点击图片查看原图有机碳循环和转化是高效生态农业的基础工程
李瑞波
关键词 土壤有机碳 有机肥科学理论 碳肥 阴阳平衡 碳源两通道 有机废液肥料化 碳覆盖 固碳增汇
一、土壤有机碳及其对耕地质量的影响
土壤有机碳是一个成分复杂的大家族。有机碳是碳元素占大部分的化合物，学界从生物可利用性角度将土壤碳划分为活性碳库、慢性碳库和惰性碳库。
活性有机碳分子团粒径在几十至几百纳米之间，官能团丰富，水溶性极好，可被微生物和植物根系直接吸收利用。因此活性有机碳是土壤微生物繁殖所需的养分和能源，也是植物从土壤中直接获取的碳源。
慢性有机碳能水溶，分子团粒径在几微米区间，经土壤酶分解成活性有机碳，被微生物和植物吸收利用。它也是土壤团粒化的胶凝剂。如果土壤中慢性有机碳含量太高，就极易抑制甚至致死微生物并堵塞植物根系吸收孔，这就是有机污染。沼液和部分腐植酸就属此类。
惰性有机碳不溶于水，化学性质稳定，物理结构复杂多孔，是土壤疏松、保水保肥、缓冲冷热旱涝的重要物理成分。这种有机碳主要以腐殖质形式存在。
土壤有机碳大家族是土壤生命力的主要物质基础，使耕地能承载春播秋实，滋养天下万物，孕育了社会的科学文明。
由此可见，耕地土壤质量优劣，决定性的因素是土壤有机碳的多样性和丰富程度。由于“碳×1.724”就是有机质，所以可把有机质含量作为判定土壤质量的首要指标。根据国际上公认的界定指标：以有机质含量3%作为土壤适合种植的底线，就可以把耕地土壤质量划分为优、良、平、差、劣五个等级：
图 1 土壤质量等级图
土壤质量还包括矿物质、含水率、含氧量、PH值及微生物群系状态等多种指标。而有机质含量还是对这些指标产生影响的重要因素。因此必须坚持以土壤有机质含量为首要指标，这也是构建高标准农田必须把控的标准。
二、有机肥科学理论和工艺的探索
有机肥可以培肥土壤，给农作物提供根吸碳源，是人类干预土壤有机碳构成和含量的主要手段。有机肥还是多种无机元素养分的载体，常施有机肥的土壤不会“缺素”。人类靠它使农耕文明存续几千年。所以有机肥是肥料界最重要最基础的“肥王”。
一百多年来农业界奉化学植物营养学为主流学说，这个学说最重要的缺陷是漠视碳，被“二氧化碳用之不竭”现象所蒙蔽，农业学术界放弃了对土壤根吸碳源的研究，也就放弃了对有机肥中活性有机碳的研究，从而使有机肥理论失了“魂”。在林林总总的有机肥论著中，都只研究无害化，不研究肥料化。最典型的例子就是我国二十年连续几个NY525行业标准，都没有出现过与“活性有机碳”有关的技术指标。客观评价，主流的有机肥理论是不及格的。
由于理论的重大缺陷，使主流的有机肥生产错误地执行“排碳”工艺，完全背离了我国几千年农业文明的“保碳”堆肥传统。多年来普遍执行“耗氧高温发酵—多次翻抛—高温烘干”生产流程，把有机肥折腾成一堆“腐殖化”的空壳，即把活性有机碳氧化成CO2排掉，留下了惰性有机碳。这就把整个有机肥产业带到坑里去了：投资大，耗能多，生产环境污染严重，加工成本高，而产品肥效差，“粗、重、慢”成了有机肥的标配形容词。有机肥产品性价比不适应市场规律，迫使少数有机肥厂连“无害化”都不管了，假劣有机肥低价倾销，既污染了农田坑害农民，又得不到查处。相比于化肥，有机肥市场用“疲软+乱象丛生”来描绘都不过分。
我国20多亿亩耕地，每年刚需有机肥20亿吨，而现在年产却只有5000多万吨。全国耕地有机质平均含量远未达到“及格”（3%）标准。这是“肥王”退位，化肥称王造成的结果，归根结底也是有机肥科学理论缺失的恶果。
回溯几千年农业文明的堆肥传统，就是有机物料安安静静地堆着，堆温升了又降，水分也随着降下去了。过程不翻也不发臭，施到地里肥力还挺足。这里就藏着有机肥形成的“密码”，也即朴素的有机肥农作理论：通过自然杂菌大量繁殖分解有机物，使之既腐熟（无害化）又留住活性有机碳（保碳）。现在有了先进的碳菌技术，可以在模仿农作堆肥的基础上，把发酵腐熟时间从几十天缩短到七八天。这套工艺可归纳为“六字诀”，就是“大化小、排变保”，即把大分子有机碳转化为小分子有机碳，生产工艺由主流的排碳工艺改变为保碳工艺。
产品检测证明：同样物料“保碳”工艺的肥料比主流“减排”工艺的肥料活性有机碳含量提高1~1.5倍，也即有机肥力提高100%~150%。由于不折腾不耗外能，有机肥厂生产线投资减少80%，加工成本下降 60%，含碳氮硫废气减排90%
通过以上对比，总结出有机废弃物肥料化的本质就是：农业物质循环的主要内涵是碳循环并带动氮循环，关键技术是碳转化：把对土壤和农作物有害的碳形态转化为无害又有肥效的碳形态。形象化地表达如下图。
图 2 农业物质循环原理图
这段话和这幅图，不就是有机肥科学理论的核心吗？
三、碳肥是人类历史上第二次肥料革命的主角
富含活性有机碳的肥料就是有机碳肥，简称碳肥。
碳肥的核心技术指标是有效碳（AOC）含量。碳肥分固态和液态两种剂型，并以AOC含量分等级。
固态分三级：
AOC≥2%~<5%为三级碳肥
AOC≥5%~<10%为二级碳肥
AOC≥10%为一级碳肥
液态分两级：
AOC≥5%~<10%为二级碳肥
AOC≥10%为一级碳肥
碳肥有如下特性：
高效性：碳肥AOC含量是普通有机肥的5~20倍，也即其有机肥效是等质量普通有机肥的5~20 倍。高效性必然兼具速效性。
多功能性：碳肥直接给农作物提供碳养分，同时为土壤微生物提供养分和能量。这就同时促进土壤生态链的发育和作物根系的壮大，从而带来一系列变化：农作物生物量增加，防病抗逆抗早衰机能提高，农产品质量提升，土壤改良，土传病害（包括重茬）被消除等等。
使化肥利用率大大提高：合理调配碳肥与化肥应用比例，化肥利用率比纯化肥提高70%以上。
资源的广泛性和可持续性：碳肥的原材料是食品工业的高浓度有机废液和富含纤维素的废渣，全国可工业化生产的资源每年上亿吨。
碳肥与有机肥同宗，但其精细高效和可计量可智能化精准应用已媲美化肥。量变到质变，碳肥是世界首创的有机碳养分新肥种，填补了肥料体系短缺的碳支柱。
碳肥的标准化大规模生产，将彻底扭转肥料领域“阳盛阴衰”的局面。农业“施肥增产+施肥沃土”的新纪元将开启。
如果说化肥的工业化生产是人类历史上第一次肥料革命，那么碳肥必将是第二次肥料革命的主角。
四、土壤肥力“阴阳平衡”是科学施肥的基本规则
只施有机肥农作物产量低，纯施化肥农作物品质差且造成土壤贫瘠多病害。这些都是众所周知的规律。怎样施肥才是科学高效的呢？就是“阴阳平衡”，让肥料的有效碳含量与无机养分含量达到一种平衡。这种平衡原自植物对各类养分的客观需求。再深入探究就是每个物种各生长阶段乃至各器官，对各类养分的吸收利用比例，是由该物种的遗传信息决定的，某种必需养分不足，就限制了该植株的生物量；哪种养分太多，该养分就被排斥。而植物所需养分的碳在植物的有机质积累中约占58%，新陈代谢消耗的碳又是积累碳的1.5倍。所以碳与其他元素之间的平衡是植物养分的主平衡。化学植物营养学的“木桶法则”只讲无机养分平衡，使施肥指导迷失了大方向。
根据这些理解，可推导出《土壤肥力阴阳平衡动态图》和产量计算公式。下图和公式便是科学施肥的数学模型。
图 3 科学施肥数学模型图
阴阳平衡而丰足的施肥就能收获高产高品质的健康农产品。在这方面化肥没有原罪。纯施化肥造成的一系列问题罪不在化肥，而在人祸—不补碳养地。那种排斥化肥的“有机种植”不符合肥料科学的规律，会拖农业发展的后腿。在实际操作中如何达到平衡，可参考以下经验公式：
AOC/（N+P2O5+K2O）≈1/5~1/4
其中：1/5 适合肥沃土壤，1/4适用贫瘠土壤。
五、植物碳源两通道
植物经两个通道吸收碳：叶片气孔吸收二氧化碳，由叶绿素光合转化为碳水化合物并输送到植株各器官。这种“无机—有机”合成转化过程需耗外能。转化产物一部分经韧皮部到达根系，以有机酸形式渗出根端补充菌根圈的碳消耗并溶解土壤中的矿物质。而根系则以叶片蒸腾为动力吸收水和养分，包括活性有机碳，经植株木质部毛细管输送到植株各器官，这个过程无需耗能。这种上下分流形成植物体内的碳循环和碳积累，而碳积累中的大约60%又被植物自身的新陈代谢以能量的形式消耗掉。这就是碳在植物体生命活动中的轨迹。所以植物确实存在碳源两通道。无视碳源根吸通道，是化学植物营养学的特点，也是它的局限性所在。
两通道之间并非平分秋色，亦非互相隔绝，而是以植物体特有的方式互有分工又互相联系。叶片光合转化通道供应了植物所需大部分碳，是碳源主通道；土壤活性有机碳被根系吸收输送到植株各器官，同时又直接向菌根圈赋能，使根系快速壮大，向叶片输送肥水效率提高，促进叶片生物量快速增加，光合转化效率也就大幅提升，主通道形成的碳积累也就更加丰硕。所以根吸通道向植株输送的碳虽不及主通道，却起到了类似“激发极”的放大作用。事实证明：向土壤施少量碳肥，农作物能增产几成，这就是根吸碳通道对主通道起到“四两拨千斤”的作用。
应该堂堂正正地把植物碳源两通道的道理写入植物营养学的教科书，让更科学更全面的植物营养学畅行大道。
六、有机废液肥料化和产业化
有机废液资源丰富，主要来自养殖业，生物质能源产业，食品工业、造纸工业和居民生活区，全国每年产生量以百亿吨计。
有机废液未经处理转化而直接排放，就是有机污染。这是我国多年来生态环境事件的主角。过去的处置办法是“处理—达标—排放”，就是把有机废液中的碳和氮物质氧化成二氧化碳和氧化亚氮气体排到大气中，剩下的“达标水”排掉。人类为此投入大量设施和能耗，却没能得到任何回报，还加剧了温室效应。
实际上有机废液中危害环境和农作物的主要物质是两类，一类是慢性有机碳，亦即水溶性大分子有机碳（DOC）。另一类是有害气体，如氨气、硫化氢、甲烷。如果通过工业反应方法把DOC转化为活性有机碳（AOC），而AOC物质对氨气、硫化氢和甲烷又有极强的络合融合作用，形成新的“碳+”化合物，就一举解决了有机废液无害化和肥料化问题。这个转化过程也是“大化小、排变保”六字诀的体现。
有机废液大体可划分为高浓度、较低浓度和极低浓度三大类。
有机废液转化工艺因液体中碳浓度不同而分别使用不同的转化工艺：
高浓度有机废液主要来自食品工业废水的浓缩液，DOC含量5%以上，使用化学裂解方法。优点是时间短，但裂解剂成本较高。好在这种转化品肥效极高，肥料价值远超原材料价值，适合工业化规模生产。
较低浓度有机废液主要来自养殖业的干湿分离液和沼液，DOC含量在0.1%~1.5%，使用碳菌分解剂在微氧状态下分解20天左右，DOC向AOC转化率大于95%，有害气体消除（不是排放）率 90~100%。为什么不用化学裂解法呢？因为这种废液含水率通常大于98%，肥料价值低，承担不了裂解法的成本。
较低浓度有机废液是有机废液中占比最大，对生态环境危害最重的部分，其肥料化转化意义特别大。这里提出该项目可持续可产业化推广的两个要点：
1、构建政府主导的种养结合的转化消纳体制，简称“三国四方”体制如下图：
图 4 三国四方机制图
2、广泛建立以有机碳营养液为基础的水肥一体化配肥网站：
图 5 有机碳—无机水肥一体信息化施肥系统图
极低浓度有机废水主要来源于居民区化粪池，DOC含量低于0.05%，其肥料化已没有经济价值，除非这类化粪池只收集居民厕所粪污。极低浓度有机废水现在基本上都输送到污水处理厂，处理成达标水排放掉，这种方法耗能严重，每立方米处理成本约7元。建议有条件的地方建三级处理池：第一级沉淀，第二级生物菌分解，第三级消毒。处理成为中水，排放到湿地或回用于马路清洗和园林绿植。这样便可把处理成本降下来。
七、对耕地实行多渠道多层面的碳覆盖
我国大部分耕地因缺碳退化的情况相当严重。根据搜索数据，2024年全国耕地有机质含量平均为 2.55%，也即大约有10亿多亩耕地有机质含量低于2%（差级）。要使这一类耕地有机质含量在10年内达到合理的3.5%，即介于“平”级与“良”级之间，再考虑耕作中每年还须消耗0.05%有机质，以耕作层 25cm，土壤容重平均1.23计，全国这10亿亩耕地每年需补充4亿吨有机质。而另一类10亿亩已达标的耕地每年还需补充0.05%有机质消耗，10年共需1亿吨有机质。两类合计5亿吨。
如果每年5亿吨有机质都由有机肥产品投入，共约需16亿吨。这是我国有机肥产业目前产能的32 倍！因此要让我国耕地在合理时间（10年）内逐步达到合理质量指标（3.5%有机质），必须通过多种路径和技术，把我国海量的固液有机废弃物资源，科学而经济地转化成“活性有机碳+惰性有机碳”组合物，对耕地实行多渠道多层面的碳覆盖如下图：
图 6 对耕地多渠道多层面碳覆盖
根据我国相关资源和工业生产能力，上图所示每年各有机碳源可达到最高贡献量如下表。
表 1 全国对土壤有机碳投入最高估算量（C/年）
序
措施
总量
固碳
计算依据
A
施有机肥料
5亿吨
0.71亿吨
有机肥含水率30%，干物质中有机质占70%，有机质的58%是碳
B
秸秆和绿肥还田
9亿吨
1.61亿吨
秸秆平均含水率45%，干物质中有机质占70%，有机质的58%是碳
C
沼液粪液转化为有机营养液
20亿吨
0.32亿吨
平均含碳率约0.16%
D
施有机碳肥
1亿吨
0.1亿吨
平均含碳率约10%
食品工业废渣和腐植酸类
2.5亿吨
0.6亿吨
平均含水率60%，干物质中有机质占70%，有机质的58%是碳
合计
37.5亿吨
3.37亿吨
由上表可见，我国每年向耕地投入有机碳的潜力是3.37亿吨，折回有机质是5.8亿吨，完全能满足全国耕地每年有机质投入的刚需（5亿吨）。
八、多措并举助力农业增汇
土壤和植被是地球碳循环的重要环节。植被把无机碳（CO2）转记为生物有机质。植被越广阔茂盛，吸纳的CO2就越多，对全球的碳汇贡献就越大。而人类农作活动中一些重大排碳（CO2）作业改为少排甚至不排，同样是对全球的碳汇作出贡献。例如农机具由使用柴油机改为电动机，有机肥生产的“排碳”工艺改为“保碳”工艺，有机废液“处理—达标—排放”改为肥料化还田等等，都是“少排或不排”，与植被增加的“多吸纳”异曲同工，同样是对碳汇作贡献，请见表2。
表 2 全国预计可增加碳汇（CO2/年）
序
措施
总量
碳汇
计算依据
1
农田农作物生物量增加
20亿吨
5.9亿吨
每亩增加生物量1吨，含干物质20%，干物质有机质 70%有机质含碳58%，每吨碳要多吸纳3.6吨 CO2
2
森林面积增加
500万亩
0.05亿吨
每亩碳汇量1吨
3
草原修复增绿
50亿亩
5亿吨
每增产牧草0.2吨，折干物质0.04吨，含有机质0.028吨，折算碳汇0.1吨
4
湿地面积增加
100万亩
0.03亿吨
每亩碳汇量3吨
5
农机具电动化少用柴油
2000万吨
0.61亿吨
燃烧1吨柴油排放3.06吨CO2
6
有机肥生产改用保碳工艺
5亿吨
0.13亿吨
每吨干基少消耗10千克AOC，5亿吨少消耗0.035碳，折合0.13亿吨CO2
7
20亿吨沼液肥料化
20亿吨
0.12亿吨
沼液平均含碳0.16%，每吨沼液肥料化还田，少排放 0.006 吨 CO2
合计
11.84亿吨
农业领域在国家双碳战略中占有举足轻重的地位，既是重要变量，又有巨大潜力。因此值得举国家之力组织战略设计，开展重大技术攻关和标准制定。一两代人接力干下去，我们的环境将更美好，我国农业将以高效生态农业的雄健身姿领跑全世界。
