有机肥施用对土壤环境潜在风险研究进展

武升, 邢素林, 马凡凡, 甘曼琴, 张俊森, 马友华



有机肥施用对土壤环境潜在风险研究进展

武升, 邢素林, 马凡凡, 甘曼琴, 张俊森, 马友华*

安徽农业大学资源与环境学院, 合肥市 230036

施用有机肥是培肥地力、改良土壤的重要方式, 有机肥在提高土壤供肥能力和作物产量、改良作物根际生态环境、改善作物的营养品质及抑制病虫害发生等方面具有重要作用, 但施用有机肥也会带来一定的土壤环境风险。对规模化养殖来源为主的有机肥施用带来的土壤环境的风险进行了综述。未腐熟的有机肥施入农田易出现烧苗、病虫害等问题, 对农田作物环境造成不利的影响; 规模化养殖场畜禽粪便生产的有机肥存在重金属、抗生素和激素残留的现象, 施入农田具有一定的重金属和有机污染物污染的风险; 此外, 有机肥的不合理的施用还存在农田氮磷流失, 可能会对水体造成富营养化的风险。通过分析有机肥对土壤肥力及环境风险的影响, 为农业生产中有机肥的合理施用提供借鉴, 在降低环境风险的同时达到培肥土壤与提高作物产量和品质的目的。

有机肥; 土壤; 作物; 环境风险

0 前言

施肥是农业生产中提高土壤养分水平的重要方式之一, 在我国近40%农作物的增产依靠化肥的投入[1]。但长期不合理的化肥投入, 导致肥料不能有效的被作物吸收利用, 还引起耕地地力的下降和农田生态环境破坏[2]。有机肥在农业生产中具有重要地位, 是生产绿色有机食品的主要肥料来源。相关研究表明, 有机肥施用可以显著地提高土壤养分有效性和农田土壤保水保肥能力[3–4], 改善土壤物理化学性质, 调节土壤碳氮比[5], 促进微生物生长繁育、提高土壤微生物活力[6–7]。长达26年的田间定位试验结果显示, 有机无机肥能从土壤物理、化学及生物等方面综合提高土壤养分供应能力[8]。而农业有机废弃物的肥料化处理是其综合利用的重要方式[9]。动植物残体及畜禽粪便中含有丰富的有机质等养分, 是生产商品有机肥的重要来源[10], 但畜禽粪便、动植物残体中同时存在重金属、抗生素残留的问题, 不合理施用有机肥会造成农田面源污染, 破坏生态环境平衡[11]。

在未来大力发展有机肥料部分替代化肥和传统有机肥, 是保护生态环境、促进农业可持续发展的重要措施和必然趋势[12]。因此, 研究有机肥对土壤肥力、作物产量品质、环境风险的影响, 对发展现代有机农业, 生产绿色或有机农产品, 促进农业可持续发展具有重要意义。

1 有机肥对土壤肥力与作物产量品质的影响

1.1 有机肥对土壤肥力的影响

农田施入有机肥可充分改善土壤物理化学性质、提高土壤田间持水量、增加土壤水分库, 抑制土壤水分蒸发、增加土壤的保水和保肥能力, 有利于作物对水分吸收利用。大量长期实验结果表明, 有机肥施用可增加土壤有机质, 进而显著增加土壤的矿化氮, 作物产量增加明显。有机肥的施入有助于土壤有机质含量的提升[13–14]。相关研究表明, 在南方双季水稻区连续5年施用有机肥土壤有机质较5年前分别提高了18.5%和37.1%[15]。侯红乾等[16]研究表明随着有机肥施入量的提高土壤速效磷也不断上升。并且对土壤pH值具有调节作用, 有助于提高土壤的缓冲能力[17]。有机肥和无机肥料配合施用效果更佳, 还可以提高化学肥料的利用率。李晨华等[18]认为化肥配施有机肥能提高土壤微生物的数量, 增加微生物种类的丰富性。有机肥的施用不仅能够为土壤中的微生物提供丰富的碳源和氮源, 促进了其生长繁殖, 还能够有效提升养分有效性, 有利于土壤肥力的改良与提升[19]。有机肥作为一种缓效肥料富含植物必需的大量元素、微量元素, 长期施入有助于提高土壤肥力。

1.2 有机肥施用对作物产量品质的影响

有机肥配施有利于提高农作物的产量和品质。有机肥具有养分完全, 供肥持续稳定, 有机肥有利于增加水稻穗长及穗粒数, 提高水稻实粒数和千粒重, 能够有效降低水稻空秕粒。我国100多个5年以上的定位试验研究表明, 施用有机肥与不施有机肥比较, 平均增产率为12.8%。杨长明等[20]通过对比试验表明有机无机肥配施有利于促进水稻籽粒养分的富集, 进而提高水稻籽粒产量, 这与多人的研究结果基本一致[21–22]。秦德荣等[23]研究表明随增施有机肥有利于提高水稻干物质日产量。陈贵等[24], 陈帅君等[25]研究得出商品有机肥的增施, 不仅可以提高产量, 还就有提高水稻精米率, 降低垩白粒率, 改善稻米的外观及口感品质[26]。茶园施入有机肥对提高土壤肥力, 有助于提高茶园茶叶氨基酸、咖啡碱和水浸出物的含量, 使茶多酚含量略有降低, 有利于提高茶叶产量与口感品质[27–28]。

2 未腐熟畜禽粪便有机肥施用潜在风险

腐熟不完全或未腐熟的有机肥施入土壤中会造成作物烧苗烧根、种子不发芽、增加作物病虫害的发生等危害[29]。未腐熟的有机肥料中有大量的病原菌及害虫, 不加处理施入农田会引起病虫害的产生、提高作物发病率, 不利于农业生产[30], 果树上施入未腐熟鸡粪易引起果树根部根结线虫的病害, 阻碍了水分、养分的运输, 使果树死亡。未发酵的生粪施入农田后容易再次的腐熟发酵, 发酵产生的热量易引起植株的烧苗现象的产生, 甚至导致绝产绝收, 对农业生产造成严重的不良影响[31]。其次是在腐熟分解的过程中产生大量的有毒有害气体(甲烷、氨等), 可导致土壤内部及作物本身产生酸害和作物根系的破坏。尤其在棚室内, 危害更为严重。腐熟不完全或未腐熟的粪肥施入土壤中大量有机物质分解消耗土壤氧气, 易造成植物缺氧, 不利于作物正常的生长发育[32–33]。未腐熟的有机肥料未经处理直接使用, 具有体积大, 有效成分低的弊端, 肥料中的养分大多是有机态或缓效态形式存在, 作物无法有效吸收利用, 施用到农田中具有一定潜在风险。有机肥生产企业或单位在生产时应不断提高生产技术水平, 提高有机肥生产产品质量, 严格进行产品质量管控, 避免因施用腐熟不完全或未腐熟的有机肥对农田作物环境造成不利的影响[34–35]。

3 有机肥对土壤重金属积累风险的影响

规模化养殖厂畜禽粪便生产的有机肥施入农田存在一定程度上的重金属污染风险。畜禽粪便是制作有机肥料的重要原料, 而部分大中型禽畜养殖场的饲料中重金属含量普遍存在超出相关标准的情况[36], 特别是如铜、锌、铬、铅和镉的量超标现象严重, 加上畜禽的生物富集作用导致排泄的粪便中重金属含量较饲料还高[37–38]。有研究表明, 英格兰与威尔士地区农业土壤中Zn、Cu的主要来源之一是畜禽粪农用, 约占到农业土壤Zn、Cu 总输入量的37%—40%、8%—17%。估计中国畜禽粪便农用输入农田土壤的Cu、Cd、Zn分别占到总输入量的69%、55%和51%。相关研究表明, 长期施用有机肥提高了土壤Zn和Cd的有效性, 增加农田重金属污染风险[39]。同时有报道, 在我国东北地区耕地中因施入畜禽粪便增加了农田中重金元素铜污染的风险。宋琳琳等[40]通过田间试验研究表明, 土壤中生物有效态的Cd和Zn含量随着有机肥的施入呈不断增加的态势, 残渣态Pb的含量也相应上升。另一方面也有研究结果报道, 施用有机肥有助于对土壤重金属的有效性的降低, 如张琴[41]通过不间断施入有机肥后研究发现: 相对于试验开始前土壤中重金属 Hg、Zn、Cd 的有效态均有不同程度的减少。造成这种研究报道结果不一致现象的原因是施入有机肥的种类不同, 有机肥因原料的不同其营养元素及有毒有害物质含量具有差异性, 应针对不同农田土壤重金属污染状况分析与评价[42]。在今后的研究中, 应关注不同有机肥品种增施下的长期田间小区定位试验与大田示范结果的对比性研究。在农田施用有机肥时应明确有机肥的原料来源、有毒有害物质含量等, 从源头控制, 避免因增施用有机肥对农田的重金属等污染风险。

4 有机肥对土壤有机污染物积累潜在风险的影响

大中型规模化养殖厂产生畜禽粪便已经成为有机肥生产的重要原料, 其生产的有机肥在使用范围广泛, 但同时给土壤环境带来一定程度的抗生素污染风险。目前, 世界上大约50%的抗生素应用于养殖业, 而40%—90%的药物又通过粪便排泄出来。规模化养殖场中因使用的饲料中含有多种添加剂和兽药进入禽畜体内, 在部分畜禽粪便中检测出较高的有机氯、新霉素等有机污染物的存在。而这些富含抗生素等有机污染物的粪便生产的有机肥施入土壤后易被蔬菜等作物富集, 人食用后不利于身体健康, 抗生素污染风险问题已受到人们的广泛[43–44]。

中科院广州地化所应光国课题组通过对我国58条重要河流及部分省份的主要养殖场抗生素使用进行调查, 研究表明抗生素主要通过人畜排泄至环境中, 每年有超过5万吨抗生素经各种途径进入水土环境中, 对水土环境造成严重污染。陈昦等[45]通过对江苏省养殖类型的养殖场畜禽粪便取样分析研究报道, 养殖场对磺胺类药物具有较高的使用率, 特别是磺胺二甲嘧啶、磺胺氯哒嗪等检出率均高于50%。这些有机污染物不加任何处理随粪便作为有机肥腐熟后施入农田, 势必会对生态环境造成不良影响。张慧敏等[43]通过对采样浙江北部区域的畜禽粪便样及施用畜禽粪肥的土壤分析测定表明: 施用畜禽粪肥农田表层土壤中土霉素、四环素和金霉素的平均检出值分别是未施畜禽粪肥耕地土壤的38、13和12倍。80%以上的畜禽粪便没有经过综合无害化处理而被施于农田, 具有较高生态环境安全风险。如果经常大量施用未综合处理的畜禽粪肥, 必将导致土壤抗生素淋溶概率[46]。粪肥中还含有一些被称为环境激素(内分泌干扰物质)的持久性有机污染物, 如有机氯农药、多环芳烃等, 对土壤和水体环境也可能带来一些环境风险, 而有机污染物的降解需要的时间漫长且降解的过程十分复杂与困难[47–48]。因此, 含有无机污染物的畜禽粪便没有经过无害化综合处理或仅仅进行简单堆肥处理就施用到农田环境中必将带来较高的土壤生态环境污染风险。

5 有机肥对土壤氮磷流失的影响

农田过量施入有机肥, 存在农田氮磷流失, 可能会对水体造成富营养化的风险。有机肥施入农田后增加土壤氮磷素流失风险[49–50]。有机肥氮磷流失及其对面源污染的影响已受到广泛关注, 英国洛桑试验站长期定位试验的监测结果表明, 有机肥的施用会导致土壤中硝态氮的积累, 增加向水体淋失的风险。随后, 大量的研究表明, 过量有机肥的施用会直接导致硝态氮和磷在土壤中的积累, 并且随着施肥年限的增加而积累加剧, 增加向水体的淋失。相关研究报道: 有机肥的使用是导致农田是磷径流流失的直接原因之一, 不间断的施入有机肥将导致磷素在土壤剖面不断累积[48]。当土壤对磷的吸附能力到达一定程度后, 将导致磷元素的淋溶风险[51–52], 导致地表水及地下水中磷元素含量的上升。有机肥施在易发生径流流失的土壤环境中必将增大农田氮、磷流失风险[53–54]。

目前, 在我国对有机肥引起的农田氮磷流失研究中主要是根据大数据统计计算, 根据环保等政府部门的统计数据进行建模预估, 在分析预估中计算的方法及方式各不相同, 缺乏定量的标准, 且不能比较时空演变特征[55–56]。武淑霞等[57]根据全国统计数据与现场农户调查数据相结合的方式, 对农田畜禽粪便发生量时空变异特征进行研究。目前, 我国对农田施用有机肥对水体富营养化影响的研究报道不多[58], 而农田有机肥氮、磷流失机理的室内模拟试验及田间原位实证性试验也刚兴起[59–60], 王涛[61]在云南滇池流域进行田间原位模拟, 研究表明农田氮磷的流失与有机肥量显著正相关。而在英国等国家, 经过长期研究后, 政府已经明确有机肥施用时必须远离饮用水源或水源地, 并规定每年10月至第二年2月期间农田禁止使用流质厩肥, 以减少淋溶及径流造成的面源污染[62]。在我国, 政府相关部门也应根据当地实际情况, 对农户进行有机肥科学高效使用的技术指导。根据不同种植类型下各种作物品种的需肥特性指导农户对有机肥施用的时期、施用的方式及施用量等方面进行科学的技术指导, 以减少因有机肥不合理的施用带来的环境污染风险。

6 展望

目前, 商品有机肥生产标准里尚无对抗生素、激素等指标的要求, 应将有机污染物等监测指标纳入。应加强规模化养殖场饲料添加剂及兽药的监管, 从源头上减少规模化养殖场畜禽粪便作为有机肥原料带来的重金属及有机污染物污染风险; 对有机肥原料和产品中的重金属、有机污染物等有毒有害物质进行严格限制, 完善商品有机肥生产检测标准; 全面认识和评价不同有机肥在不同地区、不同土壤类型及作物种类的施用效果和机制, 以减少因有机肥不合理的施用带来氮磷流失, 造成面源污染的风险。加强有机肥料市场准入的管理, 建立健全有机肥安全施用的配套技术, 应根据不同地域及农业生产条件, 对施肥的用量、时间、方式进行施肥指导, 大力推广果树茶有机肥养分替代, 走有机与无机相结合道路, 从而降低有机肥施用所带来的潜在环境污染风险。

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Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, GAN Manqin, ZHANG Junsen, MA Youhua*

College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei,230036, China

Application of organic fertilizer is an important way to improve soil fertility. Organic fertilizer plays an important role in supplying nutrients, increasing crop yield, improving crop rhizosphere ecological environment, promoting crop nutrition quality and inhibiting pest and disease occurrence. However, there are some soil environmental risks with the application of organic fertilizers. The risk of soil environment caused by the application of organic fertilizers from the large-scale breeding sources was reviewed. The application of unfertilized organic fertilizer to farmland is prone to problems such as burning seedlings, pests and diseases, and adversely affecting cropland environment. There are heavy metals, antibiotics and hormone residues in the organic fertilizer produced by large-scale farm livestock and poultry manure with certain risk of heavy metal and organic pollutant pollution in the farmland.In addition, the unreasonable application of organic fertilizer also causes the loss of nitrogen and phosphorus in the farmland, which may raise eutrophication of the water body. By analyzing the effects of organic fertilizers on soil fertility and environmental risks, it can provide reference for the rational application of organic fertilizers in agricultural production, and achieve the purpose of fertilizing soil and improving crop yield and quality with reducing environmental risks.

organic fertilizer; soil; crop; environmental risk

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.029

X53

A

1008-8873(2019)02-219-08

2018-03-19;

2018-04-24

国家重点研发计划项目(2016YFD0800503)

武升(1991—), 男, 安徽萧县人, 硕士研究生, 主要从事农业资源与环境研究, E-mail: 1916684369@qq.com

马友华, 男, 博士, 教授, 主要从事农业资源与环境研究, E-mail: yhma@ahau.edu.cn

武升, 邢素林, 马凡凡,等. 有机肥施用对土壤环境潜在风险研究进展[J]. 生态科学, 2019, 38(2): 219-224.

WU Sheng, XING Sulin, MA Fanfan, et al. Review on potential risk of soil environment from organic fertilizer application[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 219-224.