有机碳肥在作物生产上的应用研究进展

向清慧，肖汉乾，杨 坤，陈治锋，吴晶晶，严倩萍，陈梦思，黄 杰，邓小华*

（1湖南农业大学农学院，长沙 410128；2中国烟草总公司湖南省烟草公司，长沙 410004；3浙江中烟工业有限责任公司，杭州 310009；4中国烟叶总公司，北京 100055）

有机碳肥是指为作物提供有机质养分，富含小分子水溶有机碳的肥料，是近年来开发的新肥种。目前主要有三种生产有机碳肥的技术：第一种是以酒精、味精、酵母、蔗渣、秸秆等发酵工业废液或生物质为原料，采用活化降解废液提高有机碳产物活性；第二种是以中药残渣等生物质为原料，将有机物降解为高活性小分子有机碳；第三种是以褐煤为原料，通过加碱及微生物进行生化反应，生成水溶性高、生理活性高的腐植酸系列产品［1，2］。由于传统有机肥的有机质作用缓慢，大部分短时间内无法溶于水，以矿化腐殖质形式存在，必须经过土壤中微生物长时间作用才能分解为水溶性碳，从而导致当季作物从传统有机肥中吸收的有机营养非常少。而有机碳肥作为传统有机肥的升级换替产品，其有效碳含量是普通有机肥的20倍左右［3］，可以被作物充分利用，加上含有氮磷钾等所需元素，很大程度上减少了无机化肥的投入量，既弥补了传统有机肥的不足和应用领域的局限性，又使土壤改良与作物高产优质同步，让土地永续耕作变为可能。

一方面，有机碳肥中的水溶性小分子碳有水溶和速效的特点，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、改善土壤结构、促进作物根系生长、增强作物光合作用、提高作物抗逆性和化肥利用率等作用，使作物增产增质，在作物生产中应用前景广阔。另一方面，有机碳肥还在环境保护上展现出极大魅力。针对化学农药大量使用引起的食品安全问题和重金属超标现象，合理应用有机碳肥可以解决部分问题，虽相关研究不多，但已成为未来研究方向之一。

1 施用有机碳肥对土壤环境的改良效果

1.1 对土壤微生物的影响

土壤微生物多样性反映出土壤中微生物的生态特征与功能。有机碳肥的施用，能促使土壤微生物大量繁殖，提高土壤透气性，好氧菌成了优势种群，进一步分解土壤中的有机质，代谢更多小分子有机碳物质，作物根系受刺激而更加强壮，根端释放更多有机酸形成丰富的根际微生物圈，从而提高土壤肥力水平［4］。而良好的土壤微生物环境可促进作物对肥力的吸收，提高作物光合作用效率，促进碳水化合物的积累，从而促进作物生长。

1.2 对土壤结构的影响

土壤中的碳含量常被用来评价土壤质量，与土壤三大肥力紧密联系。增加土壤碳的含量不但有助于农业生产的可持续发展，而且对整个地球生态系统的物质循环也有着至关重要的作用［5］。朱昌雄等［3］指出，施用有机碳肥后，土壤变疏松，可见土壤板结主要原因不是使用了化肥而是由于缺碳。研究发现，施用有机碳土壤调控剂与传统化肥比较，盐化潮土的容重、pH和重金属离子Hg、Cd、Cr和Pb含量分别降低6.92%、0.46、16.21%、28.85%、15.74%和18.02%；土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和团聚体分别增加3.40、1.87、1.53和7.11个百分点；土壤总持水量、毛管持水量和非毛管持水量分别增加6.67%、6.67%和6.68%；土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分别增加11.81%、1.78%、1.68%和0.28%［6］。

王越［7］研究了外源有机碳对土壤有机碳组分含量、土壤团聚体及土壤理化性质的影响，结果显示，不同分子量级外源有机碳通过不同的方式改善土壤团聚体结构进而促进土壤有机碳固定，餐厨垃圾生物强化有机肥中各量级有机碳比例合理，能够明显提升土壤有机碳水平，增加土壤团聚体稳定性。He等［8］对不同施肥条件下土壤的结构分析发现，石油有机碳是土壤肥力的核心，土壤C与N之比、pH和黏土是土壤中有机碳存储的主要因素，可通过长期施用有机碳肥来改变石油有机碳的化学结构，从而提高农业土壤碳汇能力。Zhou等［9］认为，施加肥料的种类对土壤有着很大的影响，就现在中国土地严重缺失碳营养而言，有机碳肥是最好的选择，能直接有效地改善土壤的碳结构和含量。

可见，施用有机碳肥后显著提高了土壤三大肥力，解决土壤酸化、盐碱化等问题，改良土壤而产生综合效应的作用［10］，为后续作物的生长发育提供良好的土壤环境。值得注意的是，使用有机碳肥改良土壤时，先要对基础土壤有一个全面的了解，选择适宜的有机碳肥种类，合理配施，才能取得较好的效果，使土地永续耕作。

2 施用有机碳肥对作物生长发育的影响

碳是17种必需营养元素之首，作物体内的含碳量范围为24.95%～55.44%，平均为43.63%，在作物元素组成百分比中居首位，远高于氮、磷、钾等元素的总含量［11］。碳营养的重要性，关键在于它可提供构建作物体内各有机成分的必需成分——碳架（包括链状、环状的各类碳架），是作物合成糖类、蛋白质、氨基酸、酶、激素、信号传递物质的基础物质［12］。已有研究显示，除了CO2是作物的重要碳源外，水溶有机碳也是作物的另一重要碳源。可通过采取地补有机碳的措施，提高天补CO2效率，促进作物的生长发育。

2.1 对作物根系的影响

作物根系大小及其空间分布构型与作物对土壤养分的吸收能力密切相关［13，14］。根系的生长离不开碳元素，由于根系远离枝叶，更加依赖土壤中碳源，保证土壤碳素充足十分必要。

王燕萍等［15］通过将餐厨剩料经分离、高温发酵、灭菌等一系列工艺后形成的有机碳肥，使其作为稻作育秧基质，发现秧苗素质好，提高栽插质量，秧苗发根力强，早期发苗快，出苗早。

土壤中丰富的碳养分可促进根系发育，极大原因是有机碳肥的施入，影响了土壤中微生物的生长繁殖，直接优化了作物根际土壤，加上土壤结构疏松，减缓了根系生长阻力，根系速长，壮长。

2.2 对作物光合作用的影响

研究发现，施用有机碳肥的作物叶片宽厚，叶脉粗壮，叶色葱翠有光泽，光合效率大大提高。柳沈辉等［16］认为，液态有机碳肥对培育3年生嘉宝果幼苗的叶绿素含量有明显促进作用。吴家强等［17］研究表明，不减肥施用“乌金绿”和减肥施用“乌金绿”均能提高水稻叶绿素含量，增加有效穗数。

由于有机碳肥中的碳是有机态，无需通过光合作用进行有机转化，以后续生化反应为起点，初始反应的光合能可节省下来用于后续反应中，制造其他必需生化物质（如酶、激素、信号传递物质等），促进作物更好生长［18］。

2.3 对作物地上部分生长发育的影响

作物地上部分生长发育所需养分一方面来自于根系的吸收，另一方面来自于绿色部分的光合作用。由于有机碳肥的施入，作物根系壮大，量多，从土壤中获得的养分增加；作物光合作用变强，光合效率提高，经一系列生物化学反应产生丰富的光合产物，供作物地上部分的生长发育。

柳沈辉等［16］研究发现，利用液态有机碳肥培育3年生嘉宝果幼苗，对嘉宝果实生苗地上部生长量有一定的促进作用，以每盆施150mL有机碳效果最为显著。另外，赖根伟等［19］研究发现，有机碳肥对香榧地径、新梢生长的促生作用极显著，同时大大减少其成本投入，提高种植效益。陈秀莲等［20］通过搭配不同施肥方式，发现在常规施肥＋液态有机碳肥处理条件下的蕹菜株高、茎粗、单株鲜重均增加，产量比常规施肥＋等量清水增加8.6%，比常规施肥增产9.6%。

3 施用有机碳肥对作物抗逆能力的影响

作物在生长发育阶段所需的碳元素在50%以上，作物缺碳，容易引起“亚健康”，出现败根、黄化、早衰、花而不实、落叶落果等问题。当作物遇到弱光、涝、病虫害等逆境，其体内的应对机制在抵御不良影响过程中会消耗大量的含碳化合物，如果碳供应不足则必然会减少抗逆信号物质的合成，从而降低作物的抗逆性。

3.1 对作物抗弱光性的影响

弱光制约作物的生长和高产。研究发现，在弱光条件下，水稻碳水化合物合成减弱，导致体内碳营养不足。喷施有机碳营养（α-酮戊二酸），为其体内补充碳源，促进了其对氮素的吸收及转化，使水稻的碳、氮代谢更为协调，与CK相比，水稻生物量增幅高达33.12%［21］。

3.2 对作物抗涝性的影响

研究发现，解除淹涝胁迫并喷施有机碳营养后3 d，相对于CK，各有机碳营养处理对水稻叶片SOD活性提高效果显著；解除淹涝后6 d时，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性较解除淹涝后3 d时基本保持上升，抗涝性持续提高［22］。

3.3 对作物抗病性的影响

一般来讲，作物越瘦弱，生存环境营养成分越少，越易患病，及时提供碳营养是提高作物防病机能的重要措施。在实践中发现，施入有机碳肥后，作物“缺素”病很少发生，而同块地同种作物，只施复合肥的对照却发生缺素病，这可能是因为仅施复合肥的土壤严重板结，土壤微生物减少，根际土壤气体不循环，作物根系活动衰弱，吸收能力差，土壤中微量元素得不到有机酸作用，生物活性差，作物吸收不了微量元素［23］。

总而言之，有机碳肥可增强作物抗逆机能，当灾害发生时，合理应用有机碳肥，能起到较好作用，但有机碳肥的作用机制尚未明确，仍需进一步研究。

4 施用有机碳肥提高肥料利用率

不合理的施肥能造成土壤障碍［24］，影响肥料利用率，但低肥料利用率的主要原因还在于缺碳。有机碳肥的施入，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条件下大量繁殖，提高了土壤的生物肥力，从而进一步提高了土壤中N、P、K等矿质营养元素的利用率。

研究丁香、红瑞木、油松和白蜡4种植物在6个有机碳菌剂施用水平下的肥料利用率，发现普遍施用低浓度的有机碳菌剂（5 g／株）会提高肥料利用率［25］。另外，有机碳肥还可被加工成活化剂，对磷、钾、镁、锌矿进行活化而生产促释型磷、钾、镁、锌肥料［26，27］。

当今国内外提出与肥料相关的平衡施肥、农产品高产优质、提高肥料利用率等重大问题与有机碳碳营养也有关系，即使在大田化肥施用量大的情况下，肥料中大部分养分仍未被利用，大田碳营养也基本是通过光合作用来补充，无法达到平衡施肥，从而导致资源浪费和农业成本增加，不利于现代农业的发展［28］。在今后作物生产上，需注重将有机碳肥和化肥合理配比混合施用来提高化肥利用率。

5 施用有机碳肥对作物产量和质量的影响

5.1 对作物产量的影响

目前，有机碳肥在许多作物的栽培上应用效果良好，在四季豆、西红柿、苦瓜等蔬菜生产中应用，增产率超过50%［3］。刘保成等［29］在花生上试验表明，在施用复合肥600 kg／hm2的基础上，再配施有机碳肥600 kg／hm2，可以获得较高的产量和最佳的经济效益。王百顺等［30］报道了有机碳肥可以有效提高玉米穗粒数和千粒重；施用有机碳肥450～600 kg／hm2较不施用有机碳肥的对照处理增产2522.39～2835.82 kg／hm2，增幅为24.74%～27.82%，增产效果显著。

然而，有机碳肥用量需要正确把握，否则效果适得其反。据葛顺峰［31］研究，随着土壤C／N的逐渐增大，苹果树株高、茎粗和地上部干重指标均呈先增加后降低趋势，当土壤C／N处于较高水平时（＞30）总硝化非常低，降低了肥料N的有效性，从而影响了植株生长。

5.2 对作物品质的影响

施用有机碳肥能完善作物生长和成熟的过程。研究发现，施用有机碳肥的黄瓜采摘后存放到16 d，掰断还有脆感，而施用复合化肥的黄瓜，存放6 d掰断已出现绵软感［23］。

桂丕等［32］研究发现，在3种氮水平下，有机碳处理可使蕹菜叶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，表明外源有机碳可促进蕹菜碳氮的合成代谢，从而促进生长，改善品质。

土壤施用有机碳肥后，作物的产量和品质都有明显提高。作物应用有机碳肥，能促进作物本身的强壮，“源库流”体系不断完善，干物质量大大增加，产量得到提高。同时，作物的抗逆能力增强，伴随的损失减少，品质提高。

6 展望

综上所述，虽然在部分农作物上应用有机碳肥后，作物产量和品质大大满足人们的预期，但是，由于现阶段进行的关于有机碳肥应用试验较少，缺乏充足的经验，设计较粗糙，不完善，主观随意性较强，不同农作物间的用量、与各种化肥的配比及不同液态有机碳肥的差异并不明确，无法断言上述农作物使用种类、用量和用法为最合理，增产效果是最佳的。所以，如何在缺乏有机碳营养的情况下，选择适宜类型的有机碳肥、平衡各种矿物质营养、合理分配施肥量是当前现代农业需要解决的重要问题。

产量和品质的提升在烟叶大田生产中是首要目标。目前关于在烤烟苗期施用有机碳肥能否影响烤烟产质量的研究甚少，但在其他农作物上有了一定的了解。因此，亟需系统深入开展烤烟苗期施用有机碳肥作用机理及效果研究，以为有针对性、科学有效地利用有机碳肥来提高烟叶产质量提供理论依据和技术支撑。