有机肥对作物品质、土壤肥力及环境影响的研究进展

晁 赢，付钢锋，阎祥慧，杭中桥，杨全刚，王 会，潘 红，娄燕宏，诸葛玉平

（1土肥高效利用国家工程研究中心/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018；2泰安高新技术产业开发区科技创新部，山东泰安 271000；3山东新超农业科技有限公司，山东聊城 252800；4邹城市农业农村局，山东济宁 273500）

0 引言

肥料在农业生产中的作用至关重要，但不合理的施肥现象普遍存在，过量施用化肥的问题尤为突出[1-2]，化肥的长期大量、不合理施用，导致土壤板结、结构性变差、有机质降低等理化性状恶化的问题[3]。而施用有机肥不仅可以为植物生长提供大量元素和多种中微量元素养分，同时由于含有多种有机物质（如蛋白质、氨基酸、纤维素、半纤维素、脂肪、胡敏酸以及植物生长调节物质），还可在土壤肥力提升、土壤有机质更新、土壤团聚体的形成方面发挥着重要的作用，可以提高土壤微生物活性、增强土壤保蓄能力，改善作物品质[4]。另外，有机肥施用对温室气体排放以及增加土壤环境中污染物负荷的贡献也不容小觑[5]。本研究从作物品质改善、土壤培肥改良、温室气体排放、农业面源污染防控等方面综述了有机肥施用产生的影响，并对未来有机肥施用的研究趋势提出了建议，以期为科学、合理、高效使用有机肥，保障土壤资源的可持续利用提供理论指导。

1 有机肥施用对作物品质的影响研究进展

作物品质概念较为宽泛，涵盖外观品质、营养品质、食味品质和加工品质等。近年来，随着居民生活水平的不断提高，对作物品质的要求也越来越高。

1.1 外观品质

有机肥所含养分全面，释放缓慢，养分供应周期长，可减缓因为养分缺乏导致的作物叶面积指数下降，叶片光合面积维持较高水平，有利于光合产物积累，促进籽粒形成[6]，对于提高大田作物的产量、蔬菜作物和水果的商品性发挥着重要作用。有机无机配施处理稻米垩白粒率和垩白度较单施无机肥处理分别降低2.25%和0.35%[7]，同时有利于提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，提高碾磨品质[8]。杨志刚等[9]研究表明，有机肥的施用显著促进辣椒果实横向生长及果肉厚度增加，单果重、果实横径和果肉厚度显著提高。而陈帅君等[10]对华北地区主栽的11个水稻品种的研究表明，不同有机肥处理对水稻的外观品质没有显著影响。同时，不同类型的有机肥以及不同的施用量，其对作物外观品质的影响差异较大。司若彤等[11]发现生物有机肥替代20%化肥处理芒果单果重量较发酵纯羊粪替代10%化肥处理提高19.42%。

1.2 营养品质

营养品质主要体现在维生素C、可溶性糖、淀粉、蛋白质、脂肪、氨基酸含量等方面[12]。研究表明，有机肥的施用显著降低了小白菜[13]、番茄[14]硝酸盐的含量，提高了椪柑维生素C含量[15]和可溶性糖含量[14]。但是，赵满兴等[16]研究表明，化肥配施腐殖酸肥或生物有机肥降低了果实维生素C质量分数。长期定位试验研究表明，单施有机肥(60000 kg/hm2)提高了小麦淀粉、粗脂肪、氨基酸的含量，但单施低量有机肥(30000 kg/hm2)降低了蛋白质含量，且有机肥施用对小麦品质的影响与化学氮肥的投入量密切相关[17]。孙鹰翔等[18]研究表明，有机无机配施较单施无机肥显著提高了脂肪的含量(P<0.05)，增加了蛋白质、油酸含量和油酸/亚油酸比值，但并不显著。可见，有机肥施用对作物营养品质的作用受到有机肥用量、作物种类、土壤肥力等因素的影响。

1.3 食味品质

食味品质主要体现在糊化温度、粘度、崩解值、胶稠度等方面[19]。张欣等[20]对稻米食味品质的研究表明，有机肥的施用显著提高了稻米的最高粘度、最低粘度和崩解值。在甘薯的研究表明，有机无机配施显著降低糊化特性的回复值和糊化温度，而显著提高蛋白质及最高粘度值和崩解值[21]。在稻米的研究表明，与单施有机肥相比，有机无机配施提高峰值黏度，降低糊化温度及消减值[22]。贾辉辉等[23]研究发现，除糊化温度外，有机肥处理在糊化特性值的各项指标上均达到极显著水平，有机肥与无机肥互作对低谷黏度、稀懈值和峰值黏度有显著或极显著的影响。

1.4 加工品质

加工品质直接影响到加工工艺和产品质量。贺阳东等[24]研究发现有机肥的施用可提高稻米的加工品质，降低垩白粒率和垩白度。方玉川等[25]研究表明，有机肥的施用通过提高马铃薯与加工品质密切相关的块茎淀粉、蛋白质含量，降低还原糖含量来改善其加工品质。高荣岐等[26]在小麦上也取得了类似的结果，施用有机肥可明显改善蛋白质和湿面筋含量以及沉淀值等加工品质指标。但是，对于不同的有机肥种类、用量，以及对不同作物加工品质的影响尚缺乏深入研究。

2 有机肥施用对土壤肥力的影响

2.1 培肥地力，改善土壤结构

有机肥中含有的养分比较全面，不仅含有植物生长必须的氮磷钾等大量营养元素外，还含有多种中微量元素，而且这些营养元素贮存在有机质中缓慢释放以满足作物生长需求。同时，有机质分解过程中会产生有机酸，促进了矿物风化和养分释放，而且通过络合（螯合）作用增加了矿质养分的有效性[27]。有机质分解产生的腐殖质含有一定量的有机酸、糖类、酚类及含N、S的杂环化合物等活性基团，很容易络合或螯合土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等元素，提高其生物有效性满足作物对微量元素的需求[28]。长期定位试验结果表明，有机肥的施用增加了土壤全氮、碱解氮、全磷、有效磷等含量[29]。同时，有机肥的施用，显著提高了土壤有机质含量，增加了土壤大团聚体数量，增强了团聚体稳定性[30]。陈修斌等[31]通过基于11年长期定位试验的研究发现，有机肥施用增加了团粒结构、土壤总孔隙度，降低了土壤的粘结度，提高土壤的保水保肥能力，土壤结构更加稳定，利于土壤水肥协调供应。

2.2 增强土壤缓冲性能，提高肥料利用率

土壤是一个缓冲体系，有机质的含量影响到土壤的缓冲容量。有机肥中的有机质和腐殖质与土壤中的黏土或钙离子结合，有利于土壤团聚体的形成，提高蓄水保墒能力；提高土壤阳离子交换量，由于更多可交换离子被替代中和，土壤的缓冲性能显著增加[32]。除此之外，有机肥的施用还可以提高养分的缓冲性能和肥料利用率。刘建玲等[33]研究表明有机肥的施用主要增加了土壤磷的吸附位点，从而相应地增加了土壤磷吸附能力，土壤易解吸磷明显降低。有机肥的施用实现了有机质与无机养分的互补，显著提高了肥料利用率。研究表明，有机肥替代提高了烟草[34]、黄瓜[35]、水稻[36]、玉米[37]等的养分利用率。李其胜等[38]在对稻麦轮作模式的研究中发现，有机肥替代化肥处理的水稻各部位养分含量和累积量显著增加，肥料贡献率，农学效率，以及氮肥和磷肥的偏生产力和利用率增幅最高达到66.67%。但是，温延臣等[39]通过31年的长期定位试验研究发现，长期施用有机肥磷素淋溶风险高。但也有研究表明施用有机肥土壤硝态氮淋溶稍低于或接近化肥处理[40]。

2.3 改善土壤微生物群落，减少作物病虫害

微生物数量及其活性是反映土壤肥力和土壤质量的重要指标。有机肥施用可为微生物提供其活动所需的碳源、氮源和其他营养物质，有利于微生物的生长和繁殖，优化土壤微生物群落的结构和功能[1]。李林林等[41]对苎麻施用有机肥的研究表明，土壤微生物多样性指数显著提高，增强了微生物代谢功能。微生物参与分解有机质，促进土壤中营养与养分的转化，调控土壤中物质能量流动、养分循环。有研究表明，有机肥的施用促进了土壤真菌、放线菌和细菌等微生物的生长和繁衍，降低反硝化细菌的数量[42]，土壤中不能被植物所利用的有机态含氮化合物转化为可供给态氮，为土壤微生物供给更多的可利用底物，改善微生物群落功能，提高代谢能力[43]。此外，研究发现，有机无机配施显著增加棉田土壤细菌、放线菌和假单胞杆菌数量，抑制真菌生长，从而改变土壤微生物群落的结构组成，对于土传病害的防治效果明显[44]。究其原因主要是有机肥中含有大量的有益微生物，一方面与致病微生物竞争生存环境和资源起到拮抗的作用，另一方面还可产生抑制致病微生物的物质抑制其生长。此外，有机肥中的无机盐类和抗生素类可直接抑制病原菌，且有机物质的降解也会产生对病原菌有毒的挥发性物质，从而抑制土传病害的发生。

3 有机肥施用对土壤环境的影响

3.1 促进有机碳的积累，影响温室气体排放

有机肥施用可以促进土壤有机碳的积累[45]。侯淑艳等[46]通过32年的长期定位研究发现，有机肥的施用能够显著增加土壤各粒级团聚体中有机碳含量。李文军等[47]在湖南常德国家稻田肥力与肥料效应长期定位试验的研究表明，有机肥配施化肥增强了土壤团聚体中有机碳的积累。有机无机肥配施与单施化肥相比增加稻田CH4排放量[48]，对N2O排放量的影响不显著。Shang等[49]通过3年的双季稻定位观测发现有机肥的施用增加了N2O排放量，而在小麦-水稻轮作的研究中却发现降低N2O排放量[50]。相反，也有研究表明有机肥施用降低CH4的排放，但却增加CO2的排放量[51]。不同的有机肥及其耕作管理方式对土壤有机碳累积的速率和温室气体的排放是存在差异的。

3.2 影响重金属生物有效性，降低农田面源污染

已有研究表明，有机肥中的腐殖质通过螯合、络合反应固定重金属，可降低重金属对植物的有效性，如李顺江等[52]研究发现施用有机肥可降低土壤中Cd和Cr的生物有效性，抑制小白菜对Cd和Cr的吸收。但也有学者认为，有机肥对土壤重金属具有活化效应，会提高土壤重金属的移动性，如夏文建等[53]对长期施肥下红壤稻田土壤重金属累积及有效态分布特征研究表明，有机肥处理显著提高了土壤有效态Cu、Zn、Cr、Cd、As和Fe的含量。因此，有机肥的施用对于土壤重金属的生物有效性具有双重效应。有机肥养分释放缓慢，可提高土壤阳离子代换量，提高土壤保肥性能，可有效减小氮磷淋失[54-55]。蔡佳佩等[56]研究发现，化肥减量20%配施有机肥处理较常规施肥处理的总氮、铵态氮与总磷平均值分别降低了6.5%、9.1%和3.1%，降低了氮、磷地表径流产生的农田面源污染风险。同时，有机肥的施用显著降低了土层氮、磷淋出量[57]。闫佳会等[58]研究表明，有机肥替代显著降低土壤硝态氮淋失风险，0～20 cm土壤铵态氮和硝态氮减少22.87%～76.17%和10.84%～80.48%。

4 研究展望

4.1 强化品质调控研究，提升有机肥品质

有机肥的施用对作物增产提质的效果已被广泛报道，但是在不同肥力土壤上种植不同的作物，其有机肥的最佳施用量、替代化肥的比例尚缺乏系统的研究。此外，有机肥施用对作物品质的调控机制尚不明晰，对外观品质、食味品质和营养品质的协同作用效应认识不足。有机肥产品种类颇多，原料涉及面广，产品特性千差万别，其对作物品质的影响必然存在差异。因此，在明确有机肥最优施用量，明晰有机肥对作物品质的调控基础上，需要进一步优化发酵工艺，不断提升有机肥品质，研发高有效养分含量、营养结构平衡的增量型高品质有机肥产品，配合相应的造粒工艺使之与现代农业高产高效目标的要求相匹配。

4.2 强化定位观测研究，提升肥力监测水平

为切实掌握有机肥施用对土壤肥力的作用效应，可在不同土壤类型上建立不同作物的有机肥长期施用监测平台，充分利用土壤团聚体微结构研究技术、高通量测序技术、土壤传感器等进行监测，建立有机肥长期施用土壤肥力数据库，从物理、化学、生物学角度全面分析有机肥长期施用对土壤肥力的作用效应，可为有机肥的科学合理施用提供理论指导和数据支撑。

4.3 加强生态环境效应研究，增强施用的针对性和有效性

目前有机肥产品质量参差不齐，主要原因还是原材料质量控制不严格，有些原材料本身含有重金属、抗生素等有毒有害物质，施用后可能产生一系列环境问题，因此一方面亟需建立有机肥肥源监控体系；另一方面要加强对有机肥施用后的生态环境效应监测。特别是要更加关注有机肥施用对温室气体排放、碳收支、有毒有害物质有效性及作物抗逆性的影响。综合权衡有机肥施用的生态环境效应，提高其施用的有效性和针对性。