生物有機肥在作物品質改良和土壤修復中的研究進展

郭之樂，楊 宸，孫朝陽，路斯晗，馬彥波，侯余勇，王巍杰

（1. 華北理工大學生命科學學院，河北 唐山 063210；2. 唐山市豐南區惠福園生態養殖有限公司，河北 唐山 063300；3. 中國科學院天津工業生物技術研究所，天津 300308）

我國地域遼闊，土壤種類豐富，部分土壤不能提供滿足作物生長發育所需的所有養分。因此，為了提高作物產量，農戶常通過播撒灰分或施肥等方式補給植物養分，使其達到最佳生長狀態[1]?；誓軌蛟谝欢ǔ潭壬涎a充作物合成以及相關能量物質（如ADP和ATP）葡萄糖、蛋白質和核酸有機物所需要的氮磷鉀元素，從而提高作物產量和品質。

但是化肥和農藥的生產和大量使用不僅造成了環境污染，而且長期施用后將影響土壤肥力，導致土壤養分供給失衡、肥料利用率下降等情況發生[2]。長此以往土壤本身有機質含量降低，土壤團聚結構遭破壞，與作物生長密切相關的土壤微生物生態被破壞，進而對植物生長和作物產量產生破壞性影響[3-4]。因此，充分利用生物廢棄物這個大型資源庫，通過生物加工生產各種肥料，推動化肥生產向生物有機肥生產轉型，以可持續的方式最大限度地從生物廢棄物中回收有價值的營養物質被視為解決這一難題的理想方法[5]。生物有機肥的開發可以替代人工合成的化肥，提高土壤養分含量，并修復土壤供肥能力，為作物生長提供良好條件，是符合循環經濟要求的可持續農業生產資料，也是滿足現代農業發展要求的農業生產資料[4]。

1 生物有機肥概述

生物有機肥是以動物糞便、農副產品殘體為原料，通過添加特定功能微生物發酵腐熟形成的一類兼具微生物肥和有機肥效應的肥料。生物有機肥不僅含有氮磷鉀等無機養分，還含有植物生長所需的多種營養物質，如氨基酸、蛋白質、微量元素、糖和脂肪等有機質，同時富含一種或多種功能性微生物（表1）。研究表明，生物有機肥可以通過調節土壤pH 值、養分含量和功能性細菌種類及數量等來調控植物生長，提高植物養分利用率，直接影響作物產量和品質；同時，可以改善土壤結構和功能，減少養分流失，增強微生物的豐度和活性，實現修復土壤的目的[6]。此外，施用生物有機肥可以增加重組菌群中特定的植物有益菌群的數量，如根瘤菌、偶氮螺旋菌、芽孢桿菌、固氮菌、磷酸鹽溶劑菌、菌根菌等[7]，代替人工合成的礦物氮，更有利于形成農業生產氮流閉環，在一定程度上減少土傳病害的發生，使土壤微生物群落發展進入良性循環（表2），是可持續的循環經濟農業必不可少的技術支持，符合環保、無害、綠色的現代化農業發展主旋律[8]。

表1 生物有機肥微生物的功能及類別

表2 生物有機肥菌種名稱及菌種作用

2 生物有機肥對于作物的影響

2.1 生物有機肥可提高作物產量及品質

生物有機肥一方面通過有機質分解過程中產生的有機質使土壤潛在養分活化，增強土壤中氮、磷、鉀元素的有效性，提高無機肥料利用率，從而促進作物內營養平衡，提高作物產量。另一方面，生物有機肥可以快速活化土壤微生物，促使土壤結構優化，改善土壤質量，使肥效更持久，有助于提升作物品質。作物種植過程中施用生物有機肥，作物的株高、有效葉數、有效穗數、籽粒產量等均有顯著提高[11]。

研究表明，在土壤中將生物有機肥和無機肥料共同配比施用，能顯著提高紅辣椒產量[1]。施用生物有機肥可以提供植物生長所需的有機質、全氮和堿解氮、全磷和速效磷，從而提高三七和人參的植株鮮重、干重、莖長和根長等指標[8]。提高生物有機肥與化肥配施比例有助于生姜可溶性糖、維生素C 和揮發油的積累，顯著降低生姜中粗纖維和硝酸鹽的含量[12]。Jin等[13]研究發現，減少化肥施用量并輔助應用生物有機肥，可以提高萵筍產量，并且降低葉片中的硝酸鹽含量，提升葉片中可溶性糖和維生素C 的含量。吳旭東等[14]研究發現，施用木霉菌生物有機肥可顯著增加西瓜植株的株高、莖粗、葉片SPAD 值以及果實可溶性蛋白含量。Kholssi 等[15]研究發現，在稻田中使用絲狀藍藻生物肥后，通過藍藻對氮元素的固定，水稻葉綠素含量增加了近50%，氮含量增加了10%以上，小麥質量整體提高了40%。Patriyawaty等[16]研究認為，生物肥施用配合水稻株距的調整，能夠顯著促進水稻分蘗和稻穗伸長。無機肥料與生物肥配施可促進水稻植株養分吸收，提高養分利用效率和產量[17]。當鏈脲菌素與生物菌劑共同施用時，有利于龍葵的生長發育，其果實和枝條明顯增加，根長顯著增長[18]。馬齒莧中可溶性糖、總黃酮等營養成分含量及ω-3 多不飽和脂肪酸（PUFA）等相對含量在生物有機肥的作用下均顯著增高，而硝酸鹽、可溶性草酸等抗營養成分含量則有明顯降低[19]。生物有機肥中的微生物可促進甘蔗根系分泌物的增加，增加甘蔗根系對養分的吸收，使甘蔗產量可提高12%[20]。同時，生物肥料中有機質的輸入可以改善土壤微量元素的水溶性和交換態，進一步增強甘蔗根系對土壤微量元素的吸收，從而提高甘蔗含糖量。相對于化肥處理，生物有機肥處理能夠提高香蕉果實的還原糖和維生素C 的含量，糖酸比顯著提高，顯著提升香蕉口感[21]。生物有機肥施用還可加強大氣氮素固定，提高植株光合活性，對苦瓜的株高、葉數、分支數均有顯著影響[2]。固氮菌復配蚯蚓糞渣發酵生產的生物有機肥可提高刺頭草的葉綠素和油脂含量，進而使刺頭草籽粒產量得到顯著提升[22]。

2.2 生物有機肥具有一定生物防治能力

在生產過程中，由于生物和非生物脅迫的影響，農作物在生長過程中會發生多種病害，其中土傳病害是引起植物減產降質的主要原因之一，而生物有機肥能夠在一定程度上增強植株抗性，并且針對不同病原菌有特定的生防菌種（表3）。生物有機肥中乳酸菌屬與紅假單胞菌屬、放線菌屬和鏈霉菌屬聯合作用可提高作物的水溶性磷、鉀元素含量[23]。含有芽孢菌株的生物肥料能夠有效抑制菌核病的發生[24]。鏈霉菌腐熟生物有機肥不僅能夠促進植物生長，還能提高植物預防病蟲害的能力?；旌暇甑膽媚軌蚴雇寥牢⑸鷳B更趨近自然環境，而且可以擴大植物耐受范圍，提高生物防治的有效性和穩定性[25]。枯草芽孢桿菌與發酵雞糞制成的有機肥能夠抑制49.97%的根結病，具有作為新型線蟲防治劑的潛力[26]。減少病原菌Leifsonia aquatica，可抑制或減緩作物持續性矮化病的發生，促進植株健康生長[20]。生物有機肥還可用于種子的處理，防止種子之間傳播的疾病和害蟲，維持種子的良好萌發能力和幼苗活力[27]。

表3 生防菌種、類型、名稱和抑制對象

2.3 生物有機肥可提高植株抗逆能力

在農業生產過程中，水分脅迫、重金屬離子積累、酸堿失常等環境脅迫常制約農業生產，嚴重降低生產效率。在非生物脅迫作用下，植物氣孔關閉，凈光合作用和蒸騰作用降低，組織含水量降低，導致光合作用、呼吸作用等生理活動減弱，生長素和赤霉素分泌受到影響，最終導致作物產量下降。生物有機肥的使用可提升植物激素等植物生長調節物質的作用效果，加速植株對水分和養分的吸收，提高光合作用強度，促進固碳作用，生成有機物質，從而保障作物在脅迫條件下的正常生長發育，保障作物產質量[28]。此外，Kong 等[29]研究發現，生物有機肥可使酸性鎘污染土壤中生長的水稻根系表面形成氧化鐵膜，從而降低水稻對鎘的吸收，提高水稻產量，并保障糧食生產安全。

2.4 生物有機肥的節肥效應

隨著人口的增加和人們生活水平的提高，各種農產品的需求逐年增加，化肥的用量也隨之增加，且由于肥料利用率低下，導致化肥用量已超過農產品高產所需用量尤其是。據測算，中國水稻生產過程中氮元素的利用效率已低于40%，不僅不利于節省成本，而且對環境也會造成污染[30]。因此，農業生產者需要在糧食高產和肥料節約之間選擇一個平衡。生物有機肥可以促進作物代謝，加速氮元素利用，并且推動生態循環和元素流通，平衡人類活動與環境之間的關系。此外，將食品工業廢物作為有機肥料的原料，一方面能夠回收富含有機質、礦質養分和大量生物量的廢物，減少環境污染；另一方面，在不影響土壤平衡的情況下可以降低農田施肥成本[31]。Wang 等[32]以廚余垃圾為原料，通過熱處理批量生產生物肥料，一方面變廢為寶，減少了資源浪費；另一方面節省了化肥成本，提升了經濟效益。

3 生物有機肥對土壤的修復功效

3.1 生物有機肥影響土壤理化性質

過度使用化肥是造成土壤中鹽、重金屬離子污染的主要原因。鹽堿土中含有較多的可溶性鹽類，導致pH 值較高，不利于作物的生長發育。同一作物在同一地塊連續種植會造成土壤緊實、蓄水能力降低、作物產量下降等問題。而生物有機肥可集環保、經濟于一身，近年來在鹽堿地等耕種條件差的土壤改良方案中應用越來越多。大量研究表明，在肥料中添加有益微生物菌劑能夠使土壤生態結構多元化，促進元素循環；協調土壤水、肥、氧氣、溫度之間的矛盾，激發土壤活性，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，使得土壤結構變疏松，有利于作物根系在土壤中延伸，促進作物更好地生長；增強土壤酶活性，為作物提供大量營養物質，促進作物對營養物質的吸收利用效率，從而提高農作物抗性，減少病蟲害危機[1,33-34]。適當的土壤pH 值有利于農業生產，與常規耕作相比，施用生物有機肥使土壤pH 值從5.64 提升到6.04，較大地緩解了土壤酸化，改善了土壤養分和有機質條件[8,13]。在生物有機肥中添加芽孢桿菌后能夠減少土壤的含氮量，提高土壤速效磷和堿解氮含量[35]。此外，施加生物有機肥后土壤孔隙增加5.66%～8.30%，水穩性團聚體含量及其平均顆粒直徑均呈增加趨勢[36-37]。用生物有機肥替代部分化肥可以改善連作土壤的物理和水力特性，顯著提高土壤有機肥的干濕重[38]。還有研究表明，施用生物有機肥后土壤氮磷鉀含量分別提升了9.88%、21.39%和7.99%[39]。

3.2 生物有機肥影響土壤微生物群落

微生物是土壤生態系統的重要組成部分，參與土壤養分循環、有機質分解等一系列土壤生化反應，與植物的健康息息相關。土壤微生物群落結構的穩定性和特異性決定了耕地的生態功能和生產力水平。農資使用、耕作方式等人類生產活動會影響土壤微生物群落的分布和功能。與化肥相比，有機肥改善了土壤真菌多樣性和群落結構。生物有機肥中的有益菌可參與生態系統的多個生化活動，包括有機質分解、養分循環、植物生長和疾病防護等，以此維持土壤微生物群落結構的穩定性與特異性，調節根際微生物群落的多樣性，進而影響植物根際微生態，對耕地產生正向生態反饋。在土壤中施加生物有機肥還可促使植物與細菌、真菌協同作用共同改善生存環境，促進植物生長代謝，提升植物對環境脅迫的適應能力。添加生物有機肥可促進共生微生物的生長繁殖，增加細菌群落的豐富度和多樣性[40]。Guo 等[41]發現生物有機肥與常規氮磷鉀化肥共同施用，在提高水稻產量的同時，還改善了土壤中真菌群落多樣性。添加生物有機肥使腐生菌豐度平均增加了22.55%～76.09%，動物致病菌平均減少率了28.61%～73.84%[8,41]。有研究發現，生物有機肥和硅肥作為改良劑可以提高土壤微生物活性，增加土壤養分的有效性。施用生物有機肥還可提高土壤有機碳含量，增加nirS 型反硝化菌的豐度，加速土壤氮元素流通，從而提高土壤生產力[42]。施用生物有機肥，同時輔助土壤熏蒸除菌技術，其解決農作物連作障礙的原因在于降低了有害真菌子囊菌和鐮刀菌的豐度，提高了土壤有益微生物腎小球菌、孢霉菌、腐質霉和芽孢桿菌的相對豐度，有利于作物生長發育[39]。

3.3 生物有機肥促進土壤可持續利用

為了解決全球糧食短缺問題，在農業生產過程中種植戶嘗嘗密集施用化肥、生長促進劑、農藥、除草劑和土壤消毒劑等試劑以加速作物生長。但長此以往，將導致土壤形態和農業生態系統功能紊亂，嚴重影響農業可持續發展。將秸稈等有機廢物與土壤改良劑等一起制成有機肥料，再添加一些有益微生物菌群制成生物有機肥料，既可使作物獲得較高產量和品質，又可減少生態污染，從而實現高產、環保農業的雙贏[43]。

生物有機肥一方面微生物通過多種機制促進植物生長，保護植物免受蟲害和病原菌侵蝕，增加營養物質利用率，改善周圍的土壤結構，提升作物品質。另一方面植物根系通過光合作用釋放碳滲出物為微生物提供養分，實現植物-微生物共生，促進土壤可持續利用[44]。研究表明，在肥料中添加PGPB 菌株對重金屬和有機化合物污染的土壤有明顯的修復作用施用生物有機肥DNBF32 可通過調節土壤菌群結構和數量促進除草劑阿特拉津的降解，實現土壤污染修復，保持土壤肥力[45]；生物有機肥料還能夠減少耕地中碳排放，緩解溫室作用[46]。

4 小 結

當前，面對全球經濟不穩定、氣候惡化和生物多樣性退化、糧食供應緊張的大環境，目前農業生產還不能完全擺脫對化肥的需求，為確保糧食安全，增加農民收入，提高人民生活水平，以生物有機肥逐漸替代化肥將是農業可持續發展的必然趨勢。隨著對生物有機肥潛力的不斷探索以及可持續發展理念的深入人心，綠色健康的生物有機肥將成為農業生產的首選。盡管，目前生物有機肥對作物不同時期影響研究尚不明確，以及周期性施用生物有機肥促進作物增產，尚未形成規范性、模式化、流程化產業模型，導致生物有機肥尚未進行大規模推廣。但是生物有機肥能夠保證植物所需營養物質的最適供應，刺激土壤微生物群落，抑制自然病害，是肥料行業發展的新趨勢，施用生物有機肥替代化肥，對實現土壤綠色發展和改善氣候具有重要意義，將成為21 世紀農業生產的主流和方向。