腐植酸類物質(zhì)助力農(nóng)業(yè)碳匯的優(yōu)勢與效益分析

周霞萍 王玉諾 沈天瑞 張洪江 蘇雙平 韓 浩

1 上海臻衍生物科技有限公司 上海 210715 2 吐魯番昌湖生物科技有限公司 吐魯番 838099 3 禾沃農(nóng)業(yè)科技有限公司 錦州 124200 4 湖南煒基生物科技有限公司 長沙 410001 5 寧夏金海德億腐植酸生物科技有限公司 石嘴山 753000

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》將碳匯（Carbon Sink）定義為：從大氣中清除二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等導致溫室效應的氣體、氣溶膠或它們的初生體的任何過程、活動或機制。也就是說，碳匯就是通過植物光合作用將大氣中的CO2吸收并固定在植被與土壤當中，從而減少大氣中CO2濃度的過程。因此，森林、綠地的土壤、植被對CO2的儲存和吸收的功能也被稱為碳匯。碳源（Carbon Source）則定義為向大氣中釋放CO2的過程、活動或機制。也就是說，碳源是指CO2氣體成分從地球表面進入大氣，或者在大氣中由其他物質(zhì)經(jīng)化學過程轉化為CO2氣體成分。碳儲量（Carbon Storage）是指生態(tài)系統(tǒng)中碳素的存留量，包括植物體生物量中的碳和土壤（100 cm深）有機質(zhì)中的碳。碳儲量作為衡量生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力規(guī)模和數(shù)量的重要指標，也可間接作為衡量生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的參數(shù)。

目前常用碳儲量來推測、計量和比較碳匯容量及能力的大小。有兩條固碳、減碳措施：第一條是工業(yè)的減排，稱為直接減排；第二條是“生物固碳”，是利用植物的光合作用，通過調(diào)控碳通量以提高生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和碳儲存的能力。腐植酸類物質(zhì)是地球最富有的碳聚集體，其固碳途徑包括：（1）增加陸地植被生物量及其光合強度，從而提高了生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和碳通量；（2）增加土壤腐殖質(zhì)儲量及其碳儲存能力；（3）通過對化肥、農(nóng)藥以及其他生態(tài)有害物質(zhì)的反應和轉化，減少其生產(chǎn)和應用過程產(chǎn)生的CO2及有害物質(zhì)的排放，提高其有效性，降低其毒性，客觀上提升了碳匯增量和能力，維護了生態(tài)系統(tǒng)的安全性。由此，腐植酸類物質(zhì)增強地球的碳匯有跡可循，效益顯著[1]。

傳統(tǒng)的“碳匯”概念主要指森林的儲碳功能。近年來，碳匯的內(nèi)涵已擴展到整個生態(tài)系統(tǒng)，稱為“生態(tài)碳匯”。全球主要有4大“生態(tài)碳匯”：森林碳匯、草地（含濕地、泥炭地）碳匯、耕地碳匯、海洋碳匯。

1 腐植酸類物質(zhì)對優(yōu)化土壤碳匯的貢獻

土壤碳匯，包含在森林碳匯、濕地（泥炭地）碳匯和耕地碳匯中。而土壤碳庫（Soil Carbon Pool）是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其中的腐植酸類物質(zhì)是儲碳功能的核心組分。全球土壤碳達3萬億噸，約有80%儲存在腐植酸類物質(zhì)中，它們在降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖過程中發(fā)揮著極其重要的作用。

我國森林碳儲量的計算已經(jīng)比較成熟，在大興安嶺森林碳匯計量評價中，按林木生物量，采用實測法和模型法可進行統(tǒng)計評估[1～3]。

在原《保護性耕作減排增匯項目方法學》中定義的土壤碳庫是指土壤中的有機碳（主要是腐殖質(zhì)碳）和無機碳，不包括土壤中的生物量（根、塊根等）以及土壤動物。而在近幾年的“碳匯”增量碳統(tǒng)計中，實際上是包括了地上生物量、地下生物量的“碳匯”部分，如表1節(jié)選哈爾濱市3種土地利用類型單位面積生物量與土壤碳儲量，實際通過綠色植物的種植密度吸收CO2的量計算出的。

表1 哈爾濱市3種土地利用類型單位面積生物量與土壤碳儲量[4]Tab.1 Biomass per unit area and soil carbon storage of 3 different land use types in urbanized city of Harbin mg C/hm2

圖1顯示，土壤內(nèi)部存在SOC-CO2-SIC的土壤“碳轉移”微循環(huán)，在土壤CO2和水分的參與下，土壤中的CaCO3溶解再結晶形成次生碳酸鹽，而此過程始終存在土壤CO2與活性碳酸鹽、碳同位素之間的反應交換。因此，通過碳穩(wěn)定同位素技術可以進行原生碳酸鹽和次生碳酸鹽的區(qū)分，它更是CO2在土壤礦物質(zhì)的存在下，進行土壤吸收CO2，增加“碳匯”方式之一。而腐植酸可以進一步與CaCO3、MgCO3、Na2CO3等作用。因此，腐植酸類物質(zhì)不僅可以通過綠色植物的光合作用吸收CO2增加土壤碳匯，也參與無機礦物質(zhì)與CO2的反應吸收或反應合成，增加碳匯[5～7]。

圖1 干旱區(qū)荒漠土壤無機碳同化途徑Fig.1 Inorganic carbon assimilation pathway of desert soil in arid area

2 腐植酸類物質(zhì)對增強肥料、農(nóng)藥制造和應用過程 的碳匯貢獻

評價腐植酸在肥料中的作用，如中國腐植酸工業(yè)協(xié)會的建言，為實現(xiàn)“雙碳”目標，腐植酸低碳肥料直面化肥，可兩頭算，即以腐植酸類肥料、農(nóng)藥生產(chǎn)過程的節(jié)能，減少CO2排放，比較某些化肥、農(nóng)藥生產(chǎn)過程的高能耗，通過工業(yè)制造肥料、農(nóng)藥的“節(jié)碳量”和農(nóng)業(yè)應用過程碳匯來進行匡算的。

美國橡樹嶺國家實驗室、南京農(nóng)業(yè)大學資源與生態(tài)環(huán)境研究所研究得出了化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的碳排放系數(shù)（表2）。而有研究表明，腐植酸有機肥料、增值農(nóng)藥、可降解地膜在減少碳排放、增加土壤碳匯等方面有顯著效果[8～11]。比如，對于作物種植來說，土壤氮元素稀缺是限制作物生長的主要因素，所以施用氮肥成為增加產(chǎn)量的重要措施。腐植酸尿素可以減少尿素的施用量，在行業(yè)內(nèi)已有不少應用成果[12，13]。腐植酸鉀可以直接減少肥料使用量，增加土壤磷的有效性[14]，推進土壤增匯以及其他產(chǎn)業(yè)的聯(lián)動減排。又如在我國生產(chǎn)出口的農(nóng)藥中，以浙江省為例，在原藥產(chǎn)品中，除草劑占據(jù)了“半壁江山”，占原藥總產(chǎn)量的67.2%（圖2）；在2020年原藥出口中，除草劑占了70.9%（圖3）。若用腐植酸可降解地膜等替代，農(nóng)藥除草劑用量可大幅度降低[15]。此外，為保證產(chǎn)量，通常過量施用農(nóng)藥。農(nóng)藥在田間的分解不產(chǎn)生直接排放，但農(nóng)藥生產(chǎn)不僅耗能，而且具有高污染性。腐植酸作為農(nóng)藥助劑或新農(nóng)藥應用，使農(nóng)藥生產(chǎn)量減少，碳排放就減少了；同樣，腐植酸可降解地膜替代了其他地膜，能大量減少農(nóng)藥除草劑的用量，降解后能化為肥料，實際就是增加了碳匯[16～20]。

圖2 各類農(nóng)藥原藥產(chǎn)量比例Fig.2 Output proportion of various pesticide technical drugs

圖3 各類農(nóng)藥制劑產(chǎn)量比例Fig.3 Output proportion of various pesticide preparations

表2 農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥主要生產(chǎn)要素的碳排放系數(shù)Tab.2 Carbon emission coefficient of main production factors of agricultural chemical fertilizers and pesticides

3 施用腐植酸和改變種植方式對碳匯的作用

通常保護性耕作（Conservation Tillage）是指少耕、免耕，深松及秸稈還田的綜合配套措施，是既能減少農(nóng)田土壤侵蝕，又能增加農(nóng)田土壤有機碳含量的方法。實現(xiàn)土壤碳庫增匯，保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，是協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要技術。

森林和草原中的土壤碳匯都是“正能量”過程，但“耕地碳匯”比較特殊。自然界耕地固碳過程實際都“遭受”人為的“破壞”。因為耕地生產(chǎn)的糧食每年都被收獲而消耗掉了，秸稈也不可能被直接還田，有很大一部分被焚燒掉了。因此，耕地中被固定的CO2又被大量排放到大氣中。要保持和增強耕地碳匯能力，一是補充秸稈發(fā)酵轉化的有機肥或煤炭腐植酸產(chǎn)品，這是眾所周知的；二是改變種植方式。以下介紹兩個案例。

（1）來自瑞典農(nóng)業(yè)大學、芬蘭農(nóng)業(yè)食品研究所聯(lián)合發(fā)表在Geogerma上的研究報告證明[21]：以①休耕（沒有碳輸入）、②輪作（作物根系為碳輸入）、③輪作+無機氮肥（作物根系為碳輸入，硝酸鈣為無機氮輸入）、④麥秸（麥秸為碳輸入）、⑤麥秸+無機氮肥（麥秸為碳輸入，硝酸鈣為無機氮輸入）、⑥綠肥（貓尾草為碳輸入）、⑦廄肥（牛糞尿與麥秸混合物為氮碳輸入，硝酸鈣為無機氮輸入）、⑧泥炭+無機氮肥（泥炭為碳輸入，硝酸鈣為無機氮輸入）的方法試驗，在30年時間中，方法①和②土壤碳儲量開始每平方米能增加4 kg，后期逐年減少到3 kg；方法③基本維持每平方米增加4 kg；方法④土壤碳儲量開始的值增加4 kg，后期逐年增加到5 kg，方法⑤和⑥土壤碳儲量開始每平方米能增加4.5 kg，后期逐年增加到5.5 kg；方法⑦土壤碳儲量從開始的每平方米能增加4.5 kg，后期逐年增加到6.0 kg；方法⑧土壤碳儲量開始每平方米能增加4.5 kg，后期逐年增加到8.0 kg，增幅最大。若以此推斷，在一定的耕種方式下，仿生泥炭腐植酸類基質(zhì)增加碳儲量、碳匯的趨勢應該與天然泥炭相似[22]。

（2）腐植酸鉀、黃腐酸鉀是水稻田普便使用的肥料。在為探討稻田輪作種植模式對土壤有機碳庫的影響優(yōu)化種植制度中[23]，長江中游地區(qū)采用紫云英-早稻-晚稻種植模式（CRR）為對照，設置油菜-早稻-晚稻（RRR）、馬鈴薯-早稻-晚稻（PRR）、紫云英-早稻-甘薯-晚大豆（CRI）、油菜-早稻-甘薯-晚大豆（RRI）5種種植模式，通過測定土壤有機碳、活性有機碳及其組分的含量和作物產(chǎn)量，分析種植模式對土壤有機碳、活性有機碳及其組分、碳庫管理指數(shù)及經(jīng)濟效益的影響。結果表明：晚稻收獲后，與CRR處理相比，RRR、CRI、RRI處理的土壤有機碳含量提高12.06%～21.01%，PRR、CRI、RRI處理的活性有機碳和微生物量碳含量比對照處理分別提高16.80%～20.45%和38.24%～50.00%，各處理的可溶性有機碳含量提高3.13%～15.64%，CRI、RRI處理能顯著促進土壤總有機碳和微生物量碳的積累，PRR處理則有利于土壤活性有機碳的積累。與CRR處理相比，PRR處理提高了土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)，RRI、CRI處理提高了土壤碳庫指數(shù)，且CRI、RRI、PRR處理的土壤碳庫管理指數(shù)顯著提高17.30%～33.49%。PRR、CRI處理的經(jīng)濟效益顯著提高12.05%和9.86%[24，25]。

此外，腐植酸還可以通過生物共生的生態(tài)模式實現(xiàn)生物固碳。經(jīng)核算，中國海洋藍碳總儲量80億噸CO2，年碳匯量約2.89～3.65億噸CO2，而溶解有機碳與顆粒有機碳估算為7.63×105萬噸CO2

[26]。而類似水稻田稻蟹混養(yǎng)的方式，中國科學院濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室、中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所已經(jīng)進行了15年之久的研究示范，獲得了“一水多用、一地多收”，低投入高產(chǎn)出，生態(tài)效益與經(jīng)濟效益兼顧的生態(tài)工程模式[27]。

4 建議

2018年12月3日，在《自然》雜志網(wǎng)站刊發(fā)了一篇題為《增加土壤碳儲量實現(xiàn)巴黎氣候承諾》的評論文章，呼吁各國采取行動通過8個步驟 ①阻止土壤碳流失；②促進土壤碳吸收；③科學監(jiān)測和驗證干預措施；④利用高科技監(jiān)測土壤碳儲量變化；⑤開發(fā)計算機模型和示范點網(wǎng)絡測試措施有效性；⑥鼓勵公眾參與；⑦協(xié)調(diào)相關政策；⑧提供資金等方面的配套支持，可以增加農(nóng)業(yè)土壤碳儲量，應對全球氣候變化和糧食安全問題。這呼吁至今有效[28～32]。作為“碳達峰”“碳中和”的戰(zhàn)略性任務，腐植酸類物質(zhì)助力農(nóng)業(yè)碳匯的優(yōu)勢與效益分析將貫穿于工作始終。對于今后在腐植酸類物質(zhì)助力農(nóng)業(yè)碳匯方面的工作提出以下2點建議。

（1）在腐植酸類物質(zhì)助力農(nóng)業(yè)碳匯方面，要強化基礎研究與應用研究的結合，在腐植酸新產(chǎn)品、新資源開發(fā)中，注重“碳匯”的技術指標，形成低碳發(fā)展的聯(lián)動效應。

（2）在腐植酸類物質(zhì)助力農(nóng)業(yè)碳匯的科學計算上，繼續(xù)開展實測與理論模擬的結合，除了匡算種植業(yè)的直接排放之外，還要關注生產(chǎn)過程中的其他溫室氣體，如石油、煤炭和天然氣的消耗，通過排放因子的折算或加和完成計算[33～35]。