肥料與“碳中和”的生態(tài)策略*

江志陽(yáng)， 李汝會(huì)， 陳 欣

(中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 遼寧沈陽(yáng) 110016)

0 前言

2021年是我國(guó)“十四五”規(guī)劃的開局之年。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話中指出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]?！碧贾泻偷幕緝?nèi)涵是通過減排措施減少人們生產(chǎn)、生活中所產(chǎn)生的溫室氣體排放量，通過碳補(bǔ)償機(jī)制達(dá)到溫室氣體零排放的最終目的[2]。這一目標(biāo)是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，其中碳中和目標(biāo)是一項(xiàng)更為艱巨的任務(wù)，是對(duì)當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的巨大挑戰(zhàn)[3]。

碳元素是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，植物的干質(zhì)量中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為49%，居植物必需營(yíng)養(yǎng)元素之首；植物鮮樣中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為18%，僅次于氧[4]。植物所需的碳元素主要來(lái)自于大氣和土壤，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種作物所需碳素主要由有機(jī)肥料、無(wú)機(jī)肥料、生物肥料等施入土壤中供給。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，減少溫室氣體排放、增強(qiáng)碳固定，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和減少溫室效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

在全球范圍內(nèi)，通過土壤中碳的固定來(lái)保證土壤有機(jī)碳的含量是緩解全球氣候變化的一種措施[5]。土壤有機(jī)碳作為陸地碳庫(kù)，在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能和農(nóng)田肥力中發(fā)揮著重要作用[6-7]。保持令人滿意的土壤有機(jī)碳含量對(duì)于土壤質(zhì)量和維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力尤為重要，因?yàn)樗ㄟ^影響土壤的物理、化學(xué)和生物特性，在養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著決定性作用[6,8-9]。

土壤碳儲(chǔ)量是碳固定和碳排放動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。土壤碳固定在很大程度上取決于土壤生產(chǎn)力、凋落物、植物根系的分解速率以及肥料的施用量。碳排放則通過有機(jī)碳的礦化分解、土壤呼吸等方式完成[10]。我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，在第七次人口普查中，人口已經(jīng)超過14億，這意味著我國(guó)面臨的最重大挑戰(zhàn)之一是糧食生產(chǎn)。肥料作為農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，在促進(jìn)糧食增產(chǎn)、保障糧食安全等方面有著重要的作用[11-12]。長(zhǎng)期以來(lái)，施肥為滿足我國(guó)的糧食需求做出了突出貢獻(xiàn)，但長(zhǎng)期施肥對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的含量有著顯著影響。

施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量的動(dòng)態(tài)變化有兩種相反的影響，即補(bǔ)充增加和分解揮發(fā)損失[13]。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨有機(jī)肥料、無(wú)機(jī)肥料、生物肥料施用量的增加而增加，與有機(jī)碳?xì)埩袅亢土舨缌康脑黾映收嚓P(guān)。此外，施用有機(jī)肥料、無(wú)機(jī)肥料、生物肥料有益于促進(jìn)土壤微生物的繁殖和提高土壤酶的活性，增加可氧化腐殖質(zhì)的含量，加快土壤有機(jī)質(zhì)的礦化[14]。土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解有利于為作物提供碳營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)N、P、K等養(yǎng)分。但土壤有機(jī)質(zhì)礦化率過高會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，增加土壤排放至大氣中的溫室氣體，影響大氣環(huán)境質(zhì)量。因此，要建設(shè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，完成碳中和目標(biāo)，必須注意有機(jī)肥料、無(wú)機(jī)肥料、生物肥料的合理施用。

1 有機(jī)肥料對(duì)“碳中和”的影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有機(jī)肥料的供應(yīng)量通常少于合成化學(xué)肥料，而在有機(jī)農(nóng)業(yè)中不允許使用合成化學(xué)肥料[15]。農(nóng)家肥、污水污泥、綠肥、堆肥、作物秸稈或生物炭都是常用的改善土壤質(zhì)量和肥力的有機(jī)肥料[16-20]。有機(jī)肥料中的養(yǎng)分通常先在土壤中礦化，然后才能被作物利用[21]。農(nóng)民依賴有機(jī)肥料是因?yàn)橛袡C(jī)肥料可以改善土壤結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)水的滲透和儲(chǔ)存，降低侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，保持土壤有機(jī)質(zhì)含量[22]，增強(qiáng)土壤碳固定的能力，進(jìn)而保障糧食安全[23]。

土壤有機(jī)質(zhì)礦化對(duì)氮素的有效利用難以控制，這是農(nóng)作物產(chǎn)量較低的原因之一；在作物需要的時(shí)候能夠提供氮素可以提高作物產(chǎn)量[24]。然而，氮素供應(yīng)和有效性的改善可能會(huì)降低作物凋落物和殘余物的碳氮比，提高分解速率[25-26]。盡管如此，這種碳也有可能儲(chǔ)存在土壤有機(jī)質(zhì)中[27]。涂利華等[28]的研究表明，氮肥的施用顯著增加了作物的細(xì)根生物量，從而增加了表層土中有機(jī)碳以及微生物生物量碳的含量。汪金松等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，施氮抑制了難分解有機(jī)物的分解，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量下降21.8%～31.4%。也有研究表明,氮肥的添加對(duì)土壤有機(jī)碳或活性有機(jī)碳無(wú)顯著影響[30-31]。

豆科植物是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮的主要來(lái)源之一，而綠色肥料(如三葉草麥芽)常用于有機(jī)耕作，為后續(xù)作物提供氮[32-33]。2021年，Levin等[34]種植三葉草麥芽后，將地上生物質(zhì)作為有機(jī)肥料進(jìn)行回收，不僅增加了作物產(chǎn)量，而且1 t/hm2的三葉草麥芽有機(jī)肥料使土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在2年內(nèi)分別顯著增加了12.46%和1.50%，有機(jī)碳含量提高了0.017%，試驗(yàn)結(jié)果表明將三葉草與三葉草渣一起播種，對(duì)土壤有機(jī)碳含量有顯著影響，這也使農(nóng)民有機(jī)會(huì)控制施氮的時(shí)間和數(shù)量，從而提高土壤碳固定的能力。2015年，B?rjesson等[35]計(jì)算了不同作物沼氣系統(tǒng)的負(fù)溫室氣體排放(即從大氣中去除的CO2、CH4、N2O)，結(jié)果表明因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)碳含量增加，導(dǎo)致排放的溫室氣體減少。

許多研究表明，作物殘?jiān)苯臃祷剞r(nóng)田可能會(huì)增加溫室氣體排放，原因是作物秸稈中碳源的增加以及硝化和反硝化微生物活動(dòng)的增強(qiáng)[36-38]。2015—2019年，中國(guó)農(nóng)作物秸稈平均產(chǎn)量為970 Mt/a，計(jì)算出可用于生物甲烷生產(chǎn)的作物秸稈產(chǎn)量約為495 Mt/a[39]?？紤]到我國(guó)有大量的農(nóng)作物秸稈，未利用的農(nóng)作物秸稈可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在實(shí)現(xiàn)“碳中和”的過程中，作物殘留物的利用可能需要重新考慮。

2 無(wú)機(jī)肥料對(duì)“碳中和”的影響

無(wú)機(jī)肥料即化學(xué)肥料，以無(wú)機(jī)物為主，主要包括氮肥、磷肥、鉀肥等單質(zhì)肥料和多種復(fù)合肥料，N、P、K是植物所需的大量元素。還有一些中量元素肥料和微量元素肥料，包括鎂肥、鈣肥、硅肥、鐵肥、硼肥、鉬肥等。

土壤被認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳的主要儲(chǔ)存庫(kù)，土壤呼吸速率微小的變化就可能顯著改變大氣中CO2濃度和土壤中碳的固定[40]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸隨作物經(jīng)營(yíng)以及施肥方式的不同而有很大差異[41]，而無(wú)機(jī)肥料作為提高糧食產(chǎn)量的主要肥料，嚴(yán)重影響著土壤中碳的排放和固定。

3 生物肥料對(duì)“碳中和”的影響

生物肥料一般指微生物肥料，即菌肥。在廣義上，生物肥料是指通過微生物的生命代謝活動(dòng)，活化土壤中的養(yǎng)分，改善植物的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境；在狹義上，生物肥料是指通過活性微生物的生命活動(dòng)，促使植物產(chǎn)生各種生物刺激素，改善植物根部環(huán)境生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，提高作物抗逆性，從而提高作物產(chǎn)量[45]。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)源[46]，是一種天然的混合物，營(yíng)養(yǎng)成分十分復(fù)雜，含有多種大量、中量以及微量元素的難溶性離子。作物不能在土壤中直接汲取這些元素，而微生物肥料中含有很多活性菌群，在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸[44]，溶解土壤中難溶性離子并釋放出來(lái)，有利于作物吸收，同時(shí)平衡了土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素，增大了利用率，提高了土壤有機(jī)碳的含量[47]。

生物強(qiáng)化可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的生成和作物的生長(zhǎng)，有效穩(wěn)定作物產(chǎn)量。Zornoza等[48]為了評(píng)估生物是否能提高土壤質(zhì)量和肥力，設(shè)計(jì)了為期一年的大田試驗(yàn)，在含有大理石廢料的尾礦庫(kù)中分別添加2種有機(jī)材料(豬糞和污泥)，后接種有效微生物。試驗(yàn)結(jié)果表明，以接種有效微生物為基礎(chǔ)，添加糞肥的效果比添加污泥的好。這可能與有機(jī)肥提供的養(yǎng)分含量高、C/N比值較低有關(guān)。同時(shí)接種微生物有效提高了土壤無(wú)機(jī)和有機(jī)C、N、P、K含量，促進(jìn)了土壤碳固存和土壤肥力的提高，這與土壤微生物生物量和活性的提高有關(guān)。這讓植物在微生物生物量和活性較高的土地上被有效定植，進(jìn)而減少溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)土壤“碳中和”。

4 展望與建議

在過去的10年中，我國(guó)作為世界主要糧食生產(chǎn)國(guó)，無(wú)機(jī)肥料的使用量在不斷增加。自1981年以來(lái)，我國(guó)已成為世界上最大的化肥消費(fèi)國(guó)，占全球化肥使用量增長(zhǎng)的90%[49]。大量化肥、農(nóng)藥的不當(dāng)施用，導(dǎo)致土壤的酸堿度被破壞、有機(jī)質(zhì)含量降低、有機(jī)碳流失，使土壤生態(tài)系統(tǒng)不堪重負(fù)[50]。

隨著我國(guó)三胎政策的放開，中國(guó)人口必然會(huì)持續(xù)上漲[45]，為保證中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，提出如下建議：①縮減無(wú)機(jī)肥料的生產(chǎn)，在無(wú)害化基礎(chǔ)上生產(chǎn)可再生肥料，防止土壤負(fù)載運(yùn)作，隨著科技的不斷發(fā)展，諸多問題和不足將會(huì)逐步得到解決。②開發(fā)綠色有機(jī)肥料(如腐殖酸肥料)和微生物肥料。綠色肥料增加了土壤中碳的固定，也減少了碳的排放，為土壤碳循環(huán)做出了貢獻(xiàn)，也保留住了土壤中的養(yǎng)分。③提高環(huán)保意識(shí)。肥料在我國(guó)已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但不少農(nóng)戶未充分認(rèn)識(shí)到綠色肥料在改善土壤碳固定和碳排放、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高作物品質(zhì)等方面的重要作用，加強(qiáng)綠色肥料相關(guān)知識(shí)的科普宣傳教育，幫助他們掌握合理科學(xué)的施肥方法，爭(zhēng)取在政務(wù)、地方與個(gè)人的共同努力下，在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。