生物腐植酸在低碳農業中的地位與作用

羅 煜 張玉華 趙立欣 向 欣 程紅勝 趙小蓉 林啟美*

（1 農業部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室 北京 100125 2 中國農業大學資源與環境學院 北京 100193）

1 生物腐植酸概述

1.1 生物腐植酸概念

腐植酸是指有機物料在微生物作用下，經過分解與再合成的多個復雜過程，形成的呈酸性的無定形的高分子縮聚物。按照來源，可分為天然腐植酸和人工腐植酸，前者是以泥炭、風化煤和褐煤等為自然原料所生產的腐植酸，目前市場上的腐植酸主要是天然腐植酸[1]；人工腐植酸也稱生物腐植酸，近年來備受關注，一般是以工業和農業有機廢棄物為原料，在人工控制的條件下，經微生物發酵反應生產的腐植酸[2]。

生物腐植酸制取所用的工農業有機廢物種類繁多，主要包括：(1) 農副產品廢棄物和下腳料，如秸稈、廢渣、糠鼓等植物木質纖維類殘留物；(2) 畜禽糞便，如雞糞、牛糞等；(3) 工業有機廢液，如糖蜜廢水、味精廢液等；(4) 一些特殊資源，如餐廚垃圾。不同原料由于其組成成分、發酵工藝不同，所得到的生物腐植酸的產量與品質也不同。

1.2 生物腐植酸的特性與功能

生物腐植酸既具有腐植酸的一般性質和特征，又具有一般腐植酸沒有的特點。研究結果表明，生物腐植酸主要特點有：(1) 縮合程度和碳含量較低，分子量小，滲透力更強，更容易被作物吸收利用；(2) 羧基和羥基等活性基團含量更豐富，同時還含有一定數量的氨基酸以及多種其他生理活性組分，生理活性和化學活性更強；(3) 色澤較淺，水溶性較好，絮凝極限高，緩沖容量大。生物腐植酸上述特點賦予其許多特有功能，使其產品廣泛應用于農業、林業、畜牧業、養殖業等方面，如生物腐植酸肥料、飼料添加劑、農藥等，具有改良土壤、增進肥效、調節作物生長、提高作物抗逆性和改善作物品質五大作用[3,4]。

我國有機廢棄物資源豐富，其中，農作物秸稈年產量約7億噸，蔬菜廢棄物1億～1.5億噸，生活垃圾和人糞便等2.5億噸[5]，餐廚廢棄物不低于6000萬噸[6]。但是，若這些資源不能被很好地利用，不僅會造成資源浪費，而且會導致此類“資源”變成“污染源”。例如，秸稈焚燒對空氣質量和交通安全構成巨大的危害，餐廚廢棄物引發的“地溝油”和“垃圾豬”已成為食品安全的“大敵”。因此，利用以上工農業廢棄物為原料，研發生物腐植酸生產技術與產品，一方面可以保護我國有限的腐植酸礦產資源，而另一方面則是安全有效處置與資源化利用工農業有機廢棄物的重要途徑[7]。

2 低碳農業

2.1 低碳農業的源起與特征

工業革命以來，由于大量消耗化石燃料、毀林開荒和改變土地利用方式等人類活動，大氣中CO2、CH4和N2O的濃度大幅度增加，分別從19世紀初的280 ppmv、715 ppbv和270 ppbv，提高到390 ppmv、1797 ppbv和321.8 ppbv[8]。如果延續目前的能源利用方式，2100年全球平均氣溫將升高1.0 ℃～3.5 ℃，造成不可逆的氣候變化。目前，能源短缺和環境污染已成為全球關注的焦點問題，轉變傳統高能耗、高污染的經濟增長方式，合理推進節能減排，發展以低能耗、低排放、低污染為標志的低碳經濟，實現可持續發展，正在成為世界各國經濟發展的共同選擇。作為發展中國家，我國在能源及環境方面的問題尤其突出。我國明確提出了“建設生態文明，基本形成節約能源資源和保護生態環境的產業結構、增長方式、消費模式”的理念，為可持續發展指明了方向，也使人們更加關注低碳經濟的崛起。

農業生產在全球溫室氣體循環中占有重要地位。根據政府間氣候變化專業委員會(IPCC)第4次評估報告，其溫室氣體排放量介于電熱生產和汽車尾氣之間，農業是溫室氣體的第二大重要來源[9]。同時，農業也是巨大的碳匯，除了作物通過光合作用固定大量CO2，土壤是地球陸地表面最大的陸地碳庫，對全球碳循環具有舉足輕重的作用與影響。不少學者指出，農業具有巨大的固碳增匯潛力，低碳經濟的發展顯然離不開農業的參與，低碳農業成了當前農業生產與低碳經濟交匯的一個熱點，是在應對全球氣候變化中應運而生的新生事物，是一種生態高值農業模式。可以說，發展低碳農業是應對全球氣候變化的重要舉措之一。

低碳農業是在農業生產過程中，通過先進的生產技術與方式，盡可能地減少能量消耗與物質損耗，減少溫室氣體排放，減少環境污染，并獲得最佳的經濟、社會和生態效益[10]。低碳農業用碳經濟或碳排放來衡量，與生態農業、循環農業、綠色農業等農業生產形式不同，低碳農業內涵更為豐富，除倡導高產、優質、高效、安全、生態等理念外，更強調原料開采與使用、產品加工、消費各環節的低能耗、低污染、低溫室氣體排放以及高產出。除了強調農業本身的低碳特質外，還注重包括農業生產“上游”中諸如化肥、農藥等農資生產和運輸的低碳性，以及“下游”中如農產品包裝、運輸、使用在內的低碳性。

2.2 低碳農業的實現路徑

根據低碳農業特征，低碳農業的發展顯然主要依靠現代科學技術創新和有關制度的革新與完善。首先，在制度層面上，可以通過建立農業布局調整機制，大力推進與發展清潔生產機制、生態補償機制、農業準入機制和綜合調節機制。在技術層面上，則可以通過大力推廣種植、養殖減排技術來實現，主要著眼于：(1) 減少化肥、農藥、動力等能量和物質的投入，提高資源利用效率；(2) 調整優化農業生產結構，推廣應用節能減排技術；(3) 資源化利用農作物秸稈、養殖業糞便等各種廢棄物，發展循環農業，實現一定程度的“碳中和”，減少加工、運輸的排放，而達到低碳目的。以上三項技術措施主要是通過節能減排，減少農業能源消耗，降低農業的“碳源”作用來實現低碳農業。但是，作為低碳農業路徑實施的第四個技術手段往往被忽略，即固碳增匯，改良培肥土壤，增加地上植物生物量，擴大地下土壤碳庫。農業固碳增匯的關鍵是擴蓄增容土壤有機碳庫。一般說來，土壤有機碳含量的提高，一方面可以改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量；另一方面可以提高土壤有機碳含量，擴大土壤碳庫容量。據Lal[11]估計，全球農業土壤碳庫擴充潛力為1.2～3.1 Pg C/年，耕層土壤有機碳含量提高1 tC/a/hm2，發展中國家糧食產量年增加2400～3200萬噸，根莖產量年增加600～1000萬噸，農業的固碳增匯潛力巨大。據估測，全球通過植物生物量每年固定約120 Pg碳，但是這部分有機碳最終又通過生物小循環全部釋放到大氣中，這主要是由于在長期的自然循環過程中，除少數植物有機質進入土壤最終轉化成土壤腐殖質外，其余絕大部分經過土壤微生物的礦化作用轉化為CO2又返回大氣中。工業化以來對農業土壤的過度利用導致土壤有機質的加速礦化，目前的土壤凈固碳值一般為負，現有的農業耕作栽培技術，包括秸稈還田、保護性耕作等技術措施，對土壤的固碳增匯效果并不十分理想，仍存在一些問題，需要另辟蹊徑，加強生物凈固碳作用，擴大土壤碳庫。

3 生物腐植酸在低碳農業中的應用

鑒于生物腐植酸與“低碳農業”密不可分的關系，隨著全球低碳經濟的興起，生物腐植酸在低碳農業中的作用受到人們廣泛關注。總體來看，生物腐植酸主要通過直接固碳和間接減排兩個途徑，發揮其在低碳農業生產中的作用，前者主要指直接提高土壤有機碳含量，擴大土壤碳庫容量；后者指改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量。此外，生物腐植酸還可以通過提高肥料利用率，促進廢棄物循環再利用等途徑實現間接減排。

3.1 生物腐植酸對農田地上碳庫的擴蓄增容作用與機理

農田地上碳庫一般是指農田地上部生物量，生物腐植酸對農田地上碳庫的擴蓄增容作用主要通過以下途徑提高生物來實現：

(1) 改良培肥土壤：生物腐植酸具有土壤腐殖酸相似的結構和性質，故能改善土壤物理結構，增強土壤通透性，提高土壤吸持水分和養分的能力，提高土壤養分含量[12,13]。

(2) 提高養分有效性和利用效率：生物腐植酸具有多種官能團，帶有大量的電荷，可以通過陽離子交換與吸附、螯合、絡合和吸附作用4種形式，將土壤中被固定的多種元素轉化成有效形態，并活化土壤中一些營養元素，提高養分的有效性與利用率[14,15]。

(3) 提高微生物活性：生物腐植酸本質上為含碳有機物質，可以作為微生物生長基質，因此能夠提高生物活性，促進養分循環轉化，增強土壤活力；還有利于保持土壤生物多樣性，從而降低有害生物指數，相對地提高有益微生物數量。

(4) 增強作物抗旱能力，減少無效蒸騰，提高水分利用率：生物腐植酸對植物葉片的氣孔運動有明顯的影響，能縮小氣孔開張度，降低蒸騰速率，從而減少無效蒸騰所致的水分損失，提高蒸騰效率和水分利用效率。生物腐植酸有利于實現水肥一體化，提高水肥互作效應，從而間接地提高灌溉水利用效率。

(5) 促進作物生長，提高產量，改善品質：生物腐植酸不僅含有豐富的NPK營養元素，而且含有一定量的中微量營養元素以及一些小分子氨基酸物質，除了可以被植物直接吸收利用，還能促進作物的生理活性，促進種子萌發與根系發育，提高出苗率與成苗率，使幼苗發根快，次生根增多，根系生長快，吸收水分和養分能力增強[7,16]。此外，生物腐植酸不僅養分的有效性相對較高，而且養分的供給也比較緩慢而長期，有利于滿足植物生長對營養的需要，有利于一些次生代謝產物的合成與累積，減少硝酸鹽等物質的累積，從而改善農作物品質。

3.2 生物腐植酸對農田地下碳庫的擴蓄增容作用與機理

農田地下碳庫是土壤有機碳、無機碳及植物根系生物量的總和。一般來說，對農田地下碳庫的擴蓄增容主要是以增加土壤有機碳庫為主，這是由于：(1) 除了干旱和干旱地區的石灰性土壤含有一定量的無機碳外，其余土壤的無機碳含量一般很低；(2) 根系生物量在很大程度上取決于地上部生物量，比起土壤有機碳庫，其數量很低。因此，農田地下碳庫主要指土壤有機碳貯量或土壤有機碳含量，農業固碳增匯的關鍵是擴蓄增容土壤有機碳庫。

腐植酸類物質本身就是土壤有機碳庫極其重要的組成成分，提高土壤腐殖酸含量，也就成為農田地下碳庫擴蓄增容的主要目標之一。現有研究結果顯示[5]，目前我國作物秸稈年產生總量約為7億噸，如果全部被焚燒，不僅影響空氣質量，還造成大量溫室氣體CO2的排放。但若將其轉化為生物腐植酸且施入土壤，可以提高土壤有機質含量，實現“貯碳于土”。例如，北京昌平區某蘋果園實驗基地通過連續三年施用通過餐廚廢棄物制取的BGB生物腐植酸(500公斤/畝，1畝=666.67 m2，下同)，土壤有機質從不到1%提升至1.75%。當今，全球變暖趨勢愈演愈烈，減少溫室氣體排放呼聲日益高漲，這樣一種“貯碳于土、固碳降溫”的新舉措，必將日益受到人們的重視與關注，也將成為一個新興的研發領域。

全球有大量酸化、鹽漬化、沙化、污染等土地，利用腐植酸修復這些土地，也具有巨大的潛力[12]。在某種意義上，腐植酸類物質是凈化生物圈、改善生態環境的寶貴資源。由于腐植酸類物質巨大的內外表面積，且含有大量的醌基、羧基、羰基、羥基等官能團，這些基團可與重金屬離子進行吸附、交換、絡合和螯合等作用，從而降低重金屬的活度，減輕其毒害作用。腐植酸類物質還能夠通過疏水鍵，吸附固定一些脂溶性的長久的有機污染物，降低其生物有效性，減少植物吸收與累積，阻斷這些物質進入食物鏈，從而不僅達到修復生態環境之目的，而且充分利用了寶貴的土地資源[12,13,17]。

3.3 生物腐植酸的間接減排作用

生物腐植酸間接減排主要體現在：(1) 提高化肥、農藥、飼料利用率，減少這些農資產品的消耗量，從而達到節約減排之目的；(2) 充分合理的利用工農業有機廢棄物，不僅達到了廢棄物資源化利用之目的，而且減少了處理這些污染的投入與能源消耗，以及對生態環境的污染；(3) 減少了有機廢棄物堆放期間所產生的甲烷、CO2等溫室氣體；(4) 生物腐植酸改善了土壤通氣性能，減弱了土壤還原反應，可減少CH4和N2O的排放；(5) 相對傳統有機肥生產，生物腐植酸的發酵過程中CO2排放量大大減少；(6) 相對于礦物腐植酸生產，生物腐植酸生產過程設備投資少，能耗較低，而且節省了自然資源。

4 存在的有關問題與發展方向

我國從20世紀90年代初，開始研究利用工農業有機廢棄物制備生物腐植酸的技術。我國有關生物腐植酸在低碳農業中的基礎研究以及應用還處于起步階段，仍然存在許多不足，主要表現在：(1) 產品技術含量不高，應用面窄，尚未形成規模化生產；(2) 產品門類五花八門，產品質量良莠不齊；(3) 科學研究不夠深入，生物腐植酸的功能及機理尚不完全清楚；(4) 缺乏行業標準與規范。

隨著工農業的快速發展，一方面腐植酸需求量逐漸增大，另一方面以煤炭為原料的天然腐植酸資源將逐漸減少，研發生物腐植酸技術及其產品已是大勢所趨，將成為前沿性交叉學科研究課題，也將是肥料企業產品升級換代的重要發展方向。

生物腐植酸產業具有得天獨厚的優勢，具有環境友好的特征，其資源、技術、產品等三要素完全符合我國可持續發展的產業方向，并具有廣闊的市場前景。因此，攻克生物腐植酸生產和應用的關鍵技術，研發生產多功能綠色環保型生物腐植酸產品，必將對我國綠色低碳環保產業發展產生重大影響，成為發展低碳農業的重要舉措之一。

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