化肥减量增效技术及其农学、生态环境效应

邱子健，申卫收*，林先贵

（1.南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008）

20世纪以来，化肥的大量施用使全球粮食产量大幅增长［1］。我国作为化肥生产大国，化肥施用量约占世界总量的1/3，化肥为我国粮食增产贡献40%以上［2］。长期以来，我国化肥施用偏重氮、磷肥，多数地区钾肥供应不足［3］，目前氮肥在果蔬等经济作物上的过量施用较为普遍，而部分地区磷肥施用也存在过量的情况。与此同时，我国化肥利用率总体偏低，如三大粮食作物对氮、磷、钾肥当季平均利用率仅分别为33%、24%和42%［4］。国内粮食主产区化肥施用强度也已超过生态经济适宜量［5］，区域不均衡现象十分明显。不合理的施肥造成我国农产品安全、环境污染及资源浪费等问题日益突出，因此科学施用化肥尤为必要。

随着农业集约化、规模化、机械化和生态化的发展，化肥减量增效技术已获得广泛的研究与应用。发达国家一般通过结合作物栽培管理，采用测土配方施肥、水肥一体化、新型肥料等技术，并与现代农业机械相结合，有效提高肥料利用率，实现化肥减量增效。现阶段国内化肥减量增效主要以“精、调、改、替”的技术路径进行示范推广，但技术、产品发展水平仍较发达国家滞后。本文系统归纳了化肥减量增效技术，并全面总结了减施化肥的农学、生态环境效应，以期为我国化肥减量增效、地力提升和生态环境保护提供科学依据。

1 我国化肥施用现状及与其他国家的比较

我国作物种植强度大，复种指数高，作物产量长期依赖化肥的大量施用。截至2015年，我国化肥施用量已达历史最高，为6022.6万t。随着国家化肥减量增效战略的提出，2016年化肥施用量首次出现负增长，到2019年已持续降低至5403.6万t。

近年来，全球化肥施用量呈波动上升的趋势（图1）。印度的化肥施用量仅次于我国，2018年已达2737.5万t。其次是美国、巴西，巴西近年化肥施用量有所上升，从2009年的754.0万t增至2018年的1698.8万t。德国、英国、日本和韩国施用量低，其中德国更是从2014年起出现负增长。全球化肥施用强度则相对平稳（图2）。其中我国化肥施用强度远高于其他国家，2016年后略有下降。韩国施用强度仅次于我国，而英国、日本施用强度相近，均稳定在240 kg·hm-2左右；巴西近年施用强度不断攀升，2018年达267.5 kg·hm-2；德国施用强度整体稍高于印度，2014年后逐年降低；美国化肥施用强度较低，接近全球平均强度。

图1 2009～2018年全球及部分国家化肥施用量变化

图2 2009～2018年全球及部分国家化肥施用强度变化

化肥的过量、连续施用造成了我国农业和环境效益降低。在我国增施化肥的作物增产效应早已减弱［6］，而多地氮肥偏生产力则低于30 kg·kg-1［7］，化肥利用率普遍不高。较低的化肥利用率使大量养分在土壤中残留或以各种形式损失，并对我国生态环境，尤其是土壤健康产生损害，例如导致土壤酸化、板结、生物多样性降低、土壤结构破坏、肥力下降、重金属污染及土传病害加重［3-4，8］，加剧氨、温室气体的排放［1，9］，造成水体富营养化及地下水硝酸盐等超标［10-11］，最终经食物链等途径威胁人体健康。此外，过度依赖化肥施用消耗大量矿产资源，促使原材料价格上涨，种植成本增加［3］，而因作物养分失调引起的农产品品质下降也会影响销售，进一步限制了我国农户的持续增收。因此，当前我国农业实施化肥减量增效具有重大意义。

2 化肥减量增效主要技术

2.1 精准施肥

2.1.1 测土配方施肥

测土配方施肥是以土壤测试和田间试验为基础，根据作物需肥规律和土壤供肥性能进行施肥的方法。配方肥在科学指导下施用以补充作物所需营养元素，优化了养分配比和施肥管理措施，实现养分平衡供应，提高肥料利用率，保障作物生长，从而减少农业面源污染、改善农产品品质、节支增收［12-13］。我国施肥量在不同地域、作物间差异较大，测土配方施肥作为基础手段，可以更具针对性地起到促进化肥减量增效的作用。

2.1.2 养分专家系统

养分专家系统（Nutrient Expert）是基于计算机推荐施肥的决策系统，结合4R养分管理原则和田间试验，根据目标产量、土壤性状、气候条件及养分管理措施等生产信息，生成特定空间尺度的施肥建议，实现数据可视化，在亚洲粮食作物施肥上应用较多［14-15］。黄晓萌等［14］发现在长江流域冬小麦生产中，按养分专家系统推荐施肥比习惯施肥降低26.6%、13.3%和12.9%的氮、磷和钾肥用量，具有良好的效益。柳开楼等［16］研究显示，双季稻区采用养分专家系统推荐施肥较习惯施肥，氮、磷、钾肥可分别减施24.86%～34.43%、15.97%～44.75%、60.35%～74.02%，产量、养分吸收量和化肥偏生产力也均有提升。

2.2 调整化肥施用结构

2.2.1 优化大量元素配比

作物的养分需求因区域、作物品种和管理水平而表现出较大差异。在测土配方施肥及植物营养诊断基础上，通过调节化肥氮磷钾配比，合理组合肥料养分，可以提高化肥利用率，减少过量的化肥施用。我国20世纪的化肥试验网试验早已充分证实，大量元素配施效果普遍优于单施。我国化肥施用偏重施氮，而复合肥氮磷钾配比也无法满足不同种植区作物养分需求，导致养分特别是钾供应不足。在缺钾土壤增施钾肥可以提高黄瓜、葡萄等果蔬产量，减少病害，提高经济效益［17-18］。

2.2.2 配施中微量元素肥料

中微量元素适量施入被人们长期忽视，造成我国土壤中微量元素缺乏［19］。我国中微量元素肥多是微量元素水溶肥，以锌、锰、硼等组合为主，涉及59种作物［20］。中微量元素是重要的植物营养元素，补充中微量元素也能提高粮食产量［21］。相较于传统矿物盐微量元素肥，一些新型元素肥的养分利用率更高，如萃取植物残体制成的微量元素肥料等［22］。一般而言，混施多种元素相比单施一种元素效果更好。例如，多种微量元素混施对葡萄产量、品质均有提高［23］。黄忠阳等［24］发现减施20%大量元素化肥配施中微量元素肥、氨基酸水溶肥可提高西瓜可溶性固形物含量、单瓜质量。

2.3 改进施肥方式

2.3.1 机械化深施肥技术

机械深施包括底肥、种肥和追肥深施，能有效减少化肥损失、提高作物单产，并降低劳动强度［13，25］。欧美国家因劳动力匮乏，机械化水平高，大型作业机械数量多，化肥深施更为普遍。2018年，我国机械深施化肥面积已达3527.0万hm2，有利推动了农业节本增效。研究表明，机械化深施可使粮食作物等增产300～675 kg·hm-2，化肥利用率则可提升至40%～45%［25］。Pan等［26］也发现与人工表施相比，机械深施氮肥可显著提高水稻产量和氮肥利用率。而在我国鲁东南花生种植中，利用配方肥结合机械深施每公顷可减少300 kg的复混肥用量［27］。

2.3.2 水肥一体化技术

水肥一体化技术是水肥耦合的高效管理措施，水肥经管道等输送到作物根区供作物吸收利用，可显著提高水肥利用率，保障作物产量［28］。水肥一体化主要包括滴灌、微喷灌、膜下滴灌3种模式，其中微喷灌应用最广，2016年我国微喷灌应用面积已达995.4万hm2［25］。水溶性肥料是实现水肥一体化的重要基础，分为滴灌肥、冲施肥、叶面肥［29］，其中喷施叶面肥是实现“立体农业”的重要方式。我国水资源匮乏，需依靠节水灌溉技术扩大灌溉面积。在我国，水肥一体化目前普遍应用在西北、华北、东北、华南地区，西北干旱、半干旱区的膜下滴灌施肥技术最为成熟。水肥一体化技术如能合理应用，能在节肥 20%～50%、节水35%～60%的同时提高产量10%以上［25］。

2.4 有机肥替代化肥

2.4.1 农牧废弃物有机肥替代化肥

畜禽废弃物还田曾是我国有机物料资源化的重要方式。我国畜禽粪尿总量大，替代化肥潜力大，如2015年产生的畜禽粪尿中氮、磷和钾养分（折纯）资源量分别达1478.0万、901.0万和1453.9万t［25］。畜禽粪肥替代化肥的比例和用量合理能缓解土壤养分累积、避免养分淋洗或径流损失［30］。姚冬辉等［31］发现猪粪商品有机肥能分别替代早、晚稻16.4%和15.0%的化学氮肥来维持水稻产量，还能分别减施化学磷、钾肥47.3%、34.3%。Jin等［32］调查发现，我国种养结合农户比例从1986年的71%急剧下降到2017年的12%。事实上，对农业种养结构优化配置，发展高效的生态循环农业也能促进减肥增效，例如猪菜同生（同一棚舍内利用发酵床养猪并种植蔬菜，产出有机肥回收利用）等生产模式。秸秆还田也是减肥增效的重要措施之一，包括翻耕、高茬及覆盖的直接还田方式和堆肥、过腹及堆沤的间接还田方式两大类［25］。2014～2018年，我国三大粮食作物秸秆年均产量为65386.6万t，全量还田氮、磷和钾养分（折纯）当季释放量分别为294.0万、194.1万和1083.9万t［33］。不过，秸秆还田通常前期效果差，较长时间后才能表现出促进作物生长的作用［34］。秸秆通过堆肥能减少腐殖质中铁、铝和钙的氧化物对磷酸盐的吸附，提升无机磷酸盐的有效性［35］。此外，农牧废弃物等在沼气池中发酵所得沼渣、沼液等作为沼肥同样能替代化肥。高杰云等［36］指出沼肥部分替代化肥施用后，设施蔬菜有所增产。

2.4.2 有机无机复混肥替代化肥

无机化肥主要提供速效养分，有机肥则增加土壤有机质并改善土壤结构和质量，但二者单一施用均难以实现农业的可持续性。因此，结合无机、有机肥的优势可以更好地适应现代农业发展需求。有机无机复混肥是利用秸秆、畜禽粪便等有机物料经人工发酵而成的新型肥料，具有养分全面、利用率高、增产提质、培肥土壤、原料来源广泛的优点。据王新平等［37］报道，有机无机复混肥与传统复合肥相比，提高了土壤有机质含量，在减肥的同时还提高了肥料利用率。

2.4.3 绿肥替代化肥

绿肥作为清洁有机肥源，经翻压、覆盖或轮作、间作、套种等方式以新鲜绿色植物体为肥料基础［38］，次生环境风险低。其中豆科绿肥根部存在根瘤菌，其固氮能力强，一般可以从大气中固氮75～150 kg·hm-2，约等同尿素225 kg·hm-2的作用［39］。绿肥可以提升参与养分转化相关的微生物生物量和酶活性，促进养分循环周转，其替代化肥的最优比例取决于土壤肥力、耕作制度和作物种类［40］。我国可供绿肥种植的闲置耕地空间约有4600万hm2，稻区、华北、西北、西南闲田种植翻压绿肥均有减施化肥的潜力［41］。种植绿肥可有效解决中低产田、水土养分流失等问题，改善土壤理化性状，促使有益微生物大量繁殖，提高土壤有机质含量，从而减少化肥投入［42］。目前，鉴于豆科绿肥的高效固氮能力，国外已有在作物中添加固氮酶基因或让作物与固氮微生物建立共生关系的技术研究，用于替代化肥［43］。

2.4.4 生物肥料替代化肥

生物肥料是以有益微生物活动产生肥效的新型肥料，主要包括微生物菌剂、复合微生物肥料和生物有机肥，通常具有培肥改良土壤、改善土壤微环境和促生抑病的作用。国际根瘤菌接种产业发展较早，国内目前主要开发根瘤菌、联合固氮菌、溶磷菌、解钾菌和促生菌等生物肥料［44］。与菌剂等不同，生物有机肥是特定功能微生物与经无害化处理、腐熟的有机肥结合形成的复合肥料［45］，微生物以有机质为载体，施入土壤中更易存活，效果更好。微藻肥是近年来的研究热点，其具有固氮、固碳和分泌植物生长激素等特性，在作物促生、土壤培肥改良，尤其在荒漠化、盐渍化土壤修复治理方面作用积极［46］。例如蓝藻肥，因蓝藻固氮能力强，死亡分解的化合物可供作物利用，抑制杂草萌发，环境风险低，其肥效也比化肥、有机肥更稳定持久［47］，有助于化肥减施。

2.5 其他重要技术

2.5.1 施用缓控释肥料

缓控释肥是减缓肥料养分释放速率且比普通化肥长效的肥料，其养分释放特性易受植物营养特性、土壤性质、肥料性质、水分、温度等环境因素的影响［48］，具有养分利用率高、节肥省工、环境负荷轻等优势［49］，多应用于蔬菜、水稻等作物上。新型缓控释肥结合包膜新材料、纳米技术和添加信号物质等技术可实现肥料养分释放速率与作物养分吸收同步，常见类型包括稳定性肥料、脲甲醛缓释肥、硫包膜尿素等。其中稳定性肥料是一类添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂或共同添加起到减缓尿素水解及硝化过程的缓控释肥［50］，而抑制剂常以嵌入包裹材料内或液体肥料形式施用［51］。20世纪80年代后，日本研制以包膜尿素为代表的新型缓效肥料，其氮素利用率可达80%以上［52］。一些新型纳米材料包裹的缓控释肥也可以提高氮素利用率、土壤残留氮、作物产量［51］，具备减肥增效的应用价值。

2.5.2 投入氮肥增效剂

氮肥增效剂可以调节部分土壤氮循环相关的酶活性，减少氮损失，具有减施氮肥的作用，主要包括脲酶抑制剂、硝化抑制剂和氨稳定剂［53］。其中脲酶和硝化抑制剂能通过抑制土壤脲酶活性减缓尿素水解和抑制铵态氮向硝态氮转化以提高氮肥利用率，脲酶抑制剂常用的有正丁基硫代磷酰三胺、对苯二酚等，硝化抑制剂则多用双氰胺、3，4-二甲基吡唑磷酸盐等［50，54］。氨稳定剂研究较少，多为无机酸类、有机酸类、无机盐类、钙盐类化合物，可改善土壤理化性状，提高土壤对氮素的吸附性能，减少氨挥发等损失［53］。宋燕燕等［55］研究表明，减氮配施硝化和脲酶抑制剂对作物产量、品质、养分吸收均有促进作用，并使土壤、植株中硝态氮累积减少。

2.5.3 推广养分高效作物品种

养分高效品种指在特定养分供应条件下产量较高的品种，分为适合高养分投入的品种和耐低养分品种两大类［56］。筛选、培育高产、低氮需求的高效作物品种可起到减少氮肥施用和环境风险的作用［57-58］。由于该类品种大多不适应高氮环境［59］，因此客观上也更能促进化肥减施，值得将来深入系统地研究和开发。Zhang等［60］研究表明，我国高产超级稻品种需氮量低于普通自交稻和杂交稻品种，适合低氮投入的生产条件。Cong等［61］则指出磷高效作物品种可以通过提高磷吸收效率、利用效率、根际磷活化率和降低种子磷浓度，减少磷肥用量，并能降低环境负荷以及提高食物和饲料的微量营养元素。

3 化肥减量增效的农学效应

3.1 对主要粮食作物产量与品质的影响

在稻田中，有机肥替代化肥施用通过改变土壤氮素供应状态、根系形态和调控水稻氮素吸收和植株氮素分配过程来影响产量［62］；而酸性土壤、温暖潮湿的气候和长期连续施肥条件对产量有明显的促进作用［63］；但因有机肥质量等问题，稻米和稻壳中部分重金属含量存在随着有机肥施用而增加的风险［31］。绿肥和稻草联合利用有促进水稻增产的作用［64］；但由于稻草碳氮比高，氮、磷含量较低，易造成水稻生育前期氮素供应不足、返青期延长、分蘖期推迟而造成减产［65］。对于旱地作物小麦，有机肥替代化肥能提高籽粒整个生育期氮、磷等养分累积，但需合理调节二者比例施用，否则可能减产［66］。秸秆还田减施化肥在盐渍化土壤中对玉米产量的提升效果在最初数年内并不理想，而长期累积后有所改善［67］。颜旺［68］、李亚朋［50］均发现缓控释肥减氮施用，玉米氮肥利用率稍有提高，但略有减产。安文博等［69］则发现缓控释肥减氮能在稳产的同时，使玉米籽粒维生素C、可溶性糖和蛋白质含量有所增加。Zhang等［9］指出我国东部作物主产区粪肥部分替代氮肥对产量有积极作用，其中旱地作物和水稻产量能分别提高6.6%和4.4%，一般以低于40%的适当比例替代氮肥可有效提升作物氮素利用率。

3.2 对主要经济作物产量与品质的影响

经济作物种植面积增加是化肥用量增长的主要原因之一，国内近年有关经济作物的减肥增效研究较多。马征等［15］发现在养分专家系统基础上减施氮肥30%并保证磷、钾肥供应充足，大葱基本稳产，而硝酸盐、维生素C含量无显著变化。章孜亮等［70］发现减氮20%并接种根瘤菌能增加花生根瘤数、下针数、植株鲜质量、总分枝数、单株果数，提高花生氮素吸收量，但有减产趋势。黄继川等［71］发现减施化肥增施氨基酸或氨基酸和胶质芽孢杆菌联用能显著提高包菜对氮、磷、钾养分的吸收累积，提高钾含量、可溶糖和维生素C含量，降低硝酸盐含量。武星魁等［72］报道太湖流域有机肥替代化肥减氮25%和等量单施化肥相比使包心菜、小青菜增产，但替代比例过高则不能保证产量。田想等［73］发现氮肥减施30%以内并种植绿肥光叶苕子基本能维持柑橘产量和品质。Otto等［74］发现种植豆科绿肥，氮素投入量约为60 kg·hm-2即能满足甘蔗的氮需求，蔗茎产量增加了20 Mg·hm-2，而茎所需氮量减少12.5%，减少了氮肥投入。

4 化肥减量增效的生态环境效应

4.1 对水环境的影响

4.1.1 对地表水的影响

化肥滥施易导致养分以地表径流形式流失，加剧水体富营养化。Xie等［75］发现有机肥替代化肥可显著减少径流水中铵态氮、硝态氮、总磷和总钾的输入。何石福等［10］发现配施有机肥可有效减少丘陵茶园径流量，在此基础上增加稻草覆盖效果更好，能够高效拦截和吸收降水形成的径流，使降水为茶园所吸收利用，减少氮、磷养分流失。王志荣等［76］发现化肥减量配合秸秆还田能减少油菜地地表径流氮素如硝态氮、铵态氮流失量。磷素在土壤中多被胶体吸附固定，常以水土流失的形式损失。Borda等［77］发现施用有机肥限制了土壤胶体磷的迁移，能提高土壤磷盈余，减少磷素流失。

4.1.2 对地下水的影响

氮素淋洗损失的来源主要是残留肥料氮、当季输入肥料氮和土壤背景氮［68］。集约化强度高的地区由于过量施氮和漫灌更易导致地下水硝酸盐污染［11］。Min等［78］研究显示，我国长三角地区设施蔬菜地传统氮肥减施40%，氮淋失量可减少39.6%。施用有机肥通过提高土壤有机质含量，增强土壤表层对硝态氮的吸附固持，可抑制土壤硝态氮向下迁移［79］。张敏等［80］研究表明，化肥减量配施有机肥后设施菜地硝态氮、总磷淋溶量平均分别降低42.8%和38.0%。Kramer等［81］指出施用有机肥有利于提高土壤反硝化微生物群落活性，减少硝酸盐淋溶损失。Gao等［82］发现冬季种植绿肥能抑制碱性水稻土中氨氧化古菌的活性，减弱硝化潜势，从而减少硝态氮淋失。高杰云等［36］则发现沼肥替代化肥施用有提高土壤磷素累积和淋失的风险。

4.2 对大气环境的影响

4.2.1 对氨挥发的影响

化肥氮过量投入是农业土壤氨挥发量大的重要原因。杨亚红等［83］发现施用解淀粉芽孢杆菌生物有机肥替代部分或全部化肥能促进土壤硝化，降低农田土壤的氨挥发量70%以上。Sun等［45］发现减量化肥配施枯草芽孢杆菌生物肥料通过降低ureC基因丰度，增加amoA基因和氨氧化细菌丰度，减少肥料氮向铵态氮转化，并增强硝化过程，显著减少土壤铵态氮累积导致的氨挥发。在高盐度环境下，硝化过程因受抑制，易导致更多氨挥发。周慧等［84］在河套灌区盐渍化土壤减量尿素配施有机肥较单施尿素有效降低玉米地氨挥发。有机肥对氨挥发贡献量主要由施用前有机肥自身速效氮含量和有机氮矿化分解能力决定，大量的有机氮需经矿化后才能参与氨挥发过程［85］。Zhang等［9］指出在我国东部旱地和稻田中，粪肥完全替代氮肥分别显著减少62%和77%的氨挥发，部分替代则无显著影响。李喜喜等［86］研究表明，猪粪和化肥配施可减少成都平原稻田氨累积挥发量2.21～8.78 kg·hm-2。但也有研究指出有机肥特别是粪肥还田配施减量化肥会增加氨挥发量，如Tang等［87］用污泥或猪粪堆肥，有机肥部分替代化肥减少了城郊蔬菜地其他活性氮的损失和总活性氮损失，但氨挥发损失却增加了2.4%～27.8%。

4.2.2 对温室气体排放的影响

合理采取化肥减量增效措施对缓解全球变暖趋势有重要意义。李夏菲等［12］发现测土配方施肥比习惯施肥提高了作物氮肥利用效率，减少了油菜种植过程中温室气体排放。对于集约化菜地，减氮添加硝化抑制剂也能减少N2O的排放［54］。Zhang等［88］发现在我国北方运用滴灌减氮优化施肥可显著降低冬小麦-夏玉米轮作地的N2O排放量，缓解夏玉米季硝化细菌反硝化产生的N2O和NO排放。王艳丽等［28］发现在水肥一体化基础上减施40%化肥氮量与习惯施肥相比，黄瓜、芹菜地N2O累积排放量显著减少42.71%。彭术等［89］发现减量30%深施氮肥的早、晚稻季N2O累积排放量较常规施氮分别降低57%、72%，而N2O则仅在双季稻返青期和成熟期略有排放。有机物替代化肥的减施方式可能导致更多的温室气体排放［90］。苗茜等［91］的稻麦轮作地试验表明，有机肥替代化肥使CH4排放量增加18%～51%，其中城市污泥堆肥和猪粪肥显著增加稻田CH4排放量，且排放量随有机肥替代比例增加而增加。Xia等［92］用Meta分析也发现，施用有机肥显著增加N2O排放，特别是在暖温带气候、种植旱地非豆科作物和施用未熟化有机肥条件下。Zhang等［9］发现，在旱地中不同比例畜禽粪肥代替化学氮肥对N2O和CH4排放量均无显著影响，但在水稻田中，畜禽粪肥代替氮肥显著增加了CH4的排放（48%～82%），降低了N2O的排放。

4.3 对土壤环境的影响

4.3.1 对土壤物理性状的影响

化肥减量配施有机肥对农田土壤容重、孔隙度及团聚体的影响积极，可降低容重，增加团聚体的重量及直径，改善土壤质量和结构，提高稳定性［63，93-94］。吴宪等［95］研究显示，在华北潮土区化肥减量配施有机肥、秸秆可促进表层土团聚体形成，并提高其稳定性，有效维持土壤肥力。崔江辉等［96］发现化肥减量配施商品有机肥及秸秆还田对机械稳定性团聚体含量影响不明显，但显著增加水稳性团聚体数量，促进微团聚体向大团聚体形成。Lin等［97］长期试验表明，施用猪粪肥比植物残渣或化肥施入更有效地增加团聚体，尤其增加了大团聚体所占质量比例。除市售有机肥、秸秆还田外，绿肥间套作或覆盖还田也具有促进土壤形成团粒结构、改善土壤通透性、增强土壤保水保肥能力的作用［38］。

4.3.2 对土壤化学性状的影响

有机肥替代化肥施用可提高土壤pH，改善因长期施化肥导致的土壤酸化［75，98-99］，提高土壤有机碳、不稳定碳和有效氮、磷、钾含量［63，100］。Cai等［98］发现减施化肥配施粪肥使土壤有机质含量在前期明显增加，长期后趋于稳定。玉米秸秆还田能改变土壤腐殖质组成，并增加土壤不稳定碳，在腐殖酸分解过程中提升有机磷利用率，促进磷矿化［101］。用秸秆还田替代化学钾肥还能增加土壤钾含量，提高钾利用率［102］，如稻草秸秆能延缓种植紫云英导致的土壤钾素下降［65］。豆科绿肥除提供土壤腐殖质以及通过固氮提供氮素外，其根系分泌的有机酸也能促进土壤难溶性磷、钾转化，提高养分有效性［38］。Shen等［103-104］指出在我国长三角设施蔬菜地氮肥减施40%仍能保证效益的基础上，夏闲期套种甜玉米也可提高土壤有机碳含量、pH，同时降低土壤电导率及硝态氮含量。有机质或微生物能以吸附、生物累积等方式降低土壤重金属有效性，但事实上化肥减施后对重金属修复作用有限。由于肥源、生产技术等原因，有机肥施用过量可能导致土壤盐碱化，增加农作物铜、锌等重金属及抗生素累积的风险［31，35］。Ning等［35］发现仅减施20%化肥对土壤重金属含量无显著影响，而连续施用有机肥却导致土壤中锌、镉、铬累积。此外，国外已有报道通过生物残渣发酵堆肥制成的有机肥中含有微塑料［105］，因而对于新型有害物含量也应及时加以严格的控制。

4.3.3 对土壤生物学性状的影响

4.3.3.1 对土壤动物的影响 土壤动物类群或群落组成等差异能够反映土壤生态系统中环境的变化。施用有机肥增加土壤有机质等能使土壤动物数量增加、群落结构复杂［106］。吴宪等［107］研究表明，化肥、生物有机肥与秸秆配施更有利于土壤动物群落结构的稳定。土壤线虫由于其高周转率、与微生物的相互作用而在农作物残渣的分解中起重要作用。Zhang等［108］指出粪肥或玉米秸秆与化肥配施能有效增强微生物与线虫群落间的积极联动，特别是秸秆还田促进碳向土壤食物网流动，有助于改善长期施用化肥造成的负面影响。张婷等［109］认为土壤中小型节肢动物群落组成与秸秆还田相关，秸秆连续还田对表层土壤动物群落起促进、稳定作用。

4.3.3.2 对土壤微生物的影响 肥料的输入可以刺激土壤微生物的生长繁殖，影响其丰度、活性、生物量和群落组成。一般认为土壤微生物多样性越高，土壤功能越完整，生态系统越稳定。Zhong等［110］研究表明，在长三角设施栽培蔬菜地氮肥高强度施用会导致细菌和古菌amoA基因的丰度显著降低，而Shen等［111］则发现该地区减氮40%条件下能显著提高氨氧化细菌amoA基因的丰度，提高氨氧化细菌多样性。杨亚红等［83］发现解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施用提高了土壤细菌群落多样性及丰富度，特别是芽孢杆菌、硝化螺菌属相对丰度明显提升，土壤硝化作用增强。王兴龙等［112］发现减氮20%配施生物有机肥能提高玉米生育期土壤微生物量碳。Yang等［113］发现有机无机配施明显增加土壤放线菌丰度和多样性。Khan等［114］发现绿肥能显著增加微生物量碳，提高真菌/细菌的比例。He等［115］以黑麦草为绿肥，发现南方红壤水稻土细菌群落多样性在短期内持续增加，但若对绿肥分解时间、速率不加控制，也可能对细菌活性、养分转化和作物生长不利。

4.3.3.3 对土壤酶活性的影响 土壤酶活性可以表征土壤生物活性和土壤肥力。化肥和有机肥施用均能提高参与土壤碳、氮循环的酶活性，二者配施能使土壤酶活性更高，尤其是长期施用有机肥的土壤中参与氮循环的酶活性会有明显增加［116］。Li等［117］长期试验表明，化肥配合猪粪或秸秆施用提高了脲酶活性。Kramer等［81］发现果园有机耕作土壤中硝化潜力、天门冬酰胺酶和葡糖苷酶活性往往更高。Ning等［35］则发现单一化肥减量20%会使菜地脲酶活性略有降低，显著降低土壤酸性磷酸酶活性，而在此基础上进一步减施化肥配施有机肥可显著提高土壤过氧化氢酶和脲酶活性，但会降低土壤酸性磷酸酶活性。冯爱青等［118］则发现适量减施控释氮肥后小麦返青期、拔节期、灌浆期土壤脱氢酶活性比不减施处理显著提高。

5 化肥减量增效主要存在的难点

5.1 科学理论

“4R”养分管理原则是围绕合理施肥以实现养分高效利用的科学理论，但在实际运用中正确的肥料用量更易受重视，导致肥料品种、施肥时间、施肥位置等方面的相应措施被忽略。事实上，除从肥料角度关注外，尚需将农户目标、作物品种、种植制度、土壤条件、气候条件以及其他管理因素考虑在内。此外，尽管农业偏施氮肥，对于过量磷、钾肥的减施也需加以足够重视，将来的研究也应提供更多有关减施化学磷、钾肥的理论依据。

5.2 技术方法

化肥减量增效技术有待进一步提升完善。例如，测土配方施肥存在技术覆盖的农作物范围窄、测土方法效率低等问题；水肥一体化技术存在滴灌施肥设备精度低、配套性差致使产品性能不够稳定等问题；而施用微生物肥料时，一些非土著微生物易受环境存活和繁殖条件制约，也会导致田间应用效果不佳；此外，粪肥采用喷洒或灌溉方式施用过程中则可能释放NH3、H2S等气体，可尝试推广软管注射施肥等方法，加强相应的密闭贮存管理。

5.3 推广应用

当前，国内农民减肥即减产的观念尚未根除，仍需加强农民教育培训，完善减肥增效配套技术服务。而在农村劳动力转移的背景下，部分减肥增效技术虽然理论上可行，但在实际生产中耗时耗力，特别是小农户经营方式，其经营成本高、风险大、收益低，因地少且分散，机械化难度大，减肥增效使成本增加，更难维持农户收益。因此，国家需要不断提升土地流转质量和流转土地经营权稳定性，鼓励土地向专业大户、家庭农场及合作社的适度规模经营形式流转，以加强农业规模化、机械化程度和农民减肥增效的意愿，促进相关技术应用。与此同时，国内肥料市场管理缺乏统一规范，新型肥料等成本高、质量参差不齐、合格率偏低且缺乏配套施用技术，而化肥价格相对低，导致农户对新型肥料认可度和需求低，应进一步规范管理肥料产业，加大产品监督力度，提高化肥税，并对生产新型肥料的企业予以政策倾斜，提升新型肥料品牌市场竞争力。此外，我国可借鉴国外经验，通过结合法律强制性与市场引导措施，进一步严格限定不同区域肥料用量，稳固提升土壤肥力，对部分安全高效的减肥增效措施以法律法规形式推广，逐步建立奖惩制度及风险补偿机制，并对农户实际生产投入去向加以严格监管，制定更科学、灵活的补贴政策。

6 展望

化肥减量增效技术在我国应用前景广阔，大量试验表明化肥减量增效能在保障作物产量、改善农产品品质的同时，具有缓解农业面源污染、控制氨气与温室气体排放、改良培肥土壤和提升土壤生物多样性与恢复土壤健康的潜力。据此，笔者提出3点展望：（1）根据各区域的气候-土壤和生产条件，研究切实可行的化肥减量原则和技术，并加强技术集成示范，明确各地施肥推荐用量范围；（2）构建化肥减量增效长效机制，避免短期效应的不确定性，在充分保障作物稳产保质和生态环境安全的基础上，再向全国范围推广；（3）建议加快肥料管理立法，通过法律强制性规范肥料用量，形成化肥减量增效的规范体系，进一步提升减肥增效的效果，从而更有力地实现我国化肥减量、农业提质的目的。