肥料與“碳中和”的生態(tài)策略*

江志陽， 李汝會， 陳 欣

(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 遼寧沈陽 110016)

0 前言

2021年是我國“十四五”規(guī)劃的開局之年。習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中指出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。”碳中和的基本內(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，通過碳補償機制達到溫室氣體零排放的最終目的[2]。這一目標是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，其中碳中和目標是一項更為艱巨的任務，是對當前我國經(jīng)濟社會發(fā)展方式的巨大挑戰(zhàn)[3]。

碳元素是作物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，植物的干質(zhì)量中含碳質(zhì)量分數(shù)約為49%，居植物必需營養(yǎng)元素之首；植物鮮樣中含碳質(zhì)量分數(shù)約為18%，僅次于氧[4]。植物所需的碳元素主要來自于大氣和土壤，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各種作物所需碳素主要由有機肥料、無機肥料、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、增強碳固定，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和減少溫室效應、實現(xiàn)碳中和目標具有重要意義。

在全球范圍內(nèi)，通過土壤中碳的固定來保證土壤有機碳的含量是緩解全球氣候變化的一種措施[5]。土壤有機碳作為陸地碳庫，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碳含量對于土壤質(zhì)量和維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力尤為重要，因為它通過影響土壤的物理、化學和生物特性，在養(yǎng)分的循環(huán)和轉化中發(fā)揮著決定性作用[6,8-9]。

土壤碳儲量是碳固定和碳排放動態(tài)平衡的結果。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。碳排放則通過有機碳的礦化分解、土壤呼吸等方式完成[10]。我國是世界上人口最多的國家，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)作物的營養(yǎng)來源，在促進糧食增產(chǎn)、保障糧食安全等方面有著重要的作用[11-12]。長期以來，施肥為滿足我國的糧食需求做出了突出貢獻，但長期施肥對農(nóng)田土壤有機碳的含量有著顯著影響。

施肥對土壤有機碳含量的動態(tài)變化有兩種相反的影響，即補充增加和分解揮發(fā)損失[13]。土壤有機質(zhì)含量隨有機肥料、無機肥料、生物肥料施用量的增加而增加，與有機碳殘留量和留茬量的增加呈正相關。此外，施用有機肥料、無機肥料、生物肥料有益于促進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，加快土壤有機質(zhì)的礦化[14]。土壤有機質(zhì)的礦化分解有利于為作物提供碳營養(yǎng)和有機N、P、K等養(yǎng)分。但土壤有機質(zhì)礦化率過高會降低土壤有機質(zhì)含量，破壞土壤團聚結構，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，要建設高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，完成碳中和目標，必須注意有機肥料、無機肥料、生物肥料的合理施用。

1 有機肥料對“碳中和”的影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有機肥料的供應量通常少于合成化學肥料，而在有機農(nóng)業(yè)中不允許使用合成化學肥料[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)量和肥力的有機肥料[16-20]。有機肥料中的養(yǎng)分通常先在土壤中礦化，然后才能被作物利用[21]。農(nóng)民依賴有機肥料是因為有機肥料可以改善土壤結構，從而促進水的滲透和儲存，降低侵蝕風險，保持土壤有機質(zhì)含量[22]，增強土壤碳固定的能力，進而保障糧食安全[23]。

土壤有機質(zhì)礦化對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；在作物需要的時候能夠提供氮素可以提高作物產(chǎn)量[24]。然而，氮素供應和有效性的改善可能會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，這種碳也有可能儲存在土壤有機質(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根生物量，從而增加了表層土中有機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物的分解，導致土壤中的有機碳含量下降21.8%～31.4%。也有研究表明,氮肥的添加對土壤有機碳或活性有機碳無顯著影響[30-31]。

豆科植物是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮的主要來源之一，而綠色肥料(如三葉草麥芽)常用于有機耕作，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)作為有機肥料進行回收，不僅增加了作物產(chǎn)量，而且1 t/hm2的三葉草麥芽有機肥料使土壤有機碳儲量在2年內(nèi)分別顯著增加了12.46%和1.50%，有機碳含量提高了0.017%，試驗結果表明將三葉草與三葉草渣一起播種，對土壤有機碳含量有顯著影響，這也使農(nóng)民有機會控制施氮的時間和數(shù)量，從而提高土壤碳固定的能力。2015年，B?rjesson等[35]計算了不同作物沼氣系統(tǒng)的負溫室氣體排放(即從大氣中去除的CO2、CH4、N2O)，結果表明因為土壤中有機碳含量增加，導致排放的溫室氣體減少。

許多研究表明，作物殘渣直接返回農(nóng)田可能會增加溫室氣體排放，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的增強[36-38]。2015—2019年，中國農(nóng)作物秸稈平均產(chǎn)量為970 Mt/a，計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]。考慮到我國有大量的農(nóng)作物秸稈，未利用的農(nóng)作物秸稈可能會產(chǎn)生負面影響，因此在實現(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 無機肥料對“碳中和”的影響

無機肥料即化學肥料，以無機物為主，主要包括氮肥、磷肥、鉀肥等單質(zhì)肥料和多種復合肥料，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。

土壤被認為是陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機碳的主要儲存庫，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)營以及施肥方式的不同而有很大差異[41]，而無機肥料作為提高糧食產(chǎn)量的主要肥料，嚴重影響著土壤中碳的排放和固定。

3 生物肥料對“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，活化土壤中的養(yǎng)分，改善植物的營養(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，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)群落結構，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)中的營養(yǎng)源[46]，是一種天然的混合物，營養(yǎng)成分十分復雜，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，在代謝過程中會產(chǎn)生大量的有機酸[44]，溶解土壤中難溶性離子并釋放出來，有利于作物吸收，同時平衡了土壤中的營養(yǎng)元素，增大了利用率，提高了土壤有機碳的含量[47]。

生物強化可以促進土壤有機質(zhì)的生成和作物的生長，有效穩(wěn)定作物產(chǎn)量。Zornoza等[48]為了評估生物是否能提高土壤質(zhì)量和肥力，設計了為期一年的大田試驗，在含有大理石廢料的尾礦庫中分別添加2種有機材料(豬糞和污泥)，后接種有效微生物。試驗結果表明，以接種有效微生物為基礎，添加糞肥的效果比添加污泥的好。這可能與有機肥提供的養(yǎng)分含量高、C/N比值較低有關。同時接種微生物有效提高了土壤無機和有機C、N、P、K含量，促進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。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，進而減少溫室氣體的排放，實現(xiàn)土壤“碳中和”。

4 展望與建議

在過去的10年中，我國作為世界主要糧食生產(chǎn)國，無機肥料的使用量在不斷增加。自1981年以來，我國已成為世界上最大的化肥消費國，占全球化肥使用量增長的90%[49]。大量化肥、農(nóng)藥的不當施用，導致土壤的酸堿度被破壞、有機質(zhì)含量降低、有機碳流失，使土壤生態(tài)系統(tǒng)不堪重負[50]。

隨著我國三胎政策的放開，中國人口必然會持續(xù)上漲[45]，為保證中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，提出如下建議：①縮減無機肥料的生產(chǎn)，在無害化基礎上生產(chǎn)可再生肥料，防止土壤負載運作，隨著科技的不斷發(fā)展，諸多問題和不足將會逐步得到解決。②開發(fā)綠色有機肥料(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，也保留住了土壤中的養(yǎng)分。③提高環(huán)保意識。肥料在我國已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但不少農(nóng)戶未充分認識到綠色肥料在改善土壤碳固定和碳排放、促進作物生長、提高作物品質(zhì)等方面的重要作用，加強綠色肥料相關知識的科普宣傳教育，幫助他們掌握合理科學的施肥方法，爭取在政務、地方與個人的共同努力下，在2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標。