我國麥田有機肥施用：研究歷史、瓶頸與解決策略

摘要： 我國有悠久的農業文明史，長期以來，在利用自然資源培肥土壤、提高作物產量方面積累了豐富的經驗，這使得我國在農作物生產技術領域曾長期占據世界領先地位。然而，近代化肥工業的出現和發展極大地削弱了自然有機資源在我國糧食生產中的地位。即便在重視綠色發展的今天，受施用成本、施用習慣等因素的影響，有機肥在糧食作物上的應用仍遠低于經濟作物。小麥是我國主要口糧作物，過度依賴化肥不僅影響麥田土壤生產力，也制約著小麥的提質增產增效與綠色可持續生產，因此，亟需從理論與實踐兩方面重新認識有機肥的作用。本文梳理了我國有機肥的施用歷史和現狀，并總結了有機肥在改善麥田土壤性狀、提升小麥產量和品質以及養分利用效率方面的效應。目前，我國傳統有機肥有10 大類433 種，近年來又增加了3 類商品有機肥。大量研究證實，有機肥的施用能夠不同程度地改善土壤結構，增強有機質的穩定性，提升土壤保水和養分穩定供應能力，維持土壤養分與微生物之間的平衡，緩解過量氮肥引發的線蟲脅迫，維持土壤食物網功能，并減輕氣候變化對土壤微生態環境的影響。有機肥在土壤中的多重功能解釋了其提高小麥產量、營養品質和加工品質的機理。在有機肥施用技術研究方面，也取得了具有實際意義的進展。研究表明，在我國多數地區單獨或過量施用有機肥均不能滿足當前糧食安全需求，只有與化肥合理配施，才能充分發揮二者的作用，實現小麥產量品質和土壤肥力的同步提升。許多地區已經提出了不同有機肥對化肥氮、磷養分的替代當量，并通過大數據分析，提出了適應不同目標的有機肥替代化肥的比例范圍。多年來研究數據與人工智能的多源融合，為實現堆肥的精準、專業化利用提供了有力支持。然而，目前有機肥的施用除了在施用量、施用方法、施用機械等方面需創新外，現代農業的有機廢棄物（有機肥源） 又帶來了新的問題，如畜禽糞便中重金屬的富集，施用有機肥帶入土壤的抗生素、微塑料、抗性基因、持久性有機污染物等。因此，有機肥的科學合理施用需要政府、企業、科研單位、基層推廣人員和種植戶的共同努力，應以國家戰略需求為導向，以種植戶需求為牽引，從生產實踐問題出發，開展針對性研究，解決關鍵性問題，創新創制有機肥新產品與新技術，制定指向性的政策文件，保障我國有機肥的科學推廣應用，實現農業綠色可持續發展。

關鍵詞： 有機肥；化肥；小麥；土壤肥力；產量；品質

萬物土中生，有土斯有糧。截止2022 年底，我國耕地面積為1.28 億hm2，總人口為14.1 億[1]，人均耕地面積僅0.09 hm2，不足世界平均水平的40%。自化肥出現以來，人們的態度經歷了從最初的不知道、不了解、不敢用轉變為后來的使用簡便、增產增收、多多益善。然而，長期不合理的化肥施用引發了土壤酸化、板結、養分失衡、微生物多樣性降低、作物抗逆性減弱等問題，給我國和世界的糧食安全生產帶來了新的挑戰。自古以來，有機肥就是人們提升土壤肥力、改善作物生長和提升作物產量的重要手段。盡管化肥的出現在一定時期內對有機肥的使用產生了巨大沖擊，但是隨著人們對食品安全、耕地質量和環境保護等問題的重視，有機肥必將重新為保障糧食和耕地安全做出重要貢獻。

由于有機肥制備相對較為復雜且成本較高，因而目前多用于經濟作物，在糧食作物上的使用較少。小麥作為世界上最重要的主糧作物之一，提供了人體每日所需20% 的能量和蛋白質[2]，我國小麥產量占全球小麥總產的17.7%[3]，但化肥施用量也遠高于全球平均水平，導致了土壤質量下降、環境污染等問題。本文從我國有機肥的發展歷史和現狀出發，重點關注麥田施用有機肥的土壤培肥機理和小麥產量品質的變化情況，總結歸納麥田有機肥的科學施用技術和方法，指出當前存在的問題和挑戰，并針對我國小麥生產中有機肥施用的科學研究及推廣應用提出了建議和展望，以期為有機肥科學施用，促進小麥綠色增產提質提供參考與支撐。

1 有機肥施用歷史與現狀

廣義的有機肥料是指由動植物殘體或代謝物構成的、能夠改善土壤肥力、提供作物營養、提高作物品質的含碳有機物料，其來源廣泛，種類繁多。清代《知本提綱》將我國有機肥劃分為10 大類100多種，1990 年農業農村部開展全國有機肥料調查研究時，將有機肥分為10 大類433 種。傳統有機肥一般可分為糞尿類、堆漚肥類、秸稈類、綠肥類、雜肥類、餅肥類、海肥類、城鎮廢棄物類、腐殖酸類、沼氣肥類等[ 4 ]。當前商用有機肥料則主要有3 類：精制有機肥料（不額外添加微生物）、有機無機復混肥料（與無機肥料混合或化合制成）、生物有機肥料（額外添加功能性微生物）[5]。

最初，在刀耕火種的原始農業模式中，人類無意中丟棄的草木灰和日常生活堆積的植物殘渣、動物骨骼等，均起到了提高土壤肥力、促進作物生長的作用。我國現有文獻記載，在農業活動中有意識施用有機肥的行為可追溯到戰國時期，《荀子·富國篇》中有“掩地表畝，刺草殖谷，多糞肥田，是農夫眾庶之事”的記錄。西漢晚期的《氾勝之書》更是清晰具體的展現了2000 多年前中國肥料技術的發展情況，其中對施肥技術的描述具體到了基肥和追肥，還提出了溲種、糞種、區田等施肥方法，強調使用熟糞，提出用酢漿（熟淀粉的稀薄懸濁液，發酵后產生乳酸） 和蠶矢（“矢”通“屎”） 浸漬麥種以提高小麥的耐寒和抗旱能力，自此出現種肥技術，而同時期的西歐仍然依靠休閑恢復地力，極少施肥[6]。此后一系列農業著作也向世界展示了我國古代施用有機肥培肥地力技術的先進性和科學性：北魏賈思勰的《齊民要術》、南宋陳旉的《農書》、元代王禎的《農書》、明代袁黃的《勸農書》、清代楊屾的《知本提綱》等，這些農書中涵蓋了有機肥料的來源、分類、制備方法、施用技術、注意事項和施用效果等內容，反映了中華民族源遠流長的歷史長河中先民對有機肥料的重視和對農業生產技術的不懈探索。

有學者依據作物產量和施肥特征將我國的肥料施用劃分為6 個階段，1949 年之前處于有機肥施用階段，1950—1964 年處于天然和人工積制有機肥施用階段，1965—1977 年處于有機肥和氮肥施用階段，1978—1991 年處于有機肥、氮肥和磷肥施用階段，1992—2001 年處于氮、磷、鉀肥施用階段，2002—2008 年處于氮、磷、鉀和復合肥料施用階段，2009 年之后劃分為配方施肥階段[ 7 ]。據統計，1 9 4 9 年我國有機肥占肥料施用總量的比例為99.9%，1957 年為91.0%，1965 年為80.7%，1975 年為66.4%，1980 年降為47.1%，1985 年為43.7%，1990 年為36.7%，2000 年為31.4%[ 8 ]，2003 年為25%[ 9 ]，2005 年有機肥養分占農田養分總投入的30% 左右[ 1 0 ]，2008 年人畜糞尿和秸稈氮磷鉀養分輸入分別為農田總養分輸入的23.6% 和8%[11]。就具體資源量來說，1986 年我國有機肥料提供的氮、磷、鉀分別約為494.6、114.3 和623.6 萬t，分別占當年氮、磷、鉀總投肥量的26.5%、42.4% 和87.5%[12]。2005 年我國有機肥料為農業生產提供的養分總量約為1800 萬t，約占有機肥資源總量的34%[10]。2017年，我國有機肥料的實物量高達57 億t，氮磷鉀養分總量約7300 萬t，其中氮、磷、鉀分別為3000、1 3 0 0 和3 0 0 0 萬t，但資源利用率不足4 0 % [ 1 3 ]。2015—2019 年全國作物秸稈產量年平均為9.7 億t[14]，2020 年，我國秸稈綜合利用率達90%，肥料化利用占比51.2%[15]，其中水稻、小麥、玉米等9 種主要農作物的秸稈總量為7.4 億t，綜合利用率為82.3%，肥料化利用占比達62.3%[16]。同時，隨著畜禽生產規模的擴張，我國平均每年產生的牲畜糞便總量高達38 億t，2015 年畜禽糞污的綜合利用率不足60%，2017 年為70%，2018 年為74%，2020 年達75%[17?18]。有機肥的還田率或資源利用率不僅與有機肥的資源量有關，還受到市場激勵、施肥技術、施肥機械和政策補貼等因素的影響。例如，受農戶主營作物價格的影響，有機肥在經濟作物種植戶中的施用率及用量均高于種糧戶，且即使是施用了有機肥的種糧戶，其有機肥提供養分占比也處于較低水平，遠不及經濟作物[19]。同時，由于化肥對有機肥市場的快速侵占，與有機肥相關的科研和推廣項目在一段時間內幾乎處于停滯狀態，加速了有機肥的退出，而后得益于科研人員的呼吁和政府發布的一系列相關政策，以有機肥為主題的科研和補貼項目逐漸增多，為有機肥重新合理進入農田奠定了理論與技術基礎及政策支撐，有機肥施用面積逐漸增加。“十三五”正式將推動種養業廢棄物資源化利用寫入規劃中，“十四五”規劃出臺后，國家各級政府圍繞秸稈肥、糞便肥的資源化利用等發布了一系列促進性政策，持續推動有機肥的研發和應用。2017 年浙江省化肥（實物量） 與有機肥施用比例由2011 年的1∶0.08 調整為1∶0.3，有機肥施用量也從2011 年的不足30萬t 增加到2017 年的100 萬t 以上[20]。2020 年全國有機肥施用面積比2015 年增加約50%，已超過5.5 億畝次[21]，展現出良好的發展應用前景。

2 施用有機肥對麥田土壤性質的影響

2.1 有機肥施用對麥田土壤物理性質的影響

有機肥的施用可改善土壤物理性質、提高土壤抗風蝕能力[22]。施用有機肥后耕層土壤變疏松，表土硬度降低，土壤總孔隙度和持水孔隙度增加，有利于雨水吸納，使麥田休耕期的土壤儲水效率顯著提高4.6%，田間持水量增加2.2%，有效水利用率提高2%[23?25]。整合分析發現，與施用化肥相比，配施有機肥平均使土壤容重降低4.53%，且有機肥施用對土壤容重的降低幅度因土地利用類型、土壤質地和有機肥種類而異，其中果園gt;旱地gt;水田，砂土gt;黏土gt;壤土，生物肥料gt;生物炭gt;動物糞便gt;作物秸稈[26]。我國的9 個長期定位試驗結果表明，在南方濕潤地區有機肥的施用可促進土壤團聚體形成，在北方土壤中施用反而不利于水穩性團聚體形成，主要與土壤中鈉離子的含量有關，土壤交換性鈉離子增加會增加土壤膠體分散性，不利于團聚體形成，南方降雨量高可將其濾除，而在北方鈉離子則會大量積累[27]。同時，有機肥施用對土壤團聚體直徑的影響或與有機肥施用量有關，陜西楊凌的長期定位試驗表明，土壤團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑均與有機肥配施與否無關，但在黑龍江海倫，隨著有機肥施用量的增加，土壤大團聚體的平均重量直徑顯著提高[28]。此外，有機肥的施用對麥田土壤的氣體運輸和飽和導水率的整體改善效果也因土壤質地而異，有機肥可增加粉砂黏土和粉砂壤土lt;30 μm孔隙的孔隙度，但對于砂壤土，有機肥施用增加的是gt;30 μm孔隙的孔隙度[29?31]。一項輕質土壤的入滲試驗表明，與不施肥相比，施用有機肥可降低水分在土壤中的下滲速率，延長透過觀測土層的時間，減少水溶液淋出體積，同時減少土表水分蒸發，從而提升土壤的保水保肥能力[32]。

2.2 有機肥施用對麥田土壤化學性質的影響

有機肥中含有豐富的有機質和植物必需的大中微量元素，長期施用可以增加土壤養分含量水平、優化土壤養分比例[33?36]。研究發現，連續多年有機無機肥配施可使麥田土壤質量指數較單施化肥提高50% 以上，土壤有機質、可溶性有機碳、全氮、堿解氮和速效磷、速效鉀含量均有顯著提高[ 2 8 ， 3 7 ? 4 0 ]。20 個長期定位施肥試驗的結果表明，與單施化肥相比，長期施用有機肥可促進有機氮礦化、陽離子吸附位點的銨釋放等，提高土壤的礦質氮供應能力[41]。與不施肥相比，施用有機肥可降低淋溶液電導率和總溶解性固體物質，增加土壤中的有機質含量和電導率[32]。但是，豐水年施用高量有機肥也會引起硝酸鹽淋溶[24]。有機肥在分解過程中會產生含有酸性功能團的腐殖酸，可通過酸基解離和胺基質子化提高土壤的酸堿緩沖性，施用牛糞、雞糞、農家肥、作物秸稈等均可提高土壤pH[42]，緩解長期不合理施用化肥帶來的土壤酸化，改善土壤鹽堿化[43?45]。但近年也有研究報道，秸稈還田在區域范圍內有加劇農田土壤酸化的風險，且該風險與初始土壤酸堿度有關[46]。

此外，關于施用有機肥對土壤化學性質影響的研究，較多集中于土壤有機質的含量、組成、結構特征等方面。整合分析發現，施用有機肥的土壤固碳效率呈現北方高于南方的空間特征和隨施肥年限逐年降低的時間特征[47]。土壤大團聚體和微團聚體的有機碳含量隨施肥年限的增加而增加，粉黏粒的有機碳含量則隨施肥年限的增加呈先增加后降低的趨勢，其中有機無機肥配施對各粒徑團聚體有機碳積累貢獻較大[48]。長期施用有機肥在顯著增加土壤有機碳庫的同時，也提高了可溶性有機質分子組成的化學多樣性和穩定性[49]。其中，長期施用糞肥對土壤有機質的提升效果優于秸稈還田[50]，可促進大團聚體腐殖酸中類蛋白組分向類胡敏素組分轉化，且腐殖酸中的羧酸（COO–） 和多糖（C–OH） 官能團優先與糞肥結合[51]，長期施用后不僅提高了水提取態有機質的芳香性和分子量，還顯著增加了胡敏酸和富里酸中的類富里酸和類胡敏酸組分，通過增加穩定成分、降低不穩定組分提高了土壤有機質的穩定性[50， 52]。

2.3 有機肥施用對麥田土壤生物性質的影響

有機肥中富含多種營養元素，可為土壤微生物提供碳源、氮源、能量等，提高與養分轉化有關的微生物和酶活性，加速土壤中養分循環和難溶性養分的活化，保持速效養分供應[53?57]。土層剖面微生物群落結構不同，與不施肥相比，有機無機肥長期配施可改變土壤剖面的微生物垂直分布特征，顯著增加微生物活性[58]。施用有機肥可增加麥田土壤微生物網絡的自然連通性并刺激真菌群落的活性，增強微生物群落的穩健性[59]和叢枝菌根真菌的生物量[60]，還可降低底層土壤中稀有細菌的多樣性，改變微生物群落的資源利用策略[61]。

土壤微生物可利用自身的生物量變化調節碳排放，以維持土壤養分和微生物之間的化學計量平衡[62]。與秸稈還田相比，堿性糞肥通過減輕長期單施氮肥引起的土壤酸化，使土壤氮循環相關微生物群落趨于穩定，平衡氮素流動，降低與氮相關的環境風險[63]。長期施用有機肥還可通過增加固氮細菌和硝化細菌的相對豐度，降低反硝化細菌的相對豐度，增加土壤有效氮供應[64]，通過調節攜帶吡咯喹啉醌合酶編碼基因（pqqC-） 和堿性磷酸酶編碼基因（phoD-） 的細菌群落促進土壤磷循環，增加磷有效性[65]，通過增加溶桿菌屬（Lysobacter）、枝頂孢屬（Acremonium） 和被孢霉屬（Mortierella） 的生長，提高β-葡萄糖苷酶和堿性磷酸單酯酶活性，促進碳、磷循環[66]。除了施用當季的效應外，有學者發現有機肥的殘效對土壤微生物群落亦有顯著影響，且真菌對有機肥殘留效應的響應比細菌更敏感，并從微生物方面揭示了有機肥施用對緩解土壤退化的積極和長期影響[67]。

另外，有機無機肥配施可通過改變土壤性質和土壤真菌群落結構，抵消單施化肥帶來的不利影響，與單施化肥相比，配施有機肥可顯著降低潛在致病性鐮刀菌屬（Fusarium） 和赤霉菌（Gibberella） 的數量，增加了有益菌屬柄孢殼菌屬（Podospora） 的數量[68]。不同地點的長期定位試驗發現，有機無機肥配施可增加與小麥產量正相關的類諾卡氏菌屬（Nocardioides）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas） 等有益菌的相對豐度，增加鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、溶桿菌屬（Lysobacter） 等具有生物防治和促生作用功能菌屬的相對豐度，降低萄穗霉屬（Stachybotrys）、無色穗孢屬（Achroiostachys） 等植物病原真菌的相對豐度，減少寄生蟲的數量，降低小麥遭受病害的風險[69?70， 64]。但需要注意，高量有機肥也可能會導致細菌多樣性和作物產量的降低[71]，山東德州的長期定位試驗顯示，減氮30% 配施低量有機肥可維持土壤肥力和微生物群落的穩定，而減氮50% 配施高量有機肥則會抑制關鍵物種，降低胞外酶活性，最終導致作物產量下降[72]。此外，施用有機肥還可增加土壤線蟲的物種豐富度、雜食性捕食線蟲豐度和結構指數，緩解過量施氮引發的線蟲脅迫，維持土壤食物網功能[73?74]。

在應對氣候變化方面，有機肥也具有較為顯著的作用。與單施化肥相比，常年施用有機肥可降低氣候和土壤條件對作物產量的影響，增強土壤微生物功能與作物生產的聯系[75]。施用糞肥可通過優化土壤有機碳結構、降低熱激發異養細菌和真菌相對豐度、提高奇古菌門（Thaumarchaeota） 的相對豐度，增強微生物群落的復雜性和穩定性，減少因氣候驟然變暖而造成的有機碳損失[76]。施用有機肥還可通過保證干旱期土壤有較高的細菌多樣性、加快濕潤期土壤微生物群落的恢復，幫助作物抵抗極端干旱環境[77]。但作物關鍵期的充分供水仍是保證施用有機肥顯著提高麥田土壤酶活性和微生物多樣性的前提[78]。

因此，施用有機肥可改善土壤的物理、化學和生物性質，并通過生物與非生物過程的相互作用，實現土壤肥力提升，為作物提供更加適宜的生長環境，保障作物高產優質，但在施用過程中也要關注有機肥與土壤屬性、氣候條件等匹配，避免單一或過量施用帶來負面影響。

3 施用有機肥對小麥產量、品質和養分利用效率的影響

3.1 施用有機肥對小麥植株生長及其產量的影響

早在1979—1983 年，已有學者利用山東的5 年定位施肥試驗發現，每增加1 t 有機肥能夠使小麥畝產增加4.9 kg[79]。此后，研究人員進一步探究了在不同地區施用有機肥后，小麥植株的生長狀況、養分吸收轉移分配特征、產量構成變化，為明確有機肥施用對小麥生產的效果提供了理論支撐。砂培和田間土柱試驗發現，施用有機肥顯著抑制根系膜脂過氧化作用，提高不同土層特別是深層根系的超氧化物歧化酶活性，降低根系丙二醛含量，延緩根系衰老，維持小麥根系生理活性，同時可增加小麥根的磷吸收位點、提高其對磷的親和力，促進對磷的吸收，且有機肥與化肥配施時效果更佳[80?81]。河南的田間試驗顯示，與單施化肥相比，增施有機肥提高小麥旗葉的葉綠素含量，促進小麥群體對光合有效輻射的截獲，增大小麥群體的平均葉傾角，降低小麥群體的冠層開度，提高小麥光能利用率和群體葉面積指數，利于形成合理的冠層結構和促進灌漿期光合產物向穗部轉運，提高小麥穗部同化物的積累[82?83]。在甘肅半干旱區發現施用腐熟羊糞還可提高春小麥抽穗至灌漿階段土壤含水量，促進旗葉光合作用，降低生理干旱脅迫強度和旗葉氮吸收同化限制[84]。新疆滴灌春小麥栽培中，減氮并配施有機肥有利于提升小麥花后干物質積累量、花后轉運率及貢獻率和灌漿速率，改善小麥花后同化轉運和灌漿特性[85]。英國的試驗發現施用有機肥后，小麥籽粒胚乳中多數與氮代謝和蛋白合成相關基因表達上調[86]。陜西和河北的長期定位試驗發現，配施有機肥相比單施化肥更能保證小麥花后植株對氮素的持續吸收，但有機肥全量替代則會降低小麥植株全氮含量[87?88]。經過以上過程，化肥合理配施有機肥的增產效應最后表現為小麥穗數和千粒重的增加，但有機肥替代比例過高也會使小麥穗數和穗粒數降低，出現減產風險[89?91]。此外，有機無機肥配施較單施化肥還可顯著提升小麥穩產性，逆轉氣候變暖造成的作物產量下降[92–93]。

但并非任何情況下施用有機肥都能獲得小麥增產。首先，施用有機肥后小麥產量受到土壤和氣候條件影響。歐洲20 個長期定位試驗表明，當化肥提供了足夠的養分時，僅在沙質土壤、潮濕氣候條件下，施用有機肥可提升春小麥產量，而在冬小麥上未出現類似的增產效果[94]。我國宏觀尺度的整合分析發現，與單施化肥相比，配施有機肥使小麥產量提升5.6%，但不同區域的增產率有較大差異，以西北最高（11.0%），華東最低（1.4%），其中降雨量、土壤有機質和全氮含量是影響有機肥增產效果的主要氣候和土壤因素，有機質和全氮含量越低，配施有機肥后產量提高幅度越高[95]。土壤pH 和有機肥施用時期也會影響作物增產效果，在酸性土壤和長期施用的情況下表現出相對較大的增產幅度[96]。其次，有機肥與化肥的施用比例和用量也會影響其對小麥的增產效果。在我國當前土壤肥力條件下，不降低化學氮肥用量增施有機物料，可增加作物產量，提高土壤肥力；但在總氮投入不變的情況下，用有機肥替代部分化肥氮僅能保證糧食產量不降低[97]。有研究表明有機肥部分替代化肥可使旱地作物產量提高6.6%，而完全替代則使其產量顯著降低9.6%[96]。全球整合分析結果也顯示，有機農業較傳統農業會使作物產量降低25%[98]。瑞士的一項長期定位試驗發現，有機農業中小麥產量較傳統農業顯著降低30%～40%[99]。這些結果說明不可忽視化肥在農業增產中的作用，化肥與有機肥合理配伍、科學施用才是保障農業可持續發展和糧食安全的關鍵。在隴中旱地用15% 有機肥氮替代化肥氮顯著增加小麥的穗數和千粒重，使小麥增產6.2%，但有機肥替代比例超過30% 則可能會由于后期氮素供應過量而出現貪青晚熟，對小麥產量產生負面影響[90]。安徽合肥的試驗發現15%的有機肥替代比例可使小麥增產14.1%，籽粒氮吸收量增加20.3%，但隨著替代比例從15% 增加到50%，小麥千粒重、產量、秸稈生物量和籽粒氮吸收量均顯著降低[100]。日本的一項研究也發現，高量有機肥的施入雖仍可使小麥生物量增加，但會導致源庫失衡，使其收獲指數降低[101]。此外，有機肥種類也會影響其對小麥的增產效果。在我國北方，種植豆科綠肥可以顯著提升小麥產量，但種植非豆科綠肥則使小麥減產[102]。英國的試驗也發現，種植三葉草對冬小麥的增產效果優于非豆科黑麥草，且以紅三葉草效果最佳[103]。安徽合肥的有機肥對比試驗發現，替代比例相同時沼液對小麥的增產效果優于堆肥和商品有機肥[100]。山東德州的田間土柱試驗發現，等氮施用情況下，單施化肥能夠獲得最高的小麥產量，單施豬糞的產量可與單施化肥相當，但單施雞糞或牛糞小麥產量則顯著低于單施化肥[104]。在陜西永壽，科學減施化學氮肥配施商品有機肥可保障小麥產量不降低，但減量化肥配施生物炭則改變土壤碳氮比，影響小麥根系氮素吸收，最終降低小麥產量[105]。還有研究發現，有機無機肥配施輔以秸稈還田可降低麥田雜草優勢度指數和密度，提升雜草多樣性指數，減輕雜草對小麥生長的危害，但秸稈不還田則易暴發單一優勢雜草，威脅小麥生長[106]。

因此，想要通過施用有機肥提高小麥產量，不僅需要與化肥合理配施，還要根據當地的土壤和氣候條件選擇適宜的有機肥種類，同時堅持長期施用，方可實現增產目標。

3.2 施用有機肥對小麥籽粒品質的影響

1979 年已開展了有機肥施用對小麥品質影響的系統研究，山東的定位試驗研究發現，低量土糞與化肥配施可使小麥籽粒氮磷鉀含量達到最高水平，這些礦質養分含量的提高也進一步促進了小麥蛋白質、面筋、氨基酸的合成，但高量土糞與化肥配施則會降低小麥的籽粒氮含量[79]。近年一項全球整合分析結果也為有機無機肥配施提高谷物的碳水化合物和蛋白質含量提供了證據[107]。意大利的試驗表明，種植綠肥可使小麥在較低化肥用量條件下獲得最高產量，但若要獲得更高的蛋白質含量，仍需要較高的化肥用量[108]。在河南和陜西的田間試驗表明，有機無機肥配施處理小麥籽粒的沉降值、延展性以及必需氨基酸含量均顯著高于單施有機肥或單施化肥[56， 109?110]。不同有機肥種類對小麥籽粒蛋白質、面粉品質和面團品質的改善效果也不一致，在山東德州單施牛糞對這些品質的提升作用不明顯，但雞糞或豬糞配施少量化肥、25% 牛糞替代化肥均可實現小麥籽粒品質的顯著提升[111]。江蘇徐州的研究結果顯示，有機肥對小麥籽粒蛋白和加工品質的改善效果因小麥類型而異，有機無機肥料配施有利于改善弱筋小麥的品質，而對強筋小麥品質的改善效果不佳[112]。

同時，有機肥中富含小麥生長發育所需的各種元素，配施有機肥可彌補化肥養分種類單一的缺陷，有機肥可通過絡合或螯合作用活化土壤中的微量元素，促進小麥對微量元素的有效吸收。從全球尺度上看，有機肥與無機肥配施確有提升谷物籽粒礦質養分的作用[ 1 0 7 ]。在印度進行的調研采樣結果顯示，有機農場中小麥籽粒鋅含量比常規農場高出16.3%[113]。瑞士西北部的試驗發現，長期施用堆肥可降低冬小麥籽粒鎘含量，且不會減少籽粒鋅含量，實現小麥鋅鎘比和品質的提高[114]。在山東萊陽，高量有機肥和適量氮肥配施可使小麥籽粒鋅含量達到40 mg/kg[115]。江蘇宿遷的試驗發現，與單施化肥相比，施用奶牛場沼液可在保證產量不降低的情況下顯著提升小麥籽粒中鋅和鐵含量[116]。在新疆，施用雞糞和腐殖酸可提高小麥籽粒硒富集指數，較單施化肥分別使小麥籽粒硒含量提高34.48%、27.59%[117]。受不同種類有機肥養分含量的影響，不同有機肥對小麥籽粒微量元素的提升作用不同，河北的有機肥試驗發現，畜禽有機肥的施用可增加土壤有機質、全氮、全磷和全鋅含量，小麥籽粒全磷和全鋅含量隨雞糞用量的增加顯著增加，但鴨糞用量則對小麥籽粒鋅含量無顯著影響[118]。在瑞士的長期試驗中發現，長期施用農家肥可以顯著提升春小麥籽粒鋅含量，但種植三葉草綠肥卻不能提高小麥籽粒鋅含量[119]。施用有機肥后小麥籽粒的微量元素含量的變化會受到土壤類型和性質的影響，石灰性土壤重金屬元素的生物有效性較低，小麥籽粒銅、鋅、鎘含量受有機肥施用的影響不顯著[120?121]。

此外，施用有機肥也可以通過改變污染土壤中的重金屬形態降低其生物有效性[122]，在一定程度上緩解重金屬污染土壤上小麥的生長限制，提升小麥品質，但效果因有機肥種類和用量而異。巴基斯坦的小麥盆栽試驗發現，在鎘污染土壤上不同有機肥對小麥籽粒鎘的降低幅度表現為玉米秸稈生物炭gt;水稻秸稈生物炭gt;農家肥[123]。山西的小麥盆栽試驗結果表明，豬糞對鎘污染的修復效果優于羊糞和雞糞[ 1 2 4 ]。甘肅的調研結果發現，長期使用重金屬含量高的肥料和畜禽糞便會導致麥田土壤重金屬的積累[125]，威脅小麥的營養品質安全。在內蒙古鎘污染土壤開展的春小麥試驗結果顯示，減施化肥20% 并配施有機肥可在增產6%～10% 的同時，降低籽粒鎘含量，但有機肥施用過多反而會提高小麥對鎘的吸收[126]。

3.3 有機肥施用對小麥養分效率的影響

與單施化肥相比，有機肥作為一種緩效肥料能夠持續為作物提供養分，保障小麥生長后期干物質的累積和養分吸收轉移，因而會表現出與單施化肥不同的作物養分吸收利用效率。在陜西楊凌，與單施化肥相比，增施牛糞對小麥氮素收獲指數和氮素生理效率無顯著影響[87]。山東德州的試驗也表現出類似結果，在同一施氮水平下化肥和畜禽有機肥處理的小麥氮素收獲指數無顯著差異，但二者均會隨施氮量增加而顯著降低[104]。在陜西永壽，相較于監控施肥處理，增施商品有機肥不改變小麥的氮磷鉀素收獲指數和氮素生理效率，但會降低小麥的磷鉀素生理效率；而增施生物炭小麥磷素收獲指數不變，氮鉀素收獲指數和磷鉀素生理效率顯著降低，氮素生理效率顯著增加[105]。等氮量條件下，有機無機肥配施可提高小麥–玉米輪作體系的作物氮素生理效率，降低其磷素生理效率[127]。

有機肥與化肥配合施用可在養分釋放時間上相輔相成，緩解單施有機肥作物前期養分不足和單施化肥作物后期養分缺乏的問題，改變肥料利用效率。有學者利用整合分析發現，有機無機肥配施相較于單施化肥可使我國糧食作物的氮肥利用率提高3.6%，且有機肥的增效作用受土壤和氣候的影響，西北地區土壤有機質含量低、降雨較少，配施有機肥后氮肥利用率提高幅度最大[128]。在小麥生產中，有機無機肥配施可使小麥的氮肥偏生產力由單施化肥的35.0 kg/kg 提升至45.2 kg/kg，效果也因有機物料種類而異，化肥與秸稈還田或農家肥配合可使氮肥偏生產力分別顯著提高9.4% 與71.7%，與沼渣配施因化肥用量降低而使氮肥偏生產力顯著提升90.3%，與堆肥配施則未能增加氮肥偏生產力[97]。在陜西、甘肅和新疆，有機無機肥配施均會顯著提高小麥的氮素利用率、氮素農學效率和肥料偏生產力，且在低肥力土壤的提升幅度高于高肥力土壤[ 35， 87， 90]。但這些研究未將有機物料的氮素計算在內，若將有機肥養分納入計算則可能出現不同的結果。在河南封丘，相較于單施化肥，等氮有機肥的施用可以提高小麥玉米輪作系統的磷肥利用率[129]。墨西哥的試驗發現，等氮條件下單施尿素和尿素與雞糞配施的氮肥偏生產力均顯著高于單施雞糞[130]。在安徽合肥，將所有肥料氮計算在內，有機無機肥配施較單施化肥顯著增加了小麥的氮肥利用率，但隨著替代比例的增加，氮肥利用率呈現降低趨勢[100]。在山東德州，同一氮水平下化肥的氮素回收率遠高于畜禽有機肥，且隨著施氮量的增加，單施化肥的氮素回收率逐漸降低，而畜禽有機肥處理則呈現出先增加后降低的趨勢[104]。

4 麥田有機肥施用技術

施用有機肥可以改變土壤理化和生物性質，調控作物養分吸收分配，影響小麥的產量和品質。有機肥種類和用量不同，在不同地區對小麥產量品質的影響也不盡相同，因此根據區域特征選擇適宜的有機肥種類、確定合理的有機肥用量和施用方法顯得尤為重要。

4.1 有機肥施用量的確定方法

有機肥的養分含量較低，單獨施用不足以實現作物高產目標，但有機肥部分替代化肥可以彌補有機肥養分不足，也可以節約化肥，已作為一種資源節約、環境友好的新模式被普遍認可，但有機肥的用量和替代化肥的比例問題一直未得到很好的解決。早期有研究人員通過單點或多點多年小麥田間試驗，將有機肥用量納入到肥效反應方程中，并計算出一定有機肥用量下的氮磷化肥最佳施肥量[79， 131]。近年來也有學者將施有機肥和不施有機肥情況下的化肥用量與小麥產量結果分別進行擬合，確定不同降雨年型和有機肥投入條件下的化肥用量[132]。這兩者都是在給定有機肥用量基礎上，確定適宜的化肥用量。

還有學者引入有機肥養分對化肥養分的替代當量來評價有機肥的養分有效性、支撐有機肥合理用量的確定。以氮為例，一種簡單的替代當量計算方法為：根據試驗結果求出化肥氮用量與作物籽粒產量（或生物量、氮素吸收量等） 的回歸方程，將某一有機肥用量對應的作物產量帶入回歸方程，可獲得該有機肥用量下相當的化肥氮用量，即為該有機肥氮替代化肥氮的當量，用這一替代當量除以有機肥提供的氮素總量可獲得相對替代當量[103， 133]。山東的一項田間試驗利用這種計算方法，確定豬糞、雞糞和牛糞分別能夠替代59.6%、46.2% 和23.6% 的化肥氮素，分別能替代85.7%、77.6% 和91.4% 的化肥磷素，為有機肥替代化肥比例的確定提供參考[134， 104]。Hijbeek 等[135]總結了不同有機肥氮的化肥氮替代效應當量，發現農家肥對化肥氮的替代比例為10%～70%，泥漿替代比例為20%～90%，種植綠肥替代比例約為40%，且取決于綠肥種類，而秸稈氮對化肥氮的替代效果幾乎可以忽略。該學者還利用歐洲的多個長期定位試驗發現，高氮投入時農家肥氮的化肥氮替代效應值較低氮投入顯著提高一倍以上（112% vs53%）[135]。另外，還可用有機肥處理和化肥處理的氮素回收效率相比，計算得到有機肥氮替代化肥氮的替代效應值，陜西長武的試驗發現，在旱作小麥生產中種植的豆科綠肥可有效替代約31% 的化肥氮，綠肥種類不同其替代效應值也不同[136?137]。

隨著數據分析方法的更新與發展，可利用大數據整合分析方法對宏觀尺度上的有機替代比例進行推薦：若以小麥增產為目標，有機肥替代比例不能超過30%[138]；若以作物優質為目標，有機肥替代比例則應處于25%～50%[107]；若要有效提高氮素利用效率，有機肥替代比例需低于40%[96]；若考慮不同有機碳水平土壤對氮素的需求，則在低有機碳土壤（lt;5 g/kg） 中有機肥替代比例不應超過30%，在高有機碳土壤（gt;15 g/kg） 中有機肥替代比例可增至50%[139]。

除上述方法外，設置梯度試驗并通過結果比較，直接確定有機肥用量或替代比例是使用最多的方法，對部分結果的匯總如表1。由于這類結果是直接從試驗設置的處理中選出最優處理，未進行更深層的數據回歸分析和定量計算，因而其推薦量受試驗中肥料比例或用量梯度設計的影響，但對當地科學施用有機肥仍具有較強的指導意義。以上方法確定的有機肥用量多是以提升小麥產量品質和效率為目標，《2012 年土壤有機質提升技術模式概要》中也給出了以維持或提升地力為目標確定有機肥用量的方法，主要是通過當地土壤有機質含量、年礦化率和有機質的腐殖化系數計算有機肥用量。同時，本文也將我國各省區近年來發布的部分小麥相關技術規程中給出的推薦有機肥用量納入總結（表2），以便參考對比。

另外，在確定有機肥施用量時需注意，大多數作物的氮磷比（N︰P2O5） 平均值大于2.5，但有機肥的有效氮磷比小于2，且畜禽糞便類有機肥中磷鉀含量和有效性均較高，基于氮需求施用有機肥可能會導致土壤中磷、鉀和其他離子的累積[104]。有研究表明，土壤有效磷和速效鉀含量隨有機肥投入量和施用時間的增加而增加[143]，施用有機肥還可能通過增加活性細菌的多樣性來促進土壤有機磷的礦化[144]，長期施用過量有機肥不僅會影響作物生長，還會造成養分資源浪費、引發土壤磷淋失等潛在環境風險[104， 145–146]。同時，不同有機肥養分組成上的差異也會影響其施用量，牛糞碳氮比高于豬糞和雞糞，在施肥初期可能會引起氮的固定，牛糞在三者中最難降解、可礦化氮含量低于豬糞和雞糞，因而在等氮量施用時牛糞對小麥的增產效果不及豬糞和雞糞[104]。但牛糞中以有機磷和不穩態磷為主，更容易被植物吸收利用，對化肥磷素的替代當量達91.4%，高于豬糞和雞糞[134]。此外，根據有機肥中重金屬等有害成分的污染和積累，設置麥田有機肥最大負荷量也是必要的，早期研究認為黃棕壤、紅壤和潮土上的麥田垃圾肥允許負荷量分別為15、120 和102 t/hm2[147]。因此，建議在確定有機肥施用量或其與化肥的配施比例時綜合考慮作物生長需求、土壤肥力水平和有機肥的種類、養分含量。

近年，中國農業大學等單位提出了一種堆肥精準施用策略，該策略通過確定障礙因子→生產專用產品→配合其他營養關鍵成分等步驟實現堆肥的精準綜合管理，并估算該策略的應用可使全球谷物產量增加4%，有機碳儲量增加26.5%，有著極大的生態環境潛力[139]。Zhao 等[148]也提出要從長期的試驗實踐等入手，利用土壤等多元數據與人工智能的多源融合建立堆肥精準利用系統，最終實現有機物料堆腐和施肥的精準化專用化。綜合考慮多因素影響的有機肥推薦施肥方法或系統，必將成為未來有機肥精準應用發展的趨勢。

4.2 有機肥施用方法與技術

在化肥出現之前，有機肥作為唯一肥源被應用在浸種、基肥、追肥等小麥生長的整個過程，化肥的出現不僅改變了有機肥的用量，還改變了有機肥的施用時期和方法，生產實踐的新需求和科學研究的新發現也共同推動了新型有機肥的發展。

常用有機肥施用方法有撒施、條施、穴施等，其中沼液等液體有機肥可采用噴施、灌施等方法，但目前麥田有機肥多在播前用作基肥撒施到地表，并利用機械耕作將其翻壓入土，與土壤充分混合。在德國，有機肥料主要被混入3—15 cm 深度的農田土壤，2020 年強制實行的《德國肥料法令》也對有機肥的施用時間限制在12 月1 日至1 月15 日，以防有機肥料養分流失[149]。除每年施用畜禽糞便等有機肥或連續種植綠肥外，將有機肥與化肥隔年交替施用也有較好的效果。在埃塞俄比亞南部的小麥生產中，連續種植兩年紫云英或羽扇豆綠肥后，第3 年施用適量化肥，可實現土壤肥力提升、維持作物生產力[150]。

多數情況下有機肥施用工作量大、作業環境差，施肥機械適用性不高也會在一定程度上制約有機肥的推廣。我國現有有機肥施用機械以引進和仿制為主，其中大田作物有機肥撒肥機主要有立輥式撒肥機、臥輥式撒肥機和錘片式撒肥機等，國內科研人員基于大田作物種植的基本國情克服了多項技術難題，但仍需不斷優化改進關鍵零部件，特別是開展固態有機肥撒施技術與裝備研究，以提高農民有機肥施用意愿、促進有機肥替代化肥的政策實施[151]。

此外，在有機無機肥配施過程中添加脲酶抑制劑等輔助制劑可獲得更佳效果[152]，施用時也要注意有機肥的特征與屬性，如秸稈還田時需增施化肥氮以調節碳氮比；人糞尿不宜施用在氯敏感作物上；半腐熟的堆肥不能與種子或根直接接觸，以免燒苗等[153]。有機無機復混肥、生物有機肥[154?155]、納米糞肥（nano manure）、微糞肥（micro manure）[156]、富硒有機肥[157]等新型有機肥的出現，在特異性改善土壤環境、提升小麥產量品質、緩解有機肥施用帶來的負面效應等方面發揮了重要作用。

5 問題與展望

5.1 關注有機肥自身的問題

生產和使用有機肥被認為是消納農業廢棄資源的最有效手段，農業廢棄資源利用不足導致廢棄物累積，會引發養分流失等環境問題。多省調查結果顯示，農業廢棄物在農村面源污染中的貢獻超過1/3[9]。全國尺度上的分析結果發現，當前我國農田的重金屬元素主要來源于大氣沉降和畜禽糞便，鎘等重金屬可能引起的污染需引起重視[158]。與30 年前相比，雞糞、豬糞、牛糞甚至秸稈中的鋅、銅、鉻等重金屬元素含量均有所增加[159]，其中糞便重金屬含量與動物飼料添加劑的用量有關，且表現出富集趨勢[160]。此外，近年來也有大量學者關注到有機肥施用給土壤帶來微塑料、抗性基因、持久性有機污染物等污染問題，這些污染物可能會通過微生物的作用轉移到農產品甚至整個食物鏈中[161?163]，威脅生態和人類健康。因此，應從源頭嚴格規范動植物種養過程，控制飼料中農藥等添加劑的用量，做好有機物料無害化處理，研究制定有機肥施用的環境閾值，并加強對制度執行的監督，確保有機肥的高效資源化和安全化利用。

另外，由于有機肥大量元素含量較低，單獨施用不能滿足小麥的養分需求，必須與化肥配合施用才能發揮最佳效果，且不同來源的有機肥料屬性不同，施用后土壤和作物的反應也存在差異，應根據作物需肥特征和肥料養分釋放特征，將有機肥料和無機肥料合理配伍，科研院校與生產企業加強合作、優勢互補，共同創制新型有機無機復合肥料，使其能與區域、氣候、土壤和作物等互相匹配。

5.2 與有機肥相關的科學研究不足

早在20 世紀70 年代，我國學者就已通過設置在不同地區的大量試驗，研究有機肥和化肥對小麥產量品質的影響。近年來測試和數據分析方法的更新迭代，促使有機肥施用影響土壤作物環境的機理機制日益明晰，但由于有機肥種類較多、性質差異較大，不同有機肥對作物產量品質的影響機理也不一致，導致有機肥的科學研究工作相對于化肥更加復雜且不夠聚焦，也限制了有機肥—土壤—作物—環境的生物地球化學循環的研究進展。同時，我國糧食作物有機肥施用現狀不甚明晰，也在一定程度上阻礙了相關研究和政策的進一步發展推廣；已布置的有機無機肥相關試驗，多數未考慮有機肥與化肥的等量替代，僅在化肥施用基礎上額外施用有機肥[97]，且在計算肥料利用效率時，未將有機肥提供的養分計算在內，高估了肥料利用效率和有機肥的效果；關于有機肥的研究中仍是以化肥為重點，如在給定有機肥用量下確定化肥用量，未將二者提到同等重要的水平來對待，且在糧食作物有機肥定量化、小麥有機肥施用技術和方法等方面仍需大量研究探索。有機肥施用經驗被大量記錄在我國歷朝歷代的農書當中，凝結了古人的智慧，因此我們在開展有機肥研究時，不僅要關注現代科學技術的發展，還要與先民的經驗相結合，深入挖掘有機肥的功能和作用，在傳承農耕文明的基礎上使其得到進一步發展。更要引起注意的是，科學研究的發展有著極強的時代背景，這在一定程度上適應了社會實踐的需求，但也要避免相關研究工作的重復、同質和碎片化，加強多點、長期、定位和系統研究設計，創新理念、方法與技術。

5.3 有機肥推廣應用中存在的問題及展望

早在1988 年，國務院就發布了“關于重視和加強有機肥料工作的指示”，但直到現在，有機肥在糧食作物上的施用范圍仍然十分有限，遠不及經濟作物。首先，種植業和養殖業的規模發展和區域需求分布的不匹配，在一定程度上增加了有機肥施用的成本，也造成了區域間有機資源的過剩與不足并存[164]。一項長期調查發現，我國同時種植作物和飼養牲畜的家庭（種養家庭） 比例從1986 年的71% 急劇下降到2017 年的12%，且超過1/3 種養家庭的糞肥生產超過了其農田作物生長的養分需求[ 1 6 5 ]。其次，以往普遍認為較小的生產規模是限制有機肥施用的主要因素，但近年的調研發現，在土地流轉規模日益增加的今天，土地的不確定性影響了種植戶的土壤培肥意愿，流轉土地的質量和土地經營權的不穩定性對糧食種植戶有機肥的施用概率和強度有顯著負面影響[166]。社會調查結果顯示在有機肥的推廣中，種植經濟作物的農民主要關注田間示范和有機肥施用機械，但種植糧食作物的農民則需要包括資金補貼、施用技術和機械在內的全方位支持[167]。此外，有機肥市場上商品有機肥質量參差不齊，養分有效性和含量不確定，使用的機械和勞動力成本高，且缺少適合糧食作物的優質專用有機肥，降低了農戶主動購買和使用有機肥的意愿[ 1 6 8 ]。在國際上，加納北部和印度恒河平原的調研結果均強調了有機肥有效推廣工作的必要性[169- 170]。美國、荷蘭、比利時、丹麥、德國、法國、日本等國家，則通過征收污染稅、發布強制或建議型政策等來限制有機肥施用時間和用量，實現畜禽糞便生產使用流程的規范化和合理化[149， 159]，這些國家的調研結果和政策也為我國的有機肥推廣提供了參考。

近年來我國各級政府部門從有機肥的生產、運輸和使用等方面相繼出臺一系列規劃、意見和標準等，如《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》、《GB/T 25246—2010 畜禽糞便還田技術規范》、《NY/T 1868—2021 肥料合理使用準則 有機肥料》、《“十四五”全國畜禽糞肥利用種養結合建設規劃》等，并在《關于促進畜禽糞污還田依法加強養殖污染治理的指導意見》中，設定了到2025 年實現畜禽糞污綜合利用率達80%，2035 年綜合利用率達90% 的目標，以期通過政策引導、政府補貼等提升有機肥使用范圍和比例，實現農業綠色種養循環，但在促進政策落地落實、杜絕政策梗阻現象、讓農民切實享受政策福利、增加其施用有機肥的主觀意愿等方面仍需付出努力，也要在增加有機肥施用的同時關注其負面效應，做到提前規避。目前肥料市場上的商品有機肥養分含量呈現出倍數之差，但現行的指導文件中對有機肥的推薦較為籠統，未將推薦用量與有機肥養分含量相匹配，仍需進一步細化或給出總有機氮推薦用量，還要根據糧食和經濟作物種植戶在有機肥施用過程中關注側重點的不同，制定有針對性的補貼和土地流轉政策，嚴格把控有機肥出廠質量標準，加大宣傳推廣力度，強化制度保障以使政策落地生根，實現農業綠色發展。