肥料的施用是农业生产增产的有效途径,但一味追求高产而忽视作物的需要以及土壤的最大容肥量是不明智的,不仅会浪费自然资源,增加成本,也会危害人体健康。
随着农业供给侧结构性改革和农村振兴战略的不断推进,未来农业的主要发展方式需要从完全依赖自然环境资源向绿色可持续方向转变,即通过有机肥料替代化肥的使用,降低化肥的使用率,实现农业可持续发展。
土壤肥力能够衡量土壤所提供给各类作物所需要养分的能力,是反映土壤肥沃性的指标。Guo等快速、准确地获取土壤有机碳图以了解农田土壤肥力,为管理矿物肥料提供了极大便利。Di等在冶炼厂污染土壤中通过单独施用有机肥料或与链霉菌联合施用进行堆肥处理,研究其对土壤污染的影响,同时研究了土壤肥力、酶活性、潜在毒性、金属溶解度和植物修复效率,结果表明:联合施用处理条件下,土壤肥力和酶活性显著提高,土壤pH降低,潜在毒性金属溶解度增加,植物修复效率明显提升,并且提高了土壤电导率7.0倍和速效磷含量。
有机肥料替代化肥施用对农田土壤的物化性状、土壤营养状况、土壤生物学状况、土壤环境状况均会产生重大影响。研究表明:有机肥料的有机质对土壤物理化学性状、肥力水平、土壤重金属有效性均有显著影响。在提高土壤养分利用率、使土壤养分保持平衡、增强土壤生物特性和生物化学特性、使土壤微生物群落的结构优化等方面的作用也较显著。最主要的是建立耕作一体化技术,完善有机肥料施用比例,把每一个块地各元素具体分析,建立土壤健康表,按地施肥,充分发挥肥效,减少对环境的危害。
一、有机肥料对土壤物化性状的影响
施用有机肥料可以极大改善土壤的物理性状,但这需要长期的施用。有机肥料施入土壤后,首先会发生矿质化,有机物完全分解为二氧化碳、水分和矿质营养(磷、钾、钙等),又经过一定的时间,如气、水、热等一系列条件适宜,腐殖化过程开始进行,生成的腐殖质、腐殖酸、胡敏酸、胡敏素等能改善土壤的理化性质,土壤的保水保肥的能力也得到提高,进而提高土壤养分和水分的利用效率。胡诚等研究发现在将秸秆还田时,配合施用秸秆腐熟剂不仅能够显著提高早稻和晚稻产量,而且土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量都大大提高,阳离子交换量也增加,土壤容重降低。秸秆还田能够增加团聚体含量,主要是大于0.25mm的风干团聚体以及水稳性大团聚体,土壤团聚体破坏率显著降低。邓超等研究表明有机肥料的施入能够增加土壤的大、中孔隙度。叶协锋等研究发现绿肥翻压后,土壤酶活性和土壤肥力水平能够显著增加。如果翻压绿肥量超过15000kg/hm2,与对照组相比,经过绿肥翻压的地块,土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶的酶活性都显著增加,增幅分别为13.10%-23.81%、12.92%-29.38%、75.35%-234.51%、29.17%-37.08%;土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、孔隙度均大幅度增加,增幅分别为13.01%-70.41%、6.42%-27.52%、1.14%-10.99%、15.97%-34.99%、10.28%-38.30%、2.74%-7.05%、0.19%-2.50%,土壤容重下降。此外,施用有机肥料能够提高植烟土壤的pH、EC、CEC.
二、有机肥料对土壤营养状况的影响Huang等经研究发现长期施用有机肥料会使土壤的供肥容量显著提高,腐殖酸对土壤养分的活化速度加快,土壤养分含量升高,速效养分供应处于平衡状态,效果非常明显。在施肥相当的情况下,有机肥料比化肥具有更加显著的作用,可以大量增加土壤营养物质含量,提升土壤有机质的质量。有机肥料长期施用能够增加土壤活性炭和活性氮含量,使与养分转化有关的微生物和酶的活性也得到增强,从而提高土壤有效养分。Yang等经过长期定位试验发现,所有施肥处理均能使土壤全氮含量显著提高,并且有机肥料投入比例越高,土壤全氮含量也越高。有机肥料对土壤特性的影响见表1。表1有机肥料对土壤特性的影响
有机肥料种类
主要影响或机理
畜禽类便、农家肥、作物秸秆、生物废弃物、绿肥、商品有机肥料
①使土壤容重下降,总孔障率增加,土壤团聚体数量和稳定性上升,土壤保水保肥的能力显著增加,土壤酸化进程减缓等。②使土壤供肥容量增加,腐殖酸类物质对养分的活化速率加快,与养分转化有关的微生物和酶的活性显著增加,元素的利用效率大大增强。③使有机质和土壤肥力显著增加,提供碳源、氮源、能量和结合位点给土壤微生物和酶,使微生物生长和繁殖加快,使转化效率更高。
畜禽粪便、污泥、商品有机肥料
使有机肥料的重金属含量升高
三、有机肥料对土壤生物化学特性的影响
有机肥料能够增加土壤养分有效性,使土壤理化性质更加符合作物生长要求,而且可以显著影响土壤的生物化学特性,这一特性能够使土壤对施肥管理的响应更加敏感迅速。土壤微生物在土壤碳循环中发挥着重要作用,能够反映土壤肥力和土壤质量的重要指标包括土壤微生物数量和活性。有机肥料也能提供给土壤微生物生命活动所需的能源,主要有碳源、氮源和能量,同时使土壤微生态环境的理化性状更加适合农作物生长,加快微生物的生长和繁殖,使土壤微生物群落的结构和功能得到完善。有机肥料影响土壤微生物生态的因素主要是有机质。研究表明,长期施用有机肥料可以显著提高土壤有机质含量,改善土壤微生物群落和微生态。此外,土壤中绝大多数的酶吸附在土壤有机质和矿质颗粒上或者与腐殖物质络合形式共存于土壤中。施用有机肥料能够显著增加土壤中有机酸和腐殖质含量。有机肥料提供了丰富的结合位点或保护性位点给土壤中的酶,并且使土壤酶活性大幅度提高。
四、有机肥料对土壤环境的影响
研究发现,自21世纪以来,很多国家都出现了农田土壤重金属累积和超标等一系列问题,给作物生产及人类身体健康带来严重影响甚至威胁。有机肥料是一种绿色环保可循环利用的肥料,具有能够显著增强地力、提高微生物活性、促进团粒结构的形成等一系列优点,同时它含有一定数量的重金属元素,特别是粪便类的有机肥料,施用此类有机肥料,一定会增加作物体内重金属含量,可能会导致人体重金属含量超标。畜禽粪便中的重金属含量远高于其他有机肥料种类的含量。猪粪中锌、铜含量处于较高水平,而鸡粪中铬的含量更高。研究表明:无论是施用化肥还是有机肥料,土壤中重金属含量都会逐渐增加,都有重金属超标的风险。有机肥料对土壤中的重金属影响是巨大的,一方面,有机肥料可以直接增加土壤中重金属含量,并使重金属的生物有效性增强,因为有机物的腐解过程中会释放有机酸,有机酸对土壤中强结合态的重金属具有活化作用,使重金属的有效性增强;另一方面,有机质是一类大分子物质,有大量的官能团,对于重金属离子有很强的吸附能力,同时有机质中的腐殖质分解可以产生腐殖酸,它可以与重金属离子形成络合物,起到固定重金属的作用,反而使重金属的有效性降低,同时降低对作物的毒害作用。因此,不能武断评判说有机肥料会使重金属有效性增加或降低,这要从以上两个方面考虑。同时,有机肥料种类和土壤类型也会对土壤中重金属有效性产生影响。刘秀珍等发现,土壤中重金属的形态并非一成不变的,有机肥料的施入可以使重金属形态发生改变。
田间试验研究了内蒙古巴彦淖尔市河套地区甜瓜在一次性施肥、覆膜后灌水、淋洗、排盐传统种植模式下不同施肥处理对土壤养分及甜瓜产量、品质和养分利用的影响,不同施肥处理包括不施肥(CK)、常规施肥(CF)、优化减量施肥(RF)、控释肥(RSF)、优化减量施肥+有机肥料(RF+OM)、控释肥+有机肥料(RSF+OM)6种处理方式。结果表明:RSF处理使甜瓜生育期维持较高的土壤氮元素水平,与单施化肥相比,RF+OM、RSF+OM处理可以维持土壤有机质含量,培肥土壤。各施肥处理后甜瓜产量均显著增加(p
五、有机肥料增强土壤蓄水保境能力为探究耕作和施肥方式对西北半干旱区饲用玉米土壤水分和产量的影响,以饲用玉米陇饲1号为材料,设置传统旋耕、立式深旋耕2种耕作方式,单施化肥、有机肥料部分替代化肥2种施肥方式,研究不同的耕作和施肥方式对饲用玉米土壤贮水量、花前花后耗水量、单株鲜重和干重以及产量的影响。结果表明,与传统旋耕相比立式深旋耕能够降低饲用玉米0cm-300cm土层土壤贮水量,提高花前耗水量,降低花后耗水量,增加生育期总耗水量,而有机肥料替代化肥能够降低立式深旋耕方式下土壤总耗水量;立式深旋耕使成熟期单株干重增加1.3%-10.6%,单株鲜重增加4.9%-21.9%,而且增加了饲用玉米株高、穗长、穗粗、行粒数、百粒重、双穗率,以上指标的变化均有利于高产试验。3年试验中立式深旋耕化肥处理较其他处理的籽粒产量增加1.8%-38.6%,丰水年生物量增加1.2%-15.1%,立式深旋耕有机肥料处理较其他处理提高了干旱年生物量4.9%-21.9%、提高了籽粒产量水分利用效率6.3%-34.8%、提高了生物量水分利用效率7.1%-21.5%。立式深旋耕能够改善作物生长土壤环境,有利于饲用玉米对土壤水分的吸收以及干物质量的积累,其组合化肥处理可以增加饲用玉米籽粒产量和丰水年生物量,组合有机肥料替代处理可增加干旱年饲用玉米生物量和水分利用效率。
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