簡述腐植酸在土壤和肥料“碳達峰”“碳中和”中的作用

陳柏楊 劉 陽 馬獻發(fā) 劉丹陽 許連周 王 琪

東北農業(yè)大學資源與環(huán)境學院 哈爾濱 150030

2021 年全國“兩會”，“碳達峰”“碳中和”備受關注。為應對氣候變化，我國提出“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”等莊嚴的目標承諾[1]。

目前，為應對全球氣候變暖現(xiàn)象，“碳達峰”“碳中和”已經(jīng)發(fā)展成為全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢。地球碳循環(huán)中，腐植酸算一環(huán)[2]。生物圈碳庫中，土壤碳庫最大[3]。土壤碳庫中，腐植酸最大[4]。想要解決土壤儲碳控碳問題，就一定離不開腐植酸[5]。穩(wěn)定土壤碳庫時，肥料投放的影響是最大的。穩(wěn)定和補充土壤碳庫，腐植酸低碳肥料優(yōu)勢明顯[6]。20多年的時間，中國一直在開展“維土革命”[7]、“凈土潔食工程”[8]、“培育土壤肥力產業(yè)”[9]，倡導“兩機互補”[10]、“黑白交慧”[10]、“兩個最大”[10]、“三化效應”[11]、“土肥和諧”[11]等理論，提出“土壤氣候變化”[11]問題，直至推進“雙碳目標”實現(xiàn)，一直走在“讓腐植酸從土壤中來到土壤中去”的反哺路線上，初心始終不改。嚴格來說，要穩(wěn)定土壤碳庫首先必須穩(wěn)定土壤腐植酸，否則土壤碳平衡無從談起[12]。

土壤對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，是實現(xiàn)“碳中和”目標的重要補充途徑[13]。中國腐植酸工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《關于大力發(fā)展腐植酸低碳肥料加快開展“土壤碳中和”行動的通知》中指出，加快推進化肥減量化是“土壤碳中和”的第一要務；加大腐植酸低碳肥料投放是“土壤碳中和”的主戰(zhàn)場[14]；創(chuàng)新腐植酸低碳肥料是“土壤碳中和”的行動指南。

1 腐植酸的特性

腐植酸是一類大分子有機物質，廣泛存在于自然界當中，是動植物的遺骸，經(jīng)過微生物的分解以及轉化而形成的。腐植酸來源主要有礦物質來源和潔凈的生物質來源2 種。

腐植酸的自身結構相對比較復雜，包含著多種元素，正是因為構成部分的復雜性使其廣泛應用于農林牧、石油、化工、建材、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等各個領域[15]。特別是在如今提倡生態(tài)農業(yè)建設、無公害農業(yè)生產、綠色食品、無污染環(huán)保產品等的關鍵時刻，更使腐植酸備受推崇，可以說人類的生活和生存都與腐植酸息息相關[16]。腐植酸肥料不僅可以有效改善土壤結構，在其生產和使用過程中還能減少能源消耗以及抑制二氧化碳的排放。

2 腐植酸對實現(xiàn)“雙碳目標”的作用

2.1 直接作用

2.1.1 利用工業(yè)化腐植酸補充土壤碳庫

地球是一個復雜生態(tài)系統(tǒng)，由太陽提供能量完成在無機環(huán)境與生命體間的物質循環(huán)和能量的遷移轉化。碳循環(huán)是物質循環(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。陸地土壤中的有機碳占生物圈總碳的85%左右，而腐植酸類物質碳又占生物圈有機碳的三分之二[17]。有研究發(fā)現(xiàn)，從煤炭中提取的腐植酸的物理化學性質和土壤腐植酸非常相似，并且有著相同的應用特性[18]，并且我國有豐富的煤炭腐植酸資源，比如褐煤、風化煤、泥炭等超過2000 億噸[9]。所以利用工業(yè)提取的來自煤炭的腐植酸，通過腐植酸低碳肥料反哺土壤腐植酸，構筑“土肥和諧”新關系，是最直接、快速的儲碳方式[19]。

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

2.1.2 利用生物質生產腐植酸

利用工農業(yè)廢料生產腐植酸節(jié)能減排。除了采用煤質原料等非再生資源為原料制造腐植酸產品，還可利用各種廢料，如秸桿、樹葉、草類、木屑等農業(yè)廢棄物，制取味精、酒精的廢液等工業(yè)廢棄物作為生產腐植酸的原料。模擬自然界將植物殘體轉化為腐植酸的過程，讓這些原料經(jīng)過微生物發(fā)酵，轉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廢棄物也能利用起來，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變廢為寶，生產液肥或生化腐植酸肥的好原料[21]。因此，各種腐植酸的開發(fā)和利用，是我國綠色環(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，既開辟了資源又保護了環(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（圖2）[23]，如酚羥基、烯醇基、磺酸基、醌基、甲氧基等，這些功能團決定了其酸性、親水性、離子交換性、絡合能力及吸附能力[24]。當腐植酸搭配尿素施用可以通過影響脲酶活性而改變氨的釋放，以達到抑制硝化細菌活性，進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、羧基等陰離子會與酸根共同競爭土壤膠體表面的吸附位點，從而減少土壤團粒對磷素的吸附，以提高土壤中磷酸鹽的有效性[26]；當在鉀肥中配施腐植酸時，腐植酸會結合土壤中的鉀離子，增強鉀離子抵抗土壤吸附的能力[27]，減少肥料的浪費（圖3）[23]。在保持作物產量不變的前提下，施用腐植酸肥料可以減少化肥用量達到減排目的。經(jīng)過施用化肥碳排放與節(jié)能計算、綠色植物吸收碳的計算、硫和氮的排放計算證明，施用1 kg 腐植酸，可節(jié)能約6.25×104kJ，相應減少排放二氧化碳5.6 kg，二氧化硫0.09 kg 和二氧化氮0.7 kg[28]。按照2021 年我國化肥產量為5446 萬噸（折純量）[29]，如果全部使用腐植酸肥料（腐植酸含量按5%計算），可節(jié)能約1.70×1014kJ，折544.60 萬噸標煤，相應減少二氧化碳排放1564.39 萬噸、二氧化硫排放25.15 萬噸、二氧化氮排放195.55 萬噸。除此之外，腐植酸肥料在快速培肥土壤、提高土壤有機質、改良土壤結構、降低重金屬的活性和減輕污染方面也有比較不錯的效果。因此，加大力度宣傳和科普腐植酸、腐植酸肥料，加大其推廣應用范圍，進而減少碳排放，保護環(huán)境。

圖2 腐植酸結構模型[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碳

腐植酸、腐植酸肥料的施用可刺激一些酶的活性，維持細胞的滲透壓，縮小葉片氣孔開張度，降低作物蒸騰，改善作物體內水分狀況，提高作物抗旱能力[30，31]。腐植酸作為一種活性物質，它還可以與無機養(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，有效彌補作物生育因子（光、水、空氣、養(yǎng)分等）脅迫使其有效生長[32]。同時能夠增強作物呼吸強度和光合強度，加快氨基酸、蛋白質、碳水化合物等的合成，促進作物的生長發(fā)育，進而提高作物產量和品質。腐植酸肥料使耕地有機質含量得到提升，在相同的施氮量的情況下，腐植酸肥料對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，通過改善土壤環(huán)境，增強作物的抵抗能力，大大提高作物產量和品質。

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，另一方面促進了作物的生長發(fā)育（促進作物根系長度和數(shù)量的增加[33]），增強作物光合作用，促進作物對營養(yǎng)元素的吸收。腐植酸在提高作物產量和品質的同時，提高了化肥利用率，間接地降低了農業(yè)中對化肥與農藥的需求量，一定程度上解決了傳統(tǒng)農業(yè)結構不合理的局限性問題，而高品質的農產品是實現(xiàn)從原料上控制食品安全生產與加工的基礎，從國家糧食安全角度，腐植酸助力了農業(yè)綠色發(fā)展，符合新階段里農業(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用中，最重要的是它能夠改善土壤的物理性質[34]。腐植酸的膠體化學性質，使其可與鐵鋁磷酸鹽、土壤中微生物分泌物、磷酸鹽等物質膠結形成團聚體，增加土壤保水保肥通氣性，土壤大于0.25 mm 的水穩(wěn)性微團聚體得到顯著提升，砂質紅壤土增加約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，再通過一些后續(xù)的操作，如可以添加相關的保水劑、肥料等，還能夠增強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，還可以通過自身與土壤之間的相互反應完成陰離子陽離子的交換，降低土壤本身的pH 值[34]。據(jù)相關研究調查顯示，在土壤中添加了腐植酸后，土壤pH 值由原來的8.74 降至6.91，降低了1.83 個單位[39]。若靈活運用腐植酸、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，腐植酸通過促進土壤團粒結構形成、提高土壤通透性、調節(jié)土壤酸堿性等方面，改善了土壤理化性質，保障農業(yè)土壤環(huán)境安全、生態(tài)安全，滿足綠色農產品的生產需求，符合綠色低碳農業(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在一定程度上，是有效反映土壤質量的可靠指標[40]。腐植酸可以與生物炭配合使用，它們有累積效應，對土壤微生物量、碳、氮、磷的增長幅度更大[41]。目前，我國許多發(fā)展工業(yè)的區(qū)域，它們不達標的污水排放造成的水資源污染對周圍土地中的微生物造成了極為嚴重的影響。如合理運用腐植酸，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養(yǎng)，改善作物根際環(huán)境，促進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，達到低碳減排的目的。

3 小結及展望

腐植酸從生產開始，到從礦物提取反哺土壤、以工農業(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、作物增綠儲碳。因此，為了我國能夠成功實現(xiàn)“雙碳目標”，要加快推進腐植酸行業(yè)高質量發(fā)展的步伐。

目前，農戶對腐植酸、腐植酸肥料作用機理知之甚少，腐植酸生產企業(yè)可深入生產前線，指導腐植酸類系列產品適量適時應用于農業(yè)生產。除此之外，還可通過自媒體、國家權威媒體等平臺，利用通俗易懂、引人入勝的情景案例來科普知識，廣泛開展多種形式的宣傳。相關科研院所應該加強研究，在不同地區(qū)因地制宜，針對當?shù)氐耐寥篮妥魑镅邪l(fā)出相應的腐植酸產品，擴大其推廣應用。政府可減少腐植酸產品的稅收，通過制定腐植酸產品的品質標準，對品質越高的腐植酸產品稅收優(yōu)惠力度越大，促進更高質量腐植酸產品的研發(fā)生產；還可鼓勵大眾以投資入股等形式向當?shù)匕l(fā)展較好的腐植酸生產企業(yè)投入資金，或者對外招商拓寬資金來源渠道，擴大腐植酸生產企業(yè)的生產規(guī)模，以減少碳排放，助力實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標。