我国麦田有机肥施用：研究历史、瓶颈与解决策略

摘要： 我国有悠久的农业文明史，长期以来，在利用自然资源培肥土壤、提高作物产量方面积累了丰富的经验，这使得我国在农作物生产技术领域曾长期占据世界领先地位。然而，近代化肥工业的出现和发展极大地削弱了自然有机资源在我国粮食生产中的地位。即便在重视绿色发展的今天，受施用成本、施用习惯等因素的影响，有机肥在粮食作物上的应用仍远低于经济作物。小麦是我国主要口粮作物，过度依赖化肥不仅影响麦田土壤生产力，也制约着小麦的提质增产增效与绿色可持续生产，因此，亟需从理论与实践两方面重新认识有机肥的作用。本文梳理了我国有机肥的施用历史和现状，并总结了有机肥在改善麦田土壤性状、提升小麦产量和品质以及养分利用效率方面的效应。目前，我国传统有机肥有10 大类433 种，近年来又增加了3 类商品有机肥。大量研究证实，有机肥的施用能够不同程度地改善土壤结构，增强有机质的稳定性，提升土壤保水和养分稳定供应能力，维持土壤养分与微生物之间的平衡，缓解过量氮肥引发的线虫胁迫，维持土壤食物网功能，并减轻气候变化对土壤微生态环境的影响。有机肥在土壤中的多重功能解释了其提高小麦产量、营养品质和加工品质的机理。在有机肥施用技术研究方面，也取得了具有实际意义的进展。研究表明，在我国多数地区单独或过量施用有机肥均不能满足当前粮食安全需求，只有与化肥合理配施，才能充分发挥二者的作用，实现小麦产量品质和土壤肥力的同步提升。许多地区已经提出了不同有机肥对化肥氮、磷养分的替代当量，并通过大数据分析，提出了适应不同目标的有机肥替代化肥的比例范围。多年来研究数据与人工智能的多源融合，为实现堆肥的精准、专业化利用提供了有力支持。然而，目前有机肥的施用除了在施用量、施用方法、施用机械等方面需创新外，现代农业的有机废弃物（有机肥源） 又带来了新的问题，如畜禽粪便中重金属的富集，施用有机肥带入土壤的抗生素、微塑料、抗性基因、持久性有机污染物等。因此，有机肥的科学合理施用需要政府、企业、科研单位、基层推广人员和种植户的共同努力，应以国家战略需求为导向，以种植户需求为牵引，从生产实践问题出发，开展针对性研究，解决关键性问题，创新创制有机肥新产品与新技术，制定指向性的政策文件，保障我国有机肥的科学推广应用，实现农业绿色可持续发展。

关键词： 有机肥；化肥；小麦；土壤肥力；产量；品质

万物土中生，有土斯有粮。截止2022 年底，我国耕地面积为1.28 亿hm2，总人口为14.1 亿[1]，人均耕地面积仅0.09 hm2，不足世界平均水平的40%。自化肥出现以来，人们的态度经历了从最初的不知道、不了解、不敢用转变为后来的使用简便、增产增收、多多益善。然而，长期不合理的化肥施用引发了土壤酸化、板结、养分失衡、微生物多样性降低、作物抗逆性减弱等问题，给我国和世界的粮食安全生产带来了新的挑战。自古以来，有机肥就是人们提升土壤肥力、改善作物生长和提升作物产量的重要手段。尽管化肥的出现在一定时期内对有机肥的使用产生了巨大冲击，但是随着人们对食品安全、耕地质量和环境保护等问题的重视，有机肥必将重新为保障粮食和耕地安全做出重要贡献。

由于有机肥制备相对较为复杂且成本较高，因而目前多用于经济作物，在粮食作物上的使用较少。小麦作为世界上最重要的主粮作物之一，提供了人体每日所需20% 的能量和蛋白质[2]，我国小麦产量占全球小麦总产的17.7%[3]，但化肥施用量也远高于全球平均水平，导致了土壤质量下降、环境污染等问题。本文从我国有机肥的发展历史和现状出发，重点关注麦田施用有机肥的土壤培肥机理和小麦产量品质的变化情况，总结归纳麦田有机肥的科学施用技术和方法，指出当前存在的问题和挑战，并针对我国小麦生产中有机肥施用的科学研究及推广应用提出了建议和展望，以期为有机肥科学施用，促进小麦绿色增产提质提供参考与支撑。

1 有机肥施用历史与现状

广义的有机肥料是指由动植物残体或代谢物构成的、能够改善土壤肥力、提供作物营养、提高作物品质的含碳有机物料，其来源广泛，种类繁多。清代《知本提纲》将我国有机肥划分为10 大类100多种，1990 年农业农村部开展全国有机肥料调查研究时，将有机肥分为10 大类433 种。传统有机肥一般可分为粪尿类、堆沤肥类、秸秆类、绿肥类、杂肥类、饼肥类、海肥类、城镇废弃物类、腐殖酸类、沼气肥类等[ 4 ]。当前商用有机肥料则主要有3 类：精制有机肥料（不额外添加微生物）、有机无机复混肥料（与无机肥料混合或化合制成）、生物有机肥料（额外添加功能性微生物）[5]。

最初，在刀耕火种的原始农业模式中，人类无意中丢弃的草木灰和日常生活堆积的植物残渣、动物骨骼等，均起到了提高土壤肥力、促进作物生长的作用。我国现有文献记载，在农业活动中有意识施用有机肥的行为可追溯到战国时期，《荀子·富国篇》中有“掩地表亩，刺草殖谷，多粪肥田，是农夫众庶之事”的记录。西汉晚期的《氾胜之书》更是清晰具体的展现了2000 多年前中国肥料技术的发展情况，其中对施肥技术的描述具体到了基肥和追肥，还提出了溲种、粪种、区田等施肥方法，强调使用熟粪，提出用酢浆（熟淀粉的稀薄悬浊液，发酵后产生乳酸） 和蚕矢（“矢”通“屎”） 浸渍麦种以提高小麦的耐寒和抗旱能力，自此出现种肥技术，而同时期的西欧仍然依靠休闲恢复地力，极少施肥[6]。此后一系列农业著作也向世界展示了我国古代施用有机肥培肥地力技术的先进性和科学性：北魏贾思勰的《齐民要术》、南宋陈旉的《农书》、元代王祯的《农书》、明代袁黄的《劝农书》、清代杨屾的《知本提纲》等，这些农书中涵盖了有机肥料的来源、分类、制备方法、施用技术、注意事项和施用效果等内容，反映了中华民族源远流长的历史长河中先民对有机肥料的重视和对农业生产技术的不懈探索。

有学者依据作物产量和施肥特征将我国的肥料施用划分为6 个阶段，1949 年之前处于有机肥施用阶段，1950—1964 年处于天然和人工积制有机肥施用阶段，1965—1977 年处于有机肥和氮肥施用阶段，1978—1991 年处于有机肥、氮肥和磷肥施用阶段，1992—2001 年处于氮、磷、钾肥施用阶段，2002—2008 年处于氮、磷、钾和复合肥料施用阶段，2009 年之后划分为配方施肥阶段[ 7 ]。据统计，1 9 4 9 年我国有机肥占肥料施用总量的比例为99.9%，1957 年为91.0%，1965 年为80.7%，1975 年为66.4%，1980 年降为47.1%，1985 年为43.7%，1990 年为36.7%，2000 年为31.4%[ 8 ]，2003 年为25%[ 9 ]，2005 年有机肥养分占农田养分总投入的30% 左右[ 1 0 ]，2008 年人畜粪尿和秸秆氮磷钾养分输入分别为农田总养分输入的23.6% 和8%[11]。就具体资源量来说，1986 年我国有机肥料提供的氮、磷、钾分别约为494.6、114.3 和623.6 万t，分别占当年氮、磷、钾总投肥量的26.5%、42.4% 和87.5%[12]。2005 年我国有机肥料为农业生产提供的养分总量约为1800 万t，约占有机肥资源总量的34%[10]。2017年，我国有机肥料的实物量高达57 亿t，氮磷钾养分总量约7300 万t，其中氮、磷、钾分别为3000、1 3 0 0 和3 0 0 0 万t，但资源利用率不足4 0 % [ 1 3 ]。2015—2019 年全国作物秸秆产量年平均为9.7 亿t[14]，2020 年，我国秸秆综合利用率达90%，肥料化利用占比51.2%[15]，其中水稻、小麦、玉米等9 种主要农作物的秸秆总量为7.4 亿t，综合利用率为82.3%，肥料化利用占比达62.3%[16]。同时，随着畜禽生产规模的扩张，我国平均每年产生的牲畜粪便总量高达38 亿t，2015 年畜禽粪污的综合利用率不足60%，2017 年为70%，2018 年为74%，2020 年达75%[17−18]。有机肥的还田率或资源利用率不仅与有机肥的资源量有关，还受到市场激励、施肥技术、施肥机械和政策补贴等因素的影响。例如，受农户主营作物价格的影响，有机肥在经济作物种植户中的施用率及用量均高于种粮户，且即使是施用了有机肥的种粮户，其有机肥提供养分占比也处于较低水平，远不及经济作物[19]。同时，由于化肥对有机肥市场的快速侵占，与有机肥相关的科研和推广项目在一段时间内几乎处于停滞状态，加速了有机肥的退出，而后得益于科研人员的呼吁和政府发布的一系列相关政策，以有机肥为主题的科研和补贴项目逐渐增多，为有机肥重新合理进入农田奠定了理论与技术基础及政策支撑，有机肥施用面积逐渐增加。“十三五”正式将推动种养业废弃物资源化利用写入规划中，“十四五”规划出台后，国家各级政府围绕秸秆肥、粪便肥的资源化利用等发布了一系列促进性政策，持续推动有机肥的研发和应用。2017 年浙江省化肥（实物量） 与有机肥施用比例由2011 年的1∶0.08 调整为1∶0.3，有机肥施用量也从2011 年的不足30万t 增加到2017 年的100 万t 以上[20]。2020 年全国有机肥施用面积比2015 年增加约50%，已超过5.5 亿亩次[21]，展现出良好的发展应用前景。

2 施用有机肥对麦田土壤性质的影响

2.1 有机肥施用对麦田土壤物理性质的影响

有机肥的施用可改善土壤物理性质、提高土壤抗风蚀能力[22]。施用有机肥后耕层土壤变疏松，表土硬度降低，土壤总孔隙度和持水孔隙度增加，有利于雨水吸纳，使麦田休耕期的土壤储水效率显著提高4.6%，田间持水量增加2.2%，有效水利用率提高2%[23−25]。整合分析发现，与施用化肥相比，配施有机肥平均使土壤容重降低4.53%，且有机肥施用对土壤容重的降低幅度因土地利用类型、土壤质地和有机肥种类而异，其中果园gt;旱地gt;水田，砂土gt;黏土gt;壤土，生物肥料gt;生物炭gt;动物粪便gt;作物秸秆[26]。我国的9 个长期定位试验结果表明，在南方湿润地区有机肥的施用可促进土壤团聚体形成，在北方土壤中施用反而不利于水稳性团聚体形成，主要与土壤中钠离子的含量有关，土壤交换性钠离子增加会增加土壤胶体分散性，不利于团聚体形成，南方降雨量高可将其滤除，而在北方钠离子则会大量积累[27]。同时，有机肥施用对土壤团聚体直径的影响或与有机肥施用量有关，陕西杨凌的长期定位试验表明，土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径均与有机肥配施与否无关，但在黑龙江海伦，随着有机肥施用量的增加，土壤大团聚体的平均重量直径显著提高[28]。此外，有机肥的施用对麦田土壤的气体运输和饱和导水率的整体改善效果也因土壤质地而异，有机肥可增加粉砂黏土和粉砂壤土lt;30 μm孔隙的孔隙度，但对于砂壤土，有机肥施用增加的是gt;30 μm孔隙的孔隙度[29−31]。一项轻质土壤的入渗试验表明，与不施肥相比，施用有机肥可降低水分在土壤中的下渗速率，延长透过观测土层的时间，减少水溶液淋出体积，同时减少土表水分蒸发，从而提升土壤的保水保肥能力[32]。

2.2 有机肥施用对麦田土壤化学性质的影响

有机肥中含有丰富的有机质和植物必需的大中微量元素，长期施用可以增加土壤养分含量水平、优化土壤养分比例[33−36]。研究发现，连续多年有机无机肥配施可使麦田土壤质量指数较单施化肥提高50% 以上，土壤有机质、可溶性有机碳、全氮、碱解氮和速效磷、速效钾含量均有显著提高[ 2 8 ， 3 7 − 4 0 ]。20 个长期定位施肥试验的结果表明，与单施化肥相比，长期施用有机肥可促进有机氮矿化、阳离子吸附位点的铵释放等，提高土壤的矿质氮供应能力[41]。与不施肥相比，施用有机肥可降低淋溶液电导率和总溶解性固体物质，增加土壤中的有机质含量和电导率[32]。但是，丰水年施用高量有机肥也会引起硝酸盐淋溶[24]。有机肥在分解过程中会产生含有酸性功能团的腐殖酸，可通过酸基解离和胺基质子化提高土壤的酸碱缓冲性，施用牛粪、鸡粪、农家肥、作物秸秆等均可提高土壤pH[42]，缓解长期不合理施用化肥带来的土壤酸化，改善土壤盐碱化[43−45]。但近年也有研究报道，秸秆还田在区域范围内有加剧农田土壤酸化的风险，且该风险与初始土壤酸碱度有关[46]。

此外，关于施用有机肥对土壤化学性质影响的研究，较多集中于土壤有机质的含量、组成、结构特征等方面。整合分析发现，施用有机肥的土壤固碳效率呈现北方高于南方的空间特征和随施肥年限逐年降低的时间特征[47]。土壤大团聚体和微团聚体的有机碳含量随施肥年限的增加而增加，粉黏粒的有机碳含量则随施肥年限的增加呈先增加后降低的趋势，其中有机无机肥配施对各粒径团聚体有机碳积累贡献较大[48]。长期施用有机肥在显著增加土壤有机碳库的同时，也提高了可溶性有机质分子组成的化学多样性和稳定性[49]。其中，长期施用粪肥对土壤有机质的提升效果优于秸秆还田[50]，可促进大团聚体腐殖酸中类蛋白组分向类胡敏素组分转化，且腐殖酸中的羧酸（COO–） 和多糖（C–OH） 官能团优先与粪肥结合[51]，长期施用后不仅提高了水提取态有机质的芳香性和分子量，还显著增加了胡敏酸和富里酸中的类富里酸和类胡敏酸组分，通过增加稳定成分、降低不稳定组分提高了土壤有机质的稳定性[50， 52]。

2.3 有机肥施用对麦田土壤生物性质的影响

有机肥中富含多种营养元素，可为土壤微生物提供碳源、氮源、能量等，提高与养分转化有关的微生物和酶活性，加速土壤中养分循环和难溶性养分的活化，保持速效养分供应[53−57]。土层剖面微生物群落结构不同，与不施肥相比，有机无机肥长期配施可改变土壤剖面的微生物垂直分布特征，显著增加微生物活性[58]。施用有机肥可增加麦田土壤微生物网络的自然连通性并刺激真菌群落的活性，增强微生物群落的稳健性[59]和丛枝菌根真菌的生物量[60]，还可降低底层土壤中稀有细菌的多样性，改变微生物群落的资源利用策略[61]。

土壤微生物可利用自身的生物量变化调节碳排放，以维持土壤养分和微生物之间的化学计量平衡[62]。与秸秆还田相比，碱性粪肥通过减轻长期单施氮肥引起的土壤酸化，使土壤氮循环相关微生物群落趋于稳定，平衡氮素流动，降低与氮相关的环境风险[63]。长期施用有机肥还可通过增加固氮细菌和硝化细菌的相对丰度，降低反硝化细菌的相对丰度，增加土壤有效氮供应[64]，通过调节携带吡咯喹啉醌合酶编码基因（pqqC-） 和碱性磷酸酶编码基因（phoD-） 的细菌群落促进土壤磷循环，增加磷有效性[65]，通过增加溶杆菌属（Lysobacter）、枝顶孢属（Acremonium） 和被孢霉属（Mortierella） 的生长，提高β-葡萄糖苷酶和碱性磷酸单酯酶活性，促进碳、磷循环[66]。除了施用当季的效应外，有学者发现有机肥的残效对土壤微生物群落亦有显著影响，且真菌对有机肥残留效应的响应比细菌更敏感，并从微生物方面揭示了有机肥施用对缓解土壤退化的积极和长期影响[67]。

另外，有机无机肥配施可通过改变土壤性质和土壤真菌群落结构，抵消单施化肥带来的不利影响，与单施化肥相比，配施有机肥可显著降低潜在致病性镰刀菌属（Fusarium） 和赤霉菌（Gibberella） 的数量，增加了有益菌属柄孢壳菌属（Podospora） 的数量[68]。不同地点的长期定位试验发现，有机无机肥配施可增加与小麦产量正相关的类诺卡氏菌属（Nocardioides）、纤维单胞菌属（Cellulomonas） 等有益菌的相对丰度，增加鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、溶杆菌属（Lysobacter） 等具有生物防治和促生作用功能菌属的相对丰度，降低萄穗霉属（Stachybotrys）、无色穗孢属（Achroiostachys） 等植物病原真菌的相对丰度，减少寄生虫的数量，降低小麦遭受病害的风险[69−70， 64]。但需要注意，高量有机肥也可能会导致细菌多样性和作物产量的降低[71]，山东德州的长期定位试验显示，减氮30% 配施低量有机肥可维持土壤肥力和微生物群落的稳定，而减氮50% 配施高量有机肥则会抑制关键物种，降低胞外酶活性，最终导致作物产量下降[72]。此外，施用有机肥还可增加土壤线虫的物种丰富度、杂食性捕食线虫丰度和结构指数，缓解过量施氮引发的线虫胁迫，维持土壤食物网功能[73−74]。

在应对气候变化方面，有机肥也具有较为显著的作用。与单施化肥相比，常年施用有机肥可降低气候和土壤条件对作物产量的影响，增强土壤微生物功能与作物生产的联系[75]。施用粪肥可通过优化土壤有机碳结构、降低热激发异养细菌和真菌相对丰度、提高奇古菌门（Thaumarchaeota） 的相对丰度，增强微生物群落的复杂性和稳定性，减少因气候骤然变暖而造成的有机碳损失[76]。施用有机肥还可通过保证干旱期土壤有较高的细菌多样性、加快湿润期土壤微生物群落的恢复，帮助作物抵抗极端干旱环境[77]。但作物关键期的充分供水仍是保证施用有机肥显著提高麦田土壤酶活性和微生物多样性的前提[78]。

因此，施用有机肥可改善土壤的物理、化学和生物性质，并通过生物与非生物过程的相互作用，实现土壤肥力提升，为作物提供更加适宜的生长环境，保障作物高产优质，但在施用过程中也要关注有机肥与土壤属性、气候条件等匹配，避免单一或过量施用带来负面影响。

3 施用有机肥对小麦产量、品质和养分利用效率的影响

3.1 施用有机肥对小麦植株生长及其产量的影响

早在1979—1983 年，已有学者利用山东的5 年定位施肥试验发现，每增加1 t 有机肥能够使小麦亩产增加4.9 kg[79]。此后，研究人员进一步探究了在不同地区施用有机肥后，小麦植株的生长状况、养分吸收转移分配特征、产量构成变化，为明确有机肥施用对小麦生产的效果提供了理论支撑。砂培和田间土柱试验发现，施用有机肥显著抑制根系膜脂过氧化作用，提高不同土层特别是深层根系的超氧化物歧化酶活性，降低根系丙二醛含量，延缓根系衰老，维持小麦根系生理活性，同时可增加小麦根的磷吸收位点、提高其对磷的亲和力，促进对磷的吸收，且有机肥与化肥配施时效果更佳[80−81]。河南的田间试验显示，与单施化肥相比，增施有机肥提高小麦旗叶的叶绿素含量，促进小麦群体对光合有效辐射的截获，增大小麦群体的平均叶倾角，降低小麦群体的冠层开度，提高小麦光能利用率和群体叶面积指数，利于形成合理的冠层结构和促进灌浆期光合产物向穗部转运，提高小麦穗部同化物的积累[82−83]。在甘肃半干旱区发现施用腐熟羊粪还可提高春小麦抽穗至灌浆阶段土壤含水量，促进旗叶光合作用，降低生理干旱胁迫强度和旗叶氮吸收同化限制[84]。新疆滴灌春小麦栽培中，减氮并配施有机肥有利于提升小麦花后干物质积累量、花后转运率及贡献率和灌浆速率，改善小麦花后同化转运和灌浆特性[85]。英国的试验发现施用有机肥后，小麦籽粒胚乳中多数与氮代谢和蛋白合成相关基因表达上调[86]。陕西和河北的长期定位试验发现，配施有机肥相比单施化肥更能保证小麦花后植株对氮素的持续吸收，但有机肥全量替代则会降低小麦植株全氮含量[87−88]。经过以上过程，化肥合理配施有机肥的增产效应最后表现为小麦穗数和千粒重的增加，但有机肥替代比例过高也会使小麦穗数和穗粒数降低，出现减产风险[89−91]。此外，有机无机肥配施较单施化肥还可显著提升小麦稳产性，逆转气候变暖造成的作物产量下降[92–93]。

但并非任何情况下施用有机肥都能获得小麦增产。首先，施用有机肥后小麦产量受到土壤和气候条件影响。欧洲20 个长期定位试验表明，当化肥提供了足够的养分时，仅在沙质土壤、潮湿气候条件下，施用有机肥可提升春小麦产量，而在冬小麦上未出现类似的增产效果[94]。我国宏观尺度的整合分析发现，与单施化肥相比，配施有机肥使小麦产量提升5.6%，但不同区域的增产率有较大差异，以西北最高（11.0%），华东最低（1.4%），其中降雨量、土壤有机质和全氮含量是影响有机肥增产效果的主要气候和土壤因素，有机质和全氮含量越低，配施有机肥后产量提高幅度越高[95]。土壤pH 和有机肥施用时期也会影响作物增产效果，在酸性土壤和长期施用的情况下表现出相对较大的增产幅度[96]。其次，有机肥与化肥的施用比例和用量也会影响其对小麦的增产效果。在我国当前土壤肥力条件下，不降低化学氮肥用量增施有机物料，可增加作物产量，提高土壤肥力；但在总氮投入不变的情况下，用有机肥替代部分化肥氮仅能保证粮食产量不降低[97]。有研究表明有机肥部分替代化肥可使旱地作物产量提高6.6%，而完全替代则使其产量显著降低9.6%[96]。全球整合分析结果也显示，有机农业较传统农业会使作物产量降低25%[98]。瑞士的一项长期定位试验发现，有机农业中小麦产量较传统农业显著降低30%～40%[99]。这些结果说明不可忽视化肥在农业增产中的作用，化肥与有机肥合理配伍、科学施用才是保障农业可持续发展和粮食安全的关键。在陇中旱地用15% 有机肥氮替代化肥氮显著增加小麦的穗数和千粒重，使小麦增产6.2%，但有机肥替代比例超过30% 则可能会由于后期氮素供应过量而出现贪青晚熟，对小麦产量产生负面影响[90]。安徽合肥的试验发现15%的有机肥替代比例可使小麦增产14.1%，籽粒氮吸收量增加20.3%，但随着替代比例从15% 增加到50%，小麦千粒重、产量、秸秆生物量和籽粒氮吸收量均显著降低[100]。日本的一项研究也发现，高量有机肥的施入虽仍可使小麦生物量增加，但会导致源库失衡，使其收获指数降低[101]。此外，有机肥种类也会影响其对小麦的增产效果。在我国北方，种植豆科绿肥可以显著提升小麦产量，但种植非豆科绿肥则使小麦减产[102]。英国的试验也发现，种植三叶草对冬小麦的增产效果优于非豆科黑麦草，且以红三叶草效果最佳[103]。安徽合肥的有机肥对比试验发现，替代比例相同时沼液对小麦的增产效果优于堆肥和商品有机肥[100]。山东德州的田间土柱试验发现，等氮施用情况下，单施化肥能够获得最高的小麦产量，单施猪粪的产量可与单施化肥相当，但单施鸡粪或牛粪小麦产量则显著低于单施化肥[104]。在陕西永寿，科学减施化学氮肥配施商品有机肥可保障小麦产量不降低，但减量化肥配施生物炭则改变土壤碳氮比，影响小麦根系氮素吸收，最终降低小麦产量[105]。还有研究发现，有机无机肥配施辅以秸秆还田可降低麦田杂草优势度指数和密度，提升杂草多样性指数，减轻杂草对小麦生长的危害，但秸秆不还田则易暴发单一优势杂草，威胁小麦生长[106]。

因此，想要通过施用有机肥提高小麦产量，不仅需要与化肥合理配施，还要根据当地的土壤和气候条件选择适宜的有机肥种类，同时坚持长期施用，方可实现增产目标。

3.2 施用有机肥对小麦籽粒品质的影响

1979 年已开展了有机肥施用对小麦品质影响的系统研究，山东的定位试验研究发现，低量土粪与化肥配施可使小麦籽粒氮磷钾含量达到最高水平，这些矿质养分含量的提高也进一步促进了小麦蛋白质、面筋、氨基酸的合成，但高量土粪与化肥配施则会降低小麦的籽粒氮含量[79]。近年一项全球整合分析结果也为有机无机肥配施提高谷物的碳水化合物和蛋白质含量提供了证据[107]。意大利的试验表明，种植绿肥可使小麦在较低化肥用量条件下获得最高产量，但若要获得更高的蛋白质含量，仍需要较高的化肥用量[108]。在河南和陕西的田间试验表明，有机无机肥配施处理小麦籽粒的沉降值、延展性以及必需氨基酸含量均显著高于单施有机肥或单施化肥[56， 109−110]。不同有机肥种类对小麦籽粒蛋白质、面粉品质和面团品质的改善效果也不一致，在山东德州单施牛粪对这些品质的提升作用不明显，但鸡粪或猪粪配施少量化肥、25% 牛粪替代化肥均可实现小麦籽粒品质的显著提升[111]。江苏徐州的研究结果显示，有机肥对小麦籽粒蛋白和加工品质的改善效果因小麦类型而异，有机无机肥料配施有利于改善弱筋小麦的品质，而对强筋小麦品质的改善效果不佳[112]。

同时，有机肥中富含小麦生长发育所需的各种元素，配施有机肥可弥补化肥养分种类单一的缺陷，有机肥可通过络合或螯合作用活化土壤中的微量元素，促进小麦对微量元素的有效吸收。从全球尺度上看，有机肥与无机肥配施确有提升谷物籽粒矿质养分的作用[ 1 0 7 ]。在印度进行的调研采样结果显示，有机农场中小麦籽粒锌含量比常规农场高出16.3%[113]。瑞士西北部的试验发现，长期施用堆肥可降低冬小麦籽粒镉含量，且不会减少籽粒锌含量，实现小麦锌镉比和品质的提高[114]。在山东莱阳，高量有机肥和适量氮肥配施可使小麦籽粒锌含量达到40 mg/kg[115]。江苏宿迁的试验发现，与单施化肥相比，施用奶牛场沼液可在保证产量不降低的情况下显著提升小麦籽粒中锌和铁含量[116]。在新疆，施用鸡粪和腐殖酸可提高小麦籽粒硒富集指数，较单施化肥分别使小麦籽粒硒含量提高34.48%、27.59%[117]。受不同种类有机肥养分含量的影响，不同有机肥对小麦籽粒微量元素的提升作用不同，河北的有机肥试验发现，畜禽有机肥的施用可增加土壤有机质、全氮、全磷和全锌含量，小麦籽粒全磷和全锌含量随鸡粪用量的增加显著增加，但鸭粪用量则对小麦籽粒锌含量无显著影响[118]。在瑞士的长期试验中发现，长期施用农家肥可以显著提升春小麦籽粒锌含量，但种植三叶草绿肥却不能提高小麦籽粒锌含量[119]。施用有机肥后小麦籽粒的微量元素含量的变化会受到土壤类型和性质的影响，石灰性土壤重金属元素的生物有效性较低，小麦籽粒铜、锌、镉含量受有机肥施用的影响不显著[120−121]。

此外，施用有机肥也可以通过改变污染土壤中的重金属形态降低其生物有效性[122]，在一定程度上缓解重金属污染土壤上小麦的生长限制，提升小麦品质，但效果因有机肥种类和用量而异。巴基斯坦的小麦盆栽试验发现，在镉污染土壤上不同有机肥对小麦籽粒镉的降低幅度表现为玉米秸秆生物炭gt;水稻秸秆生物炭gt;农家肥[123]。山西的小麦盆栽试验结果表明，猪粪对镉污染的修复效果优于羊粪和鸡粪[ 1 2 4 ]。甘肃的调研结果发现，长期使用重金属含量高的肥料和畜禽粪便会导致麦田土壤重金属的积累[125]，威胁小麦的营养品质安全。在内蒙古镉污染土壤开展的春小麦试验结果显示，减施化肥20% 并配施有机肥可在增产6%～10% 的同时，降低籽粒镉含量，但有机肥施用过多反而会提高小麦对镉的吸收[126]。

3.3 有机肥施用对小麦养分效率的影响

与单施化肥相比，有机肥作为一种缓效肥料能够持续为作物提供养分，保障小麦生长后期干物质的累积和养分吸收转移，因而会表现出与单施化肥不同的作物养分吸收利用效率。在陕西杨凌，与单施化肥相比，增施牛粪对小麦氮素收获指数和氮素生理效率无显著影响[87]。山东德州的试验也表现出类似结果，在同一施氮水平下化肥和畜禽有机肥处理的小麦氮素收获指数无显著差异，但二者均会随施氮量增加而显著降低[104]。在陕西永寿，相较于监控施肥处理，增施商品有机肥不改变小麦的氮磷钾素收获指数和氮素生理效率，但会降低小麦的磷钾素生理效率；而增施生物炭小麦磷素收获指数不变，氮钾素收获指数和磷钾素生理效率显著降低，氮素生理效率显著增加[105]。等氮量条件下，有机无机肥配施可提高小麦–玉米轮作体系的作物氮素生理效率，降低其磷素生理效率[127]。

有机肥与化肥配合施用可在养分释放时间上相辅相成，缓解单施有机肥作物前期养分不足和单施化肥作物后期养分缺乏的问题，改变肥料利用效率。有学者利用整合分析发现，有机无机肥配施相较于单施化肥可使我国粮食作物的氮肥利用率提高3.6%，且有机肥的增效作用受土壤和气候的影响，西北地区土壤有机质含量低、降雨较少，配施有机肥后氮肥利用率提高幅度最大[128]。在小麦生产中，有机无机肥配施可使小麦的氮肥偏生产力由单施化肥的35.0 kg/kg 提升至45.2 kg/kg，效果也因有机物料种类而异，化肥与秸秆还田或农家肥配合可使氮肥偏生产力分别显著提高9.4% 与71.7%，与沼渣配施因化肥用量降低而使氮肥偏生产力显著提升90.3%，与堆肥配施则未能增加氮肥偏生产力[97]。在陕西、甘肃和新疆，有机无机肥配施均会显著提高小麦的氮素利用率、氮素农学效率和肥料偏生产力，且在低肥力土壤的提升幅度高于高肥力土壤[ 35， 87， 90]。但这些研究未将有机物料的氮素计算在内，若将有机肥养分纳入计算则可能出现不同的结果。在河南封丘，相较于单施化肥，等氮有机肥的施用可以提高小麦玉米轮作系统的磷肥利用率[129]。墨西哥的试验发现，等氮条件下单施尿素和尿素与鸡粪配施的氮肥偏生产力均显著高于单施鸡粪[130]。在安徽合肥，将所有肥料氮计算在内，有机无机肥配施较单施化肥显著增加了小麦的氮肥利用率，但随着替代比例的增加，氮肥利用率呈现降低趋势[100]。在山东德州，同一氮水平下化肥的氮素回收率远高于畜禽有机肥，且随着施氮量的增加，单施化肥的氮素回收率逐渐降低，而畜禽有机肥处理则呈现出先增加后降低的趋势[104]。

4 麦田有机肥施用技术

施用有机肥可以改变土壤理化和生物性质，调控作物养分吸收分配，影响小麦的产量和品质。有机肥种类和用量不同，在不同地区对小麦产量品质的影响也不尽相同，因此根据区域特征选择适宜的有机肥种类、确定合理的有机肥用量和施用方法显得尤为重要。

4.1 有机肥施用量的确定方法

有机肥的养分含量较低，单独施用不足以实现作物高产目标，但有机肥部分替代化肥可以弥补有机肥养分不足，也可以节约化肥，已作为一种资源节约、环境友好的新模式被普遍认可，但有机肥的用量和替代化肥的比例问题一直未得到很好的解决。早期有研究人员通过单点或多点多年小麦田间试验，将有机肥用量纳入到肥效反应方程中，并计算出一定有机肥用量下的氮磷化肥最佳施肥量[79， 131]。近年来也有学者将施有机肥和不施有机肥情况下的化肥用量与小麦产量结果分别进行拟合，确定不同降雨年型和有机肥投入条件下的化肥用量[132]。这两者都是在给定有机肥用量基础上，确定适宜的化肥用量。

还有学者引入有机肥养分对化肥养分的替代当量来评价有机肥的养分有效性、支撑有机肥合理用量的确定。以氮为例，一种简单的替代当量计算方法为：根据试验结果求出化肥氮用量与作物籽粒产量（或生物量、氮素吸收量等） 的回归方程，将某一有机肥用量对应的作物产量带入回归方程，可获得该有机肥用量下相当的化肥氮用量，即为该有机肥氮替代化肥氮的当量，用这一替代当量除以有机肥提供的氮素总量可获得相对替代当量[103， 133]。山东的一项田间试验利用这种计算方法，确定猪粪、鸡粪和牛粪分别能够替代59.6%、46.2% 和23.6% 的化肥氮素，分别能替代85.7%、77.6% 和91.4% 的化肥磷素，为有机肥替代化肥比例的确定提供参考[134， 104]。Hijbeek 等[135]总结了不同有机肥氮的化肥氮替代效应当量，发现农家肥对化肥氮的替代比例为10%～70%，泥浆替代比例为20%～90%，种植绿肥替代比例约为40%，且取决于绿肥种类，而秸秆氮对化肥氮的替代效果几乎可以忽略。该学者还利用欧洲的多个长期定位试验发现，高氮投入时农家肥氮的化肥氮替代效应值较低氮投入显著提高一倍以上（112% vs53%）[135]。另外，还可用有机肥处理和化肥处理的氮素回收效率相比，计算得到有机肥氮替代化肥氮的替代效应值，陕西长武的试验发现，在旱作小麦生产中种植的豆科绿肥可有效替代约31% 的化肥氮，绿肥种类不同其替代效应值也不同[136−137]。

随着数据分析方法的更新与发展，可利用大数据整合分析方法对宏观尺度上的有机替代比例进行推荐：若以小麦增产为目标，有机肥替代比例不能超过30%[138]；若以作物优质为目标，有机肥替代比例则应处于25%～50%[107]；若要有效提高氮素利用效率，有机肥替代比例需低于40%[96]；若考虑不同有机碳水平土壤对氮素的需求，则在低有机碳土壤（lt;5 g/kg） 中有机肥替代比例不应超过30%，在高有机碳土壤（gt;15 g/kg） 中有机肥替代比例可增至50%[139]。

除上述方法外，设置梯度试验并通过结果比较，直接确定有机肥用量或替代比例是使用最多的方法，对部分结果的汇总如表1。由于这类结果是直接从试验设置的处理中选出最优处理，未进行更深层的数据回归分析和定量计算，因而其推荐量受试验中肥料比例或用量梯度设计的影响，但对当地科学施用有机肥仍具有较强的指导意义。以上方法确定的有机肥用量多是以提升小麦产量品质和效率为目标，《2012 年土壤有机质提升技术模式概要》中也给出了以维持或提升地力为目标确定有机肥用量的方法，主要是通过当地土壤有机质含量、年矿化率和有机质的腐殖化系数计算有机肥用量。同时，本文也将我国各省区近年来发布的部分小麦相关技术规程中给出的推荐有机肥用量纳入总结（表2），以便参考对比。

另外，在确定有机肥施用量时需注意，大多数作物的氮磷比（N︰P2O5） 平均值大于2.5，但有机肥的有效氮磷比小于2，且畜禽粪便类有机肥中磷钾含量和有效性均较高，基于氮需求施用有机肥可能会导致土壤中磷、钾和其他离子的累积[104]。有研究表明，土壤有效磷和速效钾含量随有机肥投入量和施用时间的增加而增加[143]，施用有机肥还可能通过增加活性细菌的多样性来促进土壤有机磷的矿化[144]，长期施用过量有机肥不仅会影响作物生长，还会造成养分资源浪费、引发土壤磷淋失等潜在环境风险[104， 145–146]。同时，不同有机肥养分组成上的差异也会影响其施用量，牛粪碳氮比高于猪粪和鸡粪，在施肥初期可能会引起氮的固定，牛粪在三者中最难降解、可矿化氮含量低于猪粪和鸡粪，因而在等氮量施用时牛粪对小麦的增产效果不及猪粪和鸡粪[104]。但牛粪中以有机磷和不稳态磷为主，更容易被植物吸收利用，对化肥磷素的替代当量达91.4%，高于猪粪和鸡粪[134]。此外，根据有机肥中重金属等有害成分的污染和积累，设置麦田有机肥最大负荷量也是必要的，早期研究认为黄棕壤、红壤和潮土上的麦田垃圾肥允许负荷量分别为15、120 和102 t/hm2[147]。因此，建议在确定有机肥施用量或其与化肥的配施比例时综合考虑作物生长需求、土壤肥力水平和有机肥的种类、养分含量。

近年，中国农业大学等单位提出了一种堆肥精准施用策略，该策略通过确定障碍因子→生产专用产品→配合其他营养关键成分等步骤实现堆肥的精准综合管理，并估算该策略的应用可使全球谷物产量增加4%，有机碳储量增加26.5%，有着极大的生态环境潜力[139]。Zhao 等[148]也提出要从长期的试验实践等入手，利用土壤等多元数据与人工智能的多源融合建立堆肥精准利用系统，最终实现有机物料堆腐和施肥的精准化专用化。综合考虑多因素影响的有机肥推荐施肥方法或系统，必将成为未来有机肥精准应用发展的趋势。

4.2 有机肥施用方法与技术

在化肥出现之前，有机肥作为唯一肥源被应用在浸种、基肥、追肥等小麦生长的整个过程，化肥的出现不仅改变了有机肥的用量，还改变了有机肥的施用时期和方法，生产实践的新需求和科学研究的新发现也共同推动了新型有机肥的发展。

常用有机肥施用方法有撒施、条施、穴施等，其中沼液等液体有机肥可采用喷施、灌施等方法，但目前麦田有机肥多在播前用作基肥撒施到地表，并利用机械耕作将其翻压入土，与土壤充分混合。在德国，有机肥料主要被混入3—15 cm 深度的农田土壤，2020 年强制实行的《德国肥料法令》也对有机肥的施用时间限制在12 月1 日至1 月15 日，以防有机肥料养分流失[149]。除每年施用畜禽粪便等有机肥或连续种植绿肥外，将有机肥与化肥隔年交替施用也有较好的效果。在埃塞俄比亚南部的小麦生产中，连续种植两年紫云英或羽扇豆绿肥后，第3 年施用适量化肥，可实现土壤肥力提升、维持作物生产力[150]。

多数情况下有机肥施用工作量大、作业环境差，施肥机械适用性不高也会在一定程度上制约有机肥的推广。我国现有有机肥施用机械以引进和仿制为主，其中大田作物有机肥撒肥机主要有立辊式撒肥机、卧辊式撒肥机和锤片式撒肥机等，国内科研人员基于大田作物种植的基本国情克服了多项技术难题，但仍需不断优化改进关键零部件，特别是开展固态有机肥撒施技术与装备研究，以提高农民有机肥施用意愿、促进有机肥替代化肥的政策实施[151]。

此外，在有机无机肥配施过程中添加脲酶抑制剂等辅助制剂可获得更佳效果[152]，施用时也要注意有机肥的特征与属性，如秸秆还田时需增施化肥氮以调节碳氮比；人粪尿不宜施用在氯敏感作物上；半腐熟的堆肥不能与种子或根直接接触，以免烧苗等[153]。有机无机复混肥、生物有机肥[154−155]、纳米粪肥（nano manure）、微粪肥（micro manure）[156]、富硒有机肥[157]等新型有机肥的出现，在特异性改善土壤环境、提升小麦产量品质、缓解有机肥施用带来的负面效应等方面发挥了重要作用。

5 问题与展望

5.1 关注有机肥自身的问题

生产和使用有机肥被认为是消纳农业废弃资源的最有效手段，农业废弃资源利用不足导致废弃物累积，会引发养分流失等环境问题。多省调查结果显示，农业废弃物在农村面源污染中的贡献超过1/3[9]。全国尺度上的分析结果发现，当前我国农田的重金属元素主要来源于大气沉降和畜禽粪便，镉等重金属可能引起的污染需引起重视[158]。与30 年前相比，鸡粪、猪粪、牛粪甚至秸秆中的锌、铜、铬等重金属元素含量均有所增加[159]，其中粪便重金属含量与动物饲料添加剂的用量有关，且表现出富集趋势[160]。此外，近年来也有大量学者关注到有机肥施用给土壤带来微塑料、抗性基因、持久性有机污染物等污染问题，这些污染物可能会通过微生物的作用转移到农产品甚至整个食物链中[161−163]，威胁生态和人类健康。因此，应从源头严格规范动植物种养过程，控制饲料中农药等添加剂的用量，做好有机物料无害化处理，研究制定有机肥施用的环境阈值，并加强对制度执行的监督，确保有机肥的高效资源化和安全化利用。

另外，由于有机肥大量元素含量较低，单独施用不能满足小麦的养分需求，必须与化肥配合施用才能发挥最佳效果，且不同来源的有机肥料属性不同，施用后土壤和作物的反应也存在差异，应根据作物需肥特征和肥料养分释放特征，将有机肥料和无机肥料合理配伍，科研院校与生产企业加强合作、优势互补，共同创制新型有机无机复合肥料，使其能与区域、气候、土壤和作物等互相匹配。

5.2 与有机肥相关的科学研究不足

早在20 世纪70 年代，我国学者就已通过设置在不同地区的大量试验，研究有机肥和化肥对小麦产量品质的影响。近年来测试和数据分析方法的更新迭代，促使有机肥施用影响土壤作物环境的机理机制日益明晰，但由于有机肥种类较多、性质差异较大，不同有机肥对作物产量品质的影响机理也不一致，导致有机肥的科学研究工作相对于化肥更加复杂且不够聚焦，也限制了有机肥—土壤—作物—环境的生物地球化学循环的研究进展。同时，我国粮食作物有机肥施用现状不甚明晰，也在一定程度上阻碍了相关研究和政策的进一步发展推广；已布置的有机无机肥相关试验，多数未考虑有机肥与化肥的等量替代，仅在化肥施用基础上额外施用有机肥[97]，且在计算肥料利用效率时，未将有机肥提供的养分计算在内，高估了肥料利用效率和有机肥的效果；关于有机肥的研究中仍是以化肥为重点，如在给定有机肥用量下确定化肥用量，未将二者提到同等重要的水平来对待，且在粮食作物有机肥定量化、小麦有机肥施用技术和方法等方面仍需大量研究探索。有机肥施用经验被大量记录在我国历朝历代的农书当中，凝结了古人的智慧，因此我们在开展有机肥研究时，不仅要关注现代科学技术的发展，还要与先民的经验相结合，深入挖掘有机肥的功能和作用，在传承农耕文明的基础上使其得到进一步发展。更要引起注意的是，科学研究的发展有着极强的时代背景，这在一定程度上适应了社会实践的需求，但也要避免相关研究工作的重复、同质和碎片化，加强多点、长期、定位和系统研究设计，创新理念、方法与技术。

5.3 有机肥推广应用中存在的问题及展望

早在1988 年，国务院就发布了“关于重视和加强有机肥料工作的指示”，但直到现在，有机肥在粮食作物上的施用范围仍然十分有限，远不及经济作物。首先，种植业和养殖业的规模发展和区域需求分布的不匹配，在一定程度上增加了有机肥施用的成本，也造成了区域间有机资源的过剩与不足并存[164]。一项长期调查发现，我国同时种植作物和饲养牲畜的家庭（种养家庭） 比例从1986 年的71% 急剧下降到2017 年的12%，且超过1/3 种养家庭的粪肥生产超过了其农田作物生长的养分需求[ 1 6 5 ]。其次，以往普遍认为较小的生产规模是限制有机肥施用的主要因素，但近年的调研发现，在土地流转规模日益增加的今天，土地的不确定性影响了种植户的土壤培肥意愿，流转土地的质量和土地经营权的不稳定性对粮食种植户有机肥的施用概率和强度有显著负面影响[166]。社会调查结果显示在有机肥的推广中，种植经济作物的农民主要关注田间示范和有机肥施用机械，但种植粮食作物的农民则需要包括资金补贴、施用技术和机械在内的全方位支持[167]。此外，有机肥市场上商品有机肥质量参差不齐，养分有效性和含量不确定，使用的机械和劳动力成本高，且缺少适合粮食作物的优质专用有机肥，降低了农户主动购买和使用有机肥的意愿[ 1 6 8 ]。在国际上，加纳北部和印度恒河平原的调研结果均强调了有机肥有效推广工作的必要性[169- 170]。美国、荷兰、比利时、丹麦、德国、法国、日本等国家，则通过征收污染税、发布强制或建议型政策等来限制有机肥施用时间和用量，实现畜禽粪便生产使用流程的规范化和合理化[149， 159]，这些国家的调研结果和政策也为我国的有机肥推广提供了参考。

近年来我国各级政府部门从有机肥的生产、运输和使用等方面相继出台一系列规划、意见和标准等，如《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》、《GB/T 25246—2010 畜禽粪便还田技术规范》、《NY/T 1868—2021 肥料合理使用准则 有机肥料》、《“十四五”全国畜禽粪肥利用种养结合建设规划》等，并在《关于促进畜禽粪污还田依法加强养殖污染治理的指导意见》中，设定了到2025 年实现畜禽粪污综合利用率达80%，2035 年综合利用率达90% 的目标，以期通过政策引导、政府补贴等提升有机肥使用范围和比例，实现农业绿色种养循环，但在促进政策落地落实、杜绝政策梗阻现象、让农民切实享受政策福利、增加其施用有机肥的主观意愿等方面仍需付出努力，也要在增加有机肥施用的同时关注其负面效应，做到提前规避。目前肥料市场上的商品有机肥养分含量呈现出倍数之差，但现行的指导文件中对有机肥的推荐较为笼统，未将推荐用量与有机肥养分含量相匹配，仍需进一步细化或给出总有机氮推荐用量，还要根据粮食和经济作物种植户在有机肥施用过程中关注侧重点的不同，制定有针对性的补贴和土地流转政策，严格把控有机肥出厂质量标准，加大宣传推广力度，强化制度保障以使政策落地生根，实现农业绿色发展。