化肥減量增效技術(shù)及其農(nóng)學(xué)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

邱子健，申衛(wèi)收*，林先貴

（1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

20世紀(jì)以來，化肥的大量施用使全球糧食產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)［1］。我國(guó)作為化肥生產(chǎn)大國(guó)，化肥施用量約占世界總量的1/3，化肥為我國(guó)糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)40%以上［2］。長(zhǎng)期以來，我國(guó)化肥施用偏重氮、磷肥，多數(shù)地區(qū)鉀肥供應(yīng)不足［3］，目前氮肥在果蔬等經(jīng)濟(jì)作物上的過量施用較為普遍，而部分地區(qū)磷肥施用也存在過量的情況。與此同時(shí)，我國(guó)化肥利用率總體偏低，如三大糧食作物對(duì)氮、磷、鉀肥當(dāng)季平均利用率僅分別為33%、24%和42%［4］。國(guó)內(nèi)糧食主產(chǎn)區(qū)化肥施用強(qiáng)度也已超過生態(tài)經(jīng)濟(jì)適宜量［5］，區(qū)域不均衡現(xiàn)象十分明顯。不合理的施肥造成我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全、環(huán)境污染及資源浪費(fèi)等問題日益突出，因此科學(xué)施用化肥尤為必要。

隨著農(nóng)業(yè)集約化、規(guī)模化、機(jī)械化和生態(tài)化的發(fā)展，化肥減量增效技術(shù)已獲得廣泛的研究與應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家一般通過結(jié)合作物栽培管理，采用測(cè)土配方施肥、水肥一體化、新型肥料等技術(shù)，并與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合，有效提高肥料利用率，實(shí)現(xiàn)化肥減量增效?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)化肥減量增效主要以“精、調(diào)、改、替”的技術(shù)路徑進(jìn)行示范推廣，但技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展水平仍較發(fā)達(dá)國(guó)家滯后。本文系統(tǒng)歸納了化肥減量增效技術(shù)，并全面總結(jié)了減施化肥的農(nóng)學(xué)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為我國(guó)化肥減量增效、地力提升和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 我國(guó)化肥施用現(xiàn)狀及與其他國(guó)家的比較

我國(guó)作物種植強(qiáng)度大，復(fù)種指數(shù)高，作物產(chǎn)量長(zhǎng)期依賴化肥的大量施用。截至2015年，我國(guó)化肥施用量已達(dá)歷史最高，為6022.6萬t。隨著國(guó)家化肥減量增效戰(zhàn)略的提出，2016年化肥施用量首次出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，到2019年已持續(xù)降低至5403.6萬t。

近年來，全球化肥施用量呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)（圖1）。印度的化肥施用量?jī)H次于我國(guó)，2018年已達(dá)2737.5萬t。其次是美國(guó)、巴西，巴西近年化肥施用量有所上升，從2009年的754.0萬t增至2018年的1698.8萬t。德國(guó)、英國(guó)、日本和韓國(guó)施用量低，其中德國(guó)更是從2014年起出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。全球化肥施用強(qiáng)度則相對(duì)平穩(wěn)（圖2）。其中我國(guó)化肥施用強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，2016年后略有下降。韓國(guó)施用強(qiáng)度僅次于我國(guó)，而英國(guó)、日本施用強(qiáng)度相近，均穩(wěn)定在240 kg·hm-2左右；巴西近年施用強(qiáng)度不斷攀升，2018年達(dá)267.5 kg·hm-2；德國(guó)施用強(qiáng)度整體稍高于印度，2014年后逐年降低；美國(guó)化肥施用強(qiáng)度較低，接近全球平均強(qiáng)度。

圖1 2009～2018年全球及部分國(guó)家化肥施用量變化

圖2 2009～2018年全球及部分國(guó)家化肥施用強(qiáng)度變化

化肥的過量、連續(xù)施用造成了我國(guó)農(nóng)業(yè)和環(huán)境效益降低。在我國(guó)增施化肥的作物增產(chǎn)效應(yīng)早已減弱［6］，而多地氮肥偏生產(chǎn)力則低于30 kg·kg-1［7］，化肥利用率普遍不高。較低的化肥利用率使大量養(yǎng)分在土壤中殘留或以各種形式損失，并對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境，尤其是土壤健康產(chǎn)生損害，例如導(dǎo)致土壤酸化、板結(jié)、生物多樣性降低、土壤結(jié)構(gòu)破壞、肥力下降、重金屬污染及土傳病害加重［3-4，8］，加劇氨、溫室氣體的排放［1，9］，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化及地下水硝酸鹽等超標(biāo)［10-11］，最終經(jīng)食物鏈等途徑威脅人體健康。此外，過度依賴化肥施用消耗大量礦產(chǎn)資源，促使原材料價(jià)格上漲，種植成本增加［3］，而因作物養(yǎng)分失調(diào)引起的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降也會(huì)影響銷售，進(jìn)一步限制了我國(guó)農(nóng)戶的持續(xù)增收。因此，當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)施化肥減量增效具有重大意義。

2 化肥減量增效主要技術(shù)

2.1 精準(zhǔn)施肥

2.1.1 測(cè)土配方施肥

測(cè)土配方施肥是以土壤測(cè)試和田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律和土壤供肥性能進(jìn)行施肥的方法。配方肥在科學(xué)指導(dǎo)下施用以補(bǔ)充作物所需營(yíng)養(yǎng)元素，優(yōu)化了養(yǎng)分配比和施肥管理措施，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分平衡供應(yīng)，提高肥料利用率，保障作物生長(zhǎng)，從而減少農(nóng)業(yè)面源污染、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)支增收［12-13］。我國(guó)施肥量在不同地域、作物間差異較大，測(cè)土配方施肥作為基礎(chǔ)手段，可以更具針對(duì)性地起到促進(jìn)化肥減量增效的作用。

2.1.2 養(yǎng)分專家系統(tǒng)

養(yǎng)分專家系統(tǒng)（Nutrient Expert）是基于計(jì)算機(jī)推薦施肥的決策系統(tǒng)，結(jié)合4R養(yǎng)分管理原則和田間試驗(yàn)，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量、土壤性狀、氣候條件及養(yǎng)分管理措施等生產(chǎn)信息，生成特定空間尺度的施肥建議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，在亞洲糧食作物施肥上應(yīng)用較多［14-15］。黃曉萌等［14］發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)江流域冬小麥生產(chǎn)中，按養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥比習(xí)慣施肥降低26.6%、13.3%和12.9%的氮、磷和鉀肥用量，具有良好的效益。柳開樓等［16］研究顯示，雙季稻區(qū)采用養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦施肥較習(xí)慣施肥，氮、磷、鉀肥可分別減施24.86%～34.43%、15.97%～44.75%、60.35%～74.02%，產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量和化肥偏生產(chǎn)力也均有提升。

2.2 調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)

2.2.1 優(yōu)化大量元素配比

作物的養(yǎng)分需求因區(qū)域、作物品種和管理水平而表現(xiàn)出較大差異。在測(cè)土配方施肥及植物營(yíng)養(yǎng)診斷基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)化肥氮磷鉀配比，合理組合肥料養(yǎng)分，可以提高化肥利用率，減少過量的化肥施用。我國(guó)20世紀(jì)的化肥試驗(yàn)網(wǎng)試驗(yàn)早已充分證實(shí)，大量元素配施效果普遍優(yōu)于單施。我國(guó)化肥施用偏重施氮，而復(fù)合肥氮磷鉀配比也無法滿足不同種植區(qū)作物養(yǎng)分需求，導(dǎo)致養(yǎng)分特別是鉀供應(yīng)不足。在缺鉀土壤增施鉀肥可以提高黃瓜、葡萄等果蔬產(chǎn)量，減少病害，提高經(jīng)濟(jì)效益［17-18］。

2.2.2 配施中微量元素肥料

中微量元素適量施入被人們長(zhǎng)期忽視，造成我國(guó)土壤中微量元素缺乏［19］。我國(guó)中微量元素肥多是微量元素水溶肥，以鋅、錳、硼等組合為主，涉及59種作物［20］。中微量元素是重要的植物營(yíng)養(yǎng)元素，補(bǔ)充中微量元素也能提高糧食產(chǎn)量［21］。相較于傳統(tǒng)礦物鹽微量元素肥，一些新型元素肥的養(yǎng)分利用率更高，如萃取植物殘?bào)w制成的微量元素肥料等［22］。一般而言，混施多種元素相比單施一種元素效果更好。例如，多種微量元素混施對(duì)葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)均有提高［23］。黃忠陽等［24］發(fā)現(xiàn)減施20%大量元素化肥配施中微量元素肥、氨基酸水溶肥可提高西瓜可溶性固形物含量、單瓜質(zhì)量。

2.3 改進(jìn)施肥方式

2.3.1 機(jī)械化深施肥技術(shù)

機(jī)械深施包括底肥、種肥和追肥深施，能有效減少化肥損失、提高作物單產(chǎn)，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度［13，25］。歐美國(guó)家因勞動(dòng)力匱乏，機(jī)械化水平高，大型作業(yè)機(jī)械數(shù)量多，化肥深施更為普遍。2018年，我國(guó)機(jī)械深施化肥面積已達(dá)3527.0萬hm2，有利推動(dòng)了農(nóng)業(yè)節(jié)本增效。研究表明，機(jī)械化深施可使糧食作物等增產(chǎn)300～675 kg·hm-2，化肥利用率則可提升至40%～45%［25］。Pan等［26］也發(fā)現(xiàn)與人工表施相比，機(jī)械深施氮肥可顯著提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。而在我國(guó)魯東南花生種植中，利用配方肥結(jié)合機(jī)械深施每公頃可減少300 kg的復(fù)混肥用量［27］。

2.3.2 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)是水肥耦合的高效管理措施，水肥經(jīng)管道等輸送到作物根區(qū)供作物吸收利用，可顯著提高水肥利用率，保障作物產(chǎn)量［28］。水肥一體化主要包括滴灌、微噴灌、膜下滴灌3種模式，其中微噴灌應(yīng)用最廣，2016年我國(guó)微噴灌應(yīng)用面積已達(dá)995.4萬hm2［25］。水溶性肥料是實(shí)現(xiàn)水肥一體化的重要基礎(chǔ)，分為滴灌肥、沖施肥、葉面肥［29］，其中噴施葉面肥是實(shí)現(xiàn)“立體農(nóng)業(yè)”的重要方式。我國(guó)水資源匱乏，需依靠節(jié)水灌溉技術(shù)擴(kuò)大灌溉面積。在我國(guó)，水肥一體化目前普遍應(yīng)用在西北、華北、東北、華南地區(qū)，西北干旱、半干旱區(qū)的膜下滴灌施肥技術(shù)最為成熟。水肥一體化技術(shù)如能合理應(yīng)用，能在節(jié)肥 20%～50%、節(jié)水35%～60%的同時(shí)提高產(chǎn)量10%以上［25］。

2.4 有機(jī)肥替代化肥

2.4.1 農(nóng)牧廢棄物有機(jī)肥替代化肥

畜禽廢棄物還田曾是我國(guó)有機(jī)物料資源化的重要方式。我國(guó)畜禽糞尿總量大，替代化肥潛力大，如2015年產(chǎn)生的畜禽糞尿中氮、磷和鉀養(yǎng)分（折純）資源量分別達(dá)1478.0萬、901.0萬和1453.9萬t［25］。畜禽糞肥替代化肥的比例和用量合理能緩解土壤養(yǎng)分累積、避免養(yǎng)分淋洗或徑流損失［30］。姚冬輝等［31］發(fā)現(xiàn)豬糞商品有機(jī)肥能分別替代早、晚稻16.4%和15.0%的化學(xué)氮肥來維持水稻產(chǎn)量，還能分別減施化學(xué)磷、鉀肥47.3%、34.3%。Jin等［32］調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)戶比例從1986年的71%急劇下降到2017年的12%。事實(shí)上，對(duì)農(nóng)業(yè)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，發(fā)展高效的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)也能促進(jìn)減肥增效，例如豬菜同生（同一棚舍內(nèi)利用發(fā)酵床養(yǎng)豬并種植蔬菜，產(chǎn)出有機(jī)肥回收利用）等生產(chǎn)模式。秸稈還田也是減肥增效的重要措施之一，包括翻耕、高茬及覆蓋的直接還田方式和堆肥、過腹及堆漚的間接還田方式兩大類［25］。2014～2018年，我國(guó)三大糧食作物秸稈年均產(chǎn)量為65386.6萬t，全量還田氮、磷和鉀養(yǎng)分（折純）當(dāng)季釋放量分別為294.0萬、194.1萬和1083.9萬t［33］。不過，秸稈還田通常前期效果差，較長(zhǎng)時(shí)間后才能表現(xiàn)出促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用［34］。秸稈通過堆肥能減少腐殖質(zhì)中鐵、鋁和鈣的氧化物對(duì)磷酸鹽的吸附，提升無機(jī)磷酸鹽的有效性［35］。此外，農(nóng)牧廢棄物等在沼氣池中發(fā)酵所得沼渣、沼液等作為沼肥同樣能替代化肥。高杰云等［36］指出沼肥部分替代化肥施用后，設(shè)施蔬菜有所增產(chǎn)。

2.4.2 有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥替代化肥

無機(jī)化肥主要提供速效養(yǎng)分，有機(jī)肥則增加土壤有機(jī)質(zhì)并改善土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，但二者單一施用均難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。因此，結(jié)合無機(jī)、有機(jī)肥的優(yōu)勢(shì)可以更好地適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥是利用秸稈、畜禽糞便等有機(jī)物料經(jīng)人工發(fā)酵而成的新型肥料，具有養(yǎng)分全面、利用率高、增產(chǎn)提質(zhì)、培肥土壤、原料來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)王新平等［37］報(bào)道，有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥與傳統(tǒng)復(fù)合肥相比，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，在減肥的同時(shí)還提高了肥料利用率。

2.4.3 綠肥替代化肥

綠肥作為清潔有機(jī)肥源，經(jīng)翻壓、覆蓋或輪作、間作、套種等方式以新鮮綠色植物體為肥料基礎(chǔ)［38］，次生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低。其中豆科綠肥根部存在根瘤菌，其固氮能力強(qiáng)，一般可以從大氣中固氮75～150 kg·hm-2，約等同尿素225 kg·hm-2的作用［39］。綠肥可以提升參與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物生物量和酶活性，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)周轉(zhuǎn)，其替代化肥的最優(yōu)比例取決于土壤肥力、耕作制度和作物種類［40］。我國(guó)可供綠肥種植的閑置耕地空間約有4600萬hm2，稻區(qū)、華北、西北、西南閑田種植翻壓綠肥均有減施化肥的潛力［41］。種植綠肥可有效解決中低產(chǎn)田、水土養(yǎng)分流失等問題，改善土壤理化性狀，促使有益微生物大量繁殖，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而減少化肥投入［42］。目前，鑒于豆科綠肥的高效固氮能力，國(guó)外已有在作物中添加固氮酶基因或讓作物與固氮微生物建立共生關(guān)系的技術(shù)研究，用于替代化肥［43］。

2.4.4 生物肥料替代化肥

生物肥料是以有益微生物活動(dòng)產(chǎn)生肥效的新型肥料，主要包括微生物菌劑、復(fù)合微生物肥料和生物有機(jī)肥，通常具有培肥改良土壤、改善土壤微環(huán)境和促生抑病的作用。國(guó)際根瘤菌接種產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，國(guó)內(nèi)目前主要開發(fā)根瘤菌、聯(lián)合固氮菌、溶磷菌、解鉀菌和促生菌等生物肥料［44］。與菌劑等不同，生物有機(jī)肥是特定功能微生物與經(jīng)無害化處理、腐熟的有機(jī)肥結(jié)合形成的復(fù)合肥料［45］，微生物以有機(jī)質(zhì)為載體，施入土壤中更易存活，效果更好。微藻肥是近年來的研究熱點(diǎn)，其具有固氮、固碳和分泌植物生長(zhǎng)激素等特性，在作物促生、土壤培肥改良，尤其在荒漠化、鹽漬化土壤修復(fù)治理方面作用積極［46］。例如藍(lán)藻肥，因藍(lán)藻固氮能力強(qiáng)，死亡分解的化合物可供作物利用，抑制雜草萌發(fā)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)低，其肥效也比化肥、有機(jī)肥更穩(wěn)定持久［47］，有助于化肥減施。

2.5 其他重要技術(shù)

2.5.1 施用緩控釋肥料

緩控釋肥是減緩肥料養(yǎng)分釋放速率且比普通化肥長(zhǎng)效的肥料，其養(yǎng)分釋放特性易受植物營(yíng)養(yǎng)特性、土壤性質(zhì)、肥料性質(zhì)、水分、溫度等環(huán)境因素的影響［48］，具有養(yǎng)分利用率高、節(jié)肥省工、環(huán)境負(fù)荷輕等優(yōu)勢(shì)［49］，多應(yīng)用于蔬菜、水稻等作物上。新型緩控釋肥結(jié)合包膜新材料、納米技術(shù)和添加信號(hào)物質(zhì)等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)肥料養(yǎng)分釋放速率與作物養(yǎng)分吸收同步，常見類型包括穩(wěn)定性肥料、脲甲醛緩釋肥、硫包膜尿素等。其中穩(wěn)定性肥料是一類添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑或共同添加起到減緩尿素水解及硝化過程的緩控釋肥［50］，而抑制劑常以嵌入包裹材料內(nèi)或液體肥料形式施用［51］。20世紀(jì)80年代后，日本研制以包膜尿素為代表的新型緩效肥料，其氮素利用率可達(dá)80%以上［52］。一些新型納米材料包裹的緩控釋肥也可以提高氮素利用率、土壤殘留氮、作物產(chǎn)量［51］，具備減肥增效的應(yīng)用價(jià)值。

2.5.2 投入氮肥增效劑

氮肥增效劑可以調(diào)節(jié)部分土壤氮循環(huán)相關(guān)的酶活性，減少氮損失，具有減施氮肥的作用，主要包括脲酶抑制劑、硝化抑制劑和氨穩(wěn)定劑［53］。其中脲酶和硝化抑制劑能通過抑制土壤脲酶活性減緩尿素水解和抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化以提高氮肥利用率，脲酶抑制劑常用的有正丁基硫代磷酰三胺、對(duì)苯二酚等，硝化抑制劑則多用雙氰胺、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽等［50，54］。氨穩(wěn)定劑研究較少，多為無機(jī)酸類、有機(jī)酸類、無機(jī)鹽類、鈣鹽類化合物，可改善土壤理化性狀，提高土壤對(duì)氮素的吸附性能，減少氨揮發(fā)等損失［53］。宋燕燕等［55］研究表明，減氮配施硝化和脲酶抑制劑對(duì)作物產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收均有促進(jìn)作用，并使土壤、植株中硝態(tài)氮累積減少。

2.5.3 推廣養(yǎng)分高效作物品種

養(yǎng)分高效品種指在特定養(yǎng)分供應(yīng)條件下產(chǎn)量較高的品種，分為適合高養(yǎng)分投入的品種和耐低養(yǎng)分品種兩大類［56］。篩選、培育高產(chǎn)、低氮需求的高效作物品種可起到減少氮肥施用和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的作用［57-58］。由于該類品種大多不適應(yīng)高氮環(huán)境［59］，因此客觀上也更能促進(jìn)化肥減施，值得將來深入系統(tǒng)地研究和開發(fā)。Zhang等［60］研究表明，我國(guó)高產(chǎn)超級(jí)稻品種需氮量低于普通自交稻和雜交稻品種，適合低氮投入的生產(chǎn)條件。Cong等［61］則指出磷高效作物品種可以通過提高磷吸收效率、利用效率、根際磷活化率和降低種子磷濃度，減少磷肥用量，并能降低環(huán)境負(fù)荷以及提高食物和飼料的微量營(yíng)養(yǎng)元素。

3 化肥減量增效的農(nóng)學(xué)效應(yīng)

3.1 對(duì)主要糧食作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

在稻田中，有機(jī)肥替代化肥施用通過改變土壤氮素供應(yīng)狀態(tài)、根系形態(tài)和調(diào)控水稻氮素吸收和植株氮素分配過程來影響產(chǎn)量［62］；而酸性土壤、溫暖潮濕的氣候和長(zhǎng)期連續(xù)施肥條件對(duì)產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用［63］；但因有機(jī)肥質(zhì)量等問題，稻米和稻殼中部分重金屬含量存在隨著有機(jī)肥施用而增加的風(fēng)險(xiǎn)［31］。綠肥和稻草聯(lián)合利用有促進(jìn)水稻增產(chǎn)的作用［64］；但由于稻草碳氮比高，氮、磷含量較低，易造成水稻生育前期氮素供應(yīng)不足、返青期延長(zhǎng)、分蘗期推遲而造成減產(chǎn)［65］。對(duì)于旱地作物小麥，有機(jī)肥替代化肥能提高籽粒整個(gè)生育期氮、磷等養(yǎng)分累積，但需合理調(diào)節(jié)二者比例施用，否則可能減產(chǎn)［66］。秸稈還田減施化肥在鹽漬化土壤中對(duì)玉米產(chǎn)量的提升效果在最初數(shù)年內(nèi)并不理想，而長(zhǎng)期累積后有所改善［67］。顏旺［68］、李亞朋［50］均發(fā)現(xiàn)緩控釋肥減氮施用，玉米氮肥利用率稍有提高，但略有減產(chǎn)。安文博等［69］則發(fā)現(xiàn)緩控釋肥減氮能在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，使玉米籽粒維生素C、可溶性糖和蛋白質(zhì)含量有所增加。Zhang等［9］指出我國(guó)東部作物主產(chǎn)區(qū)糞肥部分替代氮肥對(duì)產(chǎn)量有積極作用，其中旱地作物和水稻產(chǎn)量能分別提高6.6%和4.4%，一般以低于40%的適當(dāng)比例替代氮肥可有效提升作物氮素利用率。

3.2 對(duì)主要經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

經(jīng)濟(jì)作物種植面積增加是化肥用量增長(zhǎng)的主要原因之一，國(guó)內(nèi)近年有關(guān)經(jīng)濟(jì)作物的減肥增效研究較多。馬征等［15］發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)分專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上減施氮肥30%并保證磷、鉀肥供應(yīng)充足，大蔥基本穩(wěn)產(chǎn)，而硝酸鹽、維生素C含量無顯著變化。章孜亮等［70］發(fā)現(xiàn)減氮20%并接種根瘤菌能增加花生根瘤數(shù)、下針數(shù)、植株鮮質(zhì)量、總分枝數(shù)、單株果數(shù)，提高花生氮素吸收量，但有減產(chǎn)趨勢(shì)。黃繼川等［71］發(fā)現(xiàn)減施化肥增施氨基酸或氨基酸和膠質(zhì)芽孢桿菌聯(lián)用能顯著提高包菜對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收累積，提高鉀含量、可溶糖和維生素C含量，降低硝酸鹽含量。武星魁等［72］報(bào)道太湖流域有機(jī)肥替代化肥減氮25%和等量單施化肥相比使包心菜、小青菜增產(chǎn)，但替代比例過高則不能保證產(chǎn)量。田想等［73］發(fā)現(xiàn)氮肥減施30%以內(nèi)并種植綠肥光葉苕子基本能維持柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)。Otto等［74］發(fā)現(xiàn)種植豆科綠肥，氮素投入量約為60 kg·hm-2即能滿足甘蔗的氮需求，蔗莖產(chǎn)量增加了20 Mg·hm-2，而莖所需氮量減少12.5%，減少了氮肥投入。

4 化肥減量增效的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

4.1 對(duì)水環(huán)境的影響

4.1.1 對(duì)地表水的影響

化肥濫施易導(dǎo)致養(yǎng)分以地表徑流形式流失，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化。Xie等［75］發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥可顯著減少徑流水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和總鉀的輸入。何石福等［10］發(fā)現(xiàn)配施有機(jī)肥可有效減少丘陵茶園徑流量，在此基礎(chǔ)上增加稻草覆蓋效果更好，能夠高效攔截和吸收降水形成的徑流，使降水為茶園所吸收利用，減少氮、磷養(yǎng)分流失。王志榮等［76］發(fā)現(xiàn)化肥減量配合秸稈還田能減少油菜地地表徑流氮素如硝態(tài)氮、銨態(tài)氮流失量。磷素在土壤中多被膠體吸附固定，常以水土流失的形式損失。Borda等［77］發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥限制了土壤膠體磷的遷移，能提高土壤磷盈余，減少磷素流失。

4.1.2 對(duì)地下水的影響

氮素淋洗損失的來源主要是殘留肥料氮、當(dāng)季輸入肥料氮和土壤背景氮［68］。集約化強(qiáng)度高的地區(qū)由于過量施氮和漫灌更易導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染［11］。Min等［78］研究顯示，我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)設(shè)施蔬菜地傳統(tǒng)氮肥減施40%，氮淋失量可減少39.6%。施用有機(jī)肥通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤表層對(duì)硝態(tài)氮的吸附固持，可抑制土壤硝態(tài)氮向下遷移［79］。張敏等［80］研究表明，化肥減量配施有機(jī)肥后設(shè)施菜地硝態(tài)氮、總磷淋溶量平均分別降低42.8%和38.0%。Kramer等［81］指出施用有機(jī)肥有利于提高土壤反硝化微生物群落活性，減少硝酸鹽淋溶損失。Gao等［82］發(fā)現(xiàn)冬季種植綠肥能抑制堿性水稻土中氨氧化古菌的活性，減弱硝化潛勢(shì)，從而減少硝態(tài)氮淋失。高杰云等［36］則發(fā)現(xiàn)沼肥替代化肥施用有提高土壤磷素累積和淋失的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 對(duì)大氣環(huán)境的影響

4.2.1 對(duì)氨揮發(fā)的影響

化肥氮過量投入是農(nóng)業(yè)土壤氨揮發(fā)量大的重要原因。楊亞紅等［83］發(fā)現(xiàn)施用解淀粉芽孢桿菌生物有機(jī)肥替代部分或全部化肥能促進(jìn)土壤硝化，降低農(nóng)田土壤的氨揮發(fā)量70%以上。Sun等［45］發(fā)現(xiàn)減量化肥配施枯草芽孢桿菌生物肥料通過降低ureC基因豐度，增加amoA基因和氨氧化細(xì)菌豐度，減少肥料氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，并增強(qiáng)硝化過程，顯著減少土壤銨態(tài)氮累積導(dǎo)致的氨揮發(fā)。在高鹽度環(huán)境下，硝化過程因受抑制，易導(dǎo)致更多氨揮發(fā)。周慧等［84］在河套灌區(qū)鹽漬化土壤減量尿素配施有機(jī)肥較單施尿素有效降低玉米地氨揮發(fā)。有機(jī)肥對(duì)氨揮發(fā)貢獻(xiàn)量主要由施用前有機(jī)肥自身速效氮含量和有機(jī)氮礦化分解能力決定，大量的有機(jī)氮需經(jīng)礦化后才能參與氨揮發(fā)過程［85］。Zhang等［9］指出在我國(guó)東部旱地和稻田中，糞肥完全替代氮肥分別顯著減少62%和77%的氨揮發(fā)，部分替代則無顯著影響。李喜喜等［86］研究表明，豬糞和化肥配施可減少成都平原稻田氨累積揮發(fā)量2.21～8.78 kg·hm-2。但也有研究指出有機(jī)肥特別是糞肥還田配施減量化肥會(huì)增加氨揮發(fā)量，如Tang等［87］用污泥或豬糞堆肥，有機(jī)肥部分替代化肥減少了城郊蔬菜地其他活性氮的損失和總活性氮損失，但氨揮發(fā)損失卻增加了2.4%～27.8%。

4.2.2 對(duì)溫室氣體排放的影響

合理采取化肥減量增效措施對(duì)緩解全球變暖趨勢(shì)有重要意義。李夏菲等［12］發(fā)現(xiàn)測(cè)土配方施肥比習(xí)慣施肥提高了作物氮肥利用效率，減少了油菜種植過程中溫室氣體排放。對(duì)于集約化菜地，減氮添加硝化抑制劑也能減少N2O的排放［54］。Zhang等［88］發(fā)現(xiàn)在我國(guó)北方運(yùn)用滴灌減氮優(yōu)化施肥可顯著降低冬小麥-夏玉米輪作地的N2O排放量，緩解夏玉米季硝化細(xì)菌反硝化產(chǎn)生的N2O和NO排放。王艷麗等［28］發(fā)現(xiàn)在水肥一體化基礎(chǔ)上減施40%化肥氮量與習(xí)慣施肥相比，黃瓜、芹菜地N2O累積排放量顯著減少42.71%。彭術(shù)等［89］發(fā)現(xiàn)減量30%深施氮肥的早、晚稻季N2O累積排放量較常規(guī)施氮分別降低57%、72%，而N2O則僅在雙季稻返青期和成熟期略有排放。有機(jī)物替代化肥的減施方式可能導(dǎo)致更多的溫室氣體排放［90］。苗茜等［91］的稻麥輪作地試驗(yàn)表明，有機(jī)肥替代化肥使CH4排放量增加18%～51%，其中城市污泥堆肥和豬糞肥顯著增加稻田CH4排放量，且排放量隨有機(jī)肥替代比例增加而增加。Xia等［92］用Meta分析也發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥顯著增加N2O排放，特別是在暖溫帶氣候、種植旱地非豆科作物和施用未熟化有機(jī)肥條件下。Zhang等［9］發(fā)現(xiàn)，在旱地中不同比例畜禽糞肥代替化學(xué)氮肥對(duì)N2O和CH4排放量均無顯著影響，但在水稻田中，畜禽糞肥代替氮肥顯著增加了CH4的排放（48%～82%），降低了N2O的排放。

4.3 對(duì)土壤環(huán)境的影響

4.3.1 對(duì)土壤物理性狀的影響

化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田土壤容重、孔隙度及團(tuán)聚體的影響積極，可降低容重，增加團(tuán)聚體的重量及直徑，改善土壤質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性［63，93-94］。吳憲等［95］研究顯示，在華北潮土區(qū)化肥減量配施有機(jī)肥、秸稈可促進(jìn)表層土團(tuán)聚體形成，并提高其穩(wěn)定性，有效維持土壤肥力。崔江輝等［96］發(fā)現(xiàn)化肥減量配施商品有機(jī)肥及秸稈還田對(duì)機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量影響不明顯，但顯著增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量，促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體形成。Lin等［97］長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，施用豬糞肥比植物殘?jiān)蚧适┤敫行У卦黾訄F(tuán)聚體，尤其增加了大團(tuán)聚體所占質(zhì)量比例。除市售有機(jī)肥、秸稈還田外，綠肥間套作或覆蓋還田也具有促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、改善土壤通透性、增強(qiáng)土壤保水保肥能力的作用［38］。

4.3.2 對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

有機(jī)肥替代化肥施用可提高土壤pH，改善因長(zhǎng)期施化肥導(dǎo)致的土壤酸化［75，98-99］，提高土壤有機(jī)碳、不穩(wěn)定碳和有效氮、磷、鉀含量［63，100］。Cai等［98］發(fā)現(xiàn)減施化肥配施糞肥使土壤有機(jī)質(zhì)含量在前期明顯增加，長(zhǎng)期后趨于穩(wěn)定。玉米秸稈還田能改變土壤腐殖質(zhì)組成，并增加土壤不穩(wěn)定碳，在腐殖酸分解過程中提升有機(jī)磷利用率，促進(jìn)磷礦化［101］。用秸稈還田替代化學(xué)鉀肥還能增加土壤鉀含量，提高鉀利用率［102］，如稻草秸稈能延緩種植紫云英導(dǎo)致的土壤鉀素下降［65］。豆科綠肥除提供土壤腐殖質(zhì)以及通過固氮提供氮素外，其根系分泌的有機(jī)酸也能促進(jìn)土壤難溶性磷、鉀轉(zhuǎn)化，提高養(yǎng)分有效性［38］。Shen等［103-104］指出在我國(guó)長(zhǎng)三角設(shè)施蔬菜地氮肥減施40%仍能保證效益的基礎(chǔ)上，夏閑期套種甜玉米也可提高土壤有機(jī)碳含量、pH，同時(shí)降低土壤電導(dǎo)率及硝態(tài)氮含量。有機(jī)質(zhì)或微生物能以吸附、生物累積等方式降低土壤重金屬有效性，但事實(shí)上化肥減施后對(duì)重金屬修復(fù)作用有限。由于肥源、生產(chǎn)技術(shù)等原因，有機(jī)肥施用過量可能導(dǎo)致土壤鹽堿化，增加農(nóng)作物銅、鋅等重金屬及抗生素累積的風(fēng)險(xiǎn)［31，35］。Ning等［35］發(fā)現(xiàn)僅減施20%化肥對(duì)土壤重金屬含量無顯著影響，而連續(xù)施用有機(jī)肥卻導(dǎo)致土壤中鋅、鎘、鉻累積。此外，國(guó)外已有報(bào)道通過生物殘?jiān)l(fā)酵堆肥制成的有機(jī)肥中含有微塑料［105］，因而對(duì)于新型有害物含量也應(yīng)及時(shí)加以嚴(yán)格的控制。

4.3.3 對(duì)土壤生物學(xué)性狀的影響

4.3.3.1 對(duì)土壤動(dòng)物的影響 土壤動(dòng)物類群或群落組成等差異能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境的變化。施用有機(jī)肥增加土壤有機(jī)質(zhì)等能使土壤動(dòng)物數(shù)量增加、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜［106］。吳憲等［107］研究表明，化肥、生物有機(jī)肥與秸稈配施更有利于土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。土壤線蟲由于其高周轉(zhuǎn)率、與微生物的相互作用而在農(nóng)作物殘?jiān)姆纸庵衅鹬匾饔谩hang等［108］指出糞肥或玉米秸稈與化肥配施能有效增強(qiáng)微生物與線蟲群落間的積極聯(lián)動(dòng)，特別是秸稈還田促進(jìn)碳向土壤食物網(wǎng)流動(dòng)，有助于改善長(zhǎng)期施用化肥造成的負(fù)面影響。張婷等［109］認(rèn)為土壤中小型節(jié)肢動(dòng)物群落組成與秸稈還田相關(guān)，秸稈連續(xù)還田對(duì)表層土壤動(dòng)物群落起促進(jìn)、穩(wěn)定作用。

4.3.3.2 對(duì)土壤微生物的影響 肥料的輸入可以刺激土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，影響其豐度、活性、生物量和群落組成。一般認(rèn)為土壤微生物多樣性越高，土壤功能越完整，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。Zhong等［110］研究表明，在長(zhǎng)三角設(shè)施栽培蔬菜地氮肥高強(qiáng)度施用會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌和古菌amoA基因的豐度顯著降低，而Shen等［111］則發(fā)現(xiàn)該地區(qū)減氮40%條件下能顯著提高氨氧化細(xì)菌amoA基因的豐度，提高氨氧化細(xì)菌多樣性。楊亞紅等［83］發(fā)現(xiàn)解淀粉芽孢桿菌生物有機(jī)肥的施用提高了土壤細(xì)菌群落多樣性及豐富度，特別是芽孢桿菌、硝化螺菌屬相對(duì)豐度明顯提升，土壤硝化作用增強(qiáng)。王興龍等［112］發(fā)現(xiàn)減氮20%配施生物有機(jī)肥能提高玉米生育期土壤微生物量碳。Yang等［113］發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)配施明顯增加土壤放線菌豐度和多樣性。Khan等［114］發(fā)現(xiàn)綠肥能顯著增加微生物量碳，提高真菌/細(xì)菌的比例。He等［115］以黑麥草為綠肥，發(fā)現(xiàn)南方紅壤水稻土細(xì)菌群落多樣性在短期內(nèi)持續(xù)增加，但若對(duì)綠肥分解時(shí)間、速率不加控制，也可能對(duì)細(xì)菌活性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和作物生長(zhǎng)不利。

4.3.3.3 對(duì)土壤酶活性的影響 土壤酶活性可以表征土壤生物活性和土壤肥力?；屎陀袡C(jī)肥施用均能提高參與土壤碳、氮循環(huán)的酶活性，二者配施能使土壤酶活性更高，尤其是長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的土壤中參與氮循環(huán)的酶活性會(huì)有明顯增加［116］。Li等［117］長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，化肥配合豬糞或秸稈施用提高了脲酶活性。Kramer等［81］發(fā)現(xiàn)果園有機(jī)耕作土壤中硝化潛力、天門冬酰胺酶和葡糖苷酶活性往往更高。Ning等［35］則發(fā)現(xiàn)單一化肥減量20%會(huì)使菜地脲酶活性略有降低，顯著降低土壤酸性磷酸酶活性，而在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減施化肥配施有機(jī)肥可顯著提高土壤過氧化氫酶和脲酶活性，但會(huì)降低土壤酸性磷酸酶活性。馮愛青等［118］則發(fā)現(xiàn)適量減施控釋氮肥后小麥返青期、拔節(jié)期、灌漿期土壤脫氫酶活性比不減施處理顯著提高。

5 化肥減量增效主要存在的難點(diǎn)

5.1 科學(xué)理論

“4R”養(yǎng)分管理原則是圍繞合理施肥以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效利用的科學(xué)理論，但在實(shí)際運(yùn)用中正確的肥料用量更易受重視，導(dǎo)致肥料品種、施肥時(shí)間、施肥位置等方面的相應(yīng)措施被忽略。事實(shí)上，除從肥料角度關(guān)注外，尚需將農(nóng)戶目標(biāo)、作物品種、種植制度、土壤條件、氣候條件以及其他管理因素考慮在內(nèi)。此外，盡管農(nóng)業(yè)偏施氮肥，對(duì)于過量磷、鉀肥的減施也需加以足夠重視，將來的研究也應(yīng)提供更多有關(guān)減施化學(xué)磷、鉀肥的理論依據(jù)。

5.2 技術(shù)方法

化肥減量增效技術(shù)有待進(jìn)一步提升完善。例如，測(cè)土配方施肥存在技術(shù)覆蓋的農(nóng)作物范圍窄、測(cè)土方法效率低等問題；水肥一體化技術(shù)存在滴灌施肥設(shè)備精度低、配套性差致使產(chǎn)品性能不夠穩(wěn)定等問題；而施用微生物肥料時(shí)，一些非土著微生物易受環(huán)境存活和繁殖條件制約，也會(huì)導(dǎo)致田間應(yīng)用效果不佳；此外，糞肥采用噴灑或灌溉方式施用過程中則可能釋放NH3、H2S等氣體，可嘗試推廣軟管注射施肥等方法，加強(qiáng)相應(yīng)的密閉貯存管理。

5.3 推廣應(yīng)用

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)農(nóng)民減肥即減產(chǎn)的觀念尚未根除，仍需加強(qiáng)農(nóng)民教育培訓(xùn)，完善減肥增效配套技術(shù)服務(wù)。而在農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移的背景下，部分減肥增效技術(shù)雖然理論上可行，但在實(shí)際生產(chǎn)中耗時(shí)耗力，特別是小農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)方式，其經(jīng)營(yíng)成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、收益低，因地少且分散，機(jī)械化難度大，減肥增效使成本增加，更難維持農(nóng)戶收益。因此，國(guó)家需要不斷提升土地流轉(zhuǎn)質(zhì)量和流轉(zhuǎn)土地經(jīng)營(yíng)權(quán)穩(wěn)定性，鼓勵(lì)土地向?qū)I(yè)大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)及合作社的適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)形式流轉(zhuǎn)，以加強(qiáng)農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、機(jī)械化程度和農(nóng)民減肥增效的意愿，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)肥料市場(chǎng)管理缺乏統(tǒng)一規(guī)范，新型肥料等成本高、質(zhì)量參差不齊、合格率偏低且缺乏配套施用技術(shù)，而化肥價(jià)格相對(duì)低，導(dǎo)致農(nóng)戶對(duì)新型肥料認(rèn)可度和需求低，應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范管理肥料產(chǎn)業(yè)，加大產(chǎn)品監(jiān)督力度，提高化肥稅，并對(duì)生產(chǎn)新型肥料的企業(yè)予以政策傾斜，提升新型肥料品牌市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，我國(guó)可借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，通過結(jié)合法律強(qiáng)制性與市場(chǎng)引導(dǎo)措施，進(jìn)一步嚴(yán)格限定不同區(qū)域肥料用量，穩(wěn)固提升土壤肥力，對(duì)部分安全高效的減肥增效措施以法律法規(guī)形式推廣，逐步建立獎(jiǎng)懲制度及風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，并對(duì)農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)投入去向加以嚴(yán)格監(jiān)管，制定更科學(xué)、靈活的補(bǔ)貼政策。

6 展望

化肥減量增效技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用前景廣闊，大量試驗(yàn)表明化肥減量增效能在保障作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，具有緩解農(nóng)業(yè)面源污染、控制氨氣與溫室氣體排放、改良培肥土壤和提升土壤生物多樣性與恢復(fù)土壤健康的潛力。據(jù)此，筆者提出3點(diǎn)展望：（1）根據(jù)各區(qū)域的氣候-土壤和生產(chǎn)條件，研究切實(shí)可行的化肥減量原則和技術(shù)，并加強(qiáng)技術(shù)集成示范，明確各地施肥推薦用量范圍；（2）構(gòu)建化肥減量增效長(zhǎng)效機(jī)制，避免短期效應(yīng)的不確定性，在充分保障作物穩(wěn)產(chǎn)保質(zhì)和生態(tài)環(huán)境安全的基礎(chǔ)上，再向全國(guó)范圍推廣；（3）建議加快肥料管理立法，通過法律強(qiáng)制性規(guī)范肥料用量，形成化肥減量增效的規(guī)范體系，進(jìn)一步提升減肥增效的效果，從而更有力地實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥減量、農(nóng)業(yè)提質(zhì)的目的。