有機(jī)碳肥在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

向清慧，肖漢乾，楊 坤，陳治鋒，吳晶晶，嚴(yán)倩萍，陳夢思，黃 杰，鄧小華*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2中國煙草總公司湖南省煙草公司，長沙 410004；3浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，杭州 310009；4中國煙葉總公司，北京 100055）

有機(jī)碳肥是指為作物提供有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分，富含小分子水溶有機(jī)碳的肥料，是近年來開發(fā)的新肥種。目前主要有三種生產(chǎn)有機(jī)碳肥的技術(shù)：第一種是以酒精、味精、酵母、蔗渣、秸稈等發(fā)酵工業(yè)廢液或生物質(zhì)為原料，采用活化降解廢液提高有機(jī)碳產(chǎn)物活性；第二種是以中藥殘?jiān)壬镔|(zhì)為原料，將有機(jī)物降解為高活性小分子有機(jī)碳；第三種是以褐煤為原料，通過加堿及微生物進(jìn)行生化反應(yīng)，生成水溶性高、生理活性高的腐植酸系列產(chǎn)品［1，2］。由于傳統(tǒng)有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)作用緩慢，大部分短時間內(nèi)無法溶于水，以礦化腐殖質(zhì)形式存在，必須經(jīng)過土壤中微生物長時間作用才能分解為水溶性碳，從而導(dǎo)致當(dāng)季作物從傳統(tǒng)有機(jī)肥中吸收的有機(jī)營養(yǎng)非常少。而有機(jī)碳肥作為傳統(tǒng)有機(jī)肥的升級換替產(chǎn)品，其有效碳含量是普通有機(jī)肥的20倍左右［3］，可以被作物充分利用，加上含有氮磷鉀等所需元素，很大程度上減少了無機(jī)化肥的投入量，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有機(jī)肥的不足和應(yīng)用領(lǐng)域的局限性，又使土壤改良與作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)同步，讓土地永續(xù)耕作變?yōu)榭赡堋?/p>

一方面，有機(jī)碳肥中的水溶性小分子碳有水溶和速效的特點(diǎn)，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、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物根系生長、增強(qiáng)作物光合作用、提高作物抗逆性和化肥利用率等作用，使作物增產(chǎn)增質(zhì)，在作物生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊。另一方面，有機(jī)碳肥還在環(huán)境保護(hù)上展現(xiàn)出極大魅力。針對化學(xué)農(nóng)藥大量使用引起的食品安全問題和重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，合理應(yīng)用有機(jī)碳肥可以解決部分問題，雖相關(guān)研究不多，但已成為未來研究方向之一。

1 施用有機(jī)碳肥對土壤環(huán)境的改良效果

1.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物多樣性反映出土壤中微生物的生態(tài)特征與功能。有機(jī)碳肥的施用，能促使土壤微生物大量繁殖，提高土壤透氣性，好氧菌成了優(yōu)勢種群，進(jìn)一步分解土壤中的有機(jī)質(zhì)，代謝更多小分子有機(jī)碳物質(zhì)，作物根系受刺激而更加強(qiáng)壯，根端釋放更多有機(jī)酸形成豐富的根際微生物圈，從而提高土壤肥力水平［4］。而良好的土壤微生物環(huán)境可促進(jìn)作物對肥力的吸收，提高作物光合作用效率，促進(jìn)碳水化合物的積累，從而促進(jìn)作物生長。

1.2 對土壤結(jié)構(gòu)的影響

土壤中的碳含量常被用來評價土壤質(zhì)量，與土壤三大肥力緊密聯(lián)系。增加土壤碳的含量不但有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，而且對整個地球生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)也有著至關(guān)重要的作用［5］。朱昌雄等［3］指出，施用有機(jī)碳肥后，土壤變疏松，可見土壤板結(jié)主要原因不是使用了化肥而是由于缺碳。研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)碳土壤調(diào)控劑與傳統(tǒng)化肥比較，鹽化潮土的容重、pH和重金屬離子Hg、Cd、Cr和Pb含量分別降低6.92%、0.46、16.21%、28.85%、15.74%和18.02%；土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和團(tuán)聚體分別增加3.40、1.87、1.53和7.11個百分點(diǎn)；土壤總持水量、毛管持水量和非毛管持水量分別增加6.67%、6.67%和6.68%；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀分別增加11.81%、1.78%、1.68%和0.28%［6］。

王越［7］研究了外源有機(jī)碳對土壤有機(jī)碳組分含量、土壤團(tuán)聚體及土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果顯示，不同分子量級外源有機(jī)碳通過不同的方式改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)碳固定，餐廚垃圾生物強(qiáng)化有機(jī)肥中各量級有機(jī)碳比例合理，能夠明顯提升土壤有機(jī)碳水平，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。He等［8］對不同施肥條件下土壤的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，石油有機(jī)碳是土壤肥力的核心，土壤C與N之比、pH和黏土是土壤中有機(jī)碳存儲的主要因素，可通過長期施用有機(jī)碳肥來改變石油有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高農(nóng)業(yè)土壤碳匯能力。Zhou等［9］認(rèn)為，施加肥料的種類對土壤有著很大的影響，就現(xiàn)在中國土地嚴(yán)重缺失碳營養(yǎng)而言，有機(jī)碳肥是最好的選擇，能直接有效地改善土壤的碳結(jié)構(gòu)和含量。

可見，施用有機(jī)碳肥后顯著提高了土壤三大肥力，解決土壤酸化、鹽堿化等問題，改良土壤而產(chǎn)生綜合效應(yīng)的作用［10］，為后續(xù)作物的生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境。值得注意的是，使用有機(jī)碳肥改良土壤時，先要對基礎(chǔ)土壤有一個全面的了解，選擇適宜的有機(jī)碳肥種類，合理配施，才能取得較好的效果，使土地永續(xù)耕作。

2 施用有機(jī)碳肥對作物生長發(fā)育的影響

碳是17種必需營養(yǎng)元素之首，作物體內(nèi)的含碳量范圍為24.95%～55.44%，平均為43.63%，在作物元素組成百分比中居首位，遠(yuǎn)高于氮、磷、鉀等元素的總含量［11］。碳營養(yǎng)的重要性，關(guān)鍵在于它可提供構(gòu)建作物體內(nèi)各有機(jī)成分的必需成分——碳架（包括鏈狀、環(huán)狀的各類碳架），是作物合成糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、酶、激素、信號傳遞物質(zhì)的基礎(chǔ)物質(zhì)［12］。已有研究顯示，除了CO2是作物的重要碳源外，水溶有機(jī)碳也是作物的另一重要碳源?？赏ㄟ^采取地補(bǔ)有機(jī)碳的措施，提高天補(bǔ)CO2效率，促進(jìn)作物的生長發(fā)育。

2.1 對作物根系的影響

作物根系大小及其空間分布構(gòu)型與作物對土壤養(yǎng)分的吸收能力密切相關(guān)［13，14］。根系的生長離不開碳元素，由于根系遠(yuǎn)離枝葉，更加依賴土壤中碳源，保證土壤碳素充足十分必要。

王燕萍等［15］通過將餐廚剩料經(jīng)分離、高溫發(fā)酵、滅菌等一系列工藝后形成的有機(jī)碳肥，使其作為稻作育秧基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)秧苗素質(zhì)好，提高栽插質(zhì)量，秧苗發(fā)根力強(qiáng)，早期發(fā)苗快，出苗早。

土壤中豐富的碳養(yǎng)分可促進(jìn)根系發(fā)育，極大原因是有機(jī)碳肥的施入，影響了土壤中微生物的生長繁殖，直接優(yōu)化了作物根際土壤，加上土壤結(jié)構(gòu)疏松，減緩了根系生長阻力，根系速長，壯長。

2.2 對作物光合作用的影響

研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)碳肥的作物葉片寬厚，葉脈粗壯，葉色蔥翠有光澤，光合效率大大提高。柳沈輝等［16］認(rèn)為，液態(tài)有機(jī)碳肥對培育3年生嘉寶果幼苗的葉綠素含量有明顯促進(jìn)作用。吳家強(qiáng)等［17］研究表明，不減肥施用“烏金綠”和減肥施用“烏金綠”均能提高水稻葉綠素含量，增加有效穗數(shù)。

由于有機(jī)碳肥中的碳是有機(jī)態(tài)，無需通過光合作用進(jìn)行有機(jī)轉(zhuǎn)化，以后續(xù)生化反應(yīng)為起點(diǎn)，初始反應(yīng)的光合能可節(jié)省下來用于后續(xù)反應(yīng)中，制造其他必需生化物質(zhì)（如酶、激素、信號傳遞物質(zhì)等），促進(jìn)作物更好生長［18］。

2.3 對作物地上部分生長發(fā)育的影響

作物地上部分生長發(fā)育所需養(yǎng)分一方面來自于根系的吸收，另一方面來自于綠色部分的光合作用。由于有機(jī)碳肥的施入，作物根系壯大，量多，從土壤中獲得的養(yǎng)分增加；作物光合作用變強(qiáng)，光合效率提高，經(jīng)一系列生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生豐富的光合產(chǎn)物，供作物地上部分的生長發(fā)育。

柳沈輝等［16］研究發(fā)現(xiàn)，利用液態(tài)有機(jī)碳肥培育3年生嘉寶果幼苗，對嘉寶果實(shí)生苗地上部生長量有一定的促進(jìn)作用，以每盆施150mL有機(jī)碳效果最為顯著。另外，賴根偉等［19］研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳肥對香榧地徑、新梢生長的促生作用極顯著，同時大大減少其成本投入，提高種植效益。陳秀蓮等［20］通過搭配不同施肥方式，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)施肥＋液態(tài)有機(jī)碳肥處理?xiàng)l件下的蕹菜株高、莖粗、單株鮮重均增加，產(chǎn)量比常規(guī)施肥＋等量清水增加8.6%，比常規(guī)施肥增產(chǎn)9.6%。

3 施用有機(jī)碳肥對作物抗逆能力的影響

作物在生長發(fā)育階段所需的碳元素在50%以上，作物缺碳，容易引起“亞健康”，出現(xiàn)敗根、黃化、早衰、花而不實(shí)、落葉落果等問題。當(dāng)作物遇到弱光、澇、病蟲害等逆境，其體內(nèi)的應(yīng)對機(jī)制在抵御不良影響過程中會消耗大量的含碳化合物，如果碳供應(yīng)不足則必然會減少抗逆信號物質(zhì)的合成，從而降低作物的抗逆性。

3.1 對作物抗弱光性的影響

弱光制約作物的生長和高產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，在弱光條件下，水稻碳水化合物合成減弱，導(dǎo)致體內(nèi)碳營養(yǎng)不足。噴施有機(jī)碳營養(yǎng)（α-酮戊二酸），為其體內(nèi)補(bǔ)充碳源，促進(jìn)了其對氮素的吸收及轉(zhuǎn)化，使水稻的碳、氮代謝更為協(xié)調(diào)，與CK相比，水稻生物量增幅高達(dá)33.12%［21］。

3.2 對作物抗?jié)承缘挠绊?/h3>

研究發(fā)現(xiàn)，解除淹澇脅迫并噴施有機(jī)碳營養(yǎng)后3 d，相對于CK，各有機(jī)碳營養(yǎng)處理對水稻葉片SOD活性提高效果顯著；解除淹澇后6 d時，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性較解除淹澇后3 d時基本保持上升，抗?jié)承猿掷m(xù)提高［22］。

3.3 對作物抗病性的影響

一般來講，作物越瘦弱，生存環(huán)境營養(yǎng)成分越少，越易患病，及時提供碳營養(yǎng)是提高作物防病機(jī)能的重要措施。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，施入有機(jī)碳肥后，作物“缺素”病很少發(fā)生，而同塊地同種作物，只施復(fù)合肥的對照卻發(fā)生缺素病，這可能是因?yàn)閮H施復(fù)合肥的土壤嚴(yán)重板結(jié)，土壤微生物減少，根際土壤氣體不循環(huán)，作物根系活動衰弱，吸收能力差，土壤中微量元素得不到有機(jī)酸作用，生物活性差，作物吸收不了微量元素［23］。

總而言之，有機(jī)碳肥可增強(qiáng)作物抗逆機(jī)能，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，合理應(yīng)用有機(jī)碳肥，能起到較好作用，但有機(jī)碳肥的作用機(jī)制尚未明確，仍需進(jìn)一步研究。

4 施用有機(jī)碳肥提高肥料利用率

不合理的施肥能造成土壤障礙［24］，影響肥料利用率，但低肥料利用率的主要原因還在于缺碳。有機(jī)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條件下大量繁殖，提高了土壤的生物肥力，從而進(jìn)一步提高了土壤中N、P、K等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的利用率。

研究丁香、紅瑞木、油松和白蠟4種植物在6個有機(jī)碳菌劑施用水平下的肥料利用率，發(fā)現(xiàn)普遍施用低濃度的有機(jī)碳菌劑（5 g／株）會提高肥料利用率［25］。另外，有機(jī)碳肥還可被加工成活化劑，對磷、鉀、鎂、鋅礦進(jìn)行活化而生產(chǎn)促釋型磷、鉀、鎂、鋅肥料［26，27］。

當(dāng)今國內(nèi)外提出與肥料相關(guān)的平衡施肥、農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、提高肥料利用率等重大問題與有機(jī)碳碳營養(yǎng)也有關(guān)系，即使在大田化肥施用量大的情況下，肥料中大部分養(yǎng)分仍未被利用，大田碳營養(yǎng)也基本是通過光合作用來補(bǔ)充，無法達(dá)到平衡施肥，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)和農(nóng)業(yè)成本增加，不利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展［28］。在今后作物生產(chǎn)上，需注重將有機(jī)碳肥和化肥合理配比混合施用來提高化肥利用率。

5 施用有機(jī)碳肥對作物產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

5.1 對作物產(chǎn)量的影響

目前，有機(jī)碳肥在許多作物的栽培上應(yīng)用效果良好，在四季豆、西紅柿、苦瓜等蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用，增產(chǎn)率超過50%［3］。劉保成等［29］在花生上試驗(yàn)表明，在施用復(fù)合肥600 kg／hm2的基礎(chǔ)上，再配施有機(jī)碳肥600 kg／hm2，可以獲得較高的產(chǎn)量和最佳的經(jīng)濟(jì)效益。王百順等［30］報(bào)道了有機(jī)碳肥可以有效提高玉米穗粒數(shù)和千粒重；施用有機(jī)碳肥450～600 kg／hm2較不施用有機(jī)碳肥的對照處理增產(chǎn)2522.39～2835.82 kg／hm2，增幅為24.74%～27.82%，增產(chǎn)效果顯著。

然而，有機(jī)碳肥用量需要正確把握，否則效果適得其反。據(jù)葛順峰［31］研究，隨著土壤C／N的逐漸增大，蘋果樹株高、莖粗和地上部干重指標(biāo)均呈先增加后降低趨勢，當(dāng)土壤C／N處于較高水平時（＞30）總硝化非常低，降低了肥料N的有效性，從而影響了植株生長。

5.2 對作物品質(zhì)的影響

施用有機(jī)碳肥能完善作物生長和成熟的過程。研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)碳肥的黃瓜采摘后存放到16 d，掰斷還有脆感，而施用復(fù)合化肥的黃瓜，存放6 d掰斷已出現(xiàn)綿軟感［23］。

桂丕等［32］研究發(fā)現(xiàn)，在3種氮水平下，有機(jī)碳處理可使蕹菜葉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，表明外源有機(jī)碳可促進(jìn)蕹菜碳氮的合成代謝，從而促進(jìn)生長，改善品質(zhì)。

土壤施用有機(jī)碳肥后，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都有明顯提高。作物應(yīng)用有機(jī)碳肥，能促進(jìn)作物本身的強(qiáng)壯，“源庫流”體系不斷完善，干物質(zhì)量大大增加，產(chǎn)量得到提高。同時，作物的抗逆能力增強(qiáng)，伴隨的損失減少，品質(zhì)提高。

6 展望

綜上所述，雖然在部分農(nóng)作物上應(yīng)用有機(jī)碳肥后，作物產(chǎn)量和品質(zhì)大大滿足人們的預(yù)期，但是，由于現(xiàn)階段進(jìn)行的關(guān)于有機(jī)碳肥應(yīng)用試驗(yàn)較少，缺乏充足的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)較粗糙，不完善，主觀隨意性較強(qiáng)，不同農(nóng)作物間的用量、與各種化肥的配比及不同液態(tài)有機(jī)碳肥的差異并不明確，無法斷言上述農(nóng)作物使用種類、用量和用法為最合理，增產(chǎn)效果是最佳的。所以，如何在缺乏有機(jī)碳營養(yǎng)的情況下，選擇適宜類型的有機(jī)碳肥、平衡各種礦物質(zhì)營養(yǎng)、合理分配施肥量是當(dāng)前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要解決的重要問題。

產(chǎn)量和品質(zhì)的提升在煙葉大田生產(chǎn)中是首要目標(biāo)。目前關(guān)于在烤煙苗期施用有機(jī)碳肥能否影響烤煙產(chǎn)質(zhì)量的研究甚少，但在其他農(nóng)作物上有了一定的了解。因此，亟需系統(tǒng)深入開展烤煙苗期施用有機(jī)碳肥作用機(jī)理及效果研究，以為有針對性、科學(xué)有效地利用有機(jī)碳肥來提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。