“双碳”目标下农业生态系统中有机肥施用的若干探讨综述

周宣杰，陈佳杰，陈欣，唐建军*

(1.浙江大学 生命科学学院生态学系，浙江 杭州 310058：2.桐乡市崇福镇农业经济服务中心，浙江 桐乡 314511)

在全球变暖等环境问题的驱动下，减排温室气体、增加碳固存的低碳生产和低碳生活成为当下包括中国在内的国际社会持续关注的热点。世界各国纷纷为本国划定了碳中和的时间进程。中国政府也向全世界庄严承诺，中国将通过政府、企业及个人等一系列的共同努力，争取在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，即“双碳规划”。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)认为，人类活动是增加大气中温室气体浓度、导致温室效应的主要原因之一，而其中农业生产活动的温室气体排放量占全球总量的1/3以上。联合国环境规划署也指出，人为排放的CH4有40%来自农粮系统。中国是农业大国，农业生产是我国除能源消耗和工业外最大的温室气体排放源[1]。故如何稳步推进低碳农业的发展，成为当下“双碳”规划中迫在眉睫的重大任务。工业时代化学肥料的发明使得人类能够在作物养分管理上突破自然要素的限制，为高产农业带来物质基础，但随之引发了诸多环境问题，如在化肥生产端和储运过程中的耗能排碳，化肥当季利用率低下所导致的养分流失与水体富营养化，以及使用过程中增加的温室气体排放。作为“绿色肥料”的有机肥，不仅可以通过种养结合重新利用生产生活过程中的生物质废物进行循环利用，降低生产端的碳排放，还可以通过增加土壤有机质等过程实现土壤固碳，实现土壤与植物间的养分循环，推动农业产业绿色发展及助力“双碳”目标的实现[2]。

1 有机肥料在发展低碳农业中的作用

中央农村工作会议提出，要发展生态低碳农业。发展以资源利用集约化、化学品投入减量化、废弃物资源化、产业模式生态化为特征的生态低碳农业，正成为中国农业发展的一个重要走向[3]。农业生产中有机肥的使用，在资源利用与环境友好方面，适应了低碳农业的发展需求。

1.1 提高资源利用，降低生产能耗

有机肥料的生产，常以农作物秸秆、畜禽粪便等农业有机废弃物为主要原料。这些农业废弃物主要来自种植业和畜牧业，数量庞大，我国每年产生秸秆量近9亿t，产生的畜禽粪污达38亿t，但这些废弃物的综合利用率不到60%[4]。研究指出，从国家层面上大力发展有机肥能够相应地带动农业废弃物的资源化规范与利用。丹麦规定，至少有40%～50%的畜禽粪便需要进入循环利用；法国要求，污水和粪便须经处理后方可作为粪肥施到农田[5]。这些措施既能有效缓解农业废弃物污染，并使其得到再次利用，又能为有机肥的生产提供稳定的原料供应，从而兼顾经济效益、生态环境效益和社会效益[6]，促进农业资源的循环利用和循环农业的实践。

发展有机肥产业除了可以“变废为宝”外，还可以降低能耗。相比化工领域的化肥生产中每kg化肥需要消耗煤3.44 kg、天然气2.220 m3、油1.78 kg、电1.8 kW·h的高能耗，有机肥料生产过程中的能耗则要少得多，若采用自动堆肥工艺，涉及的机械设备只有翻抛机、鼓风机、粉碎机等，生产每吨有机肥料仅消耗柴油0.95 L、耗电155 kW·h，其油、电的能耗仅占化肥生产的3%和18%[7]。因此，有机肥生产过程对于化石能源的依赖程度显著低于化肥，从而能够进行大规模的低碳生产。

1.2 改善土壤生态，保持环境友好

有机肥含有丰富的有机质、氨基酸、蛋白质等有机养分，同时也含有氮、磷、钾等无机养分[8]，长期使用明显增加土壤有机质与营养元素含量。季佳鹏等[9]发现，在秸秆归田条件下，以有机肥(畜肥)替代20%化肥施用量，与施加化肥处理相比，土壤有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加了13.0%、18.5%、34.2%和18.5%，而玉米产量连续2 a增产5.6%和20.8%。大量研究表明，长期施加有机肥对于土壤理化性质会产生显著影响，如中和土壤酸度、提高土壤孔隙度和团聚体含量[10]、降低土壤容重[11]等，有效改善土壤结构。张玉兰等[12]研究指出，土壤有机碳脂肪族碳组分越多，芳构化程度越高，有机碳与无机微粒的结合能力就越强，越有利于土壤团聚体的形成。施加有机肥的实验结果证实了这个规律，即长期施加有机肥或与化肥配施有机肥后，土壤团聚颗粒含量和直径显著提升[10]。

土壤环境与土壤微生物区系之间的关系密切而复杂，学界一直在强化土壤微生物作为印证土壤健康程度生物学指标的重要性。随着有机肥对土壤环境的生态修复，土壤微生物的生存环境也随之发生了改变，微生物生态系统也得以发生有益变化。大量研究表明，有机肥较化肥更能增加土壤微生物群落的多样性[13]，因为有机肥施用通过改变土壤pH值、养分含量、团聚结构、酶活性等环境因素影响土壤微生物群落结构和功能特性[14]。已有研究证明，土壤盐分含量常与土壤微生物的α多样性呈负相关关系，而施用牛粪则能改善土壤盐渍化现象；由于土壤盐度的改善，使得土壤细菌的生物多样性增加，从而进一步对土壤生态系统的服务功能起到改善作用[15]。

2 有机肥施用在低碳农业发展中的弊端

虽然有机肥施用是肥料领域的当前低碳化发展的一个重要解决方案，但是由于有效养分含量问题、施用成本问题以及施用本身可能诱发的面源污染问题，全面普及推广有机肥在现实层面上仍面临不小的挑战。

2.1 有效养分含量及肥效稳定性问题

尽管有机肥含有大量有机质成分，但矿化分解后所含有的养分含量，相较化肥而言，却是较低的。以含氮量作对比，有机肥中除了个别饼肥、人畜粪外，含氮量一般不超过3%；在通常情况下，多数堆肥的含氮量一般不超过1%，猪、羊、牛等粪肥含氮量不超过1.5%，而常见的化学氮肥含氮量则基本上在15%以上，商品尿素含氮量一般在45%以上。如果有机肥使用量低，则增产效果有限。唐继伟等[16]在比较黄淮海小麦主产区化肥和有机肥施用对小麦增产效果时发现，尽管有机肥和化肥施用均对小麦产量具有显著的提升效果，但在低施肥量下，化肥对小麦的增产效果优于有机肥，而只有当施肥量足够高，到达作物养分吸收上限时，有机肥与化肥的增产效果才基本一致。一般而言，南方稻田7.5 t·hm-2稻谷产量水平时，平均氮素施用量为0.2 t·hm-2左右能基本满足作物生长的氮素需要，可补充收获稻谷而带走的氮素，而有机肥施用量一般要在15～22.5 t·hm-2。

由于肥源和生产工艺存在差异，导致有机肥养分含量及肥效往往不稳定，从而使得商品有机肥质量不能保持稳定，生产厂家往往都只能给出一个最低养分阈值。这样常使得生产上使用者难以精确把握用量和养分矿化过程，影响肥效。

2.2 储运和施用成本问题

我国目前之所以尚无法大面积推广有机肥，另一个关键原因在于它的施用成本(特别是运输和施用的劳动力成本)。相较化肥的简单高效而言，施用有机肥明显费工、费时，不符合当今农村劳动力紧张的实际需要。以满足作物生长所需养分为前提，单位面积有机肥施肥数量要远高于化肥。虽然有机肥的来源广泛，也可以直接施用农业废弃物来实现低成本施肥，但未处理的肥料往往无法达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机肥施入土壤中会造成作物烧苗烧根、种子不发芽、增加作物病虫害的发生等危害[17]。因此，实际农业使用中的有机肥已经完成了消杀、发酵、颗粒化等工艺处理[18]，但附加的工艺也意味着额外的成本投入，这无疑会增加农业经营者的总成本。目前，国内精制的有机肥市场售价大致为每吨800～1 200元，有机无机混合肥市场售价大致在每吨 900～2 300元，针对性地改善土壤性状的专用肥料产品市场售价则可能每吨高达3 000元以上[19]。虽然有机肥单价低于化肥，但因其投入量大，以满足作物生长需要有效养分为标准，单是有机肥购买成本就高出化肥近4倍[7]。

和施用化肥相比，有机肥施用数量明显巨大。将其转移至田间地头并在田间均匀施肥，十分费工费时费力，南方山区农田机械化程度又非常有限，这无疑会大大增加运输成本和撒施劳动力成本，这些劳动力成本的支出进一步拉大了两个施肥模式投入成本的差距。这样一来，虽然有机肥拥有养分全面、涵养土壤、改善整体肥力等优势，但成本高居不下始终是有机肥进入生产的重要制约因素，在劳动力成本不断上涨的当下更是如此。此外，我国常见有机肥肥源空间分布不均，像东北、华北地区的秸秆产生量大于利用量，秸秆资源密度显著高于全国水平，即出现了秸秆过剩的情况，而我国南方区域的秸秆密度则普遍低于全国平均水平。这种肥源空间分布不均的情况也进一步导致不同区域的有机肥施用成本存在差异，也明显阻止了有机肥的应用推广。

2.3 潜在污染问题

商品有机肥主要由畜禽粪便和农业生物废弃物转化而成。其成分除含有营养元素外，还极有可能含有污染组分[20]。随着新型复合功能型饲料中饲料添加剂和抗生素的大量使用，畜禽粪便的成分、性质等发生了较大改变，导致由此制备成的有机肥普遍呈现重金属和抗生素残留的特点。大量研究表明，有机肥特别是畜肥有重金属含量超标的现象。据浙江省2014—2016年对有机肥商品抽查结果显示，不合格产品中，重金属指标不符是主要原因[21]。海南省抽检样品近一半商品有机肥存在 Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、As、Hg 7种重金属超标[22]。长期大量施用重金属含量超标的有机肥会造成重金属在土壤中的积累，进而转入食物链，引发农产品的安全和环境污染风险。夏文建等[23]开展的长期定位试验发现，施用中、高量有机肥会显著提高土壤Cr、As和Fe有效态含量。有机肥替代化肥的施用，使得土壤和果蔬中可食用部分重金属积累显著提高[24]。

除了引发传统重金属污染风险外，有机肥中可能含有的抗生素，对人类的健康与环境安全同样构成严重的威胁。抗生素目前已经作为新型污染物的一种，被我国列入《重点管控新污染物清单(2023年版)》。长期大量施用抗生素的危害主要会加速环境微生物的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)的产生与传播，诱导抗生素抗性细菌(antibiotic-resistant bacteria，ARB)的出现[25-26]。ARGs进入土壤环境的主要途径之一便是有机肥施用。之所以有机肥会影响土壤ARGs，主要因为有机肥自身富含营养物质，使得土壤原有ARB得以增殖；而且有机肥含有的抗生素也为土壤细菌提供了选择压，促进ARB形成；加上有机肥中可能自带的ARB迁移至土壤中，从而导致施用土壤的ARGs丰度升高。在施用有机肥土壤和畜禽养殖场土壤中普遍检出了多种ARGs和可移动基因片段(mobile genetic elements，MGEs)，这些结果国内外均有报道[27]。

3 有机肥施用介入土壤碳氮循环的过程

土壤是陆地生态系统的最大碳库，其碳储量约为大气碳库的3.3倍[28]。土壤碳库的微小变化可导致大气中CO2浓度的较大波动[29-30]。通过农作措施的改进，增加农田土壤碳库容量(即增加碳固存)，对于减少碳排放、缓解全球气候危机具有极其重要的现实意义。与周转周期较长的森林生态系统以及较少受到人类活动扰动的湿地生态系统相比，农业生态系统中碳循环周期相对较短。据统计，农业仅有10%的碳会长久地保存在各种农产品和土壤中，很多生物质碳会因为生物质的分解很快重新回归大气。农业生态系统碳汇潜力巨大，但如何开发是一个亟须解决的问题，而配施有机肥提供了一个可以尝试的实践通道。有机肥在长时间施用后，会对土壤的养分循环造成不可忽视的影响，对土壤保肥与供肥能起到积极作用。在不同环境中，有机肥也有可能成为土壤产生温室气体的催化剂。因此，需要对其进行长期追踪以防止大量土壤碳、氮的流失。农业生态系统的碳排放强度和碳固持能力正成为农业“双碳”问题的重要切入点，也正引起农业生态学家的高度关注[31]。

3.1 施用有机肥对土壤碳固存的影响

定位试验分析结果指出，有机肥和无机肥的配合施用可提升农田土壤有机碳(SOC)含量[32]。研究发现，有机肥的配施对提高SOC含量有显著效果，并进一步实现土壤固碳。水稻土长期试验表明，相较于无机肥对SOC含量的有限提升效果，“无机肥+绿肥”或“无机肥+绿肥+猪粪”的配合施肥对提高SOC含量影响非常显著[33]。赵永存等[34]利用全国95个水稻土长期施肥和秸秆还田试验、102个旱地长期施肥试验以及157个农田保护性耕作试验结果完成的Meta分析表明，氮、磷、钾配施有机肥的固碳速率可达(0.3±0.04)g·kg-1·a-1，远高于未施肥或是单施化肥的结果。

当有机肥施用后，大量有机物料进入土壤耕层，使得土壤有机碳水平整体提高。虽然有机肥的固碳优势显著，可以以碳源的形式向土壤输入，但这种土壤固碳实际上是一种输入输出此消彼长的动态过程。有机肥中的碳具有自身活跃、易于转化的属性，这种类型的有机碳一般被称为营养型有机碳，能够作为土壤生物(尤其是土壤微生物)的营养物质被很快地分解转化，在矿化作用下释放出CO2和矿质养分，从而造成有机肥有机碳的流失[35]。当然，土壤中营养型有机碳也会转化为稳定型有机碳，与土壤颗粒紧密结合，难以矿化分解，从而增加土壤中稳定的碳储存(图1)。

图1 有机肥施用对土壤生态系统碳、氮循环的影响

SOC含量可视为动态平衡系统中固定和流失两个过程间的平衡枢纽和指示器。当输入的有机碳固定量大于流失量，则SOC上升直至平衡，实现固碳效果；反之，则可能导致SOC下降。但这并不意味着有机肥施用多多益善，过高有机肥投入量下，极易打破SOC的平衡。由于养分充足，使得微生物活性群落水平上升，矿化强度也随之大幅增加，导致大量有机质无法固定而流失，并可能对土壤原先的稳定有机碳造成影响。一般在长期施肥条件下，SOC含量会最终趋于稳定，不再因外源碳输入而增加。

3.2 施用有机肥对农田系统温室气体排放的影响

施用有机肥可提高土壤肥力，增加作物产量，促进土壤固碳。但是，不合理的施用也会引起一系列环境问题。过量施用有机肥料可导致土壤大量排放CO2、CH4和N2O等温室气体[36-37]。像一些自身含有大量有机质、氮、水分的畜禽粪便，其在堆肥和储存期间会损失大量的碳、氮，同时还会释放大量碳、氮类温室气体[35]。

CO2是最重要的温室气体。大量研究表明，有机肥施用会显著促进土壤排放CO2[38]。首先，有机肥的施用增加了SOC含量，尤其是易于转化的营养性有机碳，促进土壤微生物呼吸产生更多的CO2；其次，有机肥的施用可使土壤总孔隙度增加，能促使土壤中CO2的扩散和释放；加之有机肥中的营养物质增强了土壤微生物的活性，进而促进了土壤呼吸，影响了CO2通量[39]。

CH4的排放主要来自于产甲烷菌的作用。这个过程需要厌氧的还原环境。在旱地耕作环境中，秸秆还田能够促进土壤呼吸作用，增加 CO2的排放，而在水田环境则主要转化为CH4向空气中逸出[40]。研究发现，施用作物秸秆、畜禽粪便、堆肥、沼渣等有机肥，稻田的CH4排放量均有增加，但不同有机肥对CH4的影响程度不同，在施用秸秆条件下农田CH4的排放量显著高于其他组别。

土壤氮素形态的转化途径有两条：好氧条件下的硝化过程；厌氧环境下的反硝化过程。两条途径都会排放温室气体N2O，从而成为了农田系统氮氧化物的主要排放源。当有机肥(主要是畜肥)施用在田间时，则会对土壤理化结构以及土壤微生物产生影响，进而影响温室气体排放。Huang等[41]研究发现，有机肥(牛粪)替代化肥情况下，N2O排放量与仅施用化肥相比，增加了122%～203%，并使得一些反硝化细菌类型丰度降低，并认为这正是由于施用牛粪抑制了土壤反硝化菌群，从而促使N2O排放增加。但也有研究显示，在施加像绿肥、油菜籽饼等非粪肥型有机肥后，则能够有效降低N2O排放[42]。这表明，所施用的有机肥种类对农田土壤温室气体排放影响存在显著差异。张楠等[43]也发现，在黑土地固碳培肥过程的不同阶段，不同种类有机肥对N2O排放的影响存在显著差异，而且有机肥的组分特征是其中的关键因素。

3.3 有机肥的养分循环

农业生态系统的养分循环利用对土壤养分涵养与肥力保持起到重要作用。张璐等[44]研究发现，经过长达12 a的养分循环再利用，耕层土壤有机碳、氮含量得到显著提高，土壤肥力状况明显改善。农田土壤管理实践中，最理想的养分循环情形应该是农田系统在养分自给自足的内循环条件下实现高产。但由于不同的农业经营措施导致归还农田的有机物料数量、方式和速率发生改变，从而形成了不同的养分循环途径。邢力等[45]发现，施用有机粪肥可改进土壤的供肥能力，秸秆直接还田可改进土壤保肥能力。以中国为例，20世纪40—50年代，农业经营模式以有机农业为主，养分通过人畜过腹归田，基本实现养分在农田生态系统内部循环再利用；20世纪60—70年代，化肥使用开始兴起，施肥模式以化肥与圈肥相结合为主，农业经营模式变为有机、无机结合，农田系统仍能实现养分的循环再利用；进入20世纪80年代，石油农业迅速崛起，化肥开始成为农业生产施肥主品；而到了20世纪90年代末期，秸秆还田措施开始实施，中国农业转型成为“化肥+秸秆还田”的现代农业经营模式[45]。2010年以后，基于避免秸秆焚烧导致大气污染而推行的秸秆归田政策得到强力推进，向农田投放的有机物料在土壤肥力保持与有机质含量提升方面起到了显著的作用。吴晓晨等[46]对不同施肥措施进行元素示踪手段研究发现，实施秸秆归田的措施后，农田系统中氮循环率普遍高于75%，而未实施的组别则在40%以下，而其他的P、K元素亦反映出类似的结果。

4 有机肥助力低碳农业发展的未来展望

我国有机肥资源丰富，但有机肥产业整体存在生产企业规模小、农户施肥意识不强、成本较高和产品质量不一及使用机械化普及程度不够等问题[47]。因此，有必要对有机肥产业从整体上进行全方位多层次的改进。

(1)严格执行有机肥生产的相关法律法规和技术规范，从有机肥生产源头抓起，实现有机肥生产的规范化、循环化和产业化。在有机肥产业上，需要通过政府积极参与，整合现有土壤耕地整治、环保奖惩等有关资金，加大财政扶持；制定相关政策，加大对有机肥料生产企业的优惠措施，引导有机肥料工厂化[48]，推动有机肥市场繁盛。同时鼓励企业联合科研机构攻克有机肥生产中存在的痛点问题，并及时对新型技术转化应用，提升有机肥质量与生产效率，从而降低生产流程中尤其是有机肥发酵阶段的能耗。目前我国在复合菌剂方面研究进展显著，许多复合菌剂在堆肥过程使用中，腐熟更为彻底，原料中营养物质分解效率更高，同时还兼具制备方法简易、成本低廉、分散性较好等优点，可以很好适应工业化生产[49-50]。

在有机物料循环化利用方面，要大力推广农业固废资源化。鼓励农户和养殖场合理处理农业废弃物，引导有机肥生产企业充分利用秸秆、畜禽粪污为原料。同时，为了减少有机肥原料在储运过程中不必要的损失浪费，建议企业采用“就地生产，就地施用”的方法，通过田间就地堆肥或是就近设置堆肥场地低成本实现其无害化处理与资源化利用，并不断强化堆肥模式推动农业废弃物高效返田。

在有机肥规范化上，需要制定更详细的行业规范和更完善的抽样模式，将新型污染物的检测也纳入到有机肥质量标准中，同时尽量杜绝使用污染物超标的有机肥原料，从而保障有机肥产品的质量。

(2)注重有机肥施用方法革新，实现精准化与多效化施肥的目标。要实现精准化施肥，需要对目标农田区域的土质情况开展检测。推进测土施肥技术，能促进肥料利用效率的大幅提高，实现能源节约，推动农业生产技术向环境友好型转型[51]。我国一直在推广测土配方施肥技术，但由于检测手段复杂，数据计算复杂，普及程度难以提升。随着“互联网+”技术兴起，测土施肥技术开始与网络、大数据以及GIS系统相结合。农户只需用手机APP，通过GPS定位就能直接得到当地土壤养分状况，并得到施肥建议。这一技术融合既简化了以往繁杂的测土施肥流程，又实现了精准施肥[52]，提高了施肥效率，并最大限度地减少由于侵蚀、淋溶和挥发等引起的养分损失，以及施肥引起的温室气体排放。

要实现多效化施肥，需要尽量用复合肥代替单一化肥或有机肥。长期定位施肥实验发现，有机、无机结合处理的作物能够长期处于较高产量，且有机肥与化肥均表现出持续提高土壤有机碳、氮含量效果，但有机肥效果明显优于化肥[53]，所以在修复土壤时，所施用的复合肥中可以调高有机肥比例。因而合理的有机肥、无机肥配施比例，既可以实现对作物产量的提升，又能实现对土壤肥力的恢复以及温室气体排放的降低，尽可能减少过量施肥所带来的弊端。

(3)将有机肥纳入到农业碳排放监测体系，长期监管有机肥使用后的农田环境。在统计认证各类生产过程中温室气体排放总量方面，碳足迹的概念已经得到了广泛应用，而在农业生产的碳足迹计算研究中，对于农田直接产生的碳排放核算中往往重视化肥却轻视有机肥和相关农业废弃物[54]。随着有机肥的推广，农作物生产碳足迹中有机肥的比例也会相应提升，因此，建立对农田温室气体排放的监测系统，在核算中考虑有机肥生产、包装、存储、分配的碳排放系数，进一步统计有机肥施用对农田的固碳效果，可以准确合理地估算农村碳排放量，为低碳农业发展规划提供决策参考，从而制定合理的碳减排量。

(4)发挥市场与政府协同作用，有效调控农业系统碳排放。市场机制方面，我国可以学习美国经验，采取建设农业生态银行的方式，由银行将农业生态信用出售至气体排放超标的主体[55]，为农业碳排放调控项目提供资金，以解决有机肥普及的资金难题。还能在销售环节，通过农产品设置碳标签的形式，帮助消费者直观地了解产品生产使用过程中碳排放量的方式，一些长期施用有机肥的农产品可以获得绿色认证，从而引导消费者选用更为绿色的商品，在消费源头上降低碳排放[56]。政府方面，通过出台相关法规政策实现碳调控。我国在2015年和2022年分别出台《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《农业农村减排固碳实施方案》等政策，对农业碳排放进行规范引导。另外，政府还可以辅之引导有机生态农业发展的相关经济政策，包括生态补偿、绿色补贴政策、项目基金扶持、减税、免税、贴息、政府补助等多种经济支撑手段，进一步为低碳有机肥的发展铺平道路。