简述腐植酸在土壤和肥料“碳达峰”“碳中和”中的作用

陈柏杨 刘 阳 马献发 刘丹阳 许连周 王 琪

东北农业大学资源与环境学院 哈尔滨 150030

2021 年全国“两会”，“碳达峰”“碳中和”备受关注。为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”等庄严的目标承诺[1]。

目前，为应对全球气候变暖现象，“碳达峰”“碳中和”已经发展成为全球可持续发展的趋势。地球碳循环中，腐植酸算一环[2]。生物圈碳库中，土壤碳库最大[3]。土壤碳库中，腐植酸最大[4]。想要解决土壤储碳控碳问题，就一定离不开腐植酸[5]。稳定土壤碳库时，肥料投放的影响是最大的。稳定和补充土壤碳库，腐植酸低碳肥料优势明显[6]。20多年的时间，中国一直在开展“维土革命”[7]、“净土洁食工程”[8]、“培育土壤肥力产业”[9]，倡导“两机互补”[10]、“黑白交慧”[10]、“两个最大”[10]、“三化效应”[11]、“土肥和谐”[11]等理论，提出“土壤气候变化”[11]问题，直至推进“双碳目标”实现，一直走在“让腐植酸从土壤中来到土壤中去”的反哺路线上，初心始终不改。严格来说，要稳定土壤碳库首先必须稳定土壤腐植酸，否则土壤碳平衡无从谈起[12]。

土壤对固持碳有着很大的潜力，土壤碳汇是缓解全球气候变化的重要路径，是实现“碳中和”目标的重要补充途径[13]。中国腐植酸工业协会发布的《关于大力发展腐植酸低碳肥料加快开展“土壤碳中和”行动的通知》中指出，加快推进化肥减量化是“土壤碳中和”的第一要务；加大腐植酸低碳肥料投放是“土壤碳中和”的主战场[14]；创新腐植酸低碳肥料是“土壤碳中和”的行动指南。

1 腐植酸的特性

腐植酸是一类大分子有机物质，广泛存在于自然界当中，是动植物的遗骸，经过微生物的分解以及转化而形成的。腐植酸来源主要有矿物质来源和洁净的生物质来源2 种。

腐植酸的自身结构相对比较复杂，包含着多种元素，正是因为构成部分的复杂性使其广泛应用于农林牧、石油、化工、建材、医药卫生、环保等各个领域[15]。特别是在如今提倡生态农业建设、无公害农业生产、绿色食品、无污染环保产品等的关键时刻，更使腐植酸备受推崇，可以说人类的生活和生存都与腐植酸息息相关[16]。腐植酸肥料不仅可以有效改善土壤结构，在其生产和使用过程中还能减少能源消耗以及抑制二氧化碳的排放。

2 腐植酸对实现“双碳目标”的作用

2.1 直接作用

2.1.1 利用工业化腐植酸补充土壤碳库

地球是一个复杂生态系统，由太阳提供能量完成在无机环境与生命体间的物质循环和能量的迁移转化。碳循环是物质循环重要的一环，指的是元素碳在大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈中不断交换、循环不止的现象（图1）。土壤是连接大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的纽带，土壤有机碳是土壤中较为活跃的部分，在地球碳循环中起到重要作用。陆地土壤中的有机碳占生物圈总碳的85%左右，而腐植酸类物质碳又占生物圈有机碳的三分之二[17]。有研究发现，从煤炭中提取的腐植酸的物理化学性质和土壤腐植酸非常相似，并且有着相同的应用特性[18]，并且我国有丰富的煤炭腐植酸资源，比如褐煤、风化煤、泥炭等超过2000 亿吨[9]。所以利用工业提取的来自煤炭的腐植酸，通过腐植酸低碳肥料反哺土壤腐植酸，构筑“土肥和谐”新关系，是最直接、快速的储碳方式[19]。

图1 自然界的碳循环Fig.1 The carbon cycle in nature

2.1.2 利用生物质生产腐植酸

利用工农业废料生产腐植酸节能减排。除了采用煤质原料等非再生资源为原料制造腐植酸产品，还可利用各种废料，如秸杆、树叶、草类、木屑等农业废弃物，制取味精、酒精的废液等工业废弃物作为生产腐植酸的原料。模拟自然界将植物残体转化为腐植酸的过程，让这些原料经过微生物发酵，转化为一种水溶性生化腐植酸。这种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，有大量被人们忽视的有机废弃物也能利用起来，比如从大量的工业废渣、废水中回收数量极为可观的生化腐植酸或生化黄腐酸，这些废弃物都是用来变废为宝，生产液肥或生化腐植酸肥的好原料[21]。因此，各种腐植酸的开发和利用，是我国绿色环保肥料的重要资源，也是解决“三废”综合利用的重要途径[21]。开发和使用腐植酸，是一条优秀的废弃物资源化之路，既开辟了资源又保护了环境。

2.1.3 利用腐植酸、腐植酸肥料减少碳排放

在养分相同的前提下，腐植酸肥料比常规肥料的利用率更高[22]。腐植酸含有多种活性基团（图2）[23]，如酚羟基、烯醇基、磺酸基、醌基、甲氧基等，这些功能团决定了其酸性、亲水性、离子交换性、络合能力及吸附能力[24]。当腐植酸搭配尿素施用可以通过影响脲酶活性而改变氨的释放，以达到抑制硝化细菌活性，进而提高氮肥利用率的目的[25]；施用腐植酸后解离出的酚羟基、羧基等阴离子会与酸根共同竞争土壤胶体表面的吸附位点，从而减少土壤团粒对磷素的吸附，以提高土壤中磷酸盐的有效性[26]；当在钾肥中配施腐植酸时，腐植酸会结合土壤中的钾离子，增强钾离子抵抗土壤吸附的能力[27]，减少肥料的浪费（图3）[23]。在保持作物产量不变的前提下，施用腐植酸肥料可以减少化肥用量达到减排目的。经过施用化肥碳排放与节能计算、绿色植物吸收碳的计算、硫和氮的排放计算证明，施用1 kg 腐植酸，可节能约6.25×104kJ，相应减少排放二氧化碳5.6 kg，二氧化硫0.09 kg 和二氧化氮0.7 kg[28]。按照2021 年我国化肥产量为5446 万吨（折纯量）[29]，如果全部使用腐植酸肥料（腐植酸含量按5%计算），可节能约1.70×1014kJ，折544.60 万吨标煤，相应减少二氧化碳排放1564.39 万吨、二氧化硫排放25.15 万吨、二氧化氮排放195.55 万吨。除此之外，腐植酸肥料在快速培肥土壤、提高土壤有机质、改良土壤结构、降低重金属的活性和减轻污染方面也有比较不错的效果。因此，加大力度宣传和科普腐植酸、腐植酸肥料，加大其推广应用范围，进而减少碳排放，保护环境。

图2 腐植酸结构模型[23]Fig.2 The model of humic acid structures

图3 腐植酸的作用[23]Fig.3 The role of humic acid

2.2 间接影响

2.2.1 施用腐植酸、腐植酸肥料作物增绿储碳

腐植酸、腐植酸肥料的施用可刺激一些酶的活性，维持细胞的渗透压，缩小叶片气孔开张度，降低作物蒸腾，改善作物体内水分状况，提高作物抗旱能力[30，31]。腐植酸作为一种活性物质，它还可以与无机养分协同，刺激作物根系与茎叶健康发育，有利于作物吸收土壤中的水分和肥料等，有效弥补作物生育因子（光、水、空气、养分等）胁迫使其有效生长[32]。同时能够增强作物呼吸强度和光合强度，加快氨基酸、蛋白质、碳水化合物等的合成，促进作物的生长发育，进而提高作物产量和品质。腐植酸肥料使耕地有机质含量得到提升，在相同的施氮量的情况下，腐植酸肥料对提高耕层土壤水解性氮的含量效果比完全施用化肥效果好得多；对耕层土壤有效磷含量的提高效果也比完全施用化肥效果明显，土壤中作物养分得到提升能够帮助作物更好的生长，通过改善土壤环境，增强作物的抵抗能力，大大提高作物产量和品质。

因此，腐植酸的施用一方面提高了土壤养分的有效性，增加了可供植物吸收的养分含量，另一方面促进了作物的生长发育（促进作物根系长度和数量的增加[33]），增强作物光合作用，促进作物对营养元素的吸收。腐植酸在提高作物产量和品质的同时，提高了化肥利用率，间接地降低了农业中对化肥与农药的需求量，一定程度上解决了传统农业结构不合理的局限性问题，而高品质的农产品是实现从原料上控制食品安全生产与加工的基础，从国家粮食安全角度，腐植酸助力了农业绿色发展，符合新阶段里农业低碳发展、绿色发展的新理念。

2.2.2 施用腐植酸、腐植酸肥料土壤稳碳固碳

在腐植酸、腐植酸肥料的多种应用中，最重要的是它能够改善土壤的物理性质[34]。腐植酸的胶体化学性质，使其可与铁铝磷酸盐、土壤中微生物分泌物、磷酸盐等物质胶结形成团聚体，增加土壤保水保肥通气性，土壤大于0.25 mm 的水稳性微团聚体得到显著提升，砂质红壤土增加约7.5%[35]，大棚连作的水稻土增加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极大地增加土壤中大于0.25 mm 水稳性微团聚体含量，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，再通过一些后续的操作，如可以添加相关的保水剂、肥料等，还能够增强腐植酸改良土壤的功效，提高养分有效性。腐植酸作为一种酸性物质，还可以通过自身与土壤之间的相互反应完成阴离子阳离子的交换，降低土壤本身的pH 值[34]。据相关研究调查显示，在土壤中添加了腐植酸后，土壤pH 值由原来的8.74 降至6.91，降低了1.83 个单位[39]。若灵活运用腐植酸、腐植酸肥料于土壤中，可以活化土壤养分离子，改善土壤肥力状况。据此，腐植酸通过促进土壤团粒结构形成、提高土壤通透性、调节土壤酸碱性等方面，改善了土壤理化性质，保障农业土壤环境安全、生态安全，满足绿色农产品的生产需求，符合绿色低碳农业的发展要求。

土壤里存在大量的微生物，这些微生物是土壤重要的组成部分，它们的存在可以保证土壤具有明显的生物活力，所以土壤微生物的种类在一定程度上，是有效反映土壤质量的可靠指标[40]。腐植酸可以与生物炭配合使用，它们有累积效应，对土壤微生物量、碳、氮、磷的增长幅度更大[41]。目前，我国许多发展工业的区域，它们不达标的污水排放造成的水资源污染对周围土地中的微生物造成了极为严重的影响。如合理运用腐植酸，可以为这些微生物提供良好的生存环境，有利于它们大量繁殖[42]。土壤施用腐植酸、腐植酸肥料后，不仅土壤中的固氮菌显著增加，一些增加土壤通气性细菌、放线菌以及纤维分解菌的数量也得到提高，它们可以全面加快矿化速度，以保证养分元素的释放，并且维持土壤自身营养，改善作物根际环境，促进土壤有益微生物种群建立，从而间接减少二氧化碳和其他有害气体的排放，达到低碳减排的目的。

3 小结及展望

腐植酸从生产开始，到从矿物提取反哺土壤、以工农业废料为原料节能减排，再到腐植酸肥料的施用可改良土壤使土壤稳碳固碳、作物增绿储碳。因此，为了我国能够成功实现“双碳目标”，要加快推进腐植酸行业高质量发展的步伐。

目前，农户对腐植酸、腐植酸肥料作用机理知之甚少，腐植酸生产企业可深入生产前线，指导腐植酸类系列产品适量适时应用于农业生产。除此之外，还可通过自媒体、国家权威媒体等平台，利用通俗易懂、引人入胜的情景案例来科普知识，广泛开展多种形式的宣传。相关科研院所应该加强研究，在不同地区因地制宜，针对当地的土壤和作物研发出相应的腐植酸产品，扩大其推广应用。政府可减少腐植酸产品的税收，通过制定腐植酸产品的品质标准，对品质越高的腐植酸产品税收优惠力度越大，促进更高质量腐植酸产品的研发生产；还可鼓励大众以投资入股等形式向当地发展较好的腐植酸生产企业投入资金，或者对外招商拓宽资金来源渠道，扩大腐植酸生产企业的生产规模，以减少碳排放，助力实现“碳达峰”“碳中和”目标。