“雙碳”目標下農業生態系統中有機肥施用的若干探討綜述

周宣杰，陳佳杰，陳欣，唐建軍*

(1.浙江大學 生命科學學院生態學系，浙江 杭州 310058：2.桐鄉市崇福鎮農業經濟服務中心，浙江 桐鄉 314511)

在全球變暖等環境問題的驅動下，減排溫室氣體、增加碳固存的低碳生產和低碳生活成為當下包括中國在內的國際社會持續關注的熱點。世界各國紛紛為本國劃定了碳中和的時間進程。中國政府也向全世界莊嚴承諾，中國將通過政府、企業及個人等一系列的共同努力，爭取在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和，即“雙碳規劃”。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)認為，人類活動是增加大氣中溫室氣體濃度、導致溫室效應的主要原因之一，而其中農業生產活動的溫室氣體排放量占全球總量的1/3以上。聯合國環境規劃署也指出，人為排放的CH4有40%來自農糧系統。中國是農業大國，農業生產是我國除能源消耗和工業外最大的溫室氣體排放源[1]。故如何穩步推進低碳農業的發展，成為當下“雙碳”規劃中迫在眉睫的重大任務。工業時代化學肥料的發明使得人類能夠在作物養分管理上突破自然要素的限制，為高產農業帶來物質基礎，但隨之引發了諸多環境問題，如在化肥生產端和儲運過程中的耗能排碳，化肥當季利用率低下所導致的養分流失與水體富營養化，以及使用過程中增加的溫室氣體排放。作為“綠色肥料”的有機肥，不僅可以通過種養結合重新利用生產生活過程中的生物質廢物進行循環利用，降低生產端的碳排放，還可以通過增加土壤有機質等過程實現土壤固碳，實現土壤與植物間的養分循環，推動農業產業綠色發展及助力“雙碳”目標的實現[2]。

1 有機肥料在發展低碳農業中的作用

中央農村工作會議提出，要發展生態低碳農業。發展以資源利用集約化、化學品投入減量化、廢棄物資源化、產業模式生態化為特征的生態低碳農業，正成為中國農業發展的一個重要走向[3]。農業生產中有機肥的使用，在資源利用與環境友好方面，適應了低碳農業的發展需求。

1.1 提高資源利用，降低生產能耗

有機肥料的生產，常以農作物秸稈、畜禽糞便等農業有機廢棄物為主要原料。這些農業廢棄物主要來自種植業和畜牧業，數量龐大，我國每年產生秸稈量近9億t，產生的畜禽糞污達38億t，但這些廢棄物的綜合利用率不到60%[4]。研究指出，從國家層面上大力發展有機肥能夠相應地帶動農業廢棄物的資源化規范與利用。丹麥規定，至少有40%～50%的畜禽糞便需要進入循環利用；法國要求，污水和糞便須經處理后方可作為糞肥施到農田[5]。這些措施既能有效緩解農業廢棄物污染，并使其得到再次利用，又能為有機肥的生產提供穩定的原料供應，從而兼顧經濟效益、生態環境效益和社會效益[6]，促進農業資源的循環利用和循環農業的實踐。

發展有機肥產業除了可以“變廢為寶”外，還可以降低能耗。相比化工領域的化肥生產中每kg化肥需要消耗煤3.44 kg、天然氣2.220 m3、油1.78 kg、電1.8 kW·h的高能耗，有機肥料生產過程中的能耗則要少得多，若采用自動堆肥工藝，涉及的機械設備只有翻拋機、鼓風機、粉碎機等，生產每噸有機肥料僅消耗柴油0.95 L、耗電155 kW·h，其油、電的能耗僅占化肥生產的3%和18%[7]。因此，有機肥生產過程對于化石能源的依賴程度顯著低于化肥，從而能夠進行大規模的低碳生產。

1.2 改善土壤生態，保持環境友好

有機肥含有豐富的有機質、氨基酸、蛋白質等有機養分，同時也含有氮、磷、鉀等無機養分[8]，長期使用明顯增加土壤有機質與營養元素含量。季佳鵬等[9]發現，在秸稈歸田條件下，以有機肥(畜肥)替代20%化肥施用量，與施加化肥處理相比，土壤有機碳、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了13.0%、18.5%、34.2%和18.5%，而玉米產量連續2 a增產5.6%和20.8%。大量研究表明，長期施加有機肥對于土壤理化性質會產生顯著影響，如中和土壤酸度、提高土壤孔隙度和團聚體含量[10]、降低土壤容重[11]等，有效改善土壤結構。張玉蘭等[12]研究指出，土壤有機碳脂肪族碳組分越多，芳構化程度越高，有機碳與無機微粒的結合能力就越強，越有利于土壤團聚體的形成。施加有機肥的實驗結果證實了這個規律，即長期施加有機肥或與化肥配施有機肥后，土壤團聚顆粒含量和直徑顯著提升[10]。

土壤環境與土壤微生物區系之間的關系密切而復雜，學界一直在強化土壤微生物作為印證土壤健康程度生物學指標的重要性。隨著有機肥對土壤環境的生態修復，土壤微生物的生存環境也隨之發生了改變，微生物生態系統也得以發生有益變化。大量研究表明，有機肥較化肥更能增加土壤微生物群落的多樣性[13]，因為有機肥施用通過改變土壤pH值、養分含量、團聚結構、酶活性等環境因素影響土壤微生物群落結構和功能特性[14]。已有研究證明，土壤鹽分含量常與土壤微生物的α多樣性呈負相關關系，而施用牛糞則能改善土壤鹽漬化現象；由于土壤鹽度的改善，使得土壤細菌的生物多樣性增加，從而進一步對土壤生態系統的服務功能起到改善作用[15]。

2 有機肥施用在低碳農業發展中的弊端

雖然有機肥施用是肥料領域的當前低碳化發展的一個重要解決方案，但是由于有效養分含量問題、施用成本問題以及施用本身可能誘發的面源污染問題，全面普及推廣有機肥在現實層面上仍面臨不小的挑戰。

2.1 有效養分含量及肥效穩定性問題

盡管有機肥含有大量有機質成分，但礦化分解后所含有的養分含量，相較化肥而言，卻是較低的。以含氮量作對比，有機肥中除了個別餅肥、人畜糞外，含氮量一般不超過3%；在通常情況下，多數堆肥的含氮量一般不超過1%，豬、羊、牛等糞肥含氮量不超過1.5%，而常見的化學氮肥含氮量則基本上在15%以上，商品尿素含氮量一般在45%以上。如果有機肥使用量低，則增產效果有限。唐繼偉等[16]在比較黃淮海小麥主產區化肥和有機肥施用對小麥增產效果時發現，盡管有機肥和化肥施用均對小麥產量具有顯著的提升效果，但在低施肥量下，化肥對小麥的增產效果優于有機肥，而只有當施肥量足夠高，到達作物養分吸收上限時，有機肥與化肥的增產效果才基本一致。一般而言，南方稻田7.5 t·hm-2稻谷產量水平時，平均氮素施用量為0.2 t·hm-2左右能基本滿足作物生長的氮素需要，可補充收獲稻谷而帶走的氮素，而有機肥施用量一般要在15～22.5 t·hm-2。

由于肥源和生產工藝存在差異，導致有機肥養分含量及肥效往往不穩定，從而使得商品有機肥質量不能保持穩定，生產廠家往往都只能給出一個最低養分閾值。這樣常使得生產上使用者難以精確把握用量和養分礦化過程，影響肥效。

2.2 儲運和施用成本問題

我國目前之所以尚無法大面積推廣有機肥，另一個關鍵原因在于它的施用成本(特別是運輸和施用的勞動力成本)。相較化肥的簡單高效而言，施用有機肥明顯費工、費時，不符合當今農村勞動力緊張的實際需要。以滿足作物生長所需養分為前提，單位面積有機肥施肥數量要遠高于化肥。雖然有機肥的來源廣泛，也可以直接施用農業廢棄物來實現低成本施肥，但未處理的肥料往往無法達到施肥目的且可能造成面源污染，另外腐熟不完全或未腐熟的有機肥施入土壤中會造成作物燒苗燒根、種子不發芽、增加作物病蟲害的發生等危害[17]。因此，實際農業使用中的有機肥已經完成了消殺、發酵、顆?；裙に囂幚韀18]，但附加的工藝也意味著額外的成本投入，這無疑會增加農業經營者的總成本。目前，國內精制的有機肥市場售價大致為每噸800～1 200元，有機無機混合肥市場售價大致在每噸 900～2 300元，針對性地改善土壤性狀的專用肥料產品市場售價則可能每噸高達3 000元以上[19]。雖然有機肥單價低于化肥，但因其投入量大，以滿足作物生長需要有效養分為標準，單是有機肥購買成本就高出化肥近4倍[7]。

和施用化肥相比，有機肥施用數量明顯巨大。將其轉移至田間地頭并在田間均勻施肥，十分費工費時費力，南方山區農田機械化程度又非常有限，這無疑會大大增加運輸成本和撒施勞動力成本，這些勞動力成本的支出進一步拉大了兩個施肥模式投入成本的差距。這樣一來，雖然有機肥擁有養分全面、涵養土壤、改善整體肥力等優勢，但成本高居不下始終是有機肥進入生產的重要制約因素，在勞動力成本不斷上漲的當下更是如此。此外，我國常見有機肥肥源空間分布不均，像東北、華北地區的秸稈產生量大于利用量，秸稈資源密度顯著高于全國水平，即出現了秸稈過剩的情況，而我國南方區域的秸稈密度則普遍低于全國平均水平。這種肥源空間分布不均的情況也進一步導致不同區域的有機肥施用成本存在差異，也明顯阻止了有機肥的應用推廣。

2.3 潛在污染問題

商品有機肥主要由畜禽糞便和農業生物廢棄物轉化而成。其成分除含有營養元素外，還極有可能含有污染組分[20]。隨著新型復合功能型飼料中飼料添加劑和抗生素的大量使用，畜禽糞便的成分、性質等發生了較大改變，導致由此制備成的有機肥普遍呈現重金屬和抗生素殘留的特點。大量研究表明，有機肥特別是畜肥有重金屬含量超標的現象。據浙江省2014—2016年對有機肥商品抽查結果顯示，不合格產品中，重金屬指標不符是主要原因[21]。海南省抽檢樣品近一半商品有機肥存在 Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、As、Hg 7種重金屬超標[22]。長期大量施用重金屬含量超標的有機肥會造成重金屬在土壤中的積累，進而轉入食物鏈，引發農產品的安全和環境污染風險。夏文建等[23]開展的長期定位試驗發現，施用中、高量有機肥會顯著提高土壤Cr、As和Fe有效態含量。有機肥替代化肥的施用，使得土壤和果蔬中可食用部分重金屬積累顯著提高[24]。

除了引發傳統重金屬污染風險外，有機肥中可能含有的抗生素，對人類的健康與環境安全同樣構成嚴重的威脅?？股啬壳耙呀涀鳛樾滦臀廴疚锏囊环N，被我國列入《重點管控新污染物清單(2023年版)》。長期大量施用抗生素的危害主要會加速環境微生物的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)的產生與傳播，誘導抗生素抗性細菌(antibiotic-resistant bacteria，ARB)的出現[25-26]。ARGs進入土壤環境的主要途徑之一便是有機肥施用。之所以有機肥會影響土壤ARGs，主要因為有機肥自身富含營養物質，使得土壤原有ARB得以增殖；而且有機肥含有的抗生素也為土壤細菌提供了選擇壓，促進ARB形成；加上有機肥中可能自帶的ARB遷移至土壤中，從而導致施用土壤的ARGs豐度升高。在施用有機肥土壤和畜禽養殖場土壤中普遍檢出了多種ARGs和可移動基因片段(mobile genetic elements，MGEs)，這些結果國內外均有報道[27]。

3 有機肥施用介入土壤碳氮循環的過程

土壤是陸地生態系統的最大碳庫，其碳儲量約為大氣碳庫的3.3倍[28]。土壤碳庫的微小變化可導致大氣中CO2濃度的較大波動[29-30]。通過農作措施的改進，增加農田土壤碳庫容量(即增加碳固存)，對于減少碳排放、緩解全球氣候危機具有極其重要的現實意義。與周轉周期較長的森林生態系統以及較少受到人類活動擾動的濕地生態系統相比，農業生態系統中碳循環周期相對較短。據統計，農業僅有10%的碳會長久地保存在各種農產品和土壤中，很多生物質碳會因為生物質的分解很快重新回歸大氣。農業生態系統碳匯潛力巨大，但如何開發是一個亟須解決的問題，而配施有機肥提供了一個可以嘗試的實踐通道。有機肥在長時間施用后，會對土壤的養分循環造成不可忽視的影響，對土壤保肥與供肥能起到積極作用。在不同環境中，有機肥也有可能成為土壤產生溫室氣體的催化劑。因此，需要對其進行長期追蹤以防止大量土壤碳、氮的流失。農業生態系統的碳排放強度和碳固持能力正成為農業“雙碳”問題的重要切入點，也正引起農業生態學家的高度關注[31]。

3.1 施用有機肥對土壤碳固存的影響

定位試驗分析結果指出，有機肥和無機肥的配合施用可提升農田土壤有機碳(SOC)含量[32]。研究發現，有機肥的配施對提高SOC含量有顯著效果，并進一步實現土壤固碳。水稻土長期試驗表明，相較于無機肥對SOC含量的有限提升效果，“無機肥+綠肥”或“無機肥+綠肥+豬糞”的配合施肥對提高SOC含量影響非常顯著[33]。趙永存等[34]利用全國95個水稻土長期施肥和秸稈還田試驗、102個旱地長期施肥試驗以及157個農田保護性耕作試驗結果完成的Meta分析表明，氮、磷、鉀配施有機肥的固碳速率可達(0.3±0.04)g·kg-1·a-1，遠高于未施肥或是單施化肥的結果。

當有機肥施用后，大量有機物料進入土壤耕層，使得土壤有機碳水平整體提高。雖然有機肥的固碳優勢顯著，可以以碳源的形式向土壤輸入，但這種土壤固碳實際上是一種輸入輸出此消彼長的動態過程。有機肥中的碳具有自身活躍、易于轉化的屬性，這種類型的有機碳一般被稱為營養型有機碳，能夠作為土壤生物(尤其是土壤微生物)的營養物質被很快地分解轉化，在礦化作用下釋放出CO2和礦質養分，從而造成有機肥有機碳的流失[35]。當然，土壤中營養型有機碳也會轉化為穩定型有機碳，與土壤顆粒緊密結合，難以礦化分解，從而增加土壤中穩定的碳儲存(圖1)。

圖1 有機肥施用對土壤生態系統碳、氮循環的影響

SOC含量可視為動態平衡系統中固定和流失兩個過程間的平衡樞紐和指示器。當輸入的有機碳固定量大于流失量，則SOC上升直至平衡，實現固碳效果；反之，則可能導致SOC下降。但這并不意味著有機肥施用多多益善，過高有機肥投入量下，極易打破SOC的平衡。由于養分充足，使得微生物活性群落水平上升，礦化強度也隨之大幅增加，導致大量有機質無法固定而流失，并可能對土壤原先的穩定有機碳造成影響。一般在長期施肥條件下，SOC含量會最終趨于穩定，不再因外源碳輸入而增加。

3.2 施用有機肥對農田系統溫室氣體排放的影響

施用有機肥可提高土壤肥力，增加作物產量，促進土壤固碳。但是，不合理的施用也會引起一系列環境問題。過量施用有機肥料可導致土壤大量排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體[36-37]。像一些自身含有大量有機質、氮、水分的畜禽糞便，其在堆肥和儲存期間會損失大量的碳、氮，同時還會釋放大量碳、氮類溫室氣體[35]。

CO2是最重要的溫室氣體。大量研究表明，有機肥施用會顯著促進土壤排放CO2[38]。首先，有機肥的施用增加了SOC含量，尤其是易于轉化的營養性有機碳，促進土壤微生物呼吸產生更多的CO2；其次，有機肥的施用可使土壤總孔隙度增加，能促使土壤中CO2的擴散和釋放；加之有機肥中的營養物質增強了土壤微生物的活性，進而促進了土壤呼吸，影響了CO2通量[39]。

CH4的排放主要來自于產甲烷菌的作用。這個過程需要厭氧的還原環境。在旱地耕作環境中，秸稈還田能夠促進土壤呼吸作用，增加 CO2的排放，而在水田環境則主要轉化為CH4向空氣中逸出[40]。研究發現，施用作物秸稈、畜禽糞便、堆肥、沼渣等有機肥，稻田的CH4排放量均有增加，但不同有機肥對CH4的影響程度不同，在施用秸稈條件下農田CH4的排放量顯著高于其他組別。

土壤氮素形態的轉化途徑有兩條：好氧條件下的硝化過程；厭氧環境下的反硝化過程。兩條途徑都會排放溫室氣體N2O，從而成為了農田系統氮氧化物的主要排放源。當有機肥(主要是畜肥)施用在田間時，則會對土壤理化結構以及土壤微生物產生影響，進而影響溫室氣體排放。Huang等[41]研究發現，有機肥(牛糞)替代化肥情況下，N2O排放量與僅施用化肥相比，增加了122%～203%，并使得一些反硝化細菌類型豐度降低，并認為這正是由于施用牛糞抑制了土壤反硝化菌群，從而促使N2O排放增加。但也有研究顯示，在施加像綠肥、油菜籽餅等非糞肥型有機肥后，則能夠有效降低N2O排放[42]。這表明，所施用的有機肥種類對農田土壤溫室氣體排放影響存在顯著差異。張楠等[43]也發現，在黑土地固碳培肥過程的不同階段，不同種類有機肥對N2O排放的影響存在顯著差異，而且有機肥的組分特征是其中的關鍵因素。

3.3 有機肥的養分循環

農業生態系統的養分循環利用對土壤養分涵養與肥力保持起到重要作用。張璐等[44]研究發現，經過長達12 a的養分循環再利用，耕層土壤有機碳、氮含量得到顯著提高，土壤肥力狀況明顯改善。農田土壤管理實踐中，最理想的養分循環情形應該是農田系統在養分自給自足的內循環條件下實現高產。但由于不同的農業經營措施導致歸還農田的有機物料數量、方式和速率發生改變，從而形成了不同的養分循環途徑。邢力等[45]發現，施用有機糞肥可改進土壤的供肥能力，秸稈直接還田可改進土壤保肥能力。以中國為例，20世紀40—50年代，農業經營模式以有機農業為主，養分通過人畜過腹歸田，基本實現養分在農田生態系統內部循環再利用；20世紀60—70年代，化肥使用開始興起，施肥模式以化肥與圈肥相結合為主，農業經營模式變為有機、無機結合，農田系統仍能實現養分的循環再利用；進入20世紀80年代，石油農業迅速崛起，化肥開始成為農業生產施肥主品；而到了20世紀90年代末期，秸稈還田措施開始實施，中國農業轉型成為“化肥+秸稈還田”的現代農業經營模式[45]。2010年以后，基于避免秸稈焚燒導致大氣污染而推行的秸稈歸田政策得到強力推進，向農田投放的有機物料在土壤肥力保持與有機質含量提升方面起到了顯著的作用。吳曉晨等[46]對不同施肥措施進行元素示蹤手段研究發現，實施秸稈歸田的措施后，農田系統中氮循環率普遍高于75%，而未實施的組別則在40%以下，而其他的P、K元素亦反映出類似的結果。

4 有機肥助力低碳農業發展的未來展望

我國有機肥資源豐富，但有機肥產業整體存在生產企業規模小、農戶施肥意識不強、成本較高和產品質量不一及使用機械化普及程度不夠等問題[47]。因此，有必要對有機肥產業從整體上進行全方位多層次的改進。

(1)嚴格執行有機肥生產的相關法律法規和技術規范，從有機肥生產源頭抓起，實現有機肥生產的規范化、循環化和產業化。在有機肥產業上，需要通過政府積極參與，整合現有土壤耕地整治、環保獎懲等有關資金，加大財政扶持；制定相關政策，加大對有機肥料生產企業的優惠措施，引導有機肥料工廠化[48]，推動有機肥市場繁盛。同時鼓勵企業聯合科研機構攻克有機肥生產中存在的痛點問題，并及時對新型技術轉化應用，提升有機肥質量與生產效率，從而降低生產流程中尤其是有機肥發酵階段的能耗。目前我國在復合菌劑方面研究進展顯著，許多復合菌劑在堆肥過程使用中，腐熟更為徹底，原料中營養物質分解效率更高，同時還兼具制備方法簡易、成本低廉、分散性較好等優點，可以很好適應工業化生產[49-50]。

在有機物料循環化利用方面，要大力推廣農業固廢資源化。鼓勵農戶和養殖場合理處理農業廢棄物，引導有機肥生產企業充分利用秸稈、畜禽糞污為原料。同時，為了減少有機肥原料在儲運過程中不必要的損失浪費，建議企業采用“就地生產，就地施用”的方法，通過田間就地堆肥或是就近設置堆肥場地低成本實現其無害化處理與資源化利用，并不斷強化堆肥模式推動農業廢棄物高效返田。

在有機肥規范化上，需要制定更詳細的行業規范和更完善的抽樣模式，將新型污染物的檢測也納入到有機肥質量標準中，同時盡量杜絕使用污染物超標的有機肥原料，從而保障有機肥產品的質量。

(2)注重有機肥施用方法革新，實現精準化與多效化施肥的目標。要實現精準化施肥，需要對目標農田區域的土質情況開展檢測。推進測土施肥技術，能促進肥料利用效率的大幅提高，實現能源節約，推動農業生產技術向環境友好型轉型[51]。我國一直在推廣測土配方施肥技術，但由于檢測手段復雜，數據計算復雜，普及程度難以提升。隨著“互聯網+”技術興起，測土施肥技術開始與網絡、大數據以及GIS系統相結合。農戶只需用手機APP，通過GPS定位就能直接得到當地土壤養分狀況，并得到施肥建議。這一技術融合既簡化了以往繁雜的測土施肥流程，又實現了精準施肥[52]，提高了施肥效率，并最大限度地減少由于侵蝕、淋溶和揮發等引起的養分損失，以及施肥引起的溫室氣體排放。

要實現多效化施肥，需要盡量用復合肥代替單一化肥或有機肥。長期定位施肥實驗發現，有機、無機結合處理的作物能夠長期處于較高產量，且有機肥與化肥均表現出持續提高土壤有機碳、氮含量效果，但有機肥效果明顯優于化肥[53]，所以在修復土壤時，所施用的復合肥中可以調高有機肥比例。因而合理的有機肥、無機肥配施比例，既可以實現對作物產量的提升，又能實現對土壤肥力的恢復以及溫室氣體排放的降低，盡可能減少過量施肥所帶來的弊端。

(3)將有機肥納入到農業碳排放監測體系，長期監管有機肥使用后的農田環境。在統計認證各類生產過程中溫室氣體排放總量方面，碳足跡的概念已經得到了廣泛應用，而在農業生產的碳足跡計算研究中，對于農田直接產生的碳排放核算中往往重視化肥卻輕視有機肥和相關農業廢棄物[54]。隨著有機肥的推廣，農作物生產碳足跡中有機肥的比例也會相應提升，因此，建立對農田溫室氣體排放的監測系統，在核算中考慮有機肥生產、包裝、存儲、分配的碳排放系數，進一步統計有機肥施用對農田的固碳效果，可以準確合理地估算農村碳排放量，為低碳農業發展規劃提供決策參考，從而制定合理的碳減排量。

(4)發揮市場與政府協同作用，有效調控農業系統碳排放。市場機制方面，我國可以學習美國經驗，采取建設農業生態銀行的方式，由銀行將農業生態信用出售至氣體排放超標的主體[55]，為農業碳排放調控項目提供資金，以解決有機肥普及的資金難題。還能在銷售環節，通過農產品設置碳標簽的形式，幫助消費者直觀地了解產品生產使用過程中碳排放量的方式，一些長期施用有機肥的農產品可以獲得綠色認證，從而引導消費者選用更為綠色的商品，在消費源頭上降低碳排放[56]。政府方面，通過出臺相關法規政策實現碳調控。我國在2015年和2022年分別出臺《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《農業農村減排固碳實施方案》等政策，對農業碳排放進行規范引導。另外，政府還可以輔之引導有機生態農業發展的相關經濟政策，包括生態補償、綠色補貼政策、項目基金扶持、減稅、免稅、貼息、政府補助等多種經濟支撐手段，進一步為低碳有機肥的發展鋪平道路。