有機碳肥在作物生產上的應用研究進展

向清慧，肖漢乾，楊 坤，陳治鋒，吳晶晶，嚴倩萍，陳夢思，黃 杰，鄧小華*

（1湖南農業大學農學院，長沙 410128；2中國煙草總公司湖南省煙草公司，長沙 410004；3浙江中煙工業有限責任公司，杭州 310009；4中國煙葉總公司，北京 100055）

有機碳肥是指為作物提供有機質養分，富含小分子水溶有機碳的肥料，是近年來開發的新肥種。目前主要有三種生產有機碳肥的技術：第一種是以酒精、味精、酵母、蔗渣、秸稈等發酵工業廢液或生物質為原料，采用活化降解廢液提高有機碳產物活性；第二種是以中藥殘渣等生物質為原料，將有機物降解為高活性小分子有機碳；第三種是以褐煤為原料，通過加堿及微生物進行生化反應，生成水溶性高、生理活性高的腐植酸系列產品［1，2］。由于傳統有機肥的有機質作用緩慢，大部分短時間內無法溶于水，以礦化腐殖質形式存在，必須經過土壤中微生物長時間作用才能分解為水溶性碳，從而導致當季作物從傳統有機肥中吸收的有機營養非常少。而有機碳肥作為傳統有機肥的升級換替產品，其有效碳含量是普通有機肥的20倍左右［3］，可以被作物充分利用，加上含有氮磷鉀等所需元素，很大程度上減少了無機化肥的投入量，既彌補了傳統有機肥的不足和應用領域的局限性，又使土壤改良與作物高產優質同步，讓土地永續耕作變為可能。

一方面，有機碳肥中的水溶性小分子碳有水溶和速效的特點，在土壤中可被作物根系和微生物直接吸收利用，因而具有活化土壤微生物、改善土壤結構、促進作物根系生長、增強作物光合作用、提高作物抗逆性和化肥利用率等作用，使作物增產增質，在作物生產中應用前景廣闊。另一方面，有機碳肥還在環境保護上展現出極大魅力。針對化學農藥大量使用引起的食品安全問題和重金屬超標現象，合理應用有機碳肥可以解決部分問題，雖相關研究不多，但已成為未來研究方向之一。

1 施用有機碳肥對土壤環境的改良效果

1.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物多樣性反映出土壤中微生物的生態特征與功能。有機碳肥的施用，能促使土壤微生物大量繁殖，提高土壤透氣性，好氧菌成了優勢種群，進一步分解土壤中的有機質，代謝更多小分子有機碳物質，作物根系受刺激而更加強壯，根端釋放更多有機酸形成豐富的根際微生物圈，從而提高土壤肥力水平［4］。而良好的土壤微生物環境可促進作物對肥力的吸收，提高作物光合作用效率，促進碳水化合物的積累，從而促進作物生長。

1.2 對土壤結構的影響

土壤中的碳含量常被用來評價土壤質量，與土壤三大肥力緊密聯系。增加土壤碳的含量不但有助于農業生產的可持續發展，而且對整個地球生態系統的物質循環也有著至關重要的作用［5］。朱昌雄等［3］指出，施用有機碳肥后，土壤變疏松，可見土壤板結主要原因不是使用了化肥而是由于缺碳。研究發現，施用有機碳土壤調控劑與傳統化肥比較，鹽化潮土的容重、pH和重金屬離子Hg、Cd、Cr和Pb含量分別降低6.92%、0.46、16.21%、28.85%、15.74%和18.02%；土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和團聚體分別增加3.40、1.87、1.53和7.11個百分點；土壤總持水量、毛管持水量和非毛管持水量分別增加6.67%、6.67%和6.68%；土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀分別增加11.81%、1.78%、1.68%和0.28%［6］。

王越［7］研究了外源有機碳對土壤有機碳組分含量、土壤團聚體及土壤理化性質的影響，結果顯示，不同分子量級外源有機碳通過不同的方式改善土壤團聚體結構進而促進土壤有機碳固定，餐廚垃圾生物強化有機肥中各量級有機碳比例合理，能夠明顯提升土壤有機碳水平，增加土壤團聚體穩定性。He等［8］對不同施肥條件下土壤的結構分析發現，石油有機碳是土壤肥力的核心，土壤C與N之比、pH和黏土是土壤中有機碳存儲的主要因素，可通過長期施用有機碳肥來改變石油有機碳的化學結構，從而提高農業土壤碳匯能力。Zhou等［9］認為，施加肥料的種類對土壤有著很大的影響，就現在中國土地嚴重缺失碳營養而言，有機碳肥是最好的選擇，能直接有效地改善土壤的碳結構和含量。

可見，施用有機碳肥后顯著提高了土壤三大肥力，解決土壤酸化、鹽堿化等問題，改良土壤而產生綜合效應的作用［10］，為后續作物的生長發育提供良好的土壤環境。值得注意的是，使用有機碳肥改良土壤時，先要對基礎土壤有一個全面的了解，選擇適宜的有機碳肥種類，合理配施，才能取得較好的效果，使土地永續耕作。

2 施用有機碳肥對作物生長發育的影響

碳是17種必需營養元素之首，作物體內的含碳量范圍為24.95%～55.44%，平均為43.63%，在作物元素組成百分比中居首位，遠高于氮、磷、鉀等元素的總含量［11］。碳營養的重要性，關鍵在于它可提供構建作物體內各有機成分的必需成分——碳架（包括鏈狀、環狀的各類碳架），是作物合成糖類、蛋白質、氨基酸、酶、激素、信號傳遞物質的基礎物質［12］。已有研究顯示，除了CO2是作物的重要碳源外，水溶有機碳也是作物的另一重要碳源。可通過采取地補有機碳的措施，提高天補CO2效率，促進作物的生長發育。

2.1 對作物根系的影響

作物根系大小及其空間分布構型與作物對土壤養分的吸收能力密切相關［13，14］。根系的生長離不開碳元素，由于根系遠離枝葉，更加依賴土壤中碳源，保證土壤碳素充足十分必要。

王燕萍等［15］通過將餐廚剩料經分離、高溫發酵、滅菌等一系列工藝后形成的有機碳肥，使其作為稻作育秧基質，發現秧苗素質好，提高栽插質量，秧苗發根力強，早期發苗快，出苗早。

土壤中豐富的碳養分可促進根系發育，極大原因是有機碳肥的施入，影響了土壤中微生物的生長繁殖，直接優化了作物根際土壤，加上土壤結構疏松，減緩了根系生長阻力，根系速長，壯長。

2.2 對作物光合作用的影響

研究發現，施用有機碳肥的作物葉片寬厚，葉脈粗壯，葉色蔥翠有光澤，光合效率大大提高。柳沈輝等［16］認為，液態有機碳肥對培育3年生嘉寶果幼苗的葉綠素含量有明顯促進作用。吳家強等［17］研究表明，不減肥施用“烏金綠”和減肥施用“烏金綠”均能提高水稻葉綠素含量，增加有效穗數。

由于有機碳肥中的碳是有機態，無需通過光合作用進行有機轉化，以后續生化反應為起點，初始反應的光合能可節省下來用于后續反應中，制造其他必需生化物質（如酶、激素、信號傳遞物質等），促進作物更好生長［18］。

2.3 對作物地上部分生長發育的影響

作物地上部分生長發育所需養分一方面來自于根系的吸收，另一方面來自于綠色部分的光合作用。由于有機碳肥的施入，作物根系壯大，量多，從土壤中獲得的養分增加；作物光合作用變強，光合效率提高，經一系列生物化學反應產生豐富的光合產物，供作物地上部分的生長發育。

柳沈輝等［16］研究發現，利用液態有機碳肥培育3年生嘉寶果幼苗，對嘉寶果實生苗地上部生長量有一定的促進作用，以每盆施150mL有機碳效果最為顯著。另外，賴根偉等［19］研究發現，有機碳肥對香榧地徑、新梢生長的促生作用極顯著，同時大大減少其成本投入，提高種植效益。陳秀蓮等［20］通過搭配不同施肥方式，發現在常規施肥＋液態有機碳肥處理條件下的蕹菜株高、莖粗、單株鮮重均增加，產量比常規施肥＋等量清水增加8.6%，比常規施肥增產9.6%。

3 施用有機碳肥對作物抗逆能力的影響

作物在生長發育階段所需的碳元素在50%以上，作物缺碳，容易引起“亞健康”，出現敗根、黃化、早衰、花而不實、落葉落果等問題。當作物遇到弱光、澇、病蟲害等逆境，其體內的應對機制在抵御不良影響過程中會消耗大量的含碳化合物，如果碳供應不足則必然會減少抗逆信號物質的合成，從而降低作物的抗逆性。

3.1 對作物抗弱光性的影響

弱光制約作物的生長和高產。研究發現，在弱光條件下，水稻碳水化合物合成減弱，導致體內碳營養不足。噴施有機碳營養（α-酮戊二酸），為其體內補充碳源，促進了其對氮素的吸收及轉化，使水稻的碳、氮代謝更為協調，與CK相比，水稻生物量增幅高達33.12%［21］。

3.2 對作物抗澇性的影響

研究發現，解除淹澇脅迫并噴施有機碳營養后3 d，相對于CK，各有機碳營養處理對水稻葉片SOD活性提高效果顯著；解除淹澇后6 d時，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性較解除淹澇后3 d時基本保持上升，抗澇性持續提高［22］。

3.3 對作物抗病性的影響

一般來講，作物越瘦弱，生存環境營養成分越少，越易患病，及時提供碳營養是提高作物防病機能的重要措施。在實踐中發現，施入有機碳肥后，作物“缺素”病很少發生，而同塊地同種作物，只施復合肥的對照卻發生缺素病，這可能是因為僅施復合肥的土壤嚴重板結，土壤微生物減少，根際土壤氣體不循環，作物根系活動衰弱，吸收能力差，土壤中微量元素得不到有機酸作用，生物活性差，作物吸收不了微量元素［23］。

總而言之，有機碳肥可增強作物抗逆機能，當災害發生時，合理應用有機碳肥，能起到較好作用，但有機碳肥的作用機制尚未明確，仍需進一步研究。

4 施用有機碳肥提高肥料利用率

不合理的施肥能造成土壤障礙［24］，影響肥料利用率，但低肥料利用率的主要原因還在于缺碳。有機碳肥的施入，可使土壤的碳氮比和土壤腐殖酸含量增加，土壤中微生物在良好的繁殖條件下大量繁殖，提高了土壤的生物肥力，從而進一步提高了土壤中N、P、K等礦質營養元素的利用率。

研究丁香、紅瑞木、油松和白蠟4種植物在6個有機碳菌劑施用水平下的肥料利用率，發現普遍施用低濃度的有機碳菌劑（5 g／株）會提高肥料利用率［25］。另外，有機碳肥還可被加工成活化劑，對磷、鉀、鎂、鋅礦進行活化而生產促釋型磷、鉀、鎂、鋅肥料［26，27］。

當今國內外提出與肥料相關的平衡施肥、農產品高產優質、提高肥料利用率等重大問題與有機碳碳營養也有關系，即使在大田化肥施用量大的情況下，肥料中大部分養分仍未被利用，大田碳營養也基本是通過光合作用來補充，無法達到平衡施肥，從而導致資源浪費和農業成本增加，不利于現代農業的發展［28］。在今后作物生產上，需注重將有機碳肥和化肥合理配比混合施用來提高化肥利用率。

5 施用有機碳肥對作物產量和質量的影響

5.1 對作物產量的影響

目前，有機碳肥在許多作物的栽培上應用效果良好，在四季豆、西紅柿、苦瓜等蔬菜生產中應用，增產率超過50%［3］。劉保成等［29］在花生上試驗表明，在施用復合肥600 kg／hm2的基礎上，再配施有機碳肥600 kg／hm2，可以獲得較高的產量和最佳的經濟效益。王百順等［30］報道了有機碳肥可以有效提高玉米穗粒數和千粒重；施用有機碳肥450～600 kg／hm2較不施用有機碳肥的對照處理增產2522.39～2835.82 kg／hm2，增幅為24.74%～27.82%，增產效果顯著。

然而，有機碳肥用量需要正確把握，否則效果適得其反。據葛順峰［31］研究，隨著土壤C／N的逐漸增大，蘋果樹株高、莖粗和地上部干重指標均呈先增加后降低趨勢，當土壤C／N處于較高水平時（＞30）總硝化非常低，降低了肥料N的有效性，從而影響了植株生長。

5.2 對作物品質的影響

施用有機碳肥能完善作物生長和成熟的過程。研究發現，施用有機碳肥的黃瓜采摘后存放到16 d，掰斷還有脆感，而施用復合化肥的黃瓜，存放6 d掰斷已出現綿軟感［23］。

桂丕等［32］研究發現，在3種氮水平下，有機碳處理可使蕹菜葉片中水溶性碳占全碳的百分比（WC／TC）及水溶性氮占全氮的百分比（WN／TN）下降，表明外源有機碳可促進蕹菜碳氮的合成代謝，從而促進生長，改善品質。

土壤施用有機碳肥后，作物的產量和品質都有明顯提高。作物應用有機碳肥，能促進作物本身的強壯，“源庫流”體系不斷完善，干物質量大大增加，產量得到提高。同時，作物的抗逆能力增強，伴隨的損失減少，品質提高。

6 展望

綜上所述，雖然在部分農作物上應用有機碳肥后，作物產量和品質大大滿足人們的預期，但是，由于現階段進行的關于有機碳肥應用試驗較少，缺乏充足的經驗，設計較粗糙，不完善，主觀隨意性較強，不同農作物間的用量、與各種化肥的配比及不同液態有機碳肥的差異并不明確，無法斷言上述農作物使用種類、用量和用法為最合理，增產效果是最佳的。所以，如何在缺乏有機碳營養的情況下，選擇適宜類型的有機碳肥、平衡各種礦物質營養、合理分配施肥量是當前現代農業需要解決的重要問題。

產量和品質的提升在煙葉大田生產中是首要目標。目前關于在烤煙苗期施用有機碳肥能否影響烤煙產質量的研究甚少，但在其他農作物上有了一定的了解。因此，亟需系統深入開展烤煙苗期施用有機碳肥作用機理及效果研究，以為有針對性、科學有效地利用有機碳肥來提高煙葉產質量提供理論依據和技術支撐。