施衛明等:有機種植與常規種植體系的比較

——基于土壤與肥料的視角

導讀:有機種植體系因其安全、綠色、可持續的特點在國內外得到了普遍關注，自其發展以來，關于有機與常規種植體系的比較屢見不鮮，但基于土壤與肥料視角的系統比較在國內還鮮見報道。

IFOAM（國際有機運動聯盟）成立于1972年，并在后續的發展過程中逐漸規范了“有機農業”的定義，即一種能維護土壤、生態系統和人類健康的生產體系，它遵從當地的生態節律、生物多樣性和自然循環，而不依賴會帶來不利影響的物質投入。

現代有機農業的發展源于常規農業，卻高于常規農業，是常規農業、創新思維和科學技術的結合，它有利于保護我們所共享的生存環境，也有利于促進包括人類在內的自然界的公平與和諧共生。

近年來，有機農業在全世界得到了普遍關注和發展。全世界約有0.3%的土地用于有機生產，主要集中在發達國家；全球最大的有機農業發展國家為美國，面積約占農業土地的0.3%。

與常規農業相比，有機農業最大的區別在于生產過程中完全或基本不使用化學肥料、農藥和生長調節劑等化學成分，基本采用有機肥滿足作物對養分的需求。有機農業涵蓋有機種植業和有機畜牧業，其中有機種植是有機農業的重要組成部分。

國內外對有機種植和常規種植體系進行了大量的比較，內容覆蓋多方面。研究主要從可持續發展、食物鏈、農業政策、多市場平衡分析、經濟可行性及農場盈利等角度對比分析了有機種植和常規種植體系的不同。

國外也有部分從產量、作物品質、環境效應、土壤質量等角度闡述了有機種植和常規種植體系的不同，但系統的從土壤和肥料的角度比較有機種植和常規種植體系的研究在國內鮮見報道。

土壤是植物生長的介質，有機種植體系通過對土壤生物、理化性質的逐步改善而提高土壤肥力，達到改良作物品質，維護土壤、環境、生態系統健康發展的目的。

因此，要從本質上分析有機種植和常規種植體系的不同就要從土壤和肥料的角度進行比較。同時，已有研究結果表明，有機種植體系發展前期土壤養分供應不足，產量較常規農業有所下降，但有機種植體系對環境和作物品質等的影響還不明確。

因此，系統的從土壤和肥料的角度闡述有機種植業和常規種植體系的差異，有助于提高人們對有機種植體系的認識，加快有機耕作下的土壤培肥過程，提高有機種植體系下的作物產量，并在改善作物品質和減輕農業生產環境風險方面有所推進。

本文基于土壤與肥料的視角，對有機和常規種植體系進行了系統比較，闡述了有機種植體系對作物產量、作物品質、土壤肥力、環境效應等方面的影響及可能原因，旨在加強人們對有機種植體系的科學認識，改善有機種植體系的不足，從提高產量、改良品質、加快土壤培肥、減輕環境風險等角度推進有機種植體系的發展。

1．有機種植與常規種植體系下作物產量的比較

農作物產量是比較不同農業種植體系效益的最直觀指標，國內外研究者對有機種植體系下的農作物產量進行了大量研究。大量研究結果表明，有機種植體系下作物產量顯著低于常規種植體系。

就單一作物而言，有機種植的作物產量約為常規種植的80%。Seufert等利用元數據分析表明，有機與常規種植體系的產量之比平均為0.75。該比率因作物類型、株型、品種、生長年限而異。一般而言，果樹類＞油料類＞谷類＞蔬菜類；豆類＞非豆類；多年生植物＞一年生植物；大豆＞玉米＞西紅柿＞大麥＞小麥。

De Ponti等研究表明，該比率在不同地區也有所差異。這與不同地區的氣候條件、地力水平以及田間管理措施等有關。有機與常規體系產量比率為亞洲（0.89）＞中歐（0.88）＞中東、北美（0.85）＞南歐（0.81）＞東歐（0.80）＞北歐（0.70）；發展中國家（0.84）＞發達地區（0.79）；熱帶地區（0.86）＞非熱帶地區（0.80）。

國內多數研究結果也表明，有機種植體系產量顯著低于常規種植體系，但不同作物減產幅度略有不同。

與常規栽培相比，有機栽培西蘭花、蘿卜、菜豆減產較為明顯，平均減產幅度達到50%，番茄、黃瓜、芹菜平均減產幅度達20%，毛豆、生菜減產幅度較小，約為15% 。

有機栽培水稻研究結果表明，不同品種減產幅度也略有不同，吉粳81減產25.2%，吉粳 88減產41.5% 。這與不同作物及品種對養分的需求量和作物生長周期長短等因素有關。

有機種植體系產量顯著低于常規種植體系且具有變異性的主要原因可歸納為以下方面：

1）有機種植體系下農作物產量降低的重要原因是土壤氮的有效性限制。

Palmer等研究結果表明，有機種植體系下土豆塊莖氮含量比常規種植體系低30%，氮有效性的限制是產量及收獲物氮含量降低的主要原因。不同的天氣狀況、土壤溫度、水分條件均會影響有機種植體系下土壤氮素礦化而影響作物產量水平。有機肥的氮素礦化率顯著低于無機肥，土壤氮素有效性下降。

2）有機種植體系實施前期養分釋放的緩慢性。

Russo和Taylor研究結果表明，在施用腐殖質物質，將常規蔬菜種植模式轉化為有機種植模式的三年過程中，轉化前期燈籠椒、黃瓜和甜玉米的產量均顯著低于常規種植模式，但后期有機種植模式產量與常規差異逐漸縮小，最終高于常規種植模式。說明有機種植體系實施前期雖因養分供應不足導致農作物產量下降，但產量提高潛力較大。

此外，Liebardt等[22]在1981年開始的常規種植模式向有機種植模式轉化的實驗中發現，1981-1984年間，有機種植體系玉米產量為常規種植體系的75%左右，但第五年差異不顯著。兩種種植模式相比，有機種植模式下，大豆五年總產量等于或略高于常規種植。

3）有機種植體系中未使用各種殺菌劑、殺蟲劑和農藥，導致體系中害蟲和雜草迅速繁殖，干擾了作物的生長。

歐洲有機種植體系下土豆產量一般為常規種植體系的70%左右，造成該差異的原因主要是有機種植體系下害蟲和疾病（特別是晚疫病）的發病率顯著高于常規種植體系。

綜上所述，在有機種植體系實施前期，由于氮素有效性限制、速效養分供應不及時及害蟲雜草的影響，農作物產量較常規體系往往有所下降。但隨著種植年限的增加，土壤肥力不斷增強、土壤生態環境不斷改善，農作物產量表現出持續增長。

2．有機種植和常規種植體系下作物品質的比較

有機種植體系的發展初衷是提高農產品品質，為人們創造一種健康綠色的生活方式。有機種植體系通過對土壤養分含量、土壤酶體系、微生物群落的影響，改變作物的生長條件及代謝途徑，改善農產品的營養及其它品質。

大量研究結果表明，和常規農產品相比，有機農產品含有更少的硝酸鹽、亞硝酸鹽和農藥殘留，富含更多的維生素C、磷素和鉀素營養。

蔡莉莉對比了不同的栽培方式對蔬菜品質的影響，結果發現較常規栽培，有機栽培黃瓜硝酸鹽含量降低了54.4%，維生素C含量提高了44.6%，可溶性糖含量提高了6.7倍。

但也有部分研究報道了不同的結果。Gravel等在為期三年的栽培方式對溫室番茄品質的影響實驗中發現，有機與常規栽培番茄品質并無明顯差別，品種對番茄品質的影響大于栽培方式的影響。造成該結果的原因可能是試驗周期較短，有機種植體系和土壤之間的平衡尚未建立。

此外，不同種植體系對作物的次生代謝產物也有影響，Mitchell等]通過10年的田間定位實驗研究，結果表明有機種植體系下的番茄品質較常規體系有顯著改善，黃酮類次生代謝物含量顯著提高，其中槲皮素增加78.8%，柚皮素增加31.1%，山萘酚增加97.4%。

除營養品質外，有機種植體系對農作物的其它品質也有影響。有機種植體系主要施用有機肥，土壤的總施氮量低于常規種植體系。

研究表明，有機種植體系下，水稻籽粒氮含量下降，因蛋白質含量和碳水化合物含量成反比，籽粒碳水化合物含量提高，稻米口感變好。

與常規種植體系相比，有機種植體系水稻的稻米整精米率提高7.3%，堊白米率和堊白度分別降低31.3%和9.3%。

此外，較常規種植體系，有機種植體系降低了土豆的外觀品質，土豆塊莖有整體偏小的趨勢（表1），這與Maggio等的研究結果相似。其原因可能是有機種植體系下土壤有效養分釋放較慢，作物前期需求養分供應不足。

3．有機種植和常規種植體系下土壤肥力效應的比較

3.1土壤肥力狀況的比較

研究表明，有機種植體系對土壤肥力的改善效果顯著優于常規種植體系，長期化肥施用導致土壤質量退化。就土壤氮、磷養分盈缺率而言，有機水稻生產體系的氮素和磷素盈余量分別比常規體系高60% 和80%左右。

與常規蔬菜種植體系相比，種植三茬蔬菜后，有機種植體系0-20cm土壤的有機質、全氮、全磷、速效鉀含量分別提高了48.5%、25.4%、130.1%，20-40cm土壤的有機質、全氮、速效鉀含量分別提高了35.2%、5.7%、94.9%。

該結果表明，有機種植體系下土壤肥力的增加效果主要表現在0-20cm的耕層土壤，且有機種植對土壤肥力的改善需要一定的時間。

此外，Padole等的實驗結果也表明，和常規種植體系相比，有機種植體系可顯著改善土壤pH和容重，同時土壤全磷和速效磷、速效鉀的含量逐漸提高。

除提高土壤養分含量外，有機種植還可改善土壤孔隙結構，提高土壤結構穩定性。姜瑢等研究表明，相比常規種植，有機種植下各試驗區土壤水穩性大團聚體含量提升1%-15%，且改良效果隨有機種植年限增加逐漸顯著。

3.2土壤生物多樣性的比較

有機種植體系中，有機肥料的投入為土壤提供了大量碳源，同時，土壤理化性質改善為土壤微生物的繁殖提供了適宜的營養條件。

有機種植體系下，土壤微生物功能多樣性提高，土壤碳素利用率增加。Tu等研究表明，有機種植體系下土壤微生物量碳、微生物量氮含量分別比常規種植體系高45%和52%，土壤微生物呼吸率分別比常規種植高83%和66%。

有機種植體系還可提高土壤酶活性，有機種植體系下土壤蛋白酶、脲酶、脫氫酶、β-葡糖苷酶活性均顯著高于常規。此外，有機耕作還可改善土壤微生物群落。有機種植方式可影響細菌的16SrDNA和rRNA，顯著增加土壤細菌群落多樣性，有機和常規種植體系下細菌生物量分別為12.6 nmol/g和7.3 nmol/g 。

在有機茶園中，隨著種植年限的增加，土壤中霉菌、細菌、可培養微生物總量、好氣性與嫌氣性自生固氮菌、好氣性與嫌氣性纖維分解菌等微生物數量均顯著提高。

由于有機種植體系中化學肥料、殺蟲劑、除草劑的禁止使用，有機種植體系中物種多樣性和豐度往往高于常規種植體系，尤其在耕作土壤中。Brown 發現有機農田蚯蚓的密度為常規農田的2倍，Wu等發現有機種植體系顯著提高了美國Oregon土壤鞭毛蟲、變形蟲以及線蟲的密度和多樣性。

此外，有機蔬菜種植模式下，土壤功能群數目、連通度、食物鏈長度及食物網多樣性均高于常規模式。

4．有機種植和常規種植體系下環境效應的比較

4.1溫室氣體排放量的比較

大量研究表明，有機種植可減輕全球變暖趨勢。Robertson等比較了8年期間美國中西部有機和常規種植下玉米-大豆-小麥輪作體系的GWP（全球變暖潛能值），結果表明常規種植體系的GWP為114，而有機種植體系的GWP值僅為41。但種植體系對不同的溫室氣體（CO2, N2O, CH4）排放量的影響有所不同。

4.1.1有機和常規種植體系下CO2排放量的比較

CO2排放量主要受土壤C庫和微生物活動的影響。有機種植體系下土壤CO2排放量顯著減少的原因主要有：

①有機生產較常規生產能明顯減少能源消耗，能量利用效率提高，因農藥、化肥合成造成的CO2間接排放量減少；

②有機生產中，有機肥的使用及保護性耕作措施的應用，顯著改善了土壤結構和理化性質，提高了土壤的固碳能力，減少了土壤碳的侵蝕損失及向大氣的排放。

另一方面，因有機種植體系中灌溉、除草機械等使用造成的能源消耗增加及土壤微生物活性增強，土壤碳素利用率提高造成的呼吸排放，均增加了土壤CO2排放。

但總體上，有機生產體系下，土壤CO2排放仍顯著降低。

Küstermann等研究表明，冬小麥種植條件下，有機體系單位面積CO2排放量為1669kg CO2 eq/hm2，常規體系為2333 kg CO2 eq/ hm2，同比減少28%；但有機體系單位產量CO2排放量為496kg CO2 eq/t，常規體系為355kg CO2eq/t，同比增加40%。

雖然有機種植體系下單位面積CO2排放量較少，但因有機種植產量顯著低于常規種植，導致單位產量的CO2釋放量顯著高于常規種植體系。

Tuomisto等利用元數據分析研究歐洲有機種植體系下溫室氣體排放時，也得到了類似結果。大量關于有機和常規種植體系下土壤CO2排放量的研究結果表明，在不同輪作方式和不同作物中，較常規體系而言，有機種植體系可較大程度的減少單位面積CO2排放量，但單位產量的CO2排放量有所上升（表2）。

4.1.2有機和常規種植體系下N2O排放量的比較

N2O主要產生于土壤硝化和反硝化作用，由于N2O的GWP為CO2的298倍，土壤N2O排放受到普遍關注。Kramer等研究發現，經9年有機種植后，果園土壤N2O排放量較常規種植變化不大，但N2排放量較高，土壤反硝化效率顯著提高。

Petersen 等研究表明，與常規種植體系相比，有機種植的N2O排放量顯著降低，降低幅度達4.0-8.0kg/hm2，同時植株氮吸收總量從100 kg/hm2增加到300 kg/hm2。

有機種植體系下N2O排放量顯著降低的原因主要有以下幾個方面：

1）礦質氮肥的使用減少，土壤中易礦化氮總量降低；

2）單位面積土地上的動植物數量減少；

3）綠肥的使用改善了土壤結構；

4）有機管理措施顯著減小土壤N素移動性 [60]。

4.1.3有機和常規種植體系下CH4排放量的比較

一般而言，有機種植體系下，土壤固碳能力增強，氧化CH4能力提高，CH4排放量減少。但不同土地利用方式下的土壤CH4排放量略有差別。

Astier等在莫斯科鱷梨園中的研究結果表明，有機果園的CH4排放量（0.59 kg/hm2）略低于常規果園（0.62 kg/hm2），但差異不顯著。但在水稻田中，隨著有機物料投入的增加，土壤CH4排放量呈增加趨勢。

秦艷梅的研究結果也表明，在不同的稻田水分管理模式下，有機處理的CH4排放量顯著高于常規處理。不同的水分條件下，有機生產方式下CH4排放量分別比常規高 20%、23%、25%。

4.2對水環境影響的比較

有機種植體系可提高土壤有機質含量，因有機質的蓄水保水作用，土壤水的滲透性顯著提高、土壤抗侵蝕的能力增強，水土流失風險減小。同時因有機種植體系杜絕使用農藥化肥，污染物徑流入湖概率減小，水環境污染風險下降。

氮素淋失以無機態氮為主，有機氮含量占總氮3%左右，在氮素投入量相當的情況下，有機種植可減少土壤無機氮素的遷移和流失，但有機氮淋失量略有上升。

有機種植體系下，土壤潛在可礦化氮含量較常規種植高112%，但氮素礦化速率僅為常規種植的50%，礦質氮素的持續釋放減少了養分的淋失和向地下水的遷移。

此外，有機種植中有效的減免耕措施以及覆蓋植物的應用，減少了養分的流失。研究表明，有機種植體系下，徑流液中全氮、硝態氮、銨態氮含量分別較常規減少42.2%，23.1%，68.4%，測滲液中全氮、硝態氮、銨態氮含量分別較常規減少20.1%，10.3%，87.9%。

就磷素而言，有機種植體系下，土壤有較好的團粒結構，團聚體對磷素的吸持能力增強，土壤可溶態磷及顆粒態磷的淋失均大大減少。

5.結論

從土壤和肥料的角度來看，有機種植體系下作物產量具有可持續性，對土壤肥力和作物品質的提高具有較大促進作用，同時可減輕對大氣環境和水環境的負面影響。

但有機種植體系也存在一些問題，如：有機種植前期土壤養分供應不平衡，與作物需求不匹配導致常規種植體系向有機種植體系轉變前期作物產量顯著低于常規種植。

因此，在有機種植中要根據植物的營養需求特征，平衡土壤養分供應，同時適時補足養分，尤其是一些特殊效應的營養元素，以實現養分供應與植物生長需求相協調。

作者簡介：紀榮婷1,2，董剛強3，閔炬1 ，于飛1,2，施衛明1*

（1中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，2 中國科學院大學,3安利（中國）植物研發中心）

中國鄉村發現網轉自：《土壤》2016年第4期