發布時間：2022-02-21所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 生物有機肥兼具有機肥料和微生物肥料的性質 ，可以培肥土壤 、調控土壤微生態平衡 、改善農產品品質 、控制土壤中重金屬的有效性 ，也是農業廢棄物資源化利用的重要手段 。 綜述了生物有機肥的主要特征 、生物有機肥在土壤重金屬污染中的修復作用 ，重點介紹了生
摘要 生物有機肥兼具有機肥料和微生物肥料的性質 ，可以培肥土壤 、調控土壤微生態平衡 、改善農產品品質 、控制土壤中重金屬的有效性 ，也是農業廢棄物資源化利用的重要手段 。 綜述了生物有機肥的主要特征 、生物有機肥在土壤重金屬污染中的修復作用 ，重點介紹了生物有機肥在改良土壤性質和修復重金屬方面的優越性能 ，指出生物有機肥領域當前存在的問題 ，并提出未來在肥源監管 、標準修訂和品種研發等方面進行改進 ，為保障農產品的質量安全 、有機肥料的資源化利用提供參考 。
關鍵詞 生物有機肥 土壤改良 重金屬 修復
化肥使用量的增加帶動了糧食產量的跨越式增長 ，與此同時也導致土壤酸化板結 、有機質減少 、次生鹽漬化 、作物品質下降等諸多問題 ，與農業可持續發展策略相悖 ，因此化肥減量成為農業綠色發展的必然要求 。 原農業部于 2015 年制定了《到 2020 年化肥使用量零增長行動方案》 ，提出到 2020 年力爭實現農作物化肥 、農藥使用量零增長 ，明確“有機肥部分替代化肥”的技術路徑 。 生物有機肥是有機類肥料中的高端產品 ，集成了化肥 、有機肥及微生物肥的優勢于一體 ，是一種新型 、高效 、安全的微生物‐有機復合肥料 ，已廣泛應用于我國農業生產[1] 。
農田土壤重金屬污染問題日趨嚴重 ，污染程度和污染面積逐年遞增 。 我國受重金屬污染的耕地有 1 000 萬 hm2 ，占耕地總面積的 8% 以上 ，導致每年糧食作物減產量在 1 000 萬 t 以上[2] 。 為此 ，降低土壤重金屬活性 、修復重金屬污染土壤成為保證農產品安全的重要環節 。 生物有機肥兼具微生物肥料和有機肥料優點 ，其含有的微生物對重金屬具有很強的親和性 ，可與重金屬形成不溶性金屬‐有機復合物 ，增加土壤的陽離子交換量 ，降低土壤中水溶性重金屬和可交換態重金屬的含量 ，從而降低其生物有效性 ，在提高農田生產力和修復重金屬方面表現出非常優越的性質[3‐5] 。 為此 ，本研究針對生物有機肥的主要特征 、生物有機肥在土壤重金屬污染中的修復作用等問題進行綜述 ，同時指出生物有機肥領域當前存在的問題及未來改進方向 ，旨在為保障農產品質量安全 ，實現生物有機肥的資源化利用提供了參考 。
1 生物有機肥概念及技術指標
生物有機肥是以畜禽糞便 、作物秸稈等動植物殘體為材料 ，添加促進作物生長 、抑制土傳病原菌生長的功能性微生物 ，由特定的生物技術制備而成 。生物有機肥中含有大量具有特定功能的活體微生物 ，富含植物生長所必需的各種營養元素 ，其中包括大量營養元素(N 、P 、K) 、中量營養元素(Ca 、Mg 、S )和微量營養元素(Fe 、Mn 、Cu 、Zn 等)以及其他對作物生長有益的元素(Si 、Co 、Se 、Na)等 ，由于其合成過程需要連續數天的腐熟過程 ，有助于有害菌 、害蟲在高溫下去除 ，肥料的衛生標準明顯高于普通農家肥 ，肥料中微生物的生命活動及其代謝產物是生物有機肥區別于普通有機肥的關鍵因素[6‐7] 。
由于生物有機肥的來源較廣 ，生物有機肥中可能含有一定重金屬 ，為此我國發布《生物有機肥》(NY 884 — 2012) ，規定了生物有機肥的技術指標及 5 種重金屬的限量要求(見表 1) ，作為產品登記及市場質量監管的依據 ，確保生物有機肥的健康發展 。
2 生物有機肥對土壤性質的改良作用
生物有機肥將有機肥 、化肥和微生物肥料有機的結合在一起 ，發揮其綜合優勢 ，通過增加土壤的有機質含量和改善土壤中微生物的生命活動 ，改善土壤生態條件 ，增加作物抗性 ，提高農產品品質 。
2 1. 改變土壤物理性質
生物有機肥本身攜帶豐富有機質 ，施入土壤后還可通過微生物分解土壤中的有機質形成腐殖質 ，并與土壤中的黏土及鈣離子結合形成有機‐無機復合體 ，從而促進土壤水穩性團聚體結構的形成[8] 。生物有機肥中的有益菌起到疏松土壤的作用 ，可以降低土壤容重 ，增加土壤孔隙度 ，提高土壤的田間持水量 ，調節土壤的供水供肥和保水保肥能力以及土壤透氣性能[9] ，有益菌的存在一定程度上促進了有機質對土壤性質的改良 。 另外 ，生物有機肥顆粒多 ，比表面積大 ，微生物及類激素含量多 ，也會導致土壤結構變好 ，孔隙度增大 。 沈德龍等[10 ]研究表明 ，施用生物有機肥后 ，土壤有機質質量分數增加 75 8.% ，容重降低 12 5.0% ，毛管孔隙度增加 9 .8% 。 隨著生物有機肥施用量的增加 ，土壤腐殖質含量顯著增加 ，固碳能力明顯增強 ，水 、肥 、氣 、熱的矛盾得到更好地協調[11 ] 。 生物有機肥營養全面 ，能更好的滿足農作物對各種營養元素的需求 ，使植物根系發育良好 ，根系分泌物增多 ，同時通過對土壤物理結構的改善使得土壤總體耕性變好 ，從而更有利于改善土壤的物理性質 。
2 2. 影響土壤化學性質
大量研究表明 ，生物有機肥可以活化土壤養分 、增加植物對養分的吸收 ，促進作物的營養生長和生殖生長[12] 。 生物有機肥的生產首先需要發酵有機物 ，此過程中會產生生長素 、赤霉素 、氨基酸 、核酸以及多種維生素等 ，故生物有機肥富含多種生理活性物質 ，可以刺激作物的生長發育[13 ] 。 生物有機肥含有發酵菌和功能菌 ，其營養功能強 ，根際促生效果好 ，肥效也較高 ，可以增加豆科作物的固氮作用 ，增加土壤的氮素營養 ，同時分解土壤殘留的化合態磷 、鉀元素 ，增加土壤的磷 、鉀素營養[14] 。 且生物有機肥依靠微生物的生命活動 ，可以促進土壤有機質的礦化 ，使有機養分更為快速地轉化為植物可以直接吸收利用的營養元素[15‐16 ] 。 趙佳等[17]發現 ，黃瓜連作情況下 ，土壤 pH 及有效磷 、速效鉀含量在施用生物有機肥后顯著提高 ，增幅分別為 6% ～ 11% 、 24% ～ 125% 、15% ～ 29% 。 生物有機肥通過本身有機質和微生物的綜合作用解磷解鉀 ，促進土壤必需營養元素有效性的發揮 ，增加土壤的大量營養元素 ，改善土壤的化學性質 ，協調土壤養分和作物營養代謝之間的關系 ，最終促進作物生長 、改善產品品質 。
2 3. 改善土壤生物學性質
微生物是土壤中最具生命活性的部分 ，在物質和能量傳遞 、養分循環利用以及土壤自我修復過程中起著非常重要的作用 。 生物有機肥富含有益微生物菌群 ，能顯著改變土壤中細菌 、真菌 、放線菌 、木霉菌的數量 ，在植物根系周圍形成優勢微生物種群 ，起到抑制根際病原菌繁殖的作用 ;同時還可以促進蛋白質 、核酸和葉綠素的合成 ，增強作物的抗逆性 ，減少病蟲害發生[18‐20] 。 張連忠等[21]和柳玲玲等[22 ]研究表明 ，施用生物有機肥后 ，土壤細菌 、放線菌的數量分別增加 106% 、102% ，土壤中真菌數量明顯減少 ，土壤向高肥力“細菌型”轉變 。 鞏子毓等[23]還發現 ，連續施用生物有機肥明顯降低了土壤根際病原菌的數量 。 土壤微生物群落的變化最終影響作物產量 ，與單純施用化肥相比 ，減量化肥配施生物有機肥處理的土壤細菌和放線菌數分別提高了 111 2.6% ～ 210 .76% 、12 .49% ～ 34 .09% ，真菌數顯著降低了 20 3.7% ～ 39 6.8% ，最終油菜產量提高了 4 .60% ～ 24 5.5% [24] ，也即配施生物有機肥可以改善土壤微生物區系 、改變微生物群落結構 ，使土壤微環境向著更健康的方向轉變 。
生物有機肥還可以顯著提高土壤酶的活性 。 施用生物有機肥后 ，黃瓜連作土壤超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性分別增加 18% ～ 42% 和 47% ～ 113% ，藍莓根區磷酸酶(ACP) 、蔗糖酶 、脲酶和過氧化氫酶(CAT )活性也顯著升高 ，土壤酶的活性和土壤中一系列的生理生化反應息息相關 ，以上酶的活性或和土壤中養分的轉化過程有關 ，或和植物對逆境的適應能力相聯系 ，均最終影響到作物最終的生長發育[25‐26] 。 另外 ，生物有機肥通過其攜帶的微生物誘導植物相關酶參與植物防御反應 ，有利于減少植物病蟲害 ，改善農產品品質[27‐28] 。
總之 ，生物有機肥的有機質能有效調節土壤的物理結構 、改善土壤的化學性質 ，增強土壤的供肥 、保肥能力和緩沖性能 ;其豐富的微生物能加速有機質分解 ，促進生物有機肥中有機質作用的發揮 ，產生生理活性物質 ，提高作物的產量和品質[29] 。 孔濤等[30]通過實驗證明 ，生物有機肥可顯著提高小白菜的產量 ，小白菜產量隨生物有機肥施肥量的增加而增加 。 JAKIENE 等[31 ]也發現 ，生物有機肥能使糧食作物增產 10% 左右 ，果菜類增產 15% 左右 ，以上實例均有力證明了生物有機肥在作物增產方面的重要作用 。
3 生物有機肥在土壤重金屬修復方面的作用
生物有機肥中含有的有機質和有益微生物對重金屬離子均有很強的吸附作用和螯合作用 ，可以部分降低土壤中重金屬的有效性 ，減少作物對重金屬的吸收 ，因此 ，施用生物有機肥是重金屬污染土壤鈍化修復的有效措施之一[32 ] 。 鄭少玲等[33 ]發現 ，施用生物有機肥對廣東菜園土上芥藍的 Cr 、Cd 、Pb 、Ni 、 Zn 、Cu 含量均有明顯的降低作用 ，證明了生物有機肥在降低土壤重金屬對作物的危害方面具有一定功效 。
3 1. 有機質對重金屬的結合作用
有機質對外源重金屬的結合能力與有機質含量具有良好的相關性[34] ，而生物有機肥有機質含量非常豐富 ，最高可達 50% (質量分數) ，其在重金屬修復上發揮重要作用 。 有機質的官能團 ，如羧基 、醇羥基 、烯醇羥基以及不同類型的羰基結構等 ，都可以通過吸附 、螯合 、絡合等多種作用方式影響到重金屬在土壤中的遷移轉化[35‐36 ] 。 黃擎等[37]研究發現 ，配施有機肥可使土壤交換態 Cd 降低 28 8.4% ～ 36 3.3% ，殘渣態 Cd 降低 6 3.9% ～ 19 2.9% ，碳酸鹽結合態 Cd 增加 10 .95% ～ 75 .27% ，有 機 結 合 態 Cd 增 加 44 9.1% ～ 68 3.1% ，證明了有機質可以通過改變土壤中 Cd 的賦存形態 ，降低 Cd 的生物有效性 ，從而抑制植物對 Cd 的吸收 。 實驗結果顯示 ，在低 、中 、高劑量生物有機肥處理下 ，蘋果根系 Cd 含量比不施生物有機肥處理分別降低了 12% 、15% 、24% [38 ] ，且生物有機肥對 Cd 的降低作用隨土壤 Cd 濃度的增加而越來越顯著[39 ] ，表明重金屬濃度越高 ，生物有機肥的修復效果越明顯 。 TIAN 等[40 ]研究也表明 ，生物有機肥可以減少植物根系對重金屬的吸收 ，且土壤重金屬含量越高 ，生物有機肥減少根系吸收重金屬的效果越明顯 。
生物有機肥富含芳香結構 ，在腐熟化程度較高的生物有機肥中質量分數可高達 3% ，芳香結構上存在大量的含氧基團和氨基 ，為重金屬的螯合 、絡合提供豐富的配位基 ，含氧基團對重金屬的靜電吸附作用也降低了重金屬的遷移能力[41 ] ，即使在 pH 非常低的土壤環境中 ，生物有機肥的添加依舊可以降低土壤中 Cu 和 Pb 的遷移能力 ，有效性可達到 74 5.% 、61 0.% [42] 。 有機質與重金屬的作用因土壤中重金屬濃度不同而不同 ，在重金屬離子濃度較低時有機質與重金屬間的作用以螯合作用為主[43] ，腐殖質對重金屬離子遷移能力的影響作用取決于所形成的螯合物的溶解性 ，由于腐殖質中的胡敏酸與重金屬離子形成的螯合物一般是難溶的 ，因此可以降低重金屬的活性[44 ] 。 如施用生物有機肥后 ，有機質分解產生的腐殖酸可與土壤中的 Cd 2 + 形成螯合物沉淀 ，降低 Cd 的生物有效性 ，使得黑麥草中的 Cd 降低 42 7.1% [45 ] 。 當重金屬離子濃度較高時 ，有機質與重金屬間的作用以交換吸附作用為主 。 生物有機肥中的有機質對重金屬離子的吸附率很大程度上取決于 pH ，當 pH 從 6 增加到 9 時 ，Cd 2 + 的吸附率從 10% 快速升高到 99% ，pH 為 9 時吸附率達到最大值 。 有機質對 Cu 2 + 的吸附率在 pH 為 4 ～ 7 時急劇上升 ，pH 為 8 ～ 10 時吸附率達到 98% 且比較穩定 ，可見降低 pH 增加了重金屬的有效性 ，同時降低了有機質和重金屬發生吸附作用的吸附率 ，這也是進行重金屬修復研究時首先使用鈍化劑來提高土壤 pH 的主要原因 。
除了通過有機質與重金屬離子發生吸附 、螯合等作用外 ，生物有機肥還可以通過增加土壤的陽離子交換量減少土壤中重金屬的水溶態及可交換態組分的比例 ，從而降低其生物有效性 。 另外 ，土壤中有機質具有一定的還原能力 ，促進土壤溶液中 Cd 、Hg 形成硫化物沉淀 ，降低其毒性 。
3 2. 微生物對重金屬的轉化作用
生物有機肥含有大量的有益微生物 ，可以提高土壤的微生物數量 ，增強微生物活性 ，在重金屬修復方面表現出更顯著的效果 。
一方面 ，生物有機肥施入土壤后有機質和重金屬可以發生吸附作用 ，有益微生物也可通過生物積累 、吸附等作用降低土壤中重金屬的有效性[46 ] 。 生物有機肥中的有益菌通過攝取營養元素主動吸收重金屬 ，或者通過帶電荷的細胞表面吸附重金屬 ，將重金屬離子富集在細胞表面或內部 。 生物有機肥中的有益菌可以吸附土壤中的 Pb 、As ，抑制黃瓜對 Pb 、 As 的吸收[47] 。 這些有益菌還可以通過自身分泌有機酸絡合并溶解重金屬 ，使有毒有害的金屬元素轉化為無毒或低毒金屬沉淀物 。 如芽孢桿菌可以產生多糖和糖蛋白 ，與 Cd 、Pb 形成絡合物 ，產生沉淀 ，降低其活性 。 與禽畜糞便等一些普通有機肥相比 ，增加活性微生物后的生物有機肥可吸附更多的土壤重金屬 ，促進根域土壤對重金屬的鈍化 ，數據顯示 ，生物有機肥對 Pb 、Cd 、Cr 、As 的吸附率比普通雞糞高 4 0.0% ～ 22 9.4% 。
另一方面 ，施用生物有機肥后 ，土壤發生重金屬的微生物轉化 。 大量研究表明 ，微生物對重金屬的抗性在很多情況下是由細胞中染色體的遺傳物質 ——— 質�；蜣D座子抗性基因決定的 ，由抗性基因編碼的金屬解毒酶催化高毒性金屬轉化成為低毒狀態[48] 。 微生物通過氧化還原作用可以使某些重金屬元素的價態發生轉變 ，從而使其活性和毒性降低 ，或者通過根系分泌氧將根周圍的重金屬離子氧化而降低其生物有效性 。 例如 ，生物有機肥中的微生物可以將毒性較高的 Mn 2 + 氧化為毒性較小的 Mn 4 + ，將高毒性的 Cr 6 + 還原為低毒性的 Cr 3 + ，或使有機汞和無機汞的化合物還原為元素汞 ，以此來降低其生物毒性[49] 。
生物有機肥對土壤多種重金屬污染均有一定程度的修復作用 ，但對不同種類重金屬的修復方式和修復能力不同 。 生物有機肥對 Cu 的降低作用高于對 Cd 的作用 ，原因是 Cu 在很廣的 pH 范圍內均能形成非常穩定的化合物 ，所以 Cu 形成金屬絡合物的機會更多 ，生物有機肥對 Cu 的吸附作用更強 ，減少根系吸收 Cu 的效果也比 Cd 更明顯[50 ] 。
4 生物有機肥應用存在的問題
4 1. 肥源復雜 ，需加強監控和管理
統計結果表明 ，截至 2017 年 8 月 ，我國生物有機肥生產企業數量約 960 家 ，獲得國家有關部門批準登記的產品達 1 207 個 ，生產企業及產品應用遍及全國 ，產業規模不斷壯大 。 但由于生物有機肥以草炭 、腐殖酸 、餅粕 、生活垃圾等生活 、生產廢棄物等為主要原材料 ，成分復雜 ，可能存在重金屬超標和抗生素殘留風險 ，特別是雞糞和豬糞等動物源為主要原料的生物有機肥抗生素含量更高 ，腐熟過程不充分的產品中含有致病微生物 ，會給土壤帶來潛在的風險[51 ] 。 另外 ，生物有機肥產品雜菌污染亦不容忽視 ，近年來很多研究發現芽孢桿菌和類芽孢桿菌的部分菌株是烈性致病菌和條件致病菌 ，并產生多種毒素 ，存在著一定的潛在危害 。
4 2. 生物有機肥產品質控標準存在不足
NY 884 — 2012 對于生物有機肥產品的重金屬限量提出要求 ，但是對抗生素殘留量并未提出限量要求 ，而目前的生物有機肥產品普遍存在抗生素殘留問題 ，迫切需要通過相關數據資料明確其風險程度 ，設定抗生素限量值 ，尤其是大環內酯類和磺胺類等檢查出率較高的抗生素類 。
4 3. 缺乏專用產品的研發
當前學者已發現多種功能型微生物 ，如根際功能菌 SQR9 對農作物的促生效果[52 ] 、淀粉芽孢桿菌 J‐25 克服連作障礙和減輕草莓枯萎病[53] 、含解淀粉芽孢桿菌 QL‐18 調控番茄[54]和辣椒[55 ]根際微生物的區系組成等作用 ，但市場上缺乏真正意義上的專用生物有機肥的研制和開發 。 另外 ，部分生物有機肥還加入無機養分 ，如何減少無機養分對功能菌的影響也是生產環節中必須考慮的一個重要問題[56]
5 結論與展望
生物有機肥既具有化學肥料的速效性 、有機肥料的長效性 、微生物肥料的穩效性 ，又具有微量元素的增效性 、調節劑的促效性 、緩釋土壤養分的潛效性等作用 ，使各種效應有機地融為一體 ，同時利用有機質和功能微生物對土壤中重金屬的結合作用和轉化作用降低重金屬的有效性 ，在土壤重金屬的修復方面發揮重要作用 ，是實現 2020 年化肥零增長 、促進化肥減量增效的切實可行措施 ，也是緩解農業面源污染 、支撐農業可持續發展的重要路徑 。
面對生物有機肥來源復雜 、微生物種類眾多以及生產和施肥過程中還存在著種種問題 ，需要進一步改進和提升 。 針對肥源問題帶來的安全隱患問題 ，可通過對生物有機肥樣品重金屬和抗生素殘留進行監控 ，修訂 NY 884 — 2012 ，同時應當確定相關抗生素檢測技術方法標準 ，為質量控制和風險監管提供依據 。 因此 ，健全生產菌種安全風險評價體系 ，加強風險管理 ，通過相關研究對潛在風險因子進行識別和監控 ，是生物有機肥質量安全的首要保障 。——論文作者：魯洪娟1 ，2 周德林1 葉文玲1 ，2 樊 霆1 ，2 馬友華1 ，2 #
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