寧川川，王建武，蔡昆爭華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642

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有機(jī)肥對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的影響研究進(jìn)展

寧川川，王建武，蔡昆爭*
華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642

摘要：施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中補充養(yǎng)分的重要措施，但過量施用化肥的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致肥料利用率低，引起土壤肥力下降，破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。目前，化肥減量和增施有機(jī)肥逐漸成為被人們普遍接受和提倡的施肥方式，但仍然存在對有機(jī)肥的認(rèn)識不全面，利用不合理的現(xiàn)象。文章綜述了國內(nèi)外有機(jī)肥施用對農(nóng)田土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的影響效應(yīng)及作用機(jī)理，并對有機(jī)肥的合理利用提出了對策。研究表明，有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)對土壤肥力水平、土壤重金屬有效性和溫室氣體排放均有至關(guān)重要的作用。有機(jī)肥能顯著改善土壤物理性狀，緩解土壤酸化，增加土壤有效養(yǎng)分，維持土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤生物和生物化學(xué)特性，優(yōu)化土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成；然而有機(jī)肥（主要來源于畜禽糞便）的長期過量施用會增加土壤重金屬含量，加大作物吸收積累重金屬的風(fēng)險，另外，有機(jī)肥還可能促進(jìn)土壤溫室氣體（CO2，CH4等）的排放，加重溫室效應(yīng)。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)肥的管理，選擇安全優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥（重金屬和持久性污染物含量低），建立有機(jī)肥施用的配套技術(shù)，改革施肥方式，適時適地施肥，有機(jī)與無機(jī)相結(jié)合，盡量降低有機(jī)肥施用所帶來的環(huán)境風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：有機(jī)質(zhì)；土壤肥力；土壤養(yǎng)分；土壤微生物；重金屬；溫室氣體

NING Chuanchuan,WANG Jianwu,CAI Kunzheng.The Effects of Organic Fertilizers on Soil Fertility and Soil Environmental Quality:A Review [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):175-181.

肥料是作物的“糧食”，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著不可代替的作用。由于化肥具有施用方便、肥效快、增產(chǎn)效果明顯等優(yōu)點，在所有肥料中占有至關(guān)重要的地位。中國是最大的化肥生產(chǎn)國和消費國，約占世界化肥消費總量的34%（朱兆良等，2013）。近年來，過量施用化肥的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，且偏施氮肥，利用率低。我國當(dāng)季化肥利用率約為35%，與世界發(fā)達(dá)國家（美國為50%～55%）存在較大差距。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)，我國農(nóng)田平均每公頃化肥施用量從1980年的94.8 kg增加到2012年的480 kg，遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國家225 kg·hm-2的安全上限。化肥的過量施用不僅造成資源的嚴(yán)重浪費，且不利于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的提高（曾希柏等，2002）。同時，化肥的長期大量施用會降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，引起土壤理化性狀惡化，加速土壤酸化，污染農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境（Roelck et al.，2004；Dinesh et al.，2010；Guo et al.，2010）。

研究表明，有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量高、養(yǎng)分全面、肥效長，能改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，改良土壤，維持地力，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)（Zhang et al.，2009；徐明崗等，2008）。另外，有機(jī)肥在物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境保護(hù)上有重要作用，施用有機(jī)肥符合有機(jī)農(nóng)業(yè)或生態(tài)農(nóng)業(yè)的要求。但是近年來有機(jī)肥在原料和生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，使其對農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。奚振邦等（2004）指出，畜禽糞便等多數(shù)有機(jī)肥所含的有害物質(zhì)普遍高于化肥，包括重金屬、添加劑殘余，甚至微生物病原體等。有研究報道，現(xiàn)在畜禽飼料中通常含有大量重金屬，因此以畜禽糞便為主要原料的有機(jī)肥重金屬含量經(jīng)常超標(biāo)（劉赫等，2009）。此外，有機(jī)肥施入土壤中，可能產(chǎn)生更多的溫室氣體，加重溫室效應(yīng)。大量施用有機(jī)肥，超過土壤本身自凈能力，其二次污染將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中又一個難題。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為施加有機(jī)肥會提高土壤肥力，但是有機(jī)肥種類繁多，所含成分復(fù)雜，在土壤中變化的歷程較長，對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量造成不確定的影響。本文概括了國內(nèi)外有機(jī)肥施用對農(nóng)田土壤物理性狀、養(yǎng)分狀況、土壤微生物、土壤重金屬和溫室氣體的影響（表1），重點探討有機(jī)肥影響土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的機(jī)理和與化肥的對比效果，以便正確認(rèn)識有機(jī)肥的優(yōu)缺點，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥的合理施用提供參考依據(jù)。

表1　有機(jī)肥對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的影響Table 1　Effects of organic fertilizers on soil fertility and environmental quality

1　有機(jī)肥對土壤物理性狀的影響

施有機(jī)肥對土壤物理性狀的改善有顯著的作用，但它是一個長期的過程。有機(jī)肥施入土壤后首先進(jìn)行的是礦質(zhì)化，將有機(jī)物徹底分解為CO2、H2O和礦物質(zhì)養(yǎng)分（N、P、K、Ca等），至一定時間后，如物料、水、熱等條件適宜，腐殖化過程逐漸發(fā)展，產(chǎn)生能改善土壤理化性狀的腐殖物質(zhì)（腐殖質(zhì)、腐殖酸、胡敏酸等），從而增強(qiáng)土壤保水保肥的能力，提高土壤養(yǎng)分和水分的有效性（奚振邦等，2004；韓秉進(jìn)等，2004；樓濤等，2014）。劉光榮等（2009）3年的大田試驗研究表明，腐熟豬糞和粉碎秸稈均可降低旱地耕層土壤容重，增加總孔隙度和物理性粘粒含量。鄧超等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥增加了土壤的大、中孔隙度，有機(jī)肥處理的大、中孔隙度分別是化肥處理和不施肥處理的1.45～1.68 和1.22～1.43倍。另外，有機(jī)肥的施用提高了植煙土壤的pH、EC、CEC（李軍營等，2012）。

土壤團(tuán)聚體是由膠體和土壤原生顆粒凝聚、膠結(jié)而成，不同粒級團(tuán)聚體的數(shù)量和空間排列方式?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進(jìn)而決定了土壤的水力性質(zhì)，影響土壤的通氣性、透水性、蓄水性和耕性（Dexter，1988；Bronick et al.，2005；彭新華等，2003）。研究表明，施有機(jī)肥有利于大團(tuán)聚體的形成和保持（Whalen et al.，2003；毛霞麗等，2015）。有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑，施有機(jī)肥除了可直接增加有機(jī)質(zhì)外，其殘體分解能激發(fā)微生物活性，形成真菌和糖，這些物質(zhì)也可以膠結(jié)土壤顆粒形成大團(tuán)聚體（Mikha et al.，2004）。高飛等（2010）通過連續(xù)3年的田間試驗，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥不同施用量均可顯著增加土壤中大團(tuán)聚體的比例，改良土壤中團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，適宜的施肥量在60 t·hm-2左右。龔偉等（2011）研究表明，有機(jī)肥有利于增加土壤微團(tuán)聚體的團(tuán)聚度，使不同粒級團(tuán)聚體的比例更趨合理，進(jìn)而提高土壤的水肥調(diào)控能力和肥力水平。

土壤酸化已經(jīng)成為制約土壤生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子和影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的難題。而有機(jī)肥在改良土壤酸化方面起到積極的作用。土壤中NH4+硝化、硝酸鹽淋溶以及作物對陰陽離子吸收的不均衡是加速土壤酸化的重要因素（Juliane et al.，2000）。有機(jī)肥在分解過程中產(chǎn)生的腐殖酸是含有許多酸性功能團(tuán)的弱酸，可通過酸基解離和胺基質(zhì)子化提高土壤的酸堿緩沖性。很多研究報道，牛糞、雞糞、農(nóng)家肥、農(nóng)作物秸稈均可提高土壤pH（Singh et al.，2010；Chaiyarat et al.，2011）。張永春等（2010）通過26年的肥料定位試驗，發(fā)現(xiàn)單施尿素降低了土壤pH和酸堿緩沖容量，而增施有機(jī)肥處理雖然也降低了土壤pH，但土壤酸堿緩沖容量保持穩(wěn)定甚至提升。Butler et al.（2006）研究發(fā)現(xiàn)田間牛糞堆肥施用量從11.2 t·hm-2到179.2 t·hm-2，土壤pH平均增加了0.5個單位。另外，由于土壤酸化往往伴隨著鹽基離子的耗竭與養(yǎng)分的淋失，而施用有機(jī)肥能加強(qiáng)土壤保水保肥的能力，減少土壤養(yǎng)分的淋失，有效緩解土壤和地下水的酸化程度（謝紅梅等，2006；Jongtae，2010）。

2　有機(jī)肥對土壤養(yǎng)分的影響

研究表明，長期施用有機(jī)肥可以增加土壤供肥容量，加快腐殖酸對土壤養(yǎng)分的活化速度，提高土壤養(yǎng)分含量，保持速效養(yǎng)分供應(yīng)平衡，改良和培肥地力效果明顯（Huang et al.，2010）。唐繼偉等（2006）近20年的定位試驗結(jié)果表明，在同等施肥情況下，有機(jī)肥在增加土壤營養(yǎng)、改善土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量等方面具有極其顯著的作用。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，對養(yǎng)分供給和防止養(yǎng)分淋失有重要作用。有機(jī)肥的施用將大量的有機(jī)質(zhì)帶入土壤，有機(jī)質(zhì)的分解會產(chǎn)生有機(jī)酸，通過酸溶作用可促進(jìn)礦物的風(fēng)化和養(yǎng)分釋放，通過絡(luò)合（螯合）作用可增加礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性。有機(jī)肥還會增加土壤活性炭和活性氮組分，增強(qiáng)與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物和酶的活性，從而提高土壤有效養(yǎng)分（張亞麗等，2002；Lazcano et al.，2013）。Yang et al.（2012）通過長期定位試驗證實，單施化肥、有機(jī)肥或有機(jī)-無機(jī)肥配施均能顯著提高土壤全氮量，且隨著有機(jī)肥投入比例的增加，土壤全氮呈增加的趨勢。Hartl et al.（2003）通過5年的田間試驗發(fā)現(xiàn)施用堆肥的土壤速效鉀含量比不施堆肥平均增加26%。盧志紅等（2009）則研究表明，有機(jī)-無機(jī)肥配施的土壤中活性較高的有機(jī)磷組分（活性和中度活性有機(jī)磷）均高于無肥處理和單施化肥處理，有利于土壤有效磷的穩(wěn)定供給。磷肥施入土壤后極易被吸附形成難溶性磷酸鹽，從而影響磷的釋放。增施有機(jī)肥可使有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化，并且通過腐殖質(zhì)包裹Fe、Al、Ca等的氧化物而降低對磷的吸附，提高磷素的有效性（楊麗娟等，2009）。另外，有機(jī)質(zhì)對速效養(yǎng)分的吸附可減少速效養(yǎng)分的流失，因此有機(jī)-無機(jī)肥配施既可保證足量的速效養(yǎng)分，又減少了養(yǎng)分流失，提高了肥料利用率。不同的有機(jī)-無機(jī)肥配比會產(chǎn)生不同的效果，學(xué)者普遍認(rèn)為，有機(jī)肥以占50%左右的比例為好，高產(chǎn)田可以低一些，化肥與有機(jī)肥的比例約為3∶2，低產(chǎn)田則應(yīng)高一些，化肥與有機(jī)肥的比例約為2∶3（黃鴻翔等，2006）。

有機(jī)肥不僅含有作物生長所需的N、P、K等大量元素，又含有S、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Mo、B等微量元素。有機(jī)肥輸入農(nóng)田的微量元素遠(yuǎn)高于化肥，且有效含量遠(yuǎn)高于土壤，有機(jī)肥承擔(dān)了農(nóng)田中絕大部分微量元素的補給，長期施用有機(jī)肥的土壤一般不缺乏微量元素（王激清等，2005；朱先進(jìn)等，2010）。有機(jī)肥對土壤微量元素的影響與有機(jī)肥的種類有關(guān)。王飛等（2012）通過26年的定位試驗，研究發(fā)現(xiàn)單施化肥降低了土壤有效態(tài)B、Fe、Zn、Cu的含量，而化肥配施牛糞或作物秸稈緩解了微量元素的下降趨勢，尤其配施牛糞處理顯著提高有效態(tài)Zn、B、Mn含量。Abu-Zahra et al.（2010）研究表明，施用羊糞對土壤Fe、Mn含量提升最大，而牛糞對增加土壤Zn、Cu含量效果最明顯。有機(jī)肥還可通過改變土壤的理化性狀來影響土壤微量元素的有效性，比如pH、其它元素、有機(jī)質(zhì)等（Li et al.，2007）。

3　有機(jī)肥對土壤微生物特性的影響

研究表明，有機(jī)肥不僅直接增加土壤有效養(yǎng)分和改善土壤理化性質(zhì)，還對土壤的生物和生物化學(xué)特性有明顯的影響，且土壤生物和生物化學(xué)特性對土壤環(huán)境變化和施肥管理的響應(yīng)更敏感更迅速（Govi et al.，1992；Dinesh et al.，2010）。

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)過程中有重要作用，土壤微生物數(shù)量和活性是反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)（Gil-Sotres et al.，2005）。有機(jī)肥為土壤微生物的活動提供所需的碳源、氮源和能量，并改善土壤微生態(tài)環(huán)境的理化性狀，促進(jìn)微生物的生長和繁殖，增加微生物數(shù)量和活性，優(yōu)化土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能（陳芝蘭等，2005；Timo et al.，2006）。有學(xué)者將土壤微生物群落的變化歸因于長期施用的有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力，而有機(jī)質(zhì)則被認(rèn)為是影響土壤微生物動態(tài)的主要因素（Diacono et al.，2010）。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代部分化肥能明顯增加棉田土壤細(xì)菌、放線菌和假單胞桿菌數(shù)量，但抑制了真菌的生長，改變了土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成（陶磊等，2014）。葉俊等（2012）研究表明，有機(jī)肥能顯著增加土壤細(xì)菌群落多樣性，而土壤pH是其關(guān)鍵因子。此外，有機(jī)肥對土壤微生物量C、N的礦化和土壤呼吸也有積極的促進(jìn)作用，而且跟土壤有機(jī)質(zhì)水平呈極顯著正相關(guān)（Dinesh et al.，2010；馬曉霞等，2012；臧逸飛等，2015）。

土壤酶是一類具有生物化學(xué)催化性質(zhì)的特殊物質(zhì)，它參與了土壤中許多重要的生物化學(xué)過程。土壤酶是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，也是土壤有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要因素。土壤酶與土壤微生物關(guān)系密切，影響土壤微生物的因素必然影響土壤酶活性。施用有機(jī)肥的同時把大量的微生物和酶帶入土壤，且提高了土壤有機(jī)質(zhì)和微生物量C、N含量，為土壤微生物提供大量的養(yǎng)分和酶促基質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物的生長和繁殖，提高了酶活性（Bolan et al.，2003；林瑞余等，2007）。另外，土壤酶絕大多數(shù)為吸附態(tài)，以物理和化學(xué)的形式吸附在土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)顆粒上，或與腐殖物質(zhì)絡(luò)合共存。有機(jī)肥的施用增加了土壤中有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量，為土壤酶提供了豐富的結(jié)合位點或保護(hù)性位點，有利于土壤酶活性的提高（Martens et al.，1991；Pascual et al.，1999）。關(guān)于這一點眾多研究均得出類似的結(jié)果，例如，馬寧寧等（2010）研究發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥的處理中土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶和中性磷酸酶活性均顯著高于化肥處理；王飛等（2011）研究發(fā)現(xiàn)與化肥等養(yǎng)分配施條件下，有機(jī)肥處理的土壤脲酶活性提高6.2%～22.1%，磷酸酶活性提高7.9%～27.9%，過氧化氫酶活性提高45.1%～65.2%。

4　有機(jī)肥對土壤重金屬的影響

20世紀(jì)以來，許多國家相繼出現(xiàn)了農(nóng)田土壤重金屬累積和超標(biāo)問題，給作物生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，并通過食物鏈威脅人體健康（Chojnacha et al.，2005）。重金屬在土壤中的含量超過背景值，過量沉積就會造成土壤重金屬污染，近年來土壤重金屬污染問題越來越嚴(yán)重。

有機(jī)肥作為農(nóng)田養(yǎng)分輸入的優(yōu)質(zhì)肥源，除了為作物提供生長必須的大量和微量元素外，也含有不同程度的重金屬元素，特別是以畜禽糞便為原料的有機(jī)肥，施用時必然增加土壤重金屬含量和作物吸收積累重金屬的風(fēng)險（Ociepa et al.，2008；Goss et al.，2013）（表2）。劉榮樂等（2005）對全國14個?。ㄊ校┻M(jìn)行不同有機(jī)肥取樣測定，發(fā)現(xiàn)污泥和豬糞中的重金屬含量高于其他來源的有機(jī)廢棄物，其中污泥中Cr、Pb、Ni、Hg的平均含量較高，豬糞中Zn、Cu、Cd、As的平均含量較高，而雞糞中普遍含有較高的Cr含量。李本銀等（2010）研究發(fā)現(xiàn)施用農(nóng)作物秸稈、綠肥和豬糞均明顯提高了土壤Cu、Zn、Cd的總量和有效態(tài)含量，其中施用豬糞的影響最顯著。王開峰等（2008）通過稻田長期定位試驗，發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥加大了稻田土壤受重金屬污染的風(fēng)險，中、高量有機(jī)肥處理明顯提高了Zn、Cu、Cd和Pb全量，有效態(tài)含量及活化率。類似的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著年限的增長，施用化肥和有機(jī)肥的土壤中Cu、Zn、Pb、Cd的含量均呈增加的趨勢，且以單施有機(jī)肥和有機(jī)肥-化肥配施的影響最為明顯（劉赫等，2009）。

表2　不同動物糞便的重金屬含量范圍 (Goss et al.,2013)Table 2　Rangers of heavy metal contents of manure

重金屬總量是評價土壤重金屬污染程度的常用指標(biāo)，然而重金屬有效性主要與其化學(xué)形態(tài)有關(guān)（Tandy et al.，2009）。有機(jī)肥是影響土壤中重金屬化學(xué)行為的一類最重要的有機(jī)物質(zhì)，可通過改變pH、Eh、有機(jī)質(zhì)等影響土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)（Sims，1986；Singh et al.，1988）。但是施用有機(jī)肥對土壤重金屬有效性的認(rèn)識觀點不一。一方面，施用有機(jī)肥料具有提高土壤重金屬有效性的作用，因為有機(jī)肥本身攜帶的重金屬的生物有效性較強(qiáng)，且有機(jī)物腐解過程中釋放的有機(jī)酸對土壤強(qiáng)結(jié)合態(tài)重金屬具有活化效應(yīng)，從而增加重金屬的有效性（高明等，2000）；另一方面，有機(jī)質(zhì)具有大量的官能團(tuán)，對重金屬離子有很強(qiáng)的吸附能力（Tian et al.，2012），腐殖質(zhì)分解產(chǎn)生的腐植酸可與重金屬離子形成絡(luò)（螯）合物，固定重金屬，降低重金屬的有效性，減輕對作物的毒害（Udovic et al.，2012）。華珞等（2002）研究表明，腐植酸中的胡敏酸、胡敏素與金屬離子形成的絡(luò)合物是不易溶的，能顯著抑制植物吸收土壤中的重金屬元素，而富里酸與金屬離子之比大于2時，有利于形成水溶性的絡(luò)合物，小于2時易形成難溶性絡(luò)合物。所以施用有機(jī)肥是否會促進(jìn)植物吸收土壤中的重金屬取決于以上兩方面。另外，有機(jī)肥影響土壤重金屬有效性還與有機(jī)肥種類和土壤類型有關(guān)，對于重金屬污染的土壤，有機(jī)肥的長期施用會使土壤中重金屬與有機(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合并積累在土壤表層，降低重金屬有效性，減少作物對重金屬的吸收。劉秀珍等（2014）研究不同有機(jī)肥對鎘污染土壤鎘形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥促進(jìn)了土壤中的鎘由可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)向鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)轉(zhuǎn)化，即由生物有效性向非生物有效性轉(zhuǎn)化。

5　有機(jī)肥對土壤溫室氣體的影響

土壤溫室氣體主要包括CO2、CH4、N2O等，對全球氣候變暖有重要影響。農(nóng)田是主要的溫室氣體排放源之一，農(nóng)田溫室氣體的排放不僅受溫度、降水、光照和土壤質(zhì)地等自然因素的影響，也受施肥等農(nóng)田管理措施的影響，研究施肥對土壤溫室氣體的影響是近年來的熱點。盡管有機(jī)肥在提高土壤肥力和維持土壤健康方面有積極的作用，但是相對化肥而言卻對土壤溫室氣體的排放有促進(jìn)的趨勢。

CO2是最重要的溫室氣體，土壤CO2排放通量受土壤物理、化學(xué)和生物過程的影響，與土壤碳含量、氮含量、陽離子交換能力等有關(guān)（La et al.，2000）。眾多研究表明，有機(jī)肥及有機(jī)-無機(jī)肥配施能顯著增加CO2的排放（Iqbal et al.，2009；張蛟蛟等，2013）。首先，有機(jī)肥的施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高了土壤水溶性有機(jī)碳和熱水溶性有機(jī)碳的含量，促進(jìn)CO2的產(chǎn)生，且活性有機(jī)碳的礦化分解也會增加土壤CO2的排放量（Meijide et al.，2010）；其次，有機(jī)肥的施用能增加土壤總孔隙度，促進(jìn)土壤中CO2的擴(kuò)散和釋放。此外，有機(jī)肥增加了土壤微生物數(shù)量和活性，土壤呼吸加強(qiáng)，進(jìn)而影響地表CO2通量（張慶忠等，2005）。

CH4的產(chǎn)生和排放是嚴(yán)格厭氧條件下產(chǎn)甲烷菌作用的結(jié)果，充足的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和適宜的產(chǎn)甲烷菌生長環(huán)境是CH4產(chǎn)生的先決條件（Blair et al.，1995）。CH4主要由水田排放，水田施用有機(jī)肥不僅直接增加土壤的碳匯，而且改變了土壤中供產(chǎn)甲烷菌利用的碳源和氮源的有效性，使其更容易被產(chǎn)甲烷菌利用。產(chǎn)甲烷菌活性與土壤溫度、pH等環(huán)境條件密切相關(guān)，大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌適宜生活在中性或弱堿性的環(huán)境中，最適溫度為35～37 ℃。施用有機(jī)肥可改善土壤的熱特性，使其吸收更多的輻射能，提高土壤溫度；對于酸性土壤還可提高土壤pH，為產(chǎn)甲烷菌提供了有利的生長條件，促使其產(chǎn)生更多的CH4（Parashar et al.，1993；李海防等，2007）。另外，CH4在好氧條件下容易被氧化菌氧化而減少土壤中CH4的排放。有機(jī)質(zhì)的分解會降低土壤氧化還原電位（Eh），從而導(dǎo)致CH4的排放量增加（Blair et al.，1995）。研究發(fā)現(xiàn)，施用作物秸稈、畜禽糞便、堆肥、沼渣等各種有機(jī)肥均能增加稻田的CH4排放量，且不同有機(jī)肥對CH4的影響不同，施用秸稈處理的CH4排放量顯著高于其它有機(jī)肥（秦曉波等，2006；霍蓮杰等，2013）。

N2O的增溫效應(yīng)是CO2的296～310倍，且能在大氣中滯留較長時間，參與大氣中許多光化學(xué)反應(yīng)，破壞臭氧層（Ravishankara et al.，2009）。土壤微生物參與下的硝化與反硝化過程是生成N2O的主要途徑（Eghball et al.，1997）。研究表明，土壤N2O的生成與排放受反應(yīng)底物碳和氮的雙重影響，當(dāng)有機(jī)肥料等碳量施用時，N2O的排放主要受外源氮供應(yīng)水平的制約，而當(dāng)有機(jī)肥料等氮量施用時，N2O排放主要受外源碳供應(yīng)水平的制約（Chadwick et al.，2000）。因此有機(jī)肥不僅提供微生物活動所需能量，還可通過改變土壤C/N來影響微生物活動，進(jìn)而影響硝化、反硝化反應(yīng)產(chǎn)物N2O的生成與排放。通常土壤微生物適宜的C/N為（25～30）/1，如果C/N大于（25～30）/1，則有機(jī)質(zhì)分解變慢，微生物活性減弱，N2O排放受到抑制；反之，則促進(jìn)N2O的排放（徐榮，2006）。由此可見，不同種類有機(jī)肥對土壤N2O的影響存在差異。例如，董玉紅等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，在等氮量投入下，小麥秸稈還田的土壤N2O排放通量大于單施化肥處理。郝小雨等（2012）研究則表明，相比化肥，秸稈和豬糞肥的施用均顯著降低了N2O的排放。目前，有機(jī)肥施用對土壤N2O排放的影響尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論，其影響機(jī)理需進(jìn)一步深入研究。

6　結(jié)論與展望

綜上所述有機(jī)肥在改善土壤理化性狀、維持土壤養(yǎng)分平衡和提高土壤微生物活性等方面具有化肥不可比擬的優(yōu)勢，但是有機(jī)肥（主要來源于畜禽糞便）的施用存在增加土壤重金屬含量和作物吸收累積重金屬的風(fēng)險，而且會增加土壤溫室氣體（CO2、CH4等）的排放，加重溫室效應(yīng)。因此，建議農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)肥的管理，嚴(yán)格規(guī)范有機(jī)肥的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，選擇優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥（低重金屬和持久性污染物含量），并且建立有機(jī)肥施用的配套技術(shù)，改革施肥方式，適時適地施肥，有機(jī)與無機(jī)相結(jié)合，盡量降低有機(jī)肥施用帶來的環(huán)境風(fēng)險。

現(xiàn)階段，有機(jī)肥資源呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，但是不能盲目追求“有機(jī)”，更不能過量施用有機(jī)肥，正視有機(jī)肥和化肥的優(yōu)缺點，遵循農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展原則，特別是在以化肥為主體的背景下，建立對有機(jī)肥的新認(rèn)識、新觀念。

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The Effects of Organic Fertilizers on Soil Fertility and Soil Environmental Quality:A Review

NING Chuanchuan,WANG Jianwu,CAI Kunzheng*
Key laboratory of Tropical Agro-Environment,Ministry of Agriculture,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China

Abstract:Fertilization is an important practice of nutrient supplement in agricultural production.However,excess application of chemical fertilizer is getting more and more serious in recent years,leading to nutrient imbalances and low utilization rate of fertilizer,declining soil fertility and ecological environment degradation of farmland.Nowadays,chemical fertilizer reduction and incorporation of organic fertilizer is widely recommended,especially in organic food production.But people still cannot fully understand and reasonably use organic fertilizer.This paper reviewed the effects and mechanism of organic fertilizer application on soil fertility and soil environmental quality,and proposed development strategies for rational use of organic fertilizers.Large evidence showed that organic fertilizer contains rich organic matter,which has big influence on soil fertility,soil available heavy metal and greenhouse gas emissions.Organic fertilizers can significantly improve soil physical properties,relieve soil acidification,increase soil available nutrients,maintain soil nutrients balance,improve soil biological and biochemical properties,and optimize soil microbial community structure.However,long-term excessive application of organic fertilizers (mainly from livestock and poultry manure) will increase the content of heavy metals in soil and intensify the risk of crop uptake and accumulate heavy metals.Moreover,organic fertilizer may also promote the emission of greenhouse gas (CO2,CH4etc.) in soil,that aggravating the greenhouse effect.Therefore,in agricultural production,it is necessary to strengthen organic fertilizer management,and choose safety and high quality organic fertilizer (low content of heavy metals and persistent organic pollutants).And the technologies and methods of organic fertilizer application is also important,combined organic and inorganic fertilizer application according to the climate and soil characteristics were recommended so as to minimize the environmental risks.

Key words:organic matter; soil fertility; soil nutrient; soil microorganism; heavy metals; greenhouse gases

收稿日期：2015-07-14

*通信作者：蔡昆爭（1970年生），教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究工作。E-mail:kzcai@scau.edu.cn

作者簡介：寧川川（1988年生），男，博士研究生，主要從事農(nóng)田生態(tài)學(xué)的研究工作。E-mail:845949978@qq.com

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAD14B00）；廣東省科技計劃項目（2012A020100003）

中圖分類號：X825; S147.3; S158

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0175-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.026

引用格式：寧川川,王建武,蔡昆爭.有機(jī)肥對土壤肥力和土壤環(huán)境質(zhì)量的影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2016,25(1):175-181.