生物腐植酸在低碳农业中的地位与作用

罗 煜 张玉华 赵立欣 向 欣 程红胜 赵小蓉 林启美*

（1 农业部规划设计研究院，农业部农业废弃物能源化利用重点实验室 北京 100125 2 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193）

1 生物腐植酸概述

1.1 生物腐植酸概念

腐植酸是指有机物料在微生物作用下，经过分解与再合成的多个复杂过程，形成的呈酸性的无定形的高分子缩聚物。按照来源，可分为天然腐植酸和人工腐植酸，前者是以泥炭、风化煤和褐煤等为自然原料所生产的腐植酸，目前市场上的腐植酸主要是天然腐植酸[1]；人工腐植酸也称生物腐植酸，近年来备受关注，一般是以工业和农业有机废弃物为原料，在人工控制的条件下，经微生物发酵反应生产的腐植酸[2]。

生物腐植酸制取所用的工农业有机废物种类繁多，主要包括：(1) 农副产品废弃物和下脚料，如秸秆、废渣、糠鼓等植物木质纤维类残留物；(2) 畜禽粪便，如鸡粪、牛粪等；(3) 工业有机废液，如糖蜜废水、味精废液等；(4) 一些特殊资源，如餐厨垃圾。不同原料由于其组成成分、发酵工艺不同，所得到的生物腐植酸的产量与品质也不同。

1.2 生物腐植酸的特性与功能

生物腐植酸既具有腐植酸的一般性质和特征，又具有一般腐植酸没有的特点。研究结果表明，生物腐植酸主要特点有：(1) 缩合程度和碳含量较低，分子量小，渗透力更强，更容易被作物吸收利用；(2) 羧基和羟基等活性基团含量更丰富，同时还含有一定数量的氨基酸以及多种其他生理活性组分，生理活性和化学活性更强；(3) 色泽较浅，水溶性较好，絮凝极限高，缓冲容量大。生物腐植酸上述特点赋予其许多特有功能，使其产品广泛应用于农业、林业、畜牧业、养殖业等方面，如生物腐植酸肥料、饲料添加剂、农药等，具有改良土壤、增进肥效、调节作物生长、提高作物抗逆性和改善作物品质五大作用[3,4]。

我国有机废弃物资源丰富，其中，农作物秸秆年产量约7亿吨，蔬菜废弃物1亿～1.5亿吨，生活垃圾和人粪便等2.5亿吨[5]，餐厨废弃物不低于6000万吨[6]。但是，若这些资源不能被很好地利用，不仅会造成资源浪费，而且会导致此类“资源”变成“污染源”。例如，秸秆焚烧对空气质量和交通安全构成巨大的危害，餐厨废弃物引发的“地沟油”和“垃圾猪”已成为食品安全的“大敌”。因此，利用以上工农业废弃物为原料，研发生物腐植酸生产技术与产品，一方面可以保护我国有限的腐植酸矿产资源，而另一方面则是安全有效处置与资源化利用工农业有机废弃物的重要途径[7]。

2 低碳农业

2.1 低碳农业的源起与特征

工业革命以来，由于大量消耗化石燃料、毁林开荒和改变土地利用方式等人类活动，大气中CO2、CH4和N2O的浓度大幅度增加，分别从19世纪初的280 ppmv、715 ppbv和270 ppbv，提高到390 ppmv、1797 ppbv和321.8 ppbv[8]。如果延续目前的能源利用方式，2100年全球平均气温将升高1.0 ℃～3.5 ℃，造成不可逆的气候变化。目前，能源短缺和环境污染已成为全球关注的焦点问题，转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，合理推进节能减排，发展以低能耗、低排放、低污染为标志的低碳经济，实现可持续发展，正在成为世界各国经济发展的共同选择。作为发展中国家，我国在能源及环境方面的问题尤其突出。我国明确提出了“建设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式”的理念，为可持续发展指明了方向，也使人们更加关注低碳经济的崛起。

农业生产在全球温室气体循环中占有重要地位。根据政府间气候变化专业委员会(IPCC)第4次评估报告，其温室气体排放量介于电热生产和汽车尾气之间，农业是温室气体的第二大重要来源[9]。同时，农业也是巨大的碳汇，除了作物通过光合作用固定大量CO2，土壤是地球陆地表面最大的陆地碳库，对全球碳循环具有举足轻重的作用与影响。不少学者指出，农业具有巨大的固碳增汇潜力，低碳经济的发展显然离不开农业的参与，低碳农业成了当前农业生产与低碳经济交汇的一个热点，是在应对全球气候变化中应运而生的新生事物，是一种生态高值农业模式。可以说，发展低碳农业是应对全球气候变化的重要举措之一。

低碳农业是在农业生产过程中，通过先进的生产技术与方式，尽可能地减少能量消耗与物质损耗，减少温室气体排放，减少环境污染，并获得最佳的经济、社会和生态效益[10]。低碳农业用碳经济或碳排放来衡量，与生态农业、循环农业、绿色农业等农业生产形式不同，低碳农业内涵更为丰富，除倡导高产、优质、高效、安全、生态等理念外，更强调原料开采与使用、产品加工、消费各环节的低能耗、低污染、低温室气体排放以及高产出。除了强调农业本身的低碳特质外，还注重包括农业生产“上游”中诸如化肥、农药等农资生产和运输的低碳性，以及“下游”中如农产品包装、运输、使用在内的低碳性。

2.2 低碳农业的实现路径

根据低碳农业特征，低碳农业的发展显然主要依靠现代科学技术创新和有关制度的革新与完善。首先，在制度层面上，可以通过建立农业布局调整机制，大力推进与发展清洁生产机制、生态补偿机制、农业准入机制和综合调节机制。在技术层面上，则可以通过大力推广种植、养殖减排技术来实现，主要着眼于：(1) 减少化肥、农药、动力等能量和物质的投入，提高资源利用效率；(2) 调整优化农业生产结构，推广应用节能减排技术；(3) 资源化利用农作物秸秆、养殖业粪便等各种废弃物，发展循环农业，实现一定程度的“碳中和”，减少加工、运输的排放，而达到低碳目的。以上三项技术措施主要是通过节能减排，减少农业能源消耗，降低农业的“碳源”作用来实现低碳农业。但是，作为低碳农业路径实施的第四个技术手段往往被忽略，即固碳增汇，改良培肥土壤，增加地上植物生物量，扩大地下土壤碳库。农业固碳增汇的关键是扩蓄增容土壤有机碳库。一般说来，土壤有机碳含量的提高，一方面可以改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量；另一方面可以提高土壤有机碳含量，扩大土壤碳库容量。据Lal[11]估计，全球农业土壤碳库扩充潜力为1.2～3.1 Pg C/年，耕层土壤有机碳含量提高1 tC/a/hm2，发展中国家粮食产量年增加2400～3200万吨，根茎产量年增加600～1000万吨，农业的固碳增汇潜力巨大。据估测，全球通过植物生物量每年固定约120 Pg碳，但是这部分有机碳最终又通过生物小循环全部释放到大气中，这主要是由于在长期的自然循环过程中，除少数植物有机质进入土壤最终转化成土壤腐殖质外，其余绝大部分经过土壤微生物的矿化作用转化为CO2又返回大气中。工业化以来对农业土壤的过度利用导致土壤有机质的加速矿化，目前的土壤净固碳值一般为负，现有的农业耕作栽培技术，包括秸秆还田、保护性耕作等技术措施，对土壤的固碳增汇效果并不十分理想，仍存在一些问题，需要另辟蹊径，加强生物净固碳作用，扩大土壤碳库。

3 生物腐植酸在低碳农业中的应用

鉴于生物腐植酸与“低碳农业”密不可分的关系，随着全球低碳经济的兴起，生物腐植酸在低碳农业中的作用受到人们广泛关注。总体来看，生物腐植酸主要通过直接固碳和间接减排两个途径，发挥其在低碳农业生产中的作用，前者主要指直接提高土壤有机碳含量，扩大土壤碳库容量；后者指改良培肥土壤，提高土壤肥力，增加植被固碳量。此外，生物腐植酸还可以通过提高肥料利用率，促进废弃物循环再利用等途径实现间接减排。

3.1 生物腐植酸对农田地上碳库的扩蓄增容作用与机理

农田地上碳库一般是指农田地上部生物量，生物腐植酸对农田地上碳库的扩蓄增容作用主要通过以下途径提高生物来实现：

(1) 改良培肥土壤：生物腐植酸具有土壤腐殖酸相似的结构和性质，故能改善土壤物理结构，增强土壤通透性，提高土壤吸持水分和养分的能力，提高土壤养分含量[12,13]。

(2) 提高养分有效性和利用效率：生物腐植酸具有多种官能团，带有大量的电荷，可以通过阳离子交换与吸附、螯合、络合和吸附作用4种形式，将土壤中被固定的多种元素转化成有效形态，并活化土壤中一些营养元素，提高养分的有效性与利用率[14,15]。

(3) 提高微生物活性：生物腐植酸本质上为含碳有机物质，可以作为微生物生长基质，因此能够提高生物活性，促进养分循环转化，增强土壤活力；还有利于保持土壤生物多样性，从而降低有害生物指数，相对地提高有益微生物数量。

(4) 增强作物抗旱能力，减少无效蒸腾，提高水分利用率：生物腐植酸对植物叶片的气孔运动有明显的影响，能缩小气孔开张度，降低蒸腾速率，从而减少无效蒸腾所致的水分损失，提高蒸腾效率和水分利用效率。生物腐植酸有利于实现水肥一体化，提高水肥互作效应，从而间接地提高灌溉水利用效率。

(5) 促进作物生长，提高产量，改善品质：生物腐植酸不仅含有丰富的NPK营养元素，而且含有一定量的中微量营养元素以及一些小分子氨基酸物质，除了可以被植物直接吸收利用，还能促进作物的生理活性，促进种子萌发与根系发育，提高出苗率与成苗率，使幼苗发根快，次生根增多，根系生长快，吸收水分和养分能力增强[7,16]。此外，生物腐植酸不仅养分的有效性相对较高，而且养分的供给也比较缓慢而长期，有利于满足植物生长对营养的需要，有利于一些次生代谢产物的合成与累积，减少硝酸盐等物质的累积，从而改善农作物品质。

3.2 生物腐植酸对农田地下碳库的扩蓄增容作用与机理

农田地下碳库是土壤有机碳、无机碳及植物根系生物量的总和。一般来说，对农田地下碳库的扩蓄增容主要是以增加土壤有机碳库为主，这是由于：(1) 除了干旱和干旱地区的石灰性土壤含有一定量的无机碳外，其余土壤的无机碳含量一般很低；(2) 根系生物量在很大程度上取决于地上部生物量，比起土壤有机碳库，其数量很低。因此，农田地下碳库主要指土壤有机碳贮量或土壤有机碳含量，农业固碳增汇的关键是扩蓄增容土壤有机碳库。

腐植酸类物质本身就是土壤有机碳库极其重要的组成成分，提高土壤腐殖酸含量，也就成为农田地下碳库扩蓄增容的主要目标之一。现有研究结果显示[5]，目前我国作物秸秆年产生总量约为7亿吨，如果全部被焚烧，不仅影响空气质量，还造成大量温室气体CO2的排放。但若将其转化为生物腐植酸且施入土壤，可以提高土壤有机质含量，实现“贮碳于土”。例如，北京昌平区某苹果园实验基地通过连续三年施用通过餐厨废弃物制取的BGB生物腐植酸(500公斤/亩，1亩=666.67 m2，下同)，土壤有机质从不到1%提升至1.75%。当今，全球变暖趋势愈演愈烈，减少温室气体排放呼声日益高涨，这样一种“贮碳于土、固碳降温”的新举措，必将日益受到人们的重视与关注，也将成为一个新兴的研发领域。

全球有大量酸化、盐渍化、沙化、污染等土地，利用腐植酸修复这些土地，也具有巨大的潜力[12]。在某种意义上，腐植酸类物质是净化生物圈、改善生态环境的宝贵资源。由于腐植酸类物质巨大的内外表面积，且含有大量的醌基、羧基、羰基、羟基等官能团，这些基团可与重金属离子进行吸附、交换、络合和螯合等作用，从而降低重金属的活度，减轻其毒害作用。腐植酸类物质还能够通过疏水键，吸附固定一些脂溶性的长久的有机污染物，降低其生物有效性，减少植物吸收与累积，阻断这些物质进入食物链，从而不仅达到修复生态环境之目的，而且充分利用了宝贵的土地资源[12,13,17]。

3.3 生物腐植酸的间接减排作用

生物腐植酸间接减排主要体现在：(1) 提高化肥、农药、饲料利用率，减少这些农资产品的消耗量，从而达到节约减排之目的；(2) 充分合理的利用工农业有机废弃物，不仅达到了废弃物资源化利用之目的，而且减少了处理这些污染的投入与能源消耗，以及对生态环境的污染；(3) 减少了有机废弃物堆放期间所产生的甲烷、CO2等温室气体；(4) 生物腐植酸改善了土壤通气性能，减弱了土壤还原反应，可减少CH4和N2O的排放；(5) 相对传统有机肥生产，生物腐植酸的发酵过程中CO2排放量大大减少；(6) 相对于矿物腐植酸生产，生物腐植酸生产过程设备投资少，能耗较低，而且节省了自然资源。

4 存在的有关问题与发展方向

我国从20世纪90年代初，开始研究利用工农业有机废弃物制备生物腐植酸的技术。我国有关生物腐植酸在低碳农业中的基础研究以及应用还处于起步阶段，仍然存在许多不足，主要表现在：(1) 产品技术含量不高，应用面窄，尚未形成规模化生产；(2) 产品门类五花八门，产品质量良莠不齐；(3) 科学研究不够深入，生物腐植酸的功能及机理尚不完全清楚；(4) 缺乏行业标准与规范。

随着工农业的快速发展，一方面腐植酸需求量逐渐增大，另一方面以煤炭为原料的天然腐植酸资源将逐渐减少，研发生物腐植酸技术及其产品已是大势所趋，将成为前沿性交叉学科研究课题，也将是肥料企业产品升级换代的重要发展方向。

生物腐植酸产业具有得天独厚的优势，具有环境友好的特征，其资源、技术、产品等三要素完全符合我国可持续发展的产业方向，并具有广阔的市场前景。因此，攻克生物腐植酸生产和应用的关键技术，研发生产多功能绿色环保型生物腐植酸产品，必将对我国绿色低碳环保产业发展产生重大影响，成为发展低碳农业的重要举措之一。

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