生物有机肥在土壤改良和重金属污染修复中的研究进展

　　生物有机肥在土壤改良和重金属污染修复中的研究进展

　　 化肥使用量的增加带动了粮食产量的跨越式增长，与此同时也导致土壤酸化板结、有机质减少、次生盐渍化、作物品质下降等诸多问题，与农业可持续发展策略相悖，因此化肥减量成为农业绿色发展的必然要求。原农业部于2015年制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，提出到2020年力争实现农作物化肥、农药使用量零增长，明确“有机肥部分替代化肥”的技术路径。生物有机肥是有机类肥料中的高端产品，集成了化肥、有机肥及微生物肥的优势于一体，是一种新型、高效、安全的微生物—有机复合肥料，已广泛应用于我国农业生产。

　　 农田土壤重金属污染问题日趋严重，污染程度和污染面积逐年递增。我国受重金属污染的耕地有1 000万hm2，占耕地总面积的8%以上，导致每年粮食作物减产量在1 000万t以上为此，降低土壤重金属活性、修复重金属污染土壤成为保证农产品安全的重要环节。生物有机肥兼具微生物肥料和有机肥料优点，其含有的微生物对重金属具有很强的亲和性，可与重金属形成不溶性金属—有机复合物，增加土壤的阳离子交换量，降低土壤中水溶性重金属和可交换态重金属的含量，从而降低其生物有效性，在提高农田生产力和修复重金属方面表现出非常优越的性质。为此，本研究针对生物有机肥的主要特征、生物有机肥在土壤重金属污染中的修复作用等问题进行综述，同时指出生物有机肥领域当前存在的问题及未来改进方向，旨在为保障农产品质量安全，实现生物有机肥的资源化利用提供了参考。

　　l 生物有机肥概念及技术指标

　　 生物有机肥是以畜禽粪便、作物秸秆等动植物残体为材料，添加促进作物生长、抑制土传病原菌生长的功能性微生物，由特定的生物技术制备而成。生物有机肥中含有大量具有特定功能的活体微生物，富含植物生长所必需的各种营养元素，其中包括大量营养元素(N、P、K)、中量营养元素(Ca、Mg、S)和微量营养元素（Fe、Mn、Cu、Zn等）以及其他对作物生长有益的元素(Si、Co、Se、Na)等，由于其合成过程需要连续数天的腐熟过程，有助于有害菌、害虫在高温下去除，肥料的卫生标准明显高于普通农家肥，肥料中微生物的生命活动及其代谢产物是生物有机肥区别于普通有机肥的关键因素。

　　 由于生物有机肥的来源较广，生物有机肥中可能含有一定重金属，为此我国发布《生物有机肥》(NY 884-2012)，规定了生物有机肥的技术指标及5种重金属的限量要求，作为产品登记及市场质量监管的依据，确保生物有机肥的健康发展。

　　2 生物有机肥对土壤性质的改良作用

　　 生物有机肥将有机肥、化肥和微生物肥料有机的结合在一起，发挥其综合优势，通过增加土壤的有机质含量和改善土壤中微生物的生命活动，改善土壤生态条件，增加作物抗性，提高农产品品质。

　　2.1 改变土壤物理性质

　　 生物有机肥本身携带丰富有机质，施入土壤后还可通过微生物分解土壤中的有机质形成腐殖质，并与土壤中的黏土及钙离子结合形成有机—无机复合体，从而促进土壤水稳性团聚体结构的形成。生物有机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，提高土壤的田间持水量，调节土壤的供水供肥和保水保肥能力以及土壤透气性能，有益菌的存在一定程度上促进了有机质对土壤性质的改良。另外，生物有机肥颗粒多，比表面积大，微生物及类激素含量多，也会导致土壤结构变好，孔隙度增大。沈德龙等研究表明，施用生物有机肥后，土壤有机质质量分数增加75.8%，容重降低12.50%，毛管孔隙度增加9.8%。随着生物有机肥施用量的增加，土壤腐殖质含量显著增加，固碳能力明显增强，水、肥、气、热的矛盾得到更好地协调。生物有机肥营养全面，能更好的满足农作物对各种营养元素的需求，使植物根系发育良好，根系分泌物增多，同时通过对土壤物理结构的改善使得土壤总体耕性变好，从而更有利于改善土壤的物理性质。

　　2.2 影响土壤化晕性质

　　 大量研究表明，生物有机肥可以活化土壤养分、增加植物对养分的吸收，促进作物的营养生长和生殖生长。生物有机肥的生产首先需要发酵有机物，此过程中会产生生长素、赤霉素、氨基酸、核酸以及多种维生素等，故生物有机肥富含多种生理活性物质，可以刺激作物的生长发育。生物有机肥含有发酵菌和功能菌，其营养功能强，根际促生效果好，肥效也较高，可以增加豆科作物的固氮作用，增加土壤的氮素营养，同时分解土壤残留的化合态磷、钾元素，增加土壤的磷、钾素营养。且生物有机肥依靠微生物的生命活动，可以促进土壤有机质的矿化，使有机养分更为快速地转化为植物可以直接吸收利用的营养元素。赵佳等发现，黄瓜连作情况下，土壤pH及有效磷、速效钾含量在施用生物有机肥后显著提高，增幅分别为6%～11%、24%～125%、15%～29%。生物有机肥通过本身有机质和微生物的综合作用解磷解钾，促进土壤必需营养元素有效性的发挥，增加土壤的大量营养元素，改善土壤的化学性质，协调土壤养分和作物营养代谢之间的关系，最终促进作物生长、改善产品品质。

　　2.3 改善土壤生物学性质

　　 微生物是土壤中最具生命活性的部分，在物质和能量传递、养分循环利用以及土壤自我修复过程中起着非常重要的作用。生物有机肥富含有益微生物菌群，能显著改变土壤中细菌、真菌、放线菌、木霉菌的数量，在植物根系周围形成优势微生物种群，起到抑制根际病原菌繁殖的作用；同时还可以促进蛋白质、核酸和叶绿素的合成，增强作物的抗逆性，减少病虫害发生。张连忠等和柳玲玲等研究表明，施用生物有机肥后，土壤细菌、放线菌的数量分别增加106%、102%，土壤中真菌数量明显减少，土壤向高肥力“细菌型”转变。巩子毓等还发现，连续施用生物有机肥明显降低了土壤根际病原菌的数量。土壤微生物群落的变化最终影响作物产量，与单纯施用化肥相比，减量化肥配施生物有机肥处理的土壤细菌和放线菌数分别提高了111.26%～210.76%、12.49%～34.09%，真菌数显著降低了20.370%～39.68%，最终油菜产量提高了4.60%～24.55%，也即配施生物有机肥可以改善土壤微生物区系、改变微生物群落结构，使土壤微环境向着更健康的方向转变。

　　 生物有机肥还可以显著提高土壤酶的活性。施用生物有机肥后，黄瓜连作土壤超氧化物歧化酶( SOD)和过氧化物酶(POD)活性分别增加18%～42%和47%～113%，蓝莓根区磷酸酶(ACP)、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶(CAT)活性也显著升高，土壤酶的活性和土壤中一系列的生理生化反应息息相关，以上酶的活性或和土壤中养分的转化过程有关，或和植物对逆境的适应能力相联系，均最终影响到作物最终的生长发育。另外，生物有机肥通过其携带的微生物诱导植物相关酶参与植物防御反应，有利于减少植物病虫害，改善农产品品质。

　　 总之，生物有机肥的有机质能有效调节土壤的物理结构、改善土壤的化学性质，增强土壤的供肥、保肥能力和缓冲性能；其丰富的微生物能加速有机质分解，促进生物有机肥中有机质作用的发挥，产生生理活性物质，提高作物的产量和品质。孔涛等通过实验证明，生物有机肥可显著提高小白菜的产量，小白菜产量随生物有机肥施肥量的增加而增加。JAKIENE等也发现，生物有机肥能使粮食作物增产10%左右，果菜类增产15%左右，以上实例均有力证明了生物有机肥在作物增产方面的重要作用。

　　3 生物有机肥在土壤重金属修复方面的作用

　　 生物有机肥中含有的有机质和有益微生物对重金属离子均有很强的吸附作用和螯合作用，可以部分降低土壤中重金属的有效性，减少作物对重金属的吸收，因此，施用生物有机肥是重金属污染土壤钝

　　化修复的有效措施之一。郑少玲等发现，施用生物有机肥对广东菜园土上芥蓝的Cr、Cd、Pb、Ni． Zn、Cu含量均有明显的降低作用，证明了生物有机肥在降低土壤重金属对作物的危害方面具有一定功效。

　　3.1 有机质对重金属的结合作用

　　 有机质对外源重金属的结合能力与有机质含量具有良好的相关性，而生物有机肥有机质含量非常丰富，最高可达50%（质量分数），其在重金属修复上发挥重要作用。有机质的官能团，如羧基、醇羟基、烯醇羟基以及不同类型的羰基结构等，都可以通过吸附、螯合、络合等多种作用方式影响到重金属在土壤中的迁移转化。黄擎等研究发现，配施有机肥可使土壤交换态Cd降低28.84%～36.33%，；残渣态Cd降低6.39%～19.29%，碳酸盐结合态Cd增加10. 95%～75. 27%，有机结合态Cd增加44.91%～68.31%，证明了有机质可以通过改变土壤中Cd的赋存形态，降低Cd的生物有效性，从而抑制植物对Cd的吸收。实验结果显示，在低、中、高剂量生物有机肥处理下，苹果根系Cd含量比不施生物有机肥处理分别降低了12%、15%、24%，且生物有机肥对Cd的降低作用随土壤Cd浓度的增加而越来越显著，表明重金属浓度越高，生物有机肥的修复效果越明显。TIAN等研究也表明，生物有机肥可以减少植物根系对重金属的吸收，且土壤重金属含量越高，生物有机肥减少根系吸收重金属的效果越明显。

　　 生物有机肥富含芳香结构，在腐熟化程度较高的生物有机肥中质量分数可高达3%，芳香结构上存在大量的含氧基团和氨基，为重金属的螯合、络合提供丰富的配位基，含氧基团对重金属的静电吸附作用也降低了重金属的迁移能力，即使在pH非常低的土壤环境中，生物有机肥的添加依旧可以降低土壤中Cu和Pb的迁移能力，有效性可达到74.5%、61.0％。有机质与重金属的作用因土壤中重金属浓度不同而不同，在重金属离子浓度较低时有机质与重金属间的作用以螯合作用为主，腐殖质对重金属离子迁移能力的影响作用取决于所形成的螯合物的溶解性，由于腐殖质中的胡敏酸与重金属离子形成的螯合物一般是难溶的，因此可以降低重金属的活性。如施用生物有机肥后，有机质分解产生的腐殖酸可与土壤中的Cd2+形成螯合物沉淀，降低Cd的生物有效性，使得黑麦草中的Cd降低42.71%。当重金属离子浓度较高时，有机质与重金属间的作用以交换吸附作用为主。生物有机肥中的有机质对重金属离子的吸附率很大程度上取决于pH，当pH从6增加到9时，Cd2+的吸附率从10%快速升高到99%，pH为9时吸附率达到最大值。有机质对Cu2+的吸附率在pH为4～7时急剧上升，pH为8～10时吸附率达到98%且比较稳定，可见降低pH增加了重金属的有效性，同时降低了有机质和重金属发生吸附作用的吸附率，这也是进行重金属修复研究时首先使用钝化剂来提高土壤 pH的主要原因。

　　除了通过有机质与重金属离子发生吸附、螯合等作用外，生物有机肥还可以通过增加土壤的阳离子交换量减少土壤中重金属的水溶态及可交换态组分的比例，从而降低其生物有效性。另外，土壤中有机质具有一定的还原能力，促进土壤溶液中Cd、Hg形成硫化物沉淀，降低其毒性。

　　3.2 微生物对重金属的转化作用

　　 生物有机肥含有大量的有益微生物，可以提高土壤的微生物数量，增强微生物活性，在重金属修复方面表现出更显著的效果。

　　 一方面，生物有机肥施入土壤后有机质和重金属可以发生吸附作用，有益微生物也可通过生物积累、吸附等作用降低土壤中重金属的有效性。生物有机肥中的有益菌通过摄取营养元素主动吸收重金属，或者通过带电荷的细胞表面吸附重金属，将重金属离子富集在细胞表面或内部。生物有机肥中的有益菌可以吸附土壤中的Pb、As，抑制黄瓜对Pb、 As的吸收。这些有益菌还可以通过自身分泌有机酸络合并溶解重金属，使有毒有害的金属元素转化为无毒或低毒金属沉淀物。如芽孢杆菌可以产生多糖和糖蛋白，与Cd、Pb形成络合物，产生沉淀，降低其活性。与禽畜粪便等一些普通有机肥相比，增加活性微生物后的生物有机肥可吸附更多的土壤重金属，促进根域土壤对重金属的钝化，数据显示，生物有机肥对Pb、Cd、Cr、As的吸附率比普通鸡粪高4.00%～22.94%。

　　 另一方面，施用生物有机肥后，土壤发生重金属的微生物转化。大量研究表明，微生物对重金属的抗性在很多情况下是由细胞中染色体的遗传物质——质粒或转座子抗性基因决定的，由抗性基因编码的金属解毒酶催化高毒性金属转化成为低毒状态。微生物通过氧化还原作用可以使某些重金属元素的价态发生转变，从而使其活性和毒性降低，或者通过根系分泌氧将根周围的重金属离子氧化而降低其生物有效性。例如，生物有机肥中的微生物可以将毒性较高的Mn2+氧化为毒性较小的Mn4+，将高毒性的Cr6+还原为低毒性的Cr3+，或使有机汞和无机汞的化合物还原为元素汞，以此来降低其生物毒性。

　　生物有机肥对土壤多种重金属污染均有一定程度的修复作用，但对不同种类重金属的修复方式和修复能力不同。生物有机肥对Cu的降低作用高于对Cd的作用，原因是Cu在很广的pH范围内均能形成非常稳定的化合物，所以Cu形成金属络合物的机会更多，生物有机肥对Cu的吸附作用更强，减少根系吸收Cu的效果也比Cd更明显。

　　4 生物有机肥应用存在的问题

　　4.1肥源复杂，需加强监控和管理

　　统计结果表明，截至2017年8月，我国生物有机肥生产企业数量约960家，获得国家有关部门批准登记的产品达1 207个，生产企业及产品应用遍及全国，产业规模不断壮大。但由于生物有机肥以草炭、腐殖酸、饼粕、生活垃圾等生活、生产废弃物等为主要原材料，成分复杂，可能存在重金属超标和抗生素残留风险，特别是鸡粪和猪粪等动物源为主要原料的生物有机肥抗生素含量更高，腐熟过程不充分的产品中含有致病微生物，会给土壤带来潜在的风险。另外，生物有机肥产品杂菌污染亦不容忽视，近年来很多研究发现芽孢杆菌和类芽孢杆菌的部分菌株是烈性致病菌和条件致病菌，并产生多种毒素，存在着一定的潜在危害。

　　4.2 生物有机肥产品质控标准存在不足

　　NY 884-2012对于生物有机肥产品的重金属限量提出要求，但是对抗生素残留量并未提出限量要求，而目前的生物有机肥产品普遍存在抗生素残留问题，迫切需要通过相关数据资料明确其风险程度，设定抗生素限量值，尤其是大环内酯类和磺胺类等检查出率较高的抗生素类。

　　4.3缺乏专用产品的研发

　　当前学者已发现多种功能型微生物，如根际功能菌SQR9对农作物的促生效果、淀粉芽孢杆菌 J-25克服连作障碍和减轻草莓枯萎病、含解淀粉芽孢杆菌QI-18调控番茄和辣椒根际微生物的区系组成等作用，但市场上缺乏真正意义上的专用生物有机肥的研制和开发。另外，部分生物有机肥还加入无机养分，如何减少无机养分对功能菌的影响也是生产环节中必须考虑的一个重要问题一。

　　5结论与展望

　　 生物有机肥既具有化学肥料的速效性、有机肥料的长效性、微生物肥料的稳效性，又具有微量元素的增效性、调节剂的促效性、缓释土壤养分的潜效性等作用，使各种效应有机地融为一体，同时利用有机质和功能微生物对土壤中重金属的结合作用和转化作用降低重金属的有效性，在土壤重金属的修复方面发挥重要作用，是实现2020年化肥零增长、促进化肥减量增效的切实可行措施，也是缓解农业面源污染、支撑农业可持续发展的重要路径。

　　面对生物有机肥来源复杂、微生物种类众多以及生产和施肥过程中还存在着种种问题，需要进一步改进和提升。针对肥源问题带来的安全隐患问题，可通过对生物有机肥样品重金属和抗生素残留进行监控，修订NY 884-2012，同时应当确定相关抗生素检测技术方法标准，为质量控制和风险监管提供依据。因此，健全生产菌种安全风险评价体系，加强风险管理，通过相关研究对潜在风险因子进行识别和监控，是生物有机肥质量安全的首要保障。

　　                    摘自《环境污染与防治》 2019年第11期