谷學(xué)佳 譚嘉怡 王玉峰 孫琦 王碩 李激

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.004

摘要：農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展離不開肥料。無機化肥因其速效養(yǎng)分含量豐富、增產(chǎn)效果顯著、施加方式簡便等特點被廣泛應(yīng)用于緩解糧食短缺壓力，但隨著無機肥長期、過量投入，農(nóng)作物糖分、蛋白質(zhì)含量降低，土壤板結(jié)酸化、肥力下降，對作物的生長環(huán)境也帶來不利影響。有機肥養(yǎng)分全面、原料易得，有利于減少作物中硝酸鹽的積累，但其養(yǎng)分物質(zhì)含量相對較低、肥效緩慢，單施有機肥并不能滿足作物生長發(fā)育需求，且存在重金屬、抗生素和病原菌污染問題。具有特定肥效的微生物肥料環(huán)保無公害，可以通過微生物作用均衡作物對養(yǎng)分的吸收，進而提高作物品質(zhì)，但尚存在產(chǎn)品活菌數(shù)低、效果不穩(wěn)定、成本較高等問題。污泥含有大量N、P、K等元素和氨基酸、腐殖質(zhì)等對作物的生長發(fā)育起著積極作用的物質(zhì)，但是傳統(tǒng)的污泥農(nóng)業(yè)應(yīng)用方式（直接填土、堆肥、發(fā)酵）引起的重金屬、病原菌污染問題是遏制其發(fā)展的瓶頸。污泥基營養(yǎng)激勵素作為污泥農(nóng)用的新方式，富集污泥中的有益養(yǎng)分，在提高作物品質(zhì)、改善土壤質(zhì)量方面潛力巨大。本文綜述了無機肥料、有機肥料、微生物肥料和污泥基營養(yǎng)激勵素等不同類型肥料對作物品質(zhì)和土壤環(huán)境的影響及施用現(xiàn)狀，為選擇合理的施肥類型以提高作物品質(zhì)提供參考，以期推進我國農(nóng)業(yè)長效、穩(wěn)定、安全的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：作物品質(zhì)；土壤質(zhì)量；無機肥料；有機肥料；微生物肥料；污泥農(nóng)用；污泥基營養(yǎng)激勵素

中圖分類號：S14? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）10-0029-10

收稿日期：2023-07-01

基金項目：黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新跨越工程重點項目（編號：HNK2023CXZD08）；江蘇省碳達峰碳中和科技創(chuàng)新專項資金（編號：BE2022303）。

作者簡介：谷學(xué)佳（1984—），男，黑龍江佳木斯人，副研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)環(huán)境。E-mail：gxjforever@aliyun.com。

通信作者：王? 碩，博士，副研究員，研究方向為污水生物處理技術(shù)、污泥處理處置技術(shù)、有機廢棄物資源化、新興污染物去除、環(huán)境健康與生態(tài)風(fēng)險評價、碳減排與碳中和。E-mail：shuowang@jiangnan.edu.cn。

人體所需要的營養(yǎng)物質(zhì)如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和維生素1/2～3/4都是從農(nóng)產(chǎn)品中獲得的［1］，這些營養(yǎng)物質(zhì)對于維持人體正常生理活動和健康至關(guān)重要且不可替代。隨著世界人口的增加，人類對農(nóng)產(chǎn)品的需求量增大，增施肥料是農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的重要手段，可緩解糧食壓力和耕地壓力并為農(nóng)業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。但是，隨著肥料的大量投入，作物產(chǎn)量雖然飛速增長但其品質(zhì)卻在不斷下滑。例如，蔬菜口感變得粗糙；瓜果甜味不足，其體內(nèi)的維生素C和可溶性糖的含量下降，但酸濃度卻明顯上升［2］。對比1963年發(fā)行的《食物成分表》（第2版）和2018年發(fā)行的《中國食物成分表》（第6版），谷物如小麥粉的碳水化合物含量由74.0 g/100 g下降至 70.9 g/100 g，豆類如豌豆的蛋白質(zhì)含量由 24.6 g/100 g 下降至7.4 g/100 g，茄果類如黃瓜的維生素C含量由14 mg/100 g下降至9 mg/100 g。此外，鈣、鐵、鎂等人體所必需的礦質(zhì)元素含量都出現(xiàn)了不同程度的下滑，據(jù)調(diào)查，1940—2019年期間除磷元素以外，水果和蔬菜中的礦物元素濃度均有所下降，其中鈉元素下降幅度最大，約為52%［3］。

作物品質(zhì)既受品種本身固有遺傳因素的影響，也受肥料施用、栽培技術(shù)及外界生態(tài)環(huán)境等方面的影響，其中肥料是影響作物品質(zhì)的重要因素之一［4］。本研究通過總結(jié)和梳理無機肥料、有機肥料、微生物肥料和污泥肥料等不同類型肥料對作物品質(zhì)的影響及目前施用存在的問題，旨在為作物選擇合理的肥料類型提供參考，以期改善當前我國由于肥料大量施用造成作物品質(zhì)下降和土壤質(zhì)量低下的問題。

1? 施用不同類型肥料對作物品質(zhì)的影響

1.1? 施用無機肥料對作物品質(zhì)的影響

無機肥是一種無機鹽態(tài)肥料，經(jīng)過提取、機械粉碎和化學(xué)合成等工藝加工制成，又稱化學(xué)肥料，主要含有的營養(yǎng)元素N、P、K等均以無機化合物的形式存在。無機肥因其施加方式簡便、增產(chǎn)效果顯著而被廣泛應(yīng)用，減緩了糧食緊缺問題。據(jù)估算，截至20世紀末我國由于化肥增加的農(nóng)作物產(chǎn)量占年糧食總產(chǎn)量的47.3%［5］?；士砂雌涮峁┑酿B(yǎng)分種類進行分類：（1）單一養(yǎng)分肥料，如氮肥（尿素、硫酸銨、硝酸銨等）、磷肥（磷酸鈣、磷礦粉等）和鉀肥（草木灰、氯化鉀、硫酸鉀等）；（2）含有2種以上的常量養(yǎng)分的復(fù)合肥料（磷酸二銨、磷酸二氫鉀等）。

1.1.1? 無機氮肥對作物品質(zhì)的影響? 氮是作物生長發(fā)育期間最主要的、必需的營養(yǎng)元素，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，同時也是葉綠素、各種酶以及核酸的主要組成部分。大量研究已經(jīng)證實，適量施用氮肥有利于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。姜東等研究發(fā)現(xiàn)，長期施用氮肥對小麥籽粒產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的增幅分別達到107%～268%和7.4%～13.9%［6］。合理施用氮肥也可以提高小麥和玉米的可溶性糖含量，而可溶性糖含量是決定作物口感風(fēng)味的重要因素，也是影響消費者選擇的衡量標準之一［7］。但是當?shù)视昧坎蛔慊蛘哌^多時，會導(dǎo)致作物籽粒中糖分含量下降，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要在于合理施氮可以提高磷酸蔗糖合成酶（SPS）和蔗糖合成酶（SS）的活性［8］，從而促進碳水化合物的積累。增加氮肥用量能顯著提高番茄紅素含量，番茄紅素具有抗氧化作用，在抗癌和增強機體免疫力等方面極具潛力，也是評定番茄品質(zhì)的重要指標之一［9-10］。徐春梅等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量超過150 kg/hm2時，稻米的糙米率、精米率和整精米率出現(xiàn)下降［11］。維生素C含量和可溶性糖含量等品質(zhì)指標在一定的氮肥用量范圍內(nèi)會隨著氮肥用量的增加而增加，超過一定的用量后反而隨之減少［12］。此外，過量施用氮肥還會使作物中的硝酸鹽含量明顯升高［13］。通過農(nóng)田試驗，施加化肥后芹菜可食用部分的硝酸鹽含量增加40.20%，數(shù)值也超過了無公害蔬菜生產(chǎn)的標準［14］。硝酸鹽在硝酸鹽還原酶的作用下易轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，亞硝酸鹽和人體腸胃中的胺類物質(zhì)是合成致癌物質(zhì)——亞硝胺的前體，這表明氮肥的大量施用也會對人體健康帶來風(fēng)險危害［15］。

1.1.2? 無機磷肥對作物品質(zhì)的影響? 磷是核酸及核苷酸的主要組成成分，同時還是原生質(zhì)和細胞核的構(gòu)成要素，參與作物體內(nèi)各種代謝過程。磷元素充足可以促進作物體內(nèi)的物質(zhì)合成與代謝，從而提高其產(chǎn)量與品質(zhì)［15］。王建國等研究發(fā)現(xiàn)，施磷肥能使大豆蛋白質(zhì)含量增加1.0%～1.5%，還可減少大豆中的棕櫚酸和亞麻酸的含量，提高油酸含量［16-17］。但是，過量施用磷會導(dǎo)致某些微量元素缺乏，破壞土壤中的元素平衡，從而影響作物生長。張鑫堯等研究發(fā)現(xiàn)，降低20%的磷肥用量，籽粒蛋白質(zhì)含量和谷蛋白質(zhì)含量相應(yīng)降低，但顯著提高了微量元素（如Fe、Cu和Zn）的含量和生物有效性［18］。此外，磷肥對作物的增產(chǎn)效果明顯低于氮肥、鉀肥［15］。

1.1.3? 無機鉀肥對作物品質(zhì)的影響? 鉀元素具有促進光合作用以及活化酶類的能力，有助于合成碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)。施鉀肥可提高作物蛋白質(zhì)、可溶性糖、維生素C、可溶性固形物和淀粉的含量，增幅分別為7.3%、19.3%、18.6%、8.7%和5.2%［19］。此外，施用鉀肥也可以降低蔬菜中的硝酸鹽含量，這可能是因為鉀能夠提高植物葉片硝酸酶的活性，從而降低硝酸鹽的含量［20］。與氮肥、磷肥一致，鉀肥施用量過高時，小麥對鉀的過量吸收會引起土壤和作物體內(nèi)的氮鉀比例失調(diào)，影響各種元素間的平衡，進而導(dǎo)致小麥籽粒品質(zhì)降低［21］。

1.2? 施用有機肥料對作物品質(zhì)的影響

相較于無機化肥，有機肥養(yǎng)分全面、肥效穩(wěn)定，可以提供植物所需的中量元素、微量元素以及氨基酸類、腐植酸類和酶類等有機態(tài)成分。有機肥按來源可分為動物源有機肥和植物源有機肥（表1）［22］。動物源有機肥主要是畜禽糞便（如富含有機質(zhì)的羊糞、豬糞、牛糞）以及一些動物殘體；植物源有機肥主要是農(nóng)林廢棄物，如秸稈類（如富含纖維素和木質(zhì)素等大分子物質(zhì)的玉米秸稈、小麥秸稈、豆秸稈和水稻秸稈）、粕類（如豆粕、棉粕、蓖麻粕、花椒粕等農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的廢棄物）以及菌糠類（如富含菌體蛋白質(zhì)、維生素、微量元素及生長素的蘑菇渣、金針菇渣、平菇渣、杏鮑菇渣）［22-23］。

1.2.1? 動物源有機肥對作物品質(zhì)的影響? 有機肥中豐富的有機成分是提高作物品質(zhì)性狀的關(guān)鍵，如氨基酸和葡萄糖、果糖、麥芽糖等水溶性糖都可作為有機養(yǎng)分被水稻所吸收［24］。羊糞、豬糞、牛糞等都是常見的動物源有機肥原料，有機質(zhì)含量高，但纖維含量少，不易被分解，使用時需要經(jīng)過充分腐熟發(fā)酵，利用高溫殺滅潛在的病原菌、蟲卵和雜草種子等風(fēng)險危害。杜少平等研究發(fā)現(xiàn)，對比化肥處理，牛糞、雞糞、豬糞類有機肥均顯著提高了西瓜中心、邊緣的可溶性固形物含量和維生素C含量［25］。

施用有機肥也可以提高生菜糖酸比，同時顯著降低硝酸鹽含量，在改善作物口感、提高品質(zhì)和減少潛在癌癥誘發(fā)風(fēng)險方面具有重要作用（表2）［26］。此外，動物殘體有機肥對葡萄果實的生長和提質(zhì)效果都優(yōu)于牛羊糞肥類有機肥［27］。

1.2.2? 植物源有機肥對作物品質(zhì)的影響? 在茶葉生產(chǎn)中，施加菜子餅有機肥能顯著提高茶葉的氨基酸含量，與空白組相比提高13.49%［28］。Benítez等研究發(fā)現(xiàn)，橄欖餅肥施入土壤后，胡椒葉片的磷含量由1.5 g/kg增加至4.5～5.7 g/kg，而鉀含量由51 g/kg增加至65～85 g/kg［29］。高量菌渣配施低量無機肥可顯著提高丹參中迷迭香酸和紫草酸含量［30］。此外，植物源有機肥對作物的抗病能力也會產(chǎn)生積極影響。菌渣有機肥能有效延緩黃瓜枯萎病的發(fā)病時間和病情發(fā)展，提高黃瓜抗枯萎病能力［31］。陸方燕等對比動物源和植物源有機肥對藏紅花生長和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)植物源有機肥對藏紅花的增產(chǎn)率更高，但其成本也更高，綜合考慮產(chǎn)量和成本因素，施用動物源有機肥比不施有機肥增加5.3%的收益（表3）［32］。施用有機肥也可以有效減少作物中硝酸鹽的累積，周焱等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥后小白菜的硝酸鹽含量減少19.4%，菠菜的硝酸鹽含量減少22.8%，可能是因為生物降解有機物是一個漸進過程，養(yǎng)分釋放緩慢，適宜蔬菜對養(yǎng)分的吸收［33］。此外，有機肥中的多酚、糖、醛類化合物及羧基等成分能夠吸附和固定肥料中的NH+4，抑制硝化作用，減少作物對硝態(tài)氮的吸收從而提高品質(zhì)。

1.2.3? 有機肥對土壤質(zhì)量的影響? 有機肥對作物生長環(huán)境的調(diào)節(jié)也是使其品質(zhì)優(yōu)于無機肥的原因之一。有機肥中的腐殖質(zhì)具有重要作用，它能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加水穩(wěn)性團粒，吸持、保存并轉(zhuǎn)化養(yǎng)分，為土壤微生物提供能量，提高其活性并促進其繁衍［34］。張銳等對鹽漬土進行改良，發(fā)現(xiàn)施用有機肥不僅能改善土壤物理性狀，還能提高鹽漬土的脫鹽、抑鹽能力，增加土壤膠體對鹽分的吸附，降低鹽分在土壤中的活性［35］。在對煙田進行連續(xù)4年施用豬糞和秸稈混合有機肥后，土壤中放線菌、硝化細菌、亞硝化細菌數(shù)量分別增加6.1、12.2、11.5倍，表明有機肥的施加顯著提高了土壤中的微生物豐度［36］。有機肥通過供給土壤養(yǎng)分，增加微生物豐度和群落多樣性，改善土壤物理化學(xué)性質(zhì)，改良土壤質(zhì)量，調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育環(huán)境等方式最終以提升其品質(zhì)。

1.3? 施用微生物肥料對作物品質(zhì)的影響

微生物肥料是一種通過微生物的代謝活動使農(nóng)作物得到特定肥料效應(yīng)的制品，它也被稱為接種劑或菌肥，其中包括傳統(tǒng)的固氮、解磷、解鉀細菌，以及光合細菌、抗生菌和促進植物生長的根際細菌等。固氮菌和根瘤菌可以把空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化成植物可吸收利用的氮素養(yǎng)分，增加土壤中的氮素來源，溶磷菌、解鉀菌可以將土壤中難溶的磷、鉀分解并轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锬軌蛭绽玫乃傩Я缀退傩р浕衔?，為作物生長提供充足的元素供應(yīng)［37］。此外，微生物還可以分泌殺蟲抗菌類物質(zhì)，增強作物的抗病能力，以避免土傳性病原菌的侵害，對作物品質(zhì)和土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)均發(fā)揮正向作用。

1.3.1? 微生物肥料對作物品質(zhì)的影響? 微生物的活動均衡了土壤中的養(yǎng)分供應(yīng)，防止了作物對氮的過量吸收，進而提高蛋白質(zhì)、糖分、維生素的含量，降低硝酸鹽含量，作物品質(zhì)得到明顯改善。高效解鉀菌可使黃瓜增產(chǎn)8.50%，可溶性固形物、可溶性糖、維生素C、可溶性蛋白質(zhì)的含量分別提高6.82%、2.78%、43.21%、20.90%［38］。對比常規(guī)施肥，單施或者按照不同比例配施根瘤菌和膠質(zhì)類芽孢桿菌均能提高大豆蛋白質(zhì)的含量［39］。微生物肥料也可以提高作物中的礦質(zhì)元素含量，何建清等研究發(fā)現(xiàn)，根際促生菌配施半量化肥后，黑青稞籽粒的粗脂肪、磷、鉀和鋅的含量分別比全量化肥處理增加41.67%、11.31%、17.07%和55.86%［40］。增產(chǎn)菌的投加除了能促進棉纖維強度和長度之外，還可使人體所必需的5種氨基酸平均增加13.2%，且降低了人參斑點病和銹病的發(fā)病率，從而有效保證了人參的品質(zhì)［41-42］。微生物肥料能改善作物品質(zhì)，但是依賴單施微生物菌劑增產(chǎn)的效果不穩(wěn)定，微生物菌劑在與化肥結(jié)合施用的條件下，各類微生物肥料的增產(chǎn)范圍在12.2%～22.3%之間［43］。

1.3.2? 微生物肥料對土壤質(zhì)量的影響? 微生物肥料內(nèi)部含有的解鉀、解磷等微生物通過自身的代謝活動可以溶解土壤中難以分解的鉀、無機磷或有機磷等物質(zhì)，土壤逐漸吸收微生物分解出的有益物質(zhì)，進而實現(xiàn)自身肥力的恢復(fù)，促進作物生長發(fā)育并改善品質(zhì)［44］。劉曉倩等通過向植煙土壤中增施解磷菌、解鉀菌生物菌肥，發(fā)現(xiàn)土壤中的過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性均顯著提高，分別較對照提高40.2%、95.6%、119.4%和29.0%［45］。與此同時，微生物的活性特征還能有效分解土壤中重金屬等有害物質(zhì)，改善土壤鹽漬化，中和土壤酸堿值以確保土壤內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在添加比例為1.5%的真菌微生物肥后，鎘（Cd）含量降幅最高達到63.9%［46］。接種功能菌劑后，叢植菌根真菌在Pb脅迫下能與小麥形成良好的共生關(guān)系，有效緩解Pb對小麥的毒害，促進作物的生長發(fā)育［47］。

1.4? 施用污泥肥料對作物品質(zhì)的影響

污泥中含有許多有益養(yǎng)分，如作物生長所必需的N、P等元素以及蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)對作物的生長發(fā)育和品質(zhì)提升均發(fā)揮積極作用（表4）［48］。我國在污泥農(nóng)用方面采用了多種施肥方式，如污泥直接施用、污泥堆肥、污泥與有機肥/無機肥復(fù)混等傳統(tǒng)農(nóng)用方式，以及通過堿熱水解提取有益養(yǎng)分形成高氮液體肥料等新型農(nóng)用方式。

1.4.1? 傳統(tǒng)污泥農(nóng)用對作物品質(zhì)的影響? Mohamed等研究發(fā)現(xiàn)，相比施用化肥的植物，施用30、60、120 t/hm2 污泥后的向日葵產(chǎn)量分別提高2.4、 5、 8倍［49］。施用城市污泥后，種植的水稻、小麥和玉米蛋白質(zhì)含量比對照均有所提高［50］。污泥水培有利于提高大葉木耳菜中維生素C、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)含量，且效果好于有機營養(yǎng)液［51］。此外，污泥施用有效改善了作物的生長環(huán)境，增加了土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和速效磷的含量，活化了土壤氮磷鉀，提高了有機碳含量和全氮固存率，降低了土壤pH值和容重［52］。周東興等研究發(fā)現(xiàn)，單獨施用城市污泥15、30、 60 t/hm2 后，土壤的速效氮含量分別增加32%、128%、213%，施用污泥混合堆肥后，土壤速效氮分別增加47%、242%和345%［53］。適當?shù)奈勰嗍┯每梢源龠M大豆增產(chǎn)并增加其營養(yǎng)成分含量，但污泥濃度超過一定限度以后，作物產(chǎn)量及營養(yǎng)成分會有所下降［50］。

1.4.2? 污泥基營養(yǎng)激勵素對作物品質(zhì)的影響? 污泥基營養(yǎng)激勵素（sewage sludge-derived nutrients and biostimulants）是將污泥通過堿熱性水解生產(chǎn)富含蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、腐殖質(zhì)等有機養(yǎng)分以及Ca、Fe、Mg、Zn等植物必需微量元素的高氮液體肥料（圖1）［53］。在堿性和高溫環(huán)境下，可以加速活性污泥細胞的破裂、胞外聚合物絮凝體的分解和有機物的降解，顯著提高蛋白質(zhì)的溶解速率。養(yǎng)分豐富全面的污泥基營養(yǎng)激勵素可以促進作物生長，提高酶活性，使作物對養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化吸收更加高效，在改善作物品質(zhì)方面發(fā)揮重要作用（圖2）。Tang等使用發(fā)芽指數(shù)評估這種液體肥料的效果，發(fā)現(xiàn)污泥基營養(yǎng)激勵素的發(fā)芽率幾乎是原始污泥的2倍［54］。污泥基營養(yǎng)激勵素對作物的光合能力和抗氧化能力均有積極影響（圖3），顯著降低了重金屬含量（Cr、Ni和Pb），且其靶標危害系數(shù)（THQ）評估值均小于1，說明污泥基營養(yǎng)激勵素處理后作物對人體的潛在健康風(fēng)險不明顯［55］。與無機化肥相比，土施污泥基營養(yǎng)激勵素可以提高番茄的維生素C含量，降低可滴定酸和硝酸鹽的含量，從而提高糖酸比，改善番茄的口感風(fēng)味與營養(yǎng)品質(zhì)［56］。

1.4.3? 污泥基營養(yǎng)激勵素對土壤品質(zhì)的影響? 污泥中原有的病原菌在堿熱條件下滅活，重金屬沉淀， 因此污泥基營養(yǎng)激勵素對土壤帶來的重金屬風(fēng)險遠低于傳統(tǒng)污泥農(nóng)用方式。污泥基營養(yǎng)激勵素可以增加作物對碳捕獲和同化能力以提供能量，增加生物堿和茉莉酸含量以提高抗病能力，調(diào)節(jié)氮同化能力以促進氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化，與傳統(tǒng)化肥相比具有更強的增強抗氧化能力、二氧化碳固定促進潛力、抗病性和氨基酸代謝能力（圖4）［55］。此外，污泥基營養(yǎng)激勵素的施加提高了土壤中參與碳、氮循環(huán)的微生物群落活性，減少了土生單胞菌（Terrimonas）和慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）等反硝化細菌的相對豐度，對土壤質(zhì)量的調(diào)節(jié)發(fā)揮正向作用，還具有降低土壤N2O排放的潛力［56］。施用污泥營養(yǎng)激勵素對作物生長發(fā)育都具有良好的效果，相關(guān)生理生化指標均有一定程度的提高，促進了土壤對速效養(yǎng)分的吸收，提高了收獲物的品質(zhì)和產(chǎn)量。

2? 施用不同類型肥料面臨的問題

2.1? 無機肥料施用現(xiàn)狀及存在的問題

化肥多是無機化合物，只能給作物提供無機養(yǎng)分，并且成分單一。長期和大量施加極易導(dǎo)致作物營養(yǎng)失調(diào)，影響其體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與合成，從而導(dǎo)致作物品質(zhì)下降。此外，N、P、K等一些化學(xué)物質(zhì)易被土壤固結(jié)，使各種鹽分在土壤中積累，造成土壤板結(jié)酸化，對作物生長環(huán)境產(chǎn)生不利影響。土壤微生物主導(dǎo)著土壤生命活動，通過調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)、分解有機質(zhì)、影響土壤結(jié)構(gòu)等功能而抑制植物病害和提高植物生產(chǎn)力［57］。土壤微生物利用的碳源主要是糖類、羧酸類、氨基酸和聚合物，而單施化肥的土壤尤其是氮肥的土壤微生物代謝活性和群落功能多樣性下降，無機養(yǎng)分無法為土壤微生物的健康循環(huán)提供支持。有研究發(fā)現(xiàn)，施用化肥后土壤微生物數(shù)量多于空白土壤，但是其土壤微生物群落DNA序列的豐富度、均勻度及多樣性指數(shù)都有所降低，這說明化肥施用很可能會引起某些土壤微生物的富集和一些物種的消失［58］。土壤質(zhì)量直接關(guān)系到作物生長發(fā)育狀況，進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

過量施用化肥還會帶來大量的環(huán)境問題，磷肥也會在水土流失的作用下進入水底成為淤泥；氮肥中的硝態(tài)氮施入農(nóng)田后，難以被帶負電的土壤團聚體所吸附，因此易在降雨和灌溉的條件下徑流至地表水中，不僅通過滲漏污染地下水，并且加劇了湖泊水體的富營養(yǎng)化程度［59］。董章杭等研究發(fā)現(xiàn)，地下水中的硝酸鹽含量與同區(qū)氮肥施用水平呈正相關(guān)關(guān)系，氮肥過量施用是造成地下水硝酸鹽污染的根源［60］。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會導(dǎo)致大量溫室氣體（N2O和CH4）的排放，氮肥的施用是造成農(nóng)業(yè)源N2O排放的首要因素［61］。

2.2? 有機肥料施用現(xiàn)狀及存在的問題

有機肥養(yǎng)分全面，但相較于化肥其養(yǎng)分物質(zhì)含量相對較低，單獨施加并不能滿足作物生長發(fā)育的營養(yǎng)需求，從而導(dǎo)致增產(chǎn)效果不明顯。在同等氮磷鉀施加量條件下，早稻單施有機肥較單施化肥產(chǎn)量降低了8.1%［62］。有機肥料中養(yǎng)分多為有機態(tài)或緩效態(tài)，需要一定的時間進行發(fā)酵分解轉(zhuǎn)化為速效態(tài)才能被作物吸收利用。未腐熟的有機肥直接添加會對作物生長產(chǎn)生不利影響：發(fā)酵時產(chǎn)生的熱量會引發(fā)植物出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象；未腐熟的糞便在分解過程中消耗土壤中的氧氣，使土壤暫時性處于缺氧狀態(tài)，作物的生長發(fā)育同時也受到了抑制［63］。

目前許多研究對于有機肥施用會帶來土壤重金屬積累問題已達成共識，特別是鉛、砷、汞等元素，在施用等氮量有機肥后發(fā)現(xiàn)其在土壤、果蔬中均表現(xiàn)出較強的積累性，并直接導(dǎo)致果實中Pb含量超標［64］。顧思婷研究發(fā)現(xiàn)，有機肥部分替代氮肥施用后，黃松土Cd含量降低的同時顯著增加了As含量［65］。畜禽糞便類有機肥中殘存的抗生素施入土壤后不僅破壞土壤中微生物的生態(tài)平衡，且會富集在植物體中進入食物鏈，土壤的抗生素累積與有機肥施用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系［66］。另外，有機肥施用后的土壤剖面20 cm以下土層仍能檢測出一定量的抗生素，表明有機肥施用造成的抗生素污染不僅存在于土壤表層，還有可能向下遷移造成地下水污染［67］。

有機肥雖然來源廣泛，但其施用量巨大，施用過程中費時、費力、不衛(wèi)生?；试谑袌錾系膬r格高于有機肥等天然肥料，但按單位面積養(yǎng)分投入成本（購置成本、運輸成本和施用成本）折算，發(fā)現(xiàn)化肥的投入成本更低［68］。因此，需要采取相應(yīng)的措施對有機肥品質(zhì)進行嚴格管控，以保障作物品質(zhì)和土壤質(zhì)量安全。

2.3? 微生物肥料施用現(xiàn)狀及存在的問題

微生物肥料可以通過微生物作用增加土壤中可利用營養(yǎng)元素的含量，提高植物對肥料的利用率，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中取得了較好的效果［69］。微生物通過固氮酶發(fā)揮固氮作用，可將環(huán)境中的氮素固定。然而氮源豐富時，氨阻遏機制將發(fā)揮作用，抑制固氮酶活性和微生物固氮作用［70］。微生物菌種在研發(fā)過程也受眾多因素的影響（表5）［71］。大規(guī)模生產(chǎn)微生物肥料時，需要考慮到孕育劑的問題，孕育載體需要保證可持續(xù)供應(yīng)、無毒無害且不易受環(huán)境影響。在運輸過程中，也要保障微生物細胞的活性。評價微生物肥料的關(guān)鍵指標之一接種的成功率，要求引進的接種劑不僅要保證存活，還要具備競爭力成為優(yōu)勢種群［72］。此外，微生物增殖需要合適的生長條件，對環(huán)境的要求高于化肥和有機肥，因此要考量土壤的溫度、濕度、酸堿度等環(huán)境因素。我國微生物肥料生產(chǎn)目前還存在著許多問題，如產(chǎn)品活菌數(shù)低、品種少、效果不穩(wěn)定、成本和價格較高等，以及該產(chǎn)業(yè)中存在大量魚龍混雜、參差不齊和知識產(chǎn)權(quán)受侵害等現(xiàn)象，這也在一定程度上阻礙了微生物肥料的產(chǎn)業(yè)化推廣。

2.4? 污泥肥料施用現(xiàn)狀及存在的問題

國內(nèi)外大量的研究充分肯定了污泥農(nóng)用對作物品質(zhì)和土壤質(zhì)量的提升效果，但這些污泥肥料還存在著由于重金屬污染、病原體危害、難降解有機物等因素導(dǎo)致的負面效應(yīng)。盆栽試驗表明，隨著發(fā)酵污泥施用量的增加，土壤和蔬菜中的重金屬含量也出現(xiàn)增加趨勢［73］。長期大田試驗表明，城市污泥長期土地利用對玉米、小麥、大麥、白菜和番茄這幾種作物均存在重金屬污染風(fēng)險，且部分重金屬的含量超過食品衛(wèi)生標準［74-75］。根據(jù)土壤重金屬累積模型預(yù)測，施肥比例為10%的林地在連續(xù)施肥11年后，土壤重金屬含量將會超標（圖5）［76］。污泥有機污染物中還存在大量病原微生物（如寄生蟲卵和腸道傳染病毒）和多環(huán)芳烴類化合物（PAHs）等，土壤中的PAHs總含量在6.3～33.3 mg/kg之間，市政污泥中PAHs總量在2.27～143.80 mg/kg之間，當污泥和化肥配合施加后，土壤中PAHs總含量明顯提高［77-78］。

污泥基營養(yǎng)激勵素的產(chǎn)生過程中，污泥細胞在強堿和高溫環(huán)境下破裂，胞外聚合物絮體的分解和有機物的降解，使包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)溶出，再通過閃蒸使污泥中原有的一些病原菌滅活、重金屬沉淀，經(jīng)過固液分離后上清液中含有N、P、K等植物生長所需的大量元素，還包含Ca、Fe、Mg、Zn等植物生長所必需的微量元素。污泥基營養(yǎng)刺激素中重金屬含量低于農(nóng)業(yè)土壤金屬限量標準，且其中的病原菌滅活、有機污染物降解，對農(nóng)田風(fēng)險危害小；污泥基營養(yǎng)刺激素富集污泥中的有益養(yǎng)分，施加方式更加簡便高效，間接降低了污泥的運輸成本。因此，污泥基營養(yǎng)激勵素作為化肥和有機肥的替代品可以提高作物品質(zhì)，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大，但其對作物品質(zhì)和土壤質(zhì)量的影響機制還有待深入分析。

3? 總結(jié)與展望

肥料是影響作物品質(zhì)的重要因素之一，化肥速效養(yǎng)分含量豐富、增產(chǎn)效果顯著，但其養(yǎng)分單一，過量施用導(dǎo)致作物的糖酸比、維生素C含量下降，口感風(fēng)味與營養(yǎng)品質(zhì)變差，還會造成土壤板結(jié)酸化、水體富營養(yǎng)化、增加溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題。有機肥所含營養(yǎng)物質(zhì)全面且養(yǎng)分多呈有機態(tài)，對作物品質(zhì)的調(diào)節(jié)發(fā)揮積極作用，還可以補充土壤有機質(zhì)含量，但其肥效長、施用量大、施用費時費力不衛(wèi)生，長期施用可能造成土壤重金屬累積和抗生素污染等風(fēng)險。微生物肥料可以表達特定的肥料效應(yīng)，通過微生物分泌多種生理性物質(zhì)，直接刺激和調(diào)節(jié)作物生長，還可以活化土壤養(yǎng)分，間接改善作物生長環(huán)境和作物品質(zhì)，但是單施微生物肥料的增產(chǎn)效果不穩(wěn)定，研發(fā)高效型微生物菌劑成本高。污泥含有大量N、P、K和蛋白質(zhì)、多糖、腐殖質(zhì)、核酸和脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，都會對作物生長發(fā)育和品質(zhì)改良發(fā)揮積極作用，農(nóng)用潛力巨大，但是傳統(tǒng)的污泥農(nóng)用方式引發(fā)的土壤重金屬積累和病原菌污染問題，以及污染物可能造成危害性是限制污泥農(nóng)用的最大障礙。

污泥基營養(yǎng)激勵素是通過堿熱水解從污泥中提取的高蛋白質(zhì)肥料，營養(yǎng)價值高于無機肥料，無重金屬、病原菌殘留，投加量較有機肥和傳統(tǒng)污泥農(nóng)用方式更小，投加方式更簡便衛(wèi)生，對環(huán)境的要求與研發(fā)成本均低于微生物肥料，農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景廣泛?，F(xiàn)關(guān)于污泥基營養(yǎng)激勵素投入農(nóng)業(yè)使用的研究還較少，尋找合適的施用量或與其他肥料聯(lián)合施用形成高效環(huán)保的“綠色肥料”，及其對作物品質(zhì)和土壤質(zhì)量的影響機理有待深入發(fā)掘。

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