有机-无机配施驱动甘蔗可持续生产的长期试验证据与实现路径综述

《Plants》：Organic–Inorganic Combined Application: A Review of Long-Term Experimental Insights and Pathway to Sustainable Sugarcane Production

　　

摘要 本综述综合了长期田间试验、荟萃分析（meta-analysis）及高通量测序（high-throughput sequencing）研究的证据，聚焦于中国云南甘蔗可持续生产中有机-无机配施（combined organic–inorganic fertilization）的作用。长期单一施用无机肥会通过土壤酸化（soil acidification）、有机质（soil organic matter, SOM）损耗及微生物多样性下降导致土壤退化。养分综合管理（integrated nutrient management, INM）在维持土壤健康的同时保障作物生产力，其效果优于单施无机肥。有机改良剂（organic amendments），包括农家肥及甘蔗工业副产物如滤泥（pressmud）、酒糟液（vinasse）和蔗渣灰（mill ash），可改善土壤结构、提升养分有效性及水分保持能力，并有效缓解土壤酸化。这些改良剂还能重塑土壤微生物群落，富集有益类群、抑制病原菌并增强微生物网络稳定性（network stability），同时驱动固氮（N fixation）、解磷（P solubilization）与解钾（K solubilization）、菌根共生（mycorrhizal symbioses）及植物促生（plant growth promotion）等功能性转变。酶活性及功能微生物丰度的提升促进了碳（C）、氮（N）、磷（P）循环的改善。基于特定地点的长期试验，在环境风险得到适当管控的条件下，甘蔗工业副产物可替代25%–50%的无机肥料。未来研究应优先关注区域特异性改良策略、精准农业工具、功能微生物表征、标准化土壤健康指标以及采用制约因素的社会经济评估。本综述为向以土壤健康为核心导向的养分管理转型提供了框架，对中国糖料安全及云南多样化景观乃至更广泛区域的可持续农业具有重要参考意义。

1. 引言

绿色革命（1950–1970）推动了全球农业生产的集约化，但长期依赖化学肥料导致土壤酸化、有机质耗竭、微生物多样性下降和养分利用效率（nutrient use efficiency, NUE）降低。有机-无机配施作为养分综合管理（INM）的核心策略，兼具无机肥的速效精准供肥与有机改良剂的缓释培肥改土特性。甘蔗（Saccharum spp. hybrids）是中国最重要的糖料作物，蔗糖约占全国食糖总产量的80%，主产于广西、云南、广东和海南等南方省份。云南作为第二大产糖省，超过70%的甘蔗种植于旱坡地，土壤有机质含量低、结构差。利用滤泥、酒糟液和蔗渣灰等工业副产物实施有机-无机配施，可提升土壤肥力、保水能力和产量。制定适合云南多样化丘陵景观的区域特异性INM策略，对保障国家糖料安全至关重要。INM原则已在多种多年生和高价值作物上成功应用，将有机肥、农家肥和工业副产物与化学肥料及生物肥料（如固氮菌Azotobacter、解磷细菌（PSB）和丛枝菌根真菌（AMF））结合，可改善土壤健康、减少养分淋溶并提升作物品质和产量。此外，建立超越传统理化指标的土壤健康评估框架，涵盖微生物群落组成、酶活性、碳矿化潜力和土壤食物网结构等生物与生态指标，是实现可持续农业的先决条件。

2. 文献检索与综合方法

本综述基于Web of Science、Scopus、中国知网（CNKI）、Google Scholar和PubMed等数据库，检索2010–2026年间的方法学先进文献，优先纳入长期田间试验、荟萃分析和采用高通量测序的研究。甘蔗为多年生作物，生长周期约12个月并经历多次宿根（ratoon）收获，因此持续时间超过3年的试验视为长期试验，2–3年视为中期试验。共提取60项符合条件的研究数据，涵盖中国、印度、巴基斯坦、巴西、美国及撒哈拉以南非洲等多样化农业生态区。

3. 农业中有机-无机配施研究现状

近几十年的研究持续证明有机-无机配施的农艺与土壤健康效益。中国大豆-玉米间作系统中，化学与有机氮肥1:1配施使玉米淀粉含量较单施化肥提高8.4%–9.2%。广西南宁的两年甘蔗研究表明，控释尿素与有机肥配施获得最高糖产量（17.7 t ha^?1），氮肥施用量较常规施肥减少46.4%，同时提高了微生物多样性、富集了参与碳氮磷循环的有益类群并减少了真菌病原菌。印度中北部平原的三年甘蔗试验表明，利用滤泥、蚯蚓堆肥和农家肥等生物资源配合无机肥，显著提高了蔗茎产量（95.5–96.4 t ha^?1）、蔗汁品质（商业蔗糖含量最高达12.40%）和经济效益（效益成本比最高达1.52）。然而，有机-无机配施的效益受多种因素制约。印度特伦甘纳邦Vertisol土七年研究表明，无机肥可最大化甘蔗产量，而有机种植虽改善蔗汁品质却面临经济约束。湖南水稻系统研究表明，中高肥力田块以60%化肥+40%有机肥效果最佳，而低肥力田块以100%化肥最为有效。此外，仅增加有机投入不足以提升系统可持续性，需系统性整合农艺措施以减少对化学肥料的依赖。

4. 有机-无机配施对土壤理化性质及微生物影响的研究现状

4.1. 对土壤理化性质的影响

有机改良剂作为胶结剂促进土壤团聚体的形成与稳定，改善孔隙度、通气性、持水性和入渗能力，降低容重。砂质土壤中施用甘蔗滤泥可使土壤有机质含量提高三倍以上。有机-无机配施可降低盐碱土盐分和pH、提高氧化还原电位，同时减少铵态氮和硝态氮积累，增加可溶性有机碳、有机氮及微生物生物量碳氮。有机质通过碳酸盐和功能基团结合氢离子和铝离子，有效缓冲化肥引起的土壤酸化。研究表明，每施用1 kg尿素可使土壤pH下降0.0004–0.0012个单位。长期粪肥与无机肥配施可缓解酸化，而单施化肥则导致pH显著下降。巴西55年不焚烧管理使土壤有机碳增加78%、全氮增加48%。

4.2. 对土壤微生物的影响

长期单施化肥会降低微生物多样性并简化群落结构，而有机改良剂提供持续多样的碳源和能源，培育更丰富、多样且功能韧性的微生物群落。高通量测序揭示了有机-无机配施引起的特异性群落组成变化。印度甘蔗研究表明，有机肥、生物肥与无机肥的整合施用显著提高了微生物种群数量和酶活性。云南甘蔗田的研究发现，化肥与有机肥配施选择性富集特定微生物类群，产生更高模块化网络和更多正互作边。绿肥与减量无机肥配施使氨氧化细菌（AOB）丰度增加而氨氧化古菌（AOA）丰度降低，AOA/AOB比值从>6.0降至<1.0。宏基因组分析表明，有机改良增加了硫酸盐转运（cysP、cysV、cysW）和同化硫酸盐还原途径相关基因。生物肥料可抑制土传病原菌，如减少宿根矮化病致病菌Leifsonia的丰度，同时富集Acidobacteria和Chloroflexi等有益菌。含Bacillus、Trichoderma、生物炭和CaCO₃的生物有机肥使Pseudomonas和Meyerozyma等有益属增加50%，同时抑制与病害相关的Rozellomycota。AMF与解磷细菌配合堆肥显著提高了AMF定殖率（51%）和酶解活性。

4.3. 土壤质量、微生物功能与作物生产力的协同效应

有机改良剂的施用引发一系列相互关联的效应：改善土壤结构为土壤生物创造更适宜的栖息环境，促进根系发育；有机质作为异养微生物的主要能量来源，刺激其生长和生化活性，通过矿化作用逐步释放植物可利用的氮磷硫。根系生长增强增加了根际沉积物，进一步促进根际微生物活性，富集植物促生根际细菌（PGPR）。偏最小二乘路径模型分析表明，有机-无机配施并不直接影响甘蔗产量，而是通过改变土壤性质和酶活性、进而塑造微生物群落结构来间接影响产量。土壤管理评估框架（Soil Management Assessment Framework）等综合评价工具可有效整合物理、化学和生物指标。巴西研究显示，原生植被土壤功能潜力为87%，牧场土壤为70%，甘蔗土壤为74%。基于田间的最小数据集方法，仅需pH、磷、钾、土壤结构目视评价（VESS）评分和有机碳浓度五项指标结合比例加权，即可有效检测土地利用变化效应。

5. 甘蔗副产物产生及其可持续养分管理利用

平均每公顷产量100吨的甘蔗作物从土壤中带走约208 kg氮、53 kg磷、280 kg钾、30 kg硫、3.4 kg铁、1.2 kg锰和0.6 kg铜。甘蔗加工业主要产生蔗渣、蔗渣灰、糖蜜、滤泥和酒糟液等副产物。全球范围内，每加工1吨甘蔗约产生30–35 kg滤泥和140–160 L酒糟液。

5.1. 甘蔗副产物作为有机改良剂

滤泥富含有机质、磷和微量元素，施用可提高土壤肥力、阳离子交换容量及磷钾有效性。印度研究表明，在100%推荐NPK基础上补充滤泥、印楝饼和海藻提取物，蔗茎产量和糖产量分别提高21.34%和22.65%。施用10 t ha^?1滤泥配合75–100 kg ha^?1氮肥，可使氮利用效率提高4%–8%。富集滤泥堆肥（添加磷矿粉、硫酸锌、硫酸镁、石膏和微生物接种剂）以1.25 t ha^?1基施配合无机氮追肥，可获得与2.50 t ha^?1单独施用相当的谷物产量，有机改良剂用量减少50%。酒糟液主要含钾（3100–5000 mg L^?1）和水分（90%–93%），长期适量施用可增加土壤钾、钙和有机质含量并提高甘蔗生产力。巴西研究表明，酒糟液改良有效恢复了火烧扰动后甘蔗田的土壤有机碳质量。

5.2. 滤泥与酒糟液堆肥

将滤泥与沼液酒糟液按1:2.5比例混合，接种含纤维素和木质素降解菌的微生物菌剂，堆体温度在7–10天内可达70°C以消除病原菌和杂草种子。经8–12周堆肥周期，成品含约1.27%全氮、1.61%全磷、1.42%全钾和15.98%有机碳，碳氮比为10:1。南非试验表明，每四天人工翻堆一次，六周内可实现52%重量损失，最终碳氮比为17–19。然而，原料选择和质量监控对确保堆肥安全至关重要。

5.3. 增值产品与技术革新

巴西开发的有机矿物肥料“BIOFOM”通过将酒糟液浓缩至30%–45%总固形物后与滤泥、蔗渣灰和矿物补充剂混合造粒而成，其有机质含量为400–700 g/kg，可实现养分缓释并改善土壤性质。埃塞俄比亚研究表明，46 kg N ha^?1配合15 t ha^?1堆肥获得最大产量（315.6 t ha^?1蔗茎和41.35 t ha^?1糖），效益成本比为1.12。印度尼西亚研究显示，接种Trichoderma harzianum的蔗渣-粪肥（1:1）堆肥使茎重达158.36 kg/小区、产量达97.7 t ha^?1。

5.4. 生物炭与甘蔗蔗渣灰的应用

美国佛罗里达研究表明，以2%重量比施用甘蔗蔗渣灰和稻壳生物炭显著提高了生物量和蔗糖产量，叶片硅浓度从缺乏水平提升至充足至高水平（0.78%–2.18%），增强了甘蔗对干旱和逆境胁迫的耐受性。巴西氧化土研究表明，以5–30 t ha^?1施用蔗渣灰可将土壤pH从6.45提高至7.08–7.18，降低交换性铝含量，缓解铝毒害。甘蔗蔗渣基生物炭具有高碳含量、增强的比表面积和孔隙度以及中性至碱性pH，可改善土壤肥力、持水性和养分有效性。

5.5. 甘蔗副产物对根际微生物群落的重塑

中国广西研究表明，施用酒糟液（120 t ha^?1，1:5稀释）和滤泥（150 t ha^?1）显著增加了真菌、细菌和放线菌种群数量，并提高了纤维素酶、磷酸酶和氨基肽酶活性。酒糟液处理土壤pH略低（5.51 vs. 5.70），总碳氮含量较高，碳氮比更低，有利于氮素有效性。

5.6. 甘蔗副产物在其他作物上的利用

巴基斯坦钙质土壤研究表明，以2.0%重量比施用甘蔗蔗渣灰配合无机NPK，小麦籽粒产量达5.2 t ha^?1，较未改良对照（3.2 t ha^?1）提高62.5%。另一项研究表明，50 t ha^?1蔗渣灰为最优施用量，可降低土壤容重（1.34至1.27 g cm^?3）、增加总孔隙度（51.0%至52.1%）、提高有效磷（7.5至49 mg kg^?1）和有效钾（172至230 mg kg^?1）。

5.7. 甘蔗副产物的环境风险与负面影响

酒糟液具有高污染潜力，其生化需氧量（BOD）为20,000–40,000 mg/L，化学需氧量（COD）为80,000–90,000 mg/L，pH为3.5–5.0。不当处置或过量施用可导致土壤盐渍化和钠化、地下水硝酸盐污染及温室气体排放。新鲜酒糟液中的高浓度有机酸可能引起植物毒性，滤泥和蔗渣灰可能含有随时间在土壤中积累的微量元素。生物炭的原料相关风险，包括重金属和多环芳烃（PAHs），需谨慎评估。必须遵循推荐施用量、进行适当堆肥或稀释，并定期监测土壤电导率、pH和重金属浓度。

6. 甘蔗可持续养分管理的实践策略

田间条件下甘蔗氮利用效率通常仅为30%–40%。INM通过缓释氮肥（如硫包衣尿素、纳米尿素）、分次施氮（种植后45–90天内分2–3次）、条施替代撒施以及叶面施氮（2.0%–2.5%）等策略提高氮利用效率。滤泥（10–20 t ha^?1）与75–100 kg N ha^?1配施可使氮利用效率提高4%–8%。蚯蚓堆肥与生物肥料（Azotobacter + PSB）整合可使农艺氮利用效率较单施化肥提高75%。区域特异性策略应整合当地可获得的有机改良剂与无机肥料，并依据土壤类型和作物阶段进行优化。决策支持工具可为小农户提供特定地点的推荐方案。

7. 结论与未来展望

长期试验表明，INM在特定土壤和气候条件下可维持高于单施无机肥的产量。产量效益与微生物组介导的途径相关，有机-无机配施富集了有益土壤微生物组、增加了网络稳定性并增强了碳氮磷循环。基于特定地点的长期试验，甘蔗副产物（滤泥、酒糟液、蔗渣和蔗渣灰）在环境风险得到适当管控的条件下可替代25%–50%的无机肥料。土壤健康评估必须纳入生物指标以验证INM的长期可持续性。未来研究应聚焦于：不同生长阶段养分吸收的调控机制；优化糖加工副产物作为肥料的配比并评估其长期农艺与环境影响；利用原位根系观察和同位素示踪研究根系分布与养分利用效率；通过宏基因组学和稳定同位素技术理解根际微生物群落对产量的影响机制；探索不同有机-无机肥料类型（掺混肥、复合肥、有机矿物肥和生物有机肥）与甘蔗品种在种植周期内的相互作用。通过培育支持有益微生物组的健康理化环境，可增强养分循环、改善土壤健康并确保长期生产力，这对保障中国糖料安全和促进云南多样化景观中的可持续农业发展至关重要。