簡(jiǎn)述腐植酸在土壤和肥料“碳達(dá)峰”“碳中和”中的作用

陳柏楊 劉 陽(yáng) 馬獻(xiàn)發(fā) 劉丹陽(yáng) 許連周 王 琪

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 哈爾濱 150030

2021 年全國(guó)“兩會(huì)”，“碳達(dá)峰”“碳中和”備受關(guān)注。為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出“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”等莊嚴(yán)的目標(biāo)承諾[1]。

目前，為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖現(xiàn)象，“碳達(dá)峰”“碳中和”已經(jīng)發(fā)展成為全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。地球碳循環(huán)中，腐植酸算一環(huán)[2]。生物圈碳庫(kù)中，土壤碳庫(kù)最大[3]。土壤碳庫(kù)中，腐植酸最大[4]。想要解決土壤儲(chǔ)碳控碳問(wèn)題，就一定離不開(kāi)腐植酸[5]。穩(wěn)定土壤碳庫(kù)時(shí)，肥料投放的影響是最大的。穩(wěn)定和補(bǔ)充土壤碳庫(kù)，腐植酸低碳肥料優(yōu)勢(shì)明顯[6]。20多年的時(shí)間，中國(guó)一直在開(kāi)展“維土革命”[7]、“凈土潔食工程”[8]、“培育土壤肥力產(chǎn)業(yè)”[9]，倡導(dǎo)“兩機(jī)互補(bǔ)”[10]、“黑白交慧”[10]、“兩個(gè)最大”[10]、“三化效應(yīng)”[11]、“土肥和諧”[11]等理論，提出“土壤氣候變化”[11]問(wèn)題，直至推進(jìn)“雙碳目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)，一直走在“讓腐植酸從土壤中來(lái)到土壤中去”的反哺路線上，初心始終不改。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，要穩(wěn)定土壤碳庫(kù)首先必須穩(wěn)定土壤腐植酸，否則土壤碳平衡無(wú)從談起[12]。

土壤對(duì)固持碳有著很大的潛力，土壤碳匯是緩解全球氣候變化的重要路徑，是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要補(bǔ)充途徑[13]。中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展腐植酸低碳肥料加快開(kāi)展“土壤碳中和”行動(dòng)的通知》中指出，加快推進(jìn)化肥減量化是“土壤碳中和”的第一要?jiǎng)?wù)；加大腐植酸低碳肥料投放是“土壤碳中和”的主戰(zhàn)場(chǎng)[14]；創(chuàng)新腐植酸低碳肥料是“土壤碳中和”的行動(dòng)指南。

1 腐植酸的特性

腐植酸是一類(lèi)大分子有機(jī)物質(zhì)，廣泛存在于自然界當(dāng)中，是動(dòng)植物的遺骸，經(jīng)過(guò)微生物的分解以及轉(zhuǎn)化而形成的。腐植酸來(lái)源主要有礦物質(zhì)來(lái)源和潔凈的生物質(zhì)來(lái)源2 種。

腐植酸的自身結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，包含著多種元素，正是因?yàn)闃?gòu)成部分的復(fù)雜性使其廣泛應(yīng)用于農(nóng)林牧、石油、化工、建材、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域[15]。特別是在如今提倡生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、無(wú)公害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、綠色食品、無(wú)污染環(huán)保產(chǎn)品等的關(guān)鍵時(shí)刻，更使腐植酸備受推崇，可以說(shuō)人類(lèi)的生活和生存都與腐植酸息息相關(guān)[16]。腐植酸肥料不僅可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，在其生產(chǎn)和使用過(guò)程中還能減少能源消耗以及抑制二氧化碳的排放。

2 腐植酸對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的作用

2.1 直接作用

2.1.1 利用工業(yè)化腐植酸補(bǔ)充土壤碳庫(kù)

地球是一個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，由太陽(yáng)提供能量完成在無(wú)機(jī)環(huán)境與生命體間的物質(zhì)循環(huán)和能量的遷移轉(zhuǎn)化。碳循環(huán)是物質(zhì)循環(huán)重要的一環(huán)，指的是元素碳在大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈中不斷交換、循環(huán)不止的現(xiàn)象（圖1）。土壤是連接大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈的紐帶，土壤有機(jī)碳是土壤中較為活躍的部分，在地球碳循環(huán)中起到重要作用。陸地土壤中的有機(jī)碳占生物圈總碳的85%左右，而腐植酸類(lèi)物質(zhì)碳又占生物圈有機(jī)碳的三分之二[17]。有研究發(fā)現(xiàn)，從煤炭中提取的腐植酸的物理化學(xué)性質(zhì)和土壤腐植酸非常相似，并且有著相同的應(yīng)用特性[18]，并且我國(guó)有豐富的煤炭腐植酸資源，比如褐煤、風(fēng)化煤、泥炭等超過(guò)2000 億噸[9]。所以利用工業(yè)提取的來(lái)自煤炭的腐植酸，通過(guò)腐植酸低碳肥料反哺土壤腐植酸，構(gòu)筑“土肥和諧”新關(guān)系，是最直接、快速的儲(chǔ)碳方式[19]。

圖1 自然界的碳循環(huán)Fig.1 The carbon cycle in nature

2.1.2 利用生物質(zhì)生產(chǎn)腐植酸

利用工農(nóng)業(yè)廢料生產(chǎn)腐植酸節(jié)能減排。除了采用煤質(zhì)原料等非再生資源為原料制造腐植酸產(chǎn)品，還可利用各種廢料，如秸桿、樹(shù)葉、草類(lèi)、木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物，制取味精、酒精的廢液等工業(yè)廢棄物作為生產(chǎn)腐植酸的原料。模擬自然界將植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化為腐植酸的過(guò)程，讓這些原料經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為一種水溶性生化腐植酸。這種水溶性腐植酸具有分子量小、生物活性高等特性[20]。在日常生活中，有大量被人們忽視的有機(jī)廢棄物也能利用起來(lái)，比如從大量的工業(yè)廢渣、廢水中回收數(shù)量極為可觀的生化腐植酸或生化黃腐酸，這些廢棄物都是用來(lái)變廢為寶，生產(chǎn)液肥或生化腐植酸肥的好原料[21]。因此，各種腐植酸的開(kāi)發(fā)和利用，是我國(guó)綠色環(huán)保肥料的重要資源，也是解決“三廢”綜合利用的重要途徑[21]。開(kāi)發(fā)和使用腐植酸，是一條優(yōu)秀的廢棄物資源化之路，既開(kāi)辟了資源又保護(hù)了環(huán)境。

2.1.3 利用腐植酸、腐植酸肥料減少碳排放

在養(yǎng)分相同的前提下，腐植酸肥料比常規(guī)肥料的利用率更高[22]。腐植酸含有多種活性基團(tuán)（圖2）[23]，如酚羥基、烯醇基、磺酸基、醌基、甲氧基等，這些功能團(tuán)決定了其酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合能力及吸附能力[24]。當(dāng)腐植酸搭配尿素施用可以通過(guò)影響脲酶活性而改變氨的釋放，以達(dá)到抑制硝化細(xì)菌活性，進(jìn)而提高氮肥利用率的目的[25]；施用腐植酸后解離出的酚羥基、羧基等陰離子會(huì)與酸根共同競(jìng)爭(zhēng)土壤膠體表面的吸附位點(diǎn)，從而減少土壤團(tuán)粒對(duì)磷素的吸附，以提高土壤中磷酸鹽的有效性[26]；當(dāng)在鉀肥中配施腐植酸時(shí)，腐植酸會(huì)結(jié)合土壤中的鉀離子，增強(qiáng)鉀離子抵抗土壤吸附的能力[27]，減少肥料的浪費(fèi)（圖3）[23]。在保持作物產(chǎn)量不變的前提下，施用腐植酸肥料可以減少化肥用量達(dá)到減排目的。經(jīng)過(guò)施用化肥碳排放與節(jié)能計(jì)算、綠色植物吸收碳的計(jì)算、硫和氮的排放計(jì)算證明，施用1 kg 腐植酸，可節(jié)能約6.25×104kJ，相應(yīng)減少排放二氧化碳5.6 kg，二氧化硫0.09 kg 和二氧化氮0.7 kg[28]。按照2021 年我國(guó)化肥產(chǎn)量為5446 萬(wàn)噸（折純量）[29]，如果全部使用腐植酸肥料（腐植酸含量按5%計(jì)算），可節(jié)能約1.70×1014kJ，折544.60 萬(wàn)噸標(biāo)煤，相應(yīng)減少二氧化碳排放1564.39 萬(wàn)噸、二氧化硫排放25.15 萬(wàn)噸、二氧化氮排放195.55 萬(wàn)噸。除此之外，腐植酸肥料在快速培肥土壤、提高土壤有機(jī)質(zhì)、改良土壤結(jié)構(gòu)、降低重金屬的活性和減輕污染方面也有比較不錯(cuò)的效果。因此，加大力度宣傳和科普腐植酸、腐植酸肥料，加大其推廣應(yīng)用范圍，進(jìn)而減少碳排放，保護(hù)環(huán)境。

圖2 腐植酸結(jié)構(gòu)模型[23]Fig.2 The model of humic acid structures

圖3 腐植酸的作用[23]Fig.3 The role of humic acid

2.2 間接影響

2.2.1 施用腐植酸、腐植酸肥料作物增綠儲(chǔ)碳

腐植酸、腐植酸肥料的施用可刺激一些酶的活性，維持細(xì)胞的滲透壓，縮小葉片氣孔開(kāi)張度，降低作物蒸騰，改善作物體內(nèi)水分狀況，提高作物抗旱能力[30，31]。腐植酸作為一種活性物質(zhì)，它還可以與無(wú)機(jī)養(yǎng)分協(xié)同，刺激作物根系與莖葉健康發(fā)育，有利于作物吸收土壤中的水分和肥料等，有效彌補(bǔ)作物生育因子（光、水、空氣、養(yǎng)分等）脅迫使其有效生長(zhǎng)[32]。同時(shí)能夠增強(qiáng)作物呼吸強(qiáng)度和光合強(qiáng)度，加快氨基酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物等的合成，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。腐植酸肥料使耕地有機(jī)質(zhì)含量得到提升，在相同的施氮量的情況下，腐植酸肥料對(duì)提高耕層土壤水解性氮的含量效果比完全施用化肥效果好得多；對(duì)耕層土壤有效磷含量的提高效果也比完全施用化肥效果明顯，土壤中作物養(yǎng)分得到提升能夠幫助作物更好的生長(zhǎng)，通過(guò)改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)作物的抵抗能力，大大提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

因此，腐植酸的施用一方面提高了土壤養(yǎng)分的有效性，增加了可供植物吸收的養(yǎng)分含量，另一方面促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)發(fā)育（促進(jìn)作物根系長(zhǎng)度和數(shù)量的增加[33]），增強(qiáng)作物光合作用，促進(jìn)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。腐植酸在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)，提高了化肥利用率，間接地降低了農(nóng)業(yè)中對(duì)化肥與農(nóng)藥的需求量，一定程度上解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的局限性問(wèn)題，而高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)從原料上控制食品安全生產(chǎn)與加工的基礎(chǔ)，從國(guó)家糧食安全角度，腐植酸助力了農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，符合新階段里農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展、綠色發(fā)展的新理念。

2.2.2 施用腐植酸、腐植酸肥料土壤穩(wěn)碳固碳

在腐植酸、腐植酸肥料的多種應(yīng)用中，最重要的是它能夠改善土壤的物理性質(zhì)[34]。腐植酸的膠體化學(xué)性質(zhì)，使其可與鐵鋁磷酸鹽、土壤中微生物分泌物、磷酸鹽等物質(zhì)膠結(jié)形成團(tuán)聚體，增加土壤保水保肥通氣性，土壤大于0.25 mm 的水穩(wěn)性微團(tuán)聚體得到顯著提升，砂質(zhì)紅壤土增加約7.5%[35]，大棚連作的水稻土增加0.8%～6.7%[36]，灰漠土增加2.5%～12.8%[37]。目前，在荒漠化的土地上利用腐植酸肥料可以極大地增加土壤中大于0.25 mm 水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量，一般可提升32%～72%[38]。因此，利用腐植酸可以有效改良土壤的物理特性，再通過(guò)一些后續(xù)的操作，如可以添加相關(guān)的保水劑、肥料等，還能夠增強(qiáng)腐植酸改良土壤的功效，提高養(yǎng)分有效性。腐植酸作為一種酸性物質(zhì)，還可以通過(guò)自身與土壤之間的相互反應(yīng)完成陰離子陽(yáng)離子的交換，降低土壤本身的pH 值[34]。據(jù)相關(guān)研究調(diào)查顯示，在土壤中添加了腐植酸后，土壤pH 值由原來(lái)的8.74 降至6.91，降低了1.83 個(gè)單位[39]。若靈活運(yùn)用腐植酸、腐植酸肥料于土壤中，可以活化土壤養(yǎng)分離子，改善土壤肥力狀況。據(jù)此，腐植酸通過(guò)促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成、提高土壤通透性、調(diào)節(jié)土壤酸堿性等方面，改善了土壤理化性質(zhì)，保障農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境安全、生態(tài)安全，滿足綠色農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，符合綠色低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

土壤里存在大量的微生物，這些微生物是土壤重要的組成部分，它們的存在可以保證土壤具有明顯的生物活力，所以土壤微生物的種類(lèi)在一定程度上，是有效反映土壤質(zhì)量的可靠指標(biāo)[40]。腐植酸可以與生物炭配合使用，它們有累積效應(yīng)，對(duì)土壤微生物量、碳、氮、磷的增長(zhǎng)幅度更大[41]。目前，我國(guó)許多發(fā)展工業(yè)的區(qū)域，它們不達(dá)標(biāo)的污水排放造成的水資源污染對(duì)周?chē)恋刂械奈⑸镌斐闪藰O為嚴(yán)重的影響。如合理運(yùn)用腐植酸，可以為這些微生物提供良好的生存環(huán)境，有利于它們大量繁殖[42]。土壤施用腐植酸、腐植酸肥料后，不僅土壤中的固氮菌顯著增加，一些增加土壤通氣性細(xì)菌、放線菌以及纖維分解菌的數(shù)量也得到提高，它們可以全面加快礦化速度，以保證養(yǎng)分元素的釋放，并且維持土壤自身營(yíng)養(yǎng)，改善作物根際環(huán)境，促進(jìn)土壤有益微生物種群建立，從而間接減少二氧化碳和其他有害氣體的排放，達(dá)到低碳減排的目的。

3 小結(jié)及展望

腐植酸從生產(chǎn)開(kāi)始，到從礦物提取反哺土壤、以工農(nóng)業(yè)廢料為原料節(jié)能減排，再到腐植酸肥料的施用可改良土壤使土壤穩(wěn)碳固碳、作物增綠儲(chǔ)碳。因此，為了我國(guó)能夠成功實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”，要加快推進(jìn)腐植酸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的步伐。

目前，農(nóng)戶對(duì)腐植酸、腐植酸肥料作用機(jī)理知之甚少，腐植酸生產(chǎn)企業(yè)可深入生產(chǎn)前線，指導(dǎo)腐植酸類(lèi)系列產(chǎn)品適量適時(shí)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。除此之外，還可通過(guò)自媒體、國(guó)家權(quán)威媒體等平臺(tái)，利用通俗易懂、引人入勝的情景案例來(lái)科普知識(shí)，廣泛開(kāi)展多種形式的宣傳。相關(guān)科研院所應(yīng)該加強(qiáng)研究，在不同地區(qū)因地制宜，針對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥篮妥魑镅邪l(fā)出相應(yīng)的腐植酸產(chǎn)品，擴(kuò)大其推廣應(yīng)用。政府可減少腐植酸產(chǎn)品的稅收，通過(guò)制定腐植酸產(chǎn)品的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)品質(zhì)越高的腐植酸產(chǎn)品稅收優(yōu)惠力度越大，促進(jìn)更高質(zhì)量腐植酸產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)；還可鼓勵(lì)大眾以投資入股等形式向當(dāng)?shù)匕l(fā)展較好的腐植酸生產(chǎn)企業(yè)投入資金，或者對(duì)外招商拓寬資金來(lái)源渠道，擴(kuò)大腐植酸生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，以減少碳排放，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)。