生的主要途徑^[33-35]，即乙酸鹽途徑：CH₃COOH→CH₄+CO₂。且有機肥施入后被土壤中的厭氧細菌逐步降解為簡單的糖類、醇、有機酸等小分子化合物，為乙酸鹽途徑提供大量的反應底物，最后產甲烷菌將這些前體物質轉化成CH₄。吳家梅等研究發現，施豬糞處理與施化肥處理無顯著差異，施豬糞處理的CH₄排放量相較于其他有機肥最低，其原因可能是豬糞中的有機碳主要以大分子形式存在，前期無法為產甲烷菌提供足夠的產甲烷基質^[36]。許多研究認為，與其他類型有機肥相比，秸稈直接還田對CH₄排放的影響最大且CH₄排放量最多，可能是因為秸稈直接還田時腐熟程度低，含有大量可供土壤微生物利用的有機物，為產甲烷菌提供了大量前體物質，從而提高土壤CH₄的產生和排放能力^{[1，37-38]}。

4.1.2通過改善土壤理化性質影響土壤微生物活性而影響CH₄排放

有機肥中有機質含量高，包含豐富的活性官能團，具有較強的氧化還原能力，降解后土壤氧化還原電位下降^[39]，導致土壤pH值升高；而有機質具有強大的緩沖能力，能夠調節土壤反應，促使土壤酸堿度趨于中性且保水能力提高，利于增強產甲烷菌的活性，并降低甲烷氧化菌的活性^[32]。然而，CH₄排放量是由產甲烷菌、甲烷氧化菌共同決定的，利于產甲烷菌的同時可能抑制甲烷氧化菌的活性。甲烷氧化菌活性受土壤含水量影響^[40]。蘇秦等在研究有機培肥對土壤水分的影響時發現，與不施牛糞處理相比，施牛糞處理的土壤貯水量增加15%左右，土壤持水能力的提高增加造成含氧量降低，從而使產甲烷菌活性增強而甲烷氧化菌活性降低，最終導致CH₄進一步產生與排放^[41]。此外，有機肥富含氮、磷、鉀等大量元素以及鐵、鈷、鎳、銅、鋅等微量元素^[42]，這些元素的輸入也會通過影響微生物的活性而影響土壤甲烷的產生與氧化^[43]，進而影響土壤CH₄的排放。

4.2 不同有機肥對CH₄排放量的影響

大量研究表明，CH₄的排放量受有機肥類型的影響較大，且不同類型有機肥處理下，CH₄的排放量不同。吳家梅等在等碳有機肥施入的情況下，發現稻草處理的CH₄排放量最大，而豬糞處理與化肥處理的CH₄排放量無顯著差異，雞糞處理的CH₄排放量最小，可能是因為雞糞的銨態氮含量較高，對CH₄的產生起到了強烈的抑制作用^[36，44]。與之相似，鄒建文等研究發現，與化肥處理相比，CH₄的季節排放總量從高到低依次為菜餅處理、秸稈處理、化肥處理、牛廄肥處理、豬廄肥處理^[45]。陳美慈等在盆栽條件下研究了紫云英和沼渣肥對產甲烷菌數量和CH₄排放量的影響，結果表明，綠肥的CH₄排放量大于沼渣肥^[46]。對前人研究進行總結，有機肥類型對CH₄排放量的影響總體表現為堆漚肥＞綠肥＞雜肥＞糞肥，其中油粕類雜肥的CH₄排放量最高，其次為秸稈堆漚肥，沼渣堆漚肥的CH₄排放量最小。有機肥種類對CH₄排放的影響機制十分復雜，也有許多學者認為有機肥的施用可以減少CH₄的排放。如沼渣經堆肥制沼氣后，其中可供土壤微生物利用的有機物已基本消耗殆盡，施用后CH₄排放增量大大減少。因而有機肥類型對CH₄排放的影響有待進一步研究。

5 有機肥施用對N₂O排放的影響

5.1 有機肥對N₂O排放的影響機制與途徑

5.1.1 通過調節土壤C/N直接影響N₂O的排放

稻田土壤N₂O的排放主要來自于硝化與反硝化過程^[47]，過程分別如下^[48]。

有機肥以NH⁺₄、NO^-₃這2種形式提供大量的無機氮，從而增加N₂O的排放量。如動物糞便向土壤提供大量的NH⁺₄，直接影響硝化群落的結構；施用后，肥料中的有效氮礦化也會逐漸釋放NH⁺₄^[49]，進而調節土壤C/N。有機肥的C/N與N₂O產生量呈正相關性；有機碳是反硝化基質，高C/N有機物料的有機碳含量高，因而硝化作用與反硝化作用更加活躍，N₂O的產生量也隨之更高。Wu等將不同有機肥與化肥配施，結果發現，豬糞、雞糞、稻草與化肥配施均會降低稻田N₂O的排放量，表現為豬糞、雞糞＞稻草，可能是因為稻草的C/N大，豬糞和雞糞的C/N小，稻草易于固定中的土壤有效氮，從而減少N₂O的排放；而豬糞和稻草則相反，易于礦化分解釋放有效氮，從而增加N₂O排放量^[50]。Chen等在研究作物殘渣改良劑對土壤的N₂O排放影響時發現，與未改良對照劑相比，作物殘渣改良劑通常會增加土壤的N₂O排放；效應大小與作物殘留物的C/N呈顯著負相關；當作物殘體的C/N<45時，作物殘體改良對土壤N₂O排放產生顯著的正效應；C/N為45～100時，產生輕微的正效應；C/N>100時，產生輕微的負效應^[51]。Chadwick 等進一步研究發現，當 C/N 為30 左右時，有利于 N₂O 的排放^[52]。

5.1.2通過影響土壤微生物活性間接影響N₂O的排放

有機肥提供不穩定的碳化合物，增加異養反硝化微生物的活性，并觸發N₂O的排放^[53-56]。Shi等在研究有機肥投入對氮循環功能微生物群落結構的影響時發現，異養細菌、硝化細菌同時存在的情況下，異養細菌的多樣性與有機碳源復雜程度呈正相關，且土壤有機碳不僅是反硝化過程中非常重要的電子供體，也是異養細菌重要的能量來源^[57]。農田土壤中的NH⁺₄在硝化微生物的作用下轉變為NO^-₃，施入有機肥提高了土壤有機碳含量，而C/N較高時，異養細菌生長更快且會與硝化細菌競爭有效氮，硝態氮含量增加，從而間接導致N₂O排放量的增加^[58-59]。

5.1.3 有機肥對N₂O排放量的影響

稻田 N₂O 的排放不僅受到外源C、N 供應水平的影響，而且與有機肥料的種類有關。由于有機肥種類眾多，因此前人的研究結果不盡相同。在眾多有機肥類型中，秸稈具有低氮量、高C/N 的性質，能夠顯著降低土壤 N₂O的排放，因而有關秸稈還田的研究最為普遍。卜容燕等研究發現，秸稈還田后，稻田中N₂O周年累積排放量顯著降低25.32%^[60]。魏宗輝等的研究顯示，綠肥處理的早稻、晚稻N₂O排放量分別降低69.1%、7.3%，蠶沙處理的早稻、晚稻N₂O排放量分別降低86.3%、67.2%^[61]。肖倩等研究發現，水稻在不同有機肥處理下，N₂O 排放量表現為尿素＞人糞、雞糞＞豬糞＞不施氮肥、牛糞，其原因是不同種類的有機肥供氮能力存在差異^[62]。

近10年研究（表2）表明，有機肥施入能夠減少稻田N₂O的排放，但對CH₄的影響存在爭議，可能是由于其制備原料、腐熟程度以及氣候等因素不同，故對稻田溫室氣體的排放效應各不相同。

6 研究展望

提高水稻產量、促進稻田溫室氣體減排，對我國環境保護和農業可持續發展有著極為重要的意義。有機肥的施用對稻田溫室氣體排放、水稻產量等影響已有一定的研究成果，但由于有機肥種類繁多，對溫室氣體排放的影響機制十分復雜，目前仍存在許多爭議。針對目前研究中存在的主要問題，今后應加強以下幾個方面的研究。

6.1 有機肥對水稻根系形態生理的影響

筆者所在課題組關于水稻根系形態生理與稻田甲烷排放關系的初步研究表明，根系形態生理指標如水稻根干重、根長、根系氧化力、根系分泌物等與孕穗期稻田CH₄的排放通量均呈極顯著負相關，水稻根系分泌物中的琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸可促進根際土壤甲烷氧化菌的豐度與活性，降低外源碳輸入，減少產甲烷基質，從而減少CH₄的產生^[69-70]。目前針對有機肥對水稻根系形態生理影響的研究較少，僅有部分研究表明，有機肥能夠提高根系氧化力，富含促進根系生長的胡敏酸、富里酸等物質，因而有機肥對水稻根系分泌物的影響亟待研究，對溫室氣體減排具有重要意義。

6.2 有機肥對根際、非根際土壤微環境的影響

施用有機肥能夠激活土壤中的有益菌群，提高硝酸還原酶的活性，提高土壤微生物量氮含量，同時顯著提高土壤微生物量碳和微生物的生長速率，從而影響外源碳氮的代謝能力。而根際和非根際土壤中根系分泌物的差異，導致微生物的碳源利用效率對有機肥的響應特征不同，因而對溫室氣體排放的影響存在差異。目前這方面的研究還比較少，以后應進行更加有針對性和必要性的研究。

6.3 生物有機肥對土壤性狀和溫室氣體排放的影響

近年來，隨著研究者對土壤微生物的深入研究，一些土壤碳循環、氮循環相關功能性細菌如固氮菌、溶磷菌等逐漸被認識，生物有機肥中含有150多種此類有益微生物，有益微生物進入土壤后與土壤中微生物形成相互間的共生增殖關系，抑制有害菌生長并轉化為有益菌，有益菌在生長繁殖過程中產生大量的代謝產物，促使有機物分解轉化，從而產生多種營養和刺激性物質，改善土壤的物理、化學、生物特性，直接或間接影響作物生長和溫室氣體排放^[71-73]。但整體來看，功能性微生物仍處于探究階段，生物有機肥對土壤性狀和溫室氣體影響的研究極少，因此，在后續的研究中應系統地對其進行分析與探討。

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