有機肥俗稱農家肥，是指含有有機物質，既能提供農作物多種無機養分和有機養分，又能培肥改良土壤的一類肥料，其中大部分為農家就地取材，自行積造的。有機肥料來源廣泛，種類繁多，主要包括人畜糞尿、禽糞、堆肥、漚肥、廄肥、餅肥、草木灰、草炭、秸稈、綠肥、河塘泥和土雜肥等。
目前，世界上有機肥積造與利用最早的歷史遺跡可以追溯到6000 年前的蘇美爾文明。我國早在秦漢之前，也有用有機肥養地的實踐，歷代有關農書詳細記述了有機肥的種類、作用、積造與施用方法。到了清代，我國有機肥有10 大類100 多種。1990 年農業部開展全國有機肥料調查研究，分為10大類433個品種。我國自古代直至20世紀70 年代，農業生產上所用的肥料主要靠有機肥料，基本保持了水稻和小麥單位面積產量的穩定，并有緩慢的增加。20 世紀中期，因為化肥的推廣應用，有機肥的地位日益下降。我國1949年有機肥施用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%，2003年為25%。由于化肥的大量使用，農業生產發生了巨大的變化，在帶來巨大經濟效益和滿足人口急劇增長需求的同時, 其負面影響也日臻顯露, 如土壤地力下降、環境質量惡化、食品質量安全事故時有發生等。因此，人們對有機肥又逐漸重視起來。但是有機肥的不合理使用也會在土壤質量、環境質量以及食品安全方面造成負面影響，如不引起足夠重視，其副作用甚至超過化肥。土壤質量是指土壤維持作物生產能力、保持環境質量及促進動植物健康的能力。因此，有機肥的使用將從正反兩個方面強烈影響土壤質量。在現代農業生產中，有機肥料的施用不僅直接關系到土壤質量、農作物的產量和品質、水體和大氣環境質量，而且它還是種植業與養殖業之間的重要紐帶，對促進農田生態系統和生物圈中的物質循環與能量轉化也有重要作用。有機肥種類繁雜，性質各異，為了充分發揮有機肥的正向作用而盡量減少其負面影響，我們必須對各種有機肥的特性、在土壤中的轉化過程及其對土壤、環境質量和農作物的影響有較清晰的了解，從而制訂科學的施用規范。2000 多年來，有機肥對維護地力起了巨大作用。20世紀初，美國中西部農田土壤發生明顯退化，為尋找對策，1909年美國著名土壤學家King對中國、朝鮮、日本的農業進行了考察，并于1911年出版了《四千年的農民：中國、朝鮮和日本的恒久農業》一書，總結了有機肥（包括綠肥）在維持土壤質量和農田生產力方面的重要作用。世界上最早開展有機肥科學實驗研究的是英國人魯茨（John Bennet Lawes）。早在1837 年他便采用盆栽試驗研究了有機肥對土壤和作物產量的影響，隨后又開展了田間試驗的探索。其研究結果直接催生了他1842 年利用骨粉和硫酸生產磷肥，并與吉爾貝特（Joseph Henry Gilbert）一起于1843 年建立了著名的英國洛桑試驗站（Rothamsted Experimental Station）。該站迄今已170 多年，長期定位研究有機肥與化肥連續施用對土壤和作物產量的影響。1852 年開始的Hoosfield 長期定位試驗結果表明，連續每年施用35 t/hm2的廄肥，土壤氮含量增加1 倍以上。大量長期實驗結果表明，有機肥施用可增加土壤有機質，進而顯著增加土壤的礦化氮，作物產量增加明顯。但很多長期試驗結果也表明，有機肥和化肥對作物均有極好的增產效果和持續的增產作用，二者間產量無顯著差異，而化肥和廄肥配合無論是近期或者長期都可取得較高的產量和經濟效益。我國科學家對各種有機肥料及肥效開展了大量研究。早在20 世紀30—40 年代，陳尚謹等人便在華北開展了有機肥的調查與試驗；陳恩鳳、彭家元等在四川開展了有機肥施肥技術研究；黃瑞采、裴保義等用復因子設計，對人糞尿、堆肥和綠肥進行了長達9年的稻田施肥試驗。20世紀50年代以來，我國有關單位與科學家對各種有機肥在不同土壤與作物上開展了大量研究，尤其是80 代建立了全國性的肥料長期定位試驗網，包括中科院的CERN、中國農科院的全國肥料試驗網等。如中國農科院土壤肥料所從1980年開始，在全國135個定位試驗點上進行了5年以上的有機肥肥效試驗研究，結果表明，有機肥增產效果有逐年增加的趨勢，且有明顯的殘效。我國100多個5年以上的定位試驗研究表明，施用有機肥與不施有機肥比較，平均增產率為12.8%。國內外大量研究結果表明，合理施用有機肥料不僅可以增加土壤有機碳含量，改善土壤物理結構，增加土壤CEC、保水能力、滲透性，提高土壤N、P、K、Ca、Mg、S 及其他微量元素含量，促進土壤微生物活動，改善土壤微生物群落結構，提高土壤肥力，改善農產品品質。有機肥和無機肥料配合施用效果更佳，還可以提高化學肥料的利用率。噸糧田能夠連續17年（1974—1990年）維持養分平衡，其關鍵在于有機肥和化肥配合施用，并在化肥中再進行N、P、K 適當配比。1985—1990 年，經糧、油、果、菜、煙、茶等20 多種作物30多項有關品質指標的分析研究表明，有機肥與化肥養分平衡配合施用均不同程度提高了所有供試作物的產品品質。有機肥施用可抑制作物病害。20世紀70 年代，國外便開始研究有機肥與植物病害的關系，隨后開發出各種抑制土傳病害的生物有機肥。從20世紀90 年代開始，我國一些科研單位和企業相繼研制和生產一類被統稱為“生物有機肥”的產品并投放市場。2008年全國共有商品有機肥企業3021家，其中生物有機肥企業270家，占總數的8.94%，生物有機肥產量345萬噸，占生物有機肥企業生產能力的83.6%。具有抗病特性的生物有機肥的作用機理可能包括物理、化學、生物的作用。一方面有機肥可改善土壤物理結構，并平衡提供作物所需養分以及一些生物活性物質，植物生長健壯而抗病能力增強，同時有機肥含有拮抗菌或促生菌，改變根際微生物區系，進而抑制病原菌的爆發。因有機肥、土壤、病害類型復雜多變，迄今生物有機肥的作用機理尚未完全清楚，其在生產中的應用效果也不穩定，難以有效地、定向地施用生物有機肥而達到預期的防病效果。傳統的觀念認為有機肥對土壤質量均是正向作用，有機肥可減緩土壤板結、阻止土壤次生鹽漬化，但有機肥的不合理施用也會造成土壤質量退化。《陳旉農書·糞田之宜篇》第一次記載了我國古代農民“用糞猶用藥”的施肥理念，提出有機肥須合理施用。規模化養殖場的畜禽糞，尤其是雞糞含有較高的鹽分和Na離子，如果過量施用，則會有土壤次生鹽漬化的風險，使土壤板結。根據Moral等人的研究結果，當畜禽糞施用量達到7—10t/（hm2a），農田土壤的Na+和Cl-負荷可達415kg/hm2，可致西班牙東南部半干旱地區土壤產生顯著的次生鹽漬化風險。王輝等人的研究表明，在目前的有機肥施用狀況下，畜禽糞便農用對露天土壤沒有顯著的土壤次生鹽漬化風險，而對于溫室大棚土壤而言，在高施肥量下次生鹽漬化風險較大，可嚴重影響農作物的生長。而目前蔬菜等經濟作物上有機肥施用量普遍較高，例如山東壽光等地大棚蔬菜地土壤有機肥年施用量最高達240t/hm2鮮糞，有機肥帶來的土壤次生鹽漬化風險不容忽視。自20世紀90年代以來，因系列環境問題的日益凸顯，國內外研究的關注點逐漸轉移到大量施用有機肥對溫室氣體排放的影響，有機肥中氮、磷在土壤中的積累、遷移、淋溶風險及其對水體富營養化的貢獻，有機肥中重金屬、抗生素、動物激素及環境激素、病原生物、抗性菌及抗性基因等對土壤、水體、農產品質量安全和人體健康的影響。現在的有機肥已與傳統意義的有機肥在組成上有著巨大差別，規模化養殖場畜禽糞中P、K、Cu、Zn、As 等元素和抗生素殘留量明顯高于農戶家庭小規模養殖的畜禽糞，同90 年代相比，規模化養殖畜禽糞中不僅N、P含量顯著提高，有害重金屬含量也大幅度增加,因此，有機肥進入農田對土壤環境質量和健康質量會產生顯著影響，其農用的環境與健康風險不容忽視。20世紀90年代后期，人們開始關注畜禽糞中有害重金屬的問題。糞肥中常含大量的Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As，畜禽糞農用是土壤與環境中重金屬的重要來源之一。作者于2002 年對江蘇省規模化畜禽養殖場畜禽糞中重金屬開展了調查，結果與國外類似，Cu、Zn是主要污染物，與飼料中的重金屬含量分布有較強的相關性,隨后針對不同區域和尺度的調查研究工作相繼展開，對我國規模化養殖畜禽糞的重金屬污染狀況有了初步的認識。有研究表明，英格蘭與威爾士地區農業土壤中Zn、Cu的主要來源之一是畜禽糞農用，約占到農業土壤Zn、Cu 總輸入量的37%—40%、8%—17%。估計中國畜禽糞便農用輸入農田土壤的Cu、Cd、Zn分別占到總輸入量的69%、55%和51%。因此，畜禽糞的大量長期施用，會造成土壤重金屬的積累，進而威脅農產品的質量安全。長期施用豬糞明顯地增加了糙米中鎘含量，并超過國家衛生標準。1999—2000 年美國地質勘探局（USGS）在全美39 個州139 條河流中進行的調查結果顯示，水環境中廣泛存在藥品和個人護理用品污染物（PPCPs）。48%的樣品中檢出抗生素，在檢出的95種有機化合物中包含了22種抗生素，其中大部分為獸用或人獸共用抗生素，如大環內酯類、四環素類及磺胺類抗生素等。自此，抗生素在環境中的殘留及其化學行為日益引起重視。目前，世界上大約50%的抗生素應用于養殖業，而40%—90%的藥物又通過糞便排泄出來。因不同畜禽種類、不同地區的管理水平差異，畜禽糞便樣品中可檢測到的抗生素殘留濃度變化范圍較大。國內有關研究單位也對畜禽糞中的抗生素殘留進行了初步調查,表明部分畜禽糞樣品中抗生素殘留，尤其是四環素類抗生素很可能對生態環境中的微生物群落造成一定影響。研究表明，某些抗生素可在施用糞肥的土壤中長期持留，并對某些作物生長造成影響。張慧敏等人對浙北地區畜禽糞便和農田土壤中四環素類抗生素殘留測定表明，施用畜禽糞肥農田表層土壤土霉素、四環素和金霉素的平均含量分別為未施畜禽糞肥農田的38倍、13 倍和12倍。糞肥中的抗生素進入土壤，對抗性菌的發展可能有一定的影響。除抗生素外，畜禽糞中還含有相當數量的天然動物雌激素，包括17α-雌二醇、17β-雌二醇、雌激素酮、雌激素三醇、雌馬酚及其代謝中間體。這些物質在糞便堆放過程中不易降解，可隨糞肥農用進入農田與水體。此外，糞肥中還含有一些被稱為環境激素（內分泌干擾物質）的持久性有機污染物，如有機氯農藥、多環芳烴等，對土壤和水體環境也可能帶來一些環境風險。全世界約有250多種人畜共患疾病，我國有120多種。畜禽糞便中的病原生物主要包括細菌、病毒、原生動物和蠕蟲等。通過糞便可傳染人的病原微生物超過150 種，主要為大腸桿菌、沙門氏菌等腸道細菌及一些病毒等。當畜禽糞便未經處理或無害化不完全，其所含的病原微生物在土壤中積累可能對水環境、人類健康甚至生命造成威脅。這些病原體可在土壤中生存較長時間，其中，沙門氏菌被認為在土壤中的存留時間較長，報道的最長達300天以上。蛔蟲卵在土壤適宜條件下可存活1年，在40—60cm土壤深處的蟲卵可存活2 年或更長的時間。病原體在土壤中的生存時間長短，與土壤及環境因子如土壤質地、pH值、鹽度、有機質、氧化還原電位、耕作方式、溫濕度、光照、紫外線強度及土著微生物等有關。病原生物隨糞肥進入土壤后，還可以進一步侵入植物體內，污染作物可食部分，威脅食品質量安全。如大腸桿菌O157: H7可以經灌溉水或土壤進入植物體內。隨著抗生素的廣泛使用，抗生素的耐藥問題漸漸暴露出來，2010年在英國和印度發現超級細菌NDM-1，使細菌耐藥性問題再次成為全球關注的熱點。由于抗生素在養殖業中廣泛和不規范使用，畜禽糞中抗生素抗性細菌、抗性基因已經成為令人關注的新興污染物。大量研究結果表明，沙門氏菌屬的多重耐藥率已從20世紀90 年代的20%—30%增加到了21世紀初的70%，隨著時間的推移，其耐藥率仍將大幅上升，耐藥譜也將不斷增寬。潘志明等人對1962—1998 年間分離保存的325株雞白痢沙門氏菌進行的研究結果表明，隨著時間的推移，菌株對16種抗生素的耐藥性呈現不同程度的上升趨勢，菌株多重耐藥性的上升趨勢更加顯著，60年代菌株幾乎沒有多重耐藥性，70年代四耐、五耐菌株居多，80年代則五耐、六耐、七耐菌株占絕大多數，90年代七耐以上菌株的比率接近90%。朱力軍對50株動物源性大腸桿菌的測定結果也表明，菌株對15 種供試抗生素的耐藥性隨時間的推移呈現不同程度的上升趨勢，20世紀50年代的大腸桿菌分離株對15種抗生素均敏感，60年代的分離株對鏈霉素、四環素產生抗藥，70年代的分離株對氨芐西林、氯霉素、磺胺甲基異唑、四環素、鏈霉素、甲氧芐胺嘧啶6種抗生素產生耐藥，80—90年代的分離株對阿莫西林/奧格門丁、慶大霉素、卡那霉素、萘啶酸、頭孢噻吩、氨芐西林、氯霉素、磺胺甲基異唑、四環素、鏈霉素、甲氧芐胺嘧啶11種抗生素產生抗藥。Yang等人研究了89株豬源大腸桿菌對19種抗生素的抗藥性，結果八耐菌株為100%，十一耐菌株占到86%，還有2%的菌株對所有19種供試抗生素完全耐藥。朱小玲等人研究了來自醫院和不同養殖場的712株大腸桿菌分離株對15種抗生素的敏感性。結果表明，肉雞場和醫院大腸桿菌平均抗藥性頻率較高，分別達到81.27%和59.59%，多數表現為對12、13種抗生素的抗性，個別菌株對15 抗生素均表現為抗性；豬場次之，平均抗藥性頻率為52.71%，對5到14種抗生素均有抗性，比較集中在9—10抗；奶牛場最低，平均抗藥性頻率為18.72%，大部分菌株集中在1抗和2抗。此外，動物的抗藥性程度和抗藥譜與飼養員的相關性顯著，表明抗藥性菌株可以通過環境和食物鏈在不同宿主之間傳播。Sengel?v 等人測定了從施加豬糞的農田土壤中分離的細菌對四環素、大環內脂類和鏈霉素的抗性，結果發現土壤細菌的四環素抗性水平可以在短期內因豬糞的施用而上升，而且可以隨著豬糞施用量的增加而增加。Schimitt等人的研究表明，豬糞對土壤中四環素及磺胺類抗性基因的多樣性具有明顯影響，施肥后土壤中抗性基因數量明顯增加，且一些抗性基因是原來土壤所沒有的，而是豬糞中特有的，證明這部分抗性基因是由于施用豬糞而帶入的。養豬場周邊土壤的分析結果顯示，抗性基因tet（W）、tet（T）、tet（M）、tet（O）為豬場土壤中的優勢抗性基因，其中tet（W）的含量高達到2.16×108拷貝/g（干土），比含量最低的tet（B/P）高出約兩個數量級。朱永官等人研究表明，施用糞肥的土壤中有63 種抗性基因，豐度顯著高于沒有施用糞肥的土壤；同時，抗性基因的豐度與環境中抗生素和砷、銅等重金屬濃度顯著正相關，表明砷、銅等重金屬和抗生素的復合污染可以增加環境中抗性基因的豐度。Ji 等人也得到了類似的結論。這些抗性基因在土壤中可發生基因水平擴散，從而將抗性基因從游離DNA分子轉移到完整的細菌體內，使該細菌獲得抗性。Neilsen 等人研究表明，土壤養分不僅可增強細菌的基因轉移能力，還能誘導細菌的轉化能力，因此農田環境可能更有利于細菌耐藥性的擴散。英國洛桑試驗站長期定位試驗的監測結果表明，有機肥的施用會導致土壤中硝態N 的積累，增加向水體淋失的風險。隨后，大量的研究表明，過量有機肥的施用會直接導致NO3-N和P在土壤中的積累，并且隨著施肥年限的增加而積累加劇，增加向水體的淋失。莊遠紅等人研究結果表明，增施有機肥提高了淋洗液DOP占DTP 的比例，促進土壤P的淋失，TP、DTP、DOP的累積淋失量隨著有機肥的用量比例升高而增大，當超過一定值后會導致農田磷的環境風險。有機肥強烈影響農田土壤的碳氮轉化。由于有機肥、土壤的類型不同，性質各異，而有機肥的施用方式、施用量也不相同，加之研究的環境條件不一樣，有機肥施用對土壤溫室氣體排放的影響研究結果差異較大。近年來大量的研究表明，施用有機肥料，尤其是未經腐熟的有機肥料如作物秸桿、新鮮綠肥、未經腐熟的廄肥，可強烈促進農田CH4和N2O等溫室氣體的排放。長期施用廄肥的土壤也可能是N2O的重要排放源，充足的碳源同時并存，將大大促進土壤中的反硝化過程。Speir 等人研究報道有機碳加入土壤N2O生成量增加的可能原因是提高了反硝化速率。一些研究結果表明有機肥施用增加了土壤N2O排放,而有些研究結果顯示，與施用尿素相比有機肥施用可減少土壤N2O排放。鄒建文等人研究結果表明，N2O排放與施用的有機肥C/N比有顯著相關性。陳葦等人研究表明,豬糞和沼氣渣的施用分別提高稻田CH4 排放量22.14%和4.40%。雙季稻田豬糞替代部分化學氮肥較全部施用化學氮肥增加了雙季稻田CH4和N2O排放。有機肥種類和數量的不同影響了其施用后的CO2和CH4的平均通量，施用有機肥增加了土壤CO2的排放。與單施化肥比較，有機肥單施，以及有機肥與化肥配施，可增加土壤CO2和CH4的排放，但化肥配施秸稈與化肥配施豬糞下稻田生態系統CH4和CO2的排放沒有顯著差異。有機肥的合理施用將改善土壤質量，培育地力，增加作物產量，并改善農產品品質。農業部已提出化肥、農藥零增長的戰略目標，而要滿足我國人口高峰對食物的需求，不斷增加作物單產是不二的選擇，因此，有機肥的作用將日益突出。一些發達國家有機肥氮與化肥氮的施用比例維持在1:1左右，在保育地力的同時，使得作物生產能力穩步提升。在新形勢下，我國有機肥的需求將迅速增大，有機肥的施用也將步入新的高潮。但現在的有機肥含有重金屬、抗生素、激素、病原菌、抗性菌等污染物，其農用的環境風險需要高度重視。分析國內外的研究熱點，今后有機肥的研究重點將集中在基礎研究、無害化技術與安全施用等方面。雖然有機肥對土壤質量的正向、負向作用方面已進行了大量研究，但相比于化肥，有機肥方面的基礎研究尚嫌薄弱。（1）盡快組織新一輪全國性的有機肥資源普查，并建立質量監測網。上一次全國性調查是20世紀90年代初，20多年來，有機肥的資源狀況及組分發生了巨大的變化，應調查分析各類有機肥的資源量，重點分析各類有機肥的物質組分變化，尤其是各種污染物的含量狀況，為有機肥的資源化利用提供家底數據。在此基礎上，建立全國性主要有機肥質量監測網。（2）開展有機肥肥效及環境效應長期定位聯網研究。目前，中科院、中國農科院系統已建立長期定位試驗網，針對我國主要類型土壤與作物，進行了包括有機肥在內的不同施肥處理的長期定位試驗研究。在此基礎上，應補充設計新的試驗方案，進一步開展針對區域性主要有機肥對土壤質量影響的長期定位試驗，不僅研究有機肥肥效，而且要研究主要污染物在土壤中的長期積累效應及對環境質量、農產品質量安全的影響。（3）開展有機肥主要物質在土壤中的轉化過程及生態環境效應研究。除有機肥中C、N的土壤轉化過程與環境效應外，要重點研究有機肥對土壤生態系統中土壤生物、食物網的影響及其提高化肥利用率的機理，研究有機肥施用下土壤中抗性菌及抗性基因的分布與擴散規律，研究復合污染下有機肥特征污染物（抗生素、激素、重金屬、病原生物）的環境行為與歸趨。目前，有機肥的盲目施用，不僅可造成土壤質量退化，而且對水體環境、農產品質量安全產生威脅。因此，應進一步加強有機肥無害化與安全施用規范方面的研究。（1）加強有機肥無害化技術研究。現在的有機肥含有數量眾多的有毒有害物質，而目前的有機肥農家積造、商品有機肥的工廠化生產工藝仍然處于相對簡單、落后水平，均難以實現完全的無害化，即使商品有機肥，仍可能含有一定量的病原生物、重金屬、抗生素、抗性菌等污染物，其長期或過量施入將帶來一定的環境風險。應針對不同的有機肥及其污染物特性，研究相應的有毒有害物質消減技術。（2）加強有機肥標準化質量管理體系研究。目前我國有機肥僅有農業部的部頒質量標準，且全國僅單級標準。由于商品有機肥原料的來源廣泛，所含養分和其他物質（如污染物質）千差萬別，因此，通過堆肥而生產的有機肥質量差異甚大，難以像化肥那樣有相對穩定的物質組成。這給商品有機肥的生產和使用以及市場的健康發展帶來諸多不便，尤其是隨著現代社會管理標準化趨勢的發展，其矛盾更加突出。歐美等發達國家均建立了不同類別及用途有機肥的質量標準。如歐盟將商品有機肥分為2級。在有機肥分級質量標準體系的基礎上，歐美國家還制訂了成套的生產、包裝、質量認證、標識等管理體系和質量控制體系。因此，進一步加強我國有機肥標準化質量管理體系研究迫在眉睫。（3）加強有機肥安全施用技術研究。一些發達國家針對不同的土壤、不同的作物、不同的生態控制區，研究制訂了相應的有機肥施用技術規范，如有機肥的施用量、施用時期、施用方式等，確保有機肥的安全施用。而我國有機肥的施用多憑經驗，盲目施用比較普遍。應進一步系統開展不同有機肥在不同土壤、不同作物上的安全施用研究，盡快形成有關的技術規范，指導農民的合理用肥。
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來源：中國科學院院刊、土壤改良及修復 董元華
