周宣杰，陳佳杰，陳欣，唐建軍*

(1.浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)學(xué)系，浙江 杭州 310058：2.桐鄉(xiāng)市崇福鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)服務(wù)中心，浙江 桐鄉(xiāng) 314511)

在全球變暖等環(huán)境問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，減排溫室氣體、增加碳固存的低碳生產(chǎn)和低碳生活成為當(dāng)下包括中國(guó)在內(nèi)的國(guó)際社會(huì)持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。世界各國(guó)紛紛為本國(guó)劃定了碳中和的時(shí)間進(jìn)程。中國(guó)政府也向全世界莊嚴(yán)承諾，中國(guó)將通過(guò)政府、企業(yè)及個(gè)人等一系列的共同努力，爭(zhēng)取在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，即“雙碳規(guī)劃”。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)認(rèn)為，人類活動(dòng)是增加大氣中溫室氣體濃度、導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要原因之一，而其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的溫室氣體排放量占全球總量的1/3以上。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署也指出，人為排放的CH4有40%來(lái)自農(nóng)糧系統(tǒng)。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是我國(guó)除能源消耗和工業(yè)外最大的溫室氣體排放源[1]。故如何穩(wěn)步推進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展，成為當(dāng)下“雙碳”規(guī)劃中迫在眉睫的重大任務(wù)。工業(yè)時(shí)代化學(xué)肥料的發(fā)明使得人類能夠在作物養(yǎng)分管理上突破自然要素的限制，為高產(chǎn)農(nóng)業(yè)帶來(lái)物質(zhì)基礎(chǔ)，但隨之引發(fā)了諸多環(huán)境問(wèn)題，如在化肥生產(chǎn)端和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的耗能排碳，化肥當(dāng)季利用率低下所導(dǎo)致的養(yǎng)分流失與水體富營(yíng)養(yǎng)化，以及使用過(guò)程中增加的溫室氣體排放。作為“綠色肥料”的有機(jī)肥，不僅可以通過(guò)種養(yǎng)結(jié)合重新利用生產(chǎn)生活過(guò)程中的生物質(zhì)廢物進(jìn)行循環(huán)利用，降低生產(chǎn)端的碳排放，還可以通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)土壤固碳，實(shí)現(xiàn)土壤與植物間的養(yǎng)分循環(huán)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展及助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[2]。

1 有機(jī)肥料在發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)中的作用

中央農(nóng)村工作會(huì)議提出，要發(fā)展生態(tài)低碳農(nóng)業(yè)。發(fā)展以資源利用集約化、化學(xué)品投入減量化、廢棄物資源化、產(chǎn)業(yè)模式生態(tài)化為特征的生態(tài)低碳農(nóng)業(yè)，正成為中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要走向[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥的使用，在資源利用與環(huán)境友好方面，適應(yīng)了低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。

1.1 提高資源利用，降低生產(chǎn)能耗

有機(jī)肥料的生產(chǎn)，常以農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物為主要原料。這些農(nóng)業(yè)廢棄物主要來(lái)自種植業(yè)和畜牧業(yè)，數(shù)量龐大，我國(guó)每年產(chǎn)生秸稈量近9億t，產(chǎn)生的畜禽糞污達(dá)38億t，但這些廢棄物的綜合利用率不到60%[4]。研究指出，從國(guó)家層面上大力發(fā)展有機(jī)肥能夠相應(yīng)地帶動(dòng)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化規(guī)范與利用。丹麥規(guī)定，至少有40%～50%的畜禽糞便需要進(jìn)入循環(huán)利用；法國(guó)要求，污水和糞便須經(jīng)處理后方可作為糞肥施到農(nóng)田[5]。這些措施既能有效緩解農(nóng)業(yè)廢棄物污染，并使其得到再次利用，又能為有機(jī)肥的生產(chǎn)提供穩(wěn)定的原料供應(yīng)，從而兼顧經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會(huì)效益[6]，促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用和循環(huán)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐。

發(fā)展有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)除了可以“變廢為寶”外，還可以降低能耗。相比化工領(lǐng)域的化肥生產(chǎn)中每kg化肥需要消耗煤3.44 kg、天然氣2.220 m3、油1.78 kg、電1.8 kW·h的高能耗，有機(jī)肥料生產(chǎn)過(guò)程中的能耗則要少得多，若采用自動(dòng)堆肥工藝，涉及的機(jī)械設(shè)備只有翻拋機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、粉碎機(jī)等，生產(chǎn)每噸有機(jī)肥料僅消耗柴油0.95 L、耗電155 kW·h，其油、電的能耗僅占化肥生產(chǎn)的3%和18%[7]。因此，有機(jī)肥生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于化石能源的依賴程度顯著低于化肥，從而能夠進(jìn)行大規(guī)模的低碳生產(chǎn)。

1.2 改善土壤生態(tài)，保持環(huán)境友好

有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)養(yǎng)分，同時(shí)也含有氮、磷、鉀等無(wú)機(jī)養(yǎng)分[8]，長(zhǎng)期使用明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)元素含量。季佳鵬等[9]發(fā)現(xiàn)，在秸稈歸田條件下，以有機(jī)肥(畜肥)替代20%化肥施用量，與施加化肥處理相比，土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了13.0%、18.5%、34.2%和18.5%，而玉米產(chǎn)量連續(xù)2 a增產(chǎn)5.6%和20.8%。大量研究表明，長(zhǎng)期施加有機(jī)肥對(duì)于土壤理化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著影響，如中和土壤酸度、提高土壤孔隙度和團(tuán)聚體含量[10]、降低土壤容重[11]等，有效改善土壤結(jié)構(gòu)。張玉蘭等[12]研究指出，土壤有機(jī)碳脂肪族碳組分越多，芳構(gòu)化程度越高，有機(jī)碳與無(wú)機(jī)微粒的結(jié)合能力就越強(qiáng)，越有利于土壤團(tuán)聚體的形成。施加有機(jī)肥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這個(gè)規(guī)律，即長(zhǎng)期施加有機(jī)肥或與化肥配施有機(jī)肥后，土壤團(tuán)聚顆粒含量和直徑顯著提升[10]。

土壤環(huán)境與土壤微生物區(qū)系之間的關(guān)系密切而復(fù)雜，學(xué)界一直在強(qiáng)化土壤微生物作為印證土壤健康程度生物學(xué)指標(biāo)的重要性。隨著有機(jī)肥對(duì)土壤環(huán)境的生態(tài)修復(fù)，土壤微生物的生存環(huán)境也隨之發(fā)生了改變，微生物生態(tài)系統(tǒng)也得以發(fā)生有益變化。大量研究表明，有機(jī)肥較化肥更能增加土壤微生物群落的多樣性[13]，因?yàn)橛袡C(jī)肥施用通過(guò)改變土壤pH值、養(yǎng)分含量、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、酶活性等環(huán)境因素影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能特性[14]。已有研究證明，土壤鹽分含量常與土壤微生物的α多樣性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而施用牛糞則能改善土壤鹽漬化現(xiàn)象；由于土壤鹽度的改善，使得土壤細(xì)菌的生物多樣性增加，從而進(jìn)一步對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能起到改善作用[15]。

2 有機(jī)肥施用在低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展中的弊端

雖然有機(jī)肥施用是肥料領(lǐng)域的當(dāng)前低碳化發(fā)展的一個(gè)重要解決方案，但是由于有效養(yǎng)分含量問(wèn)題、施用成本問(wèn)題以及施用本身可能誘發(fā)的面源污染問(wèn)題，全面普及推廣有機(jī)肥在現(xiàn)實(shí)層面上仍面臨不小的挑戰(zhàn)。

2.1 有效養(yǎng)分含量及肥效穩(wěn)定性問(wèn)題

盡管有機(jī)肥含有大量有機(jī)質(zhì)成分，但礦化分解后所含有的養(yǎng)分含量，相較化肥而言，卻是較低的。以含氮量作對(duì)比，有機(jī)肥中除了個(gè)別餅肥、人畜糞外，含氮量一般不超過(guò)3%；在通常情況下，多數(shù)堆肥的含氮量一般不超過(guò)1%，豬、羊、牛等糞肥含氮量不超過(guò)1.5%，而常見(jiàn)的化學(xué)氮肥含氮量則基本上在15%以上，商品尿素含氮量一般在45%以上。如果有機(jī)肥使用量低，則增產(chǎn)效果有限。唐繼偉等[16]在比較黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)化肥和有機(jī)肥施用對(duì)小麥增產(chǎn)效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管有機(jī)肥和化肥施用均對(duì)小麥產(chǎn)量具有顯著的提升效果，但在低施肥量下，化肥對(duì)小麥的增產(chǎn)效果優(yōu)于有機(jī)肥，而只有當(dāng)施肥量足夠高，到達(dá)作物養(yǎng)分吸收上限時(shí)，有機(jī)肥與化肥的增產(chǎn)效果才基本一致。一般而言，南方稻田7.5 t·hm-2稻谷產(chǎn)量水平時(shí)，平均氮素施用量為0.2 t·hm-2左右能基本滿足作物生長(zhǎng)的氮素需要，可補(bǔ)充收獲稻谷而帶走的氮素，而有機(jī)肥施用量一般要在15～22.5 t·hm-2。

由于肥源和生產(chǎn)工藝存在差異，導(dǎo)致有機(jī)肥養(yǎng)分含量及肥效往往不穩(wěn)定，從而使得商品有機(jī)肥質(zhì)量不能保持穩(wěn)定，生產(chǎn)廠家往往都只能給出一個(gè)最低養(yǎng)分閾值。這樣常使得生產(chǎn)上使用者難以精確把握用量和養(yǎng)分礦化過(guò)程，影響肥效。

2.2 儲(chǔ)運(yùn)和施用成本問(wèn)題

我國(guó)目前之所以尚無(wú)法大面積推廣有機(jī)肥，另一個(gè)關(guān)鍵原因在于它的施用成本(特別是運(yùn)輸和施用的勞動(dòng)力成本)。相較化肥的簡(jiǎn)單高效而言，施用有機(jī)肥明顯費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，不符合當(dāng)今農(nóng)村勞動(dòng)力緊張的實(shí)際需要。以滿足作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分為前提，單位面積有機(jī)肥施肥數(shù)量要遠(yuǎn)高于化肥。雖然有機(jī)肥的來(lái)源廣泛，也可以直接施用農(nóng)業(yè)廢棄物來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本施肥，但未處理的肥料往往無(wú)法達(dá)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機(jī)肥施入土壤中會(huì)造成作物燒苗燒根、種子不發(fā)芽、增加作物病蟲害的發(fā)生等危害[17]。因此，實(shí)際農(nóng)業(yè)使用中的有機(jī)肥已經(jīng)完成了消殺、發(fā)酵、顆?；裙に囂幚韀18]，但附加的工藝也意味著額外的成本投入，這無(wú)疑會(huì)增加農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者的總成本。目前，國(guó)內(nèi)精制的有機(jī)肥市場(chǎng)售價(jià)大致為每噸800～1 200元，有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥市場(chǎng)售價(jià)大致在每噸 900～2 300元，針對(duì)性地改善土壤性狀的專用肥料產(chǎn)品市場(chǎng)售價(jià)則可能每噸高達(dá)3 000元以上[19]。雖然有機(jī)肥單價(jià)低于化肥，但因其投入量大，以滿足作物生長(zhǎng)需要有效養(yǎng)分為標(biāo)準(zhǔn)，單是有機(jī)肥購(gòu)買成本就高出化肥近4倍[7]。

和施用化肥相比，有機(jī)肥施用數(shù)量明顯巨大。將其轉(zhuǎn)移至田間地頭并在田間均勻施肥，十分費(fèi)工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，南方山區(qū)農(nóng)田機(jī)械化程度又非常有限，這無(wú)疑會(huì)大大增加運(yùn)輸成本和撒施勞動(dòng)力成本，這些勞動(dòng)力成本的支出進(jìn)一步拉大了兩個(gè)施肥模式投入成本的差距。這樣一來(lái)，雖然有機(jī)肥擁有養(yǎng)分全面、涵養(yǎng)土壤、改善整體肥力等優(yōu)勢(shì)，但成本高居不下始終是有機(jī)肥進(jìn)入生產(chǎn)的重要制約因素，在勞動(dòng)力成本不斷上漲的當(dāng)下更是如此。此外，我國(guó)常見(jiàn)有機(jī)肥肥源空間分布不均，像東北、華北地區(qū)的秸稈產(chǎn)生量大于利用量，秸稈資源密度顯著高于全國(guó)水平，即出現(xiàn)了秸稈過(guò)剩的情況，而我國(guó)南方區(qū)域的秸稈密度則普遍低于全國(guó)平均水平。這種肥源空間分布不均的情況也進(jìn)一步導(dǎo)致不同區(qū)域的有機(jī)肥施用成本存在差異，也明顯阻止了有機(jī)肥的應(yīng)用推廣。

2.3 潛在污染問(wèn)題

商品有機(jī)肥主要由畜禽糞便和農(nóng)業(yè)生物廢棄物轉(zhuǎn)化而成。其成分除含有營(yíng)養(yǎng)元素外，還極有可能含有污染組分[20]。隨著新型復(fù)合功能型飼料中飼料添加劑和抗生素的大量使用，畜禽糞便的成分、性質(zhì)等發(fā)生了較大改變，導(dǎo)致由此制備成的有機(jī)肥普遍呈現(xiàn)重金屬和抗生素殘留的特點(diǎn)。大量研究表明，有機(jī)肥特別是畜肥有重金屬含量超標(biāo)的現(xiàn)象。據(jù)浙江省2014—2016年對(duì)有機(jī)肥商品抽查結(jié)果顯示，不合格產(chǎn)品中，重金屬指標(biāo)不符是主要原因[21]。海南省抽檢樣品近一半商品有機(jī)肥存在 Pb、Cr、Cd、Cu、Zn、As、Hg 7種重金屬超標(biāo)[22]。長(zhǎng)期大量施用重金屬含量超標(biāo)的有機(jī)肥會(huì)造成重金屬在土壤中的積累，進(jìn)而轉(zhuǎn)入食物鏈，引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品的安全和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。夏文建等[23]開(kāi)展的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用中、高量有機(jī)肥會(huì)顯著提高土壤Cr、As和Fe有效態(tài)含量。有機(jī)肥替代化肥的施用，使得土壤和果蔬中可食用部分重金屬積累顯著提高[24]。

除了引發(fā)傳統(tǒng)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)外，有機(jī)肥中可能含有的抗生素，對(duì)人類的健康與環(huán)境安全同樣構(gòu)成嚴(yán)重的威脅?？股啬壳耙呀?jīng)作為新型污染物的一種，被我國(guó)列入《重點(diǎn)管控新污染物清單(2023年版)》。長(zhǎng)期大量施用抗生素的危害主要會(huì)加速環(huán)境微生物的抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)的產(chǎn)生與傳播，誘導(dǎo)抗生素抗性細(xì)菌(antibiotic-resistant bacteria，ARB)的出現(xiàn)[25-26]。ARGs進(jìn)入土壤環(huán)境的主要途徑之一便是有機(jī)肥施用。之所以有機(jī)肥會(huì)影響土壤ARGs，主要因?yàn)橛袡C(jī)肥自身富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得土壤原有ARB得以增殖；而且有機(jī)肥含有的抗生素也為土壤細(xì)菌提供了選擇壓，促進(jìn)ARB形成；加上有機(jī)肥中可能自帶的ARB遷移至土壤中，從而導(dǎo)致施用土壤的ARGs豐度升高。在施用有機(jī)肥土壤和畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)土壤中普遍檢出了多種ARGs和可移動(dòng)基因片段(mobile genetic elements，MGEs)，這些結(jié)果國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道[27]。

3 有機(jī)肥施用介入土壤碳氮循環(huán)的過(guò)程

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量約為大氣碳庫(kù)的3.3倍[28]。土壤碳庫(kù)的微小變化可導(dǎo)致大氣中CO2濃度的較大波動(dòng)[29-30]。通過(guò)農(nóng)作措施的改進(jìn)，增加農(nóng)田土壤碳庫(kù)容量(即增加碳固存)，對(duì)于減少碳排放、緩解全球氣候危機(jī)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。與周轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng)的森林生態(tài)系統(tǒng)以及較少受到人類活動(dòng)擾動(dòng)的濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)周期相對(duì)較短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)僅有10%的碳會(huì)長(zhǎng)久地保存在各種農(nóng)產(chǎn)品和土壤中，很多生物質(zhì)碳會(huì)因?yàn)樯镔|(zhì)的分解很快重新回歸大氣。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力巨大，但如何開(kāi)發(fā)是一個(gè)亟須解決的問(wèn)題，而配施有機(jī)肥提供了一個(gè)可以嘗試的實(shí)踐通道。有機(jī)肥在長(zhǎng)時(shí)間施用后，會(huì)對(duì)土壤的養(yǎng)分循環(huán)造成不可忽視的影響，對(duì)土壤保肥與供肥能起到積極作用。在不同環(huán)境中，有機(jī)肥也有可能成為土壤產(chǎn)生溫室氣體的催化劑。因此，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期追蹤以防止大量土壤碳、氮的流失。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度和碳固持能力正成為農(nóng)業(yè)“雙碳”問(wèn)題的重要切入點(diǎn)，也正引起農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)家的高度關(guān)注[31]。

3.1 施用有機(jī)肥對(duì)土壤碳固存的影響

定位試驗(yàn)分析結(jié)果指出，有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥的配合施用可提升農(nóng)田土壤有機(jī)碳(SOC)含量[32]。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的配施對(duì)提高SOC含量有顯著效果，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)土壤固碳。水稻土長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，相較于無(wú)機(jī)肥對(duì)SOC含量的有限提升效果，“無(wú)機(jī)肥+綠肥”或“無(wú)機(jī)肥+綠肥+豬糞”的配合施肥對(duì)提高SOC含量影響非常顯著[33]。趙永存等[34]利用全國(guó)95個(gè)水稻土長(zhǎng)期施肥和秸稈還田試驗(yàn)、102個(gè)旱地長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)以及157個(gè)農(nóng)田保護(hù)性耕作試驗(yàn)結(jié)果完成的Meta分析表明，氮、磷、鉀配施有機(jī)肥的固碳速率可達(dá)(0.3±0.04)g·kg-1·a-1，遠(yuǎn)高于未施肥或是單施化肥的結(jié)果。

當(dāng)有機(jī)肥施用后，大量有機(jī)物料進(jìn)入土壤耕層，使得土壤有機(jī)碳水平整體提高。雖然有機(jī)肥的固碳優(yōu)勢(shì)顯著，可以以碳源的形式向土壤輸入，但這種土壤固碳實(shí)際上是一種輸入輸出此消彼長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。有機(jī)肥中的碳具有自身活躍、易于轉(zhuǎn)化的屬性，這種類型的有機(jī)碳一般被稱為營(yíng)養(yǎng)型有機(jī)碳，能夠作為土壤生物(尤其是土壤微生物)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被很快地分解轉(zhuǎn)化，在礦化作用下釋放出CO2和礦質(zhì)養(yǎng)分，從而造成有機(jī)肥有機(jī)碳的流失[35]。當(dāng)然，土壤中營(yíng)養(yǎng)型有機(jī)碳也會(huì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定型有機(jī)碳，與土壤顆粒緊密結(jié)合，難以礦化分解，從而增加土壤中穩(wěn)定的碳儲(chǔ)存(圖1)。

圖1 有機(jī)肥施用對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)的影響

SOC含量可視為動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)中固定和流失兩個(gè)過(guò)程間的平衡樞紐和指示器。當(dāng)輸入的有機(jī)碳固定量大于流失量，則SOC上升直至平衡，實(shí)現(xiàn)固碳效果；反之，則可能導(dǎo)致SOC下降。但這并不意味著有機(jī)肥施用多多益善，過(guò)高有機(jī)肥投入量下，極易打破SOC的平衡。由于養(yǎng)分充足，使得微生物活性群落水平上升，礦化強(qiáng)度也隨之大幅增加，導(dǎo)致大量有機(jī)質(zhì)無(wú)法固定而流失，并可能對(duì)土壤原先的穩(wěn)定有機(jī)碳造成影響。一般在長(zhǎng)期施肥條件下，SOC含量會(huì)最終趨于穩(wěn)定，不再因外源碳輸入而增加。

3.2 施用有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)溫室氣體排放的影響

施用有機(jī)肥可提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，促進(jìn)土壤固碳。但是，不合理的施用也會(huì)引起一系列環(huán)境問(wèn)題。過(guò)量施用有機(jī)肥料可導(dǎo)致土壤大量排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體[36-37]。像一些自身含有大量有機(jī)質(zhì)、氮、水分的畜禽糞便，其在堆肥和儲(chǔ)存期間會(huì)損失大量的碳、氮，同時(shí)還會(huì)釋放大量碳、氮類溫室氣體[35]。

CO2是最重要的溫室氣體。大量研究表明，有機(jī)肥施用會(huì)顯著促進(jìn)土壤排放CO2[38]。首先，有機(jī)肥的施用增加了SOC含量，尤其是易于轉(zhuǎn)化的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳，促進(jìn)土壤微生物呼吸產(chǎn)生更多的CO2；其次，有機(jī)肥的施用可使土壤總孔隙度增加，能促使土壤中CO2的擴(kuò)散和釋放；加之有機(jī)肥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增強(qiáng)了土壤微生物的活性，進(jìn)而促進(jìn)了土壤呼吸，影響了CO2通量[39]。

CH4的排放主要來(lái)自于產(chǎn)甲烷菌的作用。這個(gè)過(guò)程需要厭氧的還原環(huán)境。在旱地耕作環(huán)境中，秸稈還田能夠促進(jìn)土壤呼吸作用，增加 CO2的排放，而在水田環(huán)境則主要轉(zhuǎn)化為CH4向空氣中逸出[40]。研究發(fā)現(xiàn)，施用作物秸稈、畜禽糞便、堆肥、沼渣等有機(jī)肥，稻田的CH4排放量均有增加，但不同有機(jī)肥對(duì)CH4的影響程度不同，在施用秸稈條件下農(nóng)田CH4的排放量顯著高于其他組別。

土壤氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化途徑有兩條：好氧條件下的硝化過(guò)程；厭氧環(huán)境下的反硝化過(guò)程。兩條途徑都會(huì)排放溫室氣體N2O，從而成為了農(nóng)田系統(tǒng)氮氧化物的主要排放源。當(dāng)有機(jī)肥(主要是畜肥)施用在田間時(shí)，則會(huì)對(duì)土壤理化結(jié)構(gòu)以及土壤微生物產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響溫室氣體排放。Huang等[41]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥(牛糞)替代化肥情況下，N2O排放量與僅施用化肥相比，增加了122%～203%，并使得一些反硝化細(xì)菌類型豐度降低，并認(rèn)為這正是由于施用牛糞抑制了土壤反硝化菌群，從而促使N2O排放增加。但也有研究顯示，在施加像綠肥、油菜籽餅等非糞肥型有機(jī)肥后，則能夠有效降低N2O排放[42]。這表明，所施用的有機(jī)肥種類對(duì)農(nóng)田土壤溫室氣體排放影響存在顯著差異。張楠等[43]也發(fā)現(xiàn)，在黑土地固碳培肥過(guò)程的不同階段，不同種類有機(jī)肥對(duì)N2O排放的影響存在顯著差異，而且有機(jī)肥的組分特征是其中的關(guān)鍵因素。

3.3 有機(jī)肥的養(yǎng)分循環(huán)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)利用對(duì)土壤養(yǎng)分涵養(yǎng)與肥力保持起到重要作用。張璐等[44]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)12 a的養(yǎng)分循環(huán)再利用，耕層土壤有機(jī)碳、氮含量得到顯著提高，土壤肥力狀況明顯改善。農(nóng)田土壤管理實(shí)踐中，最理想的養(yǎng)分循環(huán)情形應(yīng)該是農(nóng)田系統(tǒng)在養(yǎng)分自給自足的內(nèi)循環(huán)條件下實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。但由于不同的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)措施導(dǎo)致歸還農(nóng)田的有機(jī)物料數(shù)量、方式和速率發(fā)生改變，從而形成了不同的養(yǎng)分循環(huán)途徑。邢力等[45]發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)糞肥可改進(jìn)土壤的供肥能力，秸稈直接還田可改進(jìn)土壤保肥能力。以中國(guó)為例，20世紀(jì)40—50年代，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式以有機(jī)農(nóng)業(yè)為主，養(yǎng)分通過(guò)人畜過(guò)腹歸田，基本實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)再利用；20世紀(jì)60—70年代，化肥使用開(kāi)始興起，施肥模式以化肥與圈肥相結(jié)合為主，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式變?yōu)橛袡C(jī)、無(wú)機(jī)結(jié)合，農(nóng)田系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的循環(huán)再利用；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，石油農(nóng)業(yè)迅速崛起，化肥開(kāi)始成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥主品；而到了20世紀(jì)90年代末期，秸稈還田措施開(kāi)始實(shí)施，中國(guó)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型成為“化肥+秸稈還田”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式[45]。2010年以后，基于避免秸稈焚燒導(dǎo)致大氣污染而推行的秸稈歸田政策得到強(qiáng)力推進(jìn)，向農(nóng)田投放的有機(jī)物料在土壤肥力保持與有機(jī)質(zhì)含量提升方面起到了顯著的作用。吳曉晨等[46]對(duì)不同施肥措施進(jìn)行元素示蹤手段研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)施秸稈歸田的措施后，農(nóng)田系統(tǒng)中氮循環(huán)率普遍高于75%，而未實(shí)施的組別則在40%以下，而其他的P、K元素亦反映出類似的結(jié)果。

4 有機(jī)肥助力低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的未來(lái)展望

我國(guó)有機(jī)肥資源豐富，但有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)整體存在生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、農(nóng)戶施肥意識(shí)不強(qiáng)、成本較高和產(chǎn)品質(zhì)量不一及使用機(jī)械化普及程度不夠等問(wèn)題[47]。因此，有必要對(duì)有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)從整體上進(jìn)行全方位多層次的改進(jìn)。

(1)嚴(yán)格執(zhí)行有機(jī)肥生產(chǎn)的相關(guān)法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范，從有機(jī)肥生產(chǎn)源頭抓起，實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥生產(chǎn)的規(guī)范化、循環(huán)化和產(chǎn)業(yè)化。在有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)上，需要通過(guò)政府積極參與，整合現(xiàn)有土壤耕地整治、環(huán)保獎(jiǎng)懲等有關(guān)資金，加大財(cái)政扶持；制定相關(guān)政策，加大對(duì)有機(jī)肥料生產(chǎn)企業(yè)的優(yōu)惠措施，引導(dǎo)有機(jī)肥料工廠化[48]，推動(dòng)有機(jī)肥市場(chǎng)繁盛。同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)攻克有機(jī)肥生產(chǎn)中存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，并及時(shí)對(duì)新型技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，提升有機(jī)肥質(zhì)量與生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)流程中尤其是有機(jī)肥發(fā)酵階段的能耗。目前我國(guó)在復(fù)合菌劑方面研究進(jìn)展顯著，許多復(fù)合菌劑在堆肥過(guò)程使用中，腐熟更為徹底，原料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解效率更高，同時(shí)還兼具制備方法簡(jiǎn)易、成本低廉、分散性較好等優(yōu)點(diǎn)，可以很好適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)[49-50]。

在有機(jī)物料循環(huán)化利用方面，要大力推廣農(nóng)業(yè)固廢資源化。鼓勵(lì)農(nóng)戶和養(yǎng)殖場(chǎng)合理處理農(nóng)業(yè)廢棄物，引導(dǎo)有機(jī)肥生產(chǎn)企業(yè)充分利用秸稈、畜禽糞污為原料。同時(shí)，為了減少有機(jī)肥原料在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中不必要的損失浪費(fèi)，建議企業(yè)采用“就地生產(chǎn)，就地施用”的方法，通過(guò)田間就地堆肥或是就近設(shè)置堆肥場(chǎng)地低成本實(shí)現(xiàn)其無(wú)害化處理與資源化利用，并不斷強(qiáng)化堆肥模式推動(dòng)農(nóng)業(yè)廢棄物高效返田。

在有機(jī)肥規(guī)范化上，需要制定更詳細(xì)的行業(yè)規(guī)范和更完善的抽樣模式，將新型污染物的檢測(cè)也納入到有機(jī)肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，同時(shí)盡量杜絕使用污染物超標(biāo)的有機(jī)肥原料，從而保障有機(jī)肥產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)注重有機(jī)肥施用方法革新，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化與多效化施肥的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化施肥，需要對(duì)目標(biāo)農(nóng)田區(qū)域的土質(zhì)情況開(kāi)展檢測(cè)。推進(jìn)測(cè)土施肥技術(shù)，能促進(jìn)肥料利用效率的大幅提高，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)向環(huán)境友好型轉(zhuǎn)型[51]。我國(guó)一直在推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)，但由于檢測(cè)手段復(fù)雜，數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜，普及程度難以提升。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)興起，測(cè)土施肥技術(shù)開(kāi)始與網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)以及GIS系統(tǒng)相結(jié)合。農(nóng)戶只需用手機(jī)APP，通過(guò)GPS定位就能直接得到當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分狀況，并得到施肥建議。這一技術(shù)融合既簡(jiǎn)化了以往繁雜的測(cè)土施肥流程，又實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施肥[52]，提高了施肥效率，并最大限度地減少由于侵蝕、淋溶和揮發(fā)等引起的養(yǎng)分損失，以及施肥引起的溫室氣體排放。

要實(shí)現(xiàn)多效化施肥，需要盡量用復(fù)合肥代替單一化肥或有機(jī)肥。長(zhǎng)期定位施肥實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)、無(wú)機(jī)結(jié)合處理的作物能夠長(zhǎng)期處于較高產(chǎn)量，且有機(jī)肥與化肥均表現(xiàn)出持續(xù)提高土壤有機(jī)碳、氮含量效果，但有機(jī)肥效果明顯優(yōu)于化肥[53]，所以在修復(fù)土壤時(shí)，所施用的復(fù)合肥中可以調(diào)高有機(jī)肥比例。因而合理的有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配施比例，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物產(chǎn)量的提升，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤肥力的恢復(fù)以及溫室氣體排放的降低，盡可能減少過(guò)量施肥所帶來(lái)的弊端。

(3)將有機(jī)肥納入到農(nóng)業(yè)碳排放監(jiān)測(cè)體系，長(zhǎng)期監(jiān)管有機(jī)肥使用后的農(nóng)田環(huán)境。在統(tǒng)計(jì)認(rèn)證各類生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體排放總量方面，碳足跡的概念已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡計(jì)算研究中，對(duì)于農(nóng)田直接產(chǎn)生的碳排放核算中往往重視化肥卻輕視有機(jī)肥和相關(guān)農(nóng)業(yè)廢棄物[54]。隨著有機(jī)肥的推廣，農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡中有機(jī)肥的比例也會(huì)相應(yīng)提升，因此，建立對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在核算中考慮有機(jī)肥生產(chǎn)、包裝、存儲(chǔ)、分配的碳排放系數(shù)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)有機(jī)肥施用對(duì)農(nóng)田的固碳效果，可以準(zhǔn)確合理地估算農(nóng)村碳排放量，為低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供決策參考，從而制定合理的碳減排量。

(4)發(fā)揮市場(chǎng)與政府協(xié)同作用，有效調(diào)控農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳排放。市場(chǎng)機(jī)制方面，我國(guó)可以學(xué)習(xí)美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，采取建設(shè)農(nóng)業(yè)生態(tài)銀行的方式，由銀行將農(nóng)業(yè)生態(tài)信用出售至氣體排放超標(biāo)的主體[55]，為農(nóng)業(yè)碳排放調(diào)控項(xiàng)目提供資金，以解決有機(jī)肥普及的資金難題。還能在銷售環(huán)節(jié)，通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品設(shè)置碳標(biāo)簽的形式，幫助消費(fèi)者直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)使用過(guò)程中碳排放量的方式，一些長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的農(nóng)產(chǎn)品可以獲得綠色認(rèn)證，從而引導(dǎo)消費(fèi)者選用更為綠色的商品，在消費(fèi)源頭上降低碳排放[56]。政府方面，通過(guò)出臺(tái)相關(guān)法規(guī)政策實(shí)現(xiàn)碳調(diào)控。我國(guó)在2015年和2022年分別出臺(tái)《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》和《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》等政策，對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放進(jìn)行規(guī)范引導(dǎo)。另外，政府還可以輔之引導(dǎo)有機(jī)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的相關(guān)經(jīng)濟(jì)政策，包括生態(tài)補(bǔ)償、綠色補(bǔ)貼政策、項(xiàng)目基金扶持、減稅、免稅、貼息、政府補(bǔ)助等多種經(jīng)濟(jì)支撐手段，進(jìn)一步為低碳有機(jī)肥的發(fā)展鋪平道路。