在長達8000多年的有機肥使用歷史中，人們經(jīng)常忽略有機肥也應分門別類，并根據(jù)作物需要和土壤條件進行精準施用。

近日，《自然-食品》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院、國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展學院教授張衛(wèi)峰團隊的研究成果。他們呼吁有機肥及技術(shù)應當場景化精準施用，揭示了這種精準施用對于協(xié)同實現(xiàn)作物增產(chǎn)、土壤固碳和環(huán)境減排的重要作用，并制定了一套可供全球參考的有機肥精準施用策略。

有機肥是個“多面手”

人類使用有機肥的歷史悠久，有機肥的種類更是多種多樣。論文通訊作者張衛(wèi)峰介紹，傳統(tǒng)有機肥主要采用堆漚方式，把廢棄物(如豆粕、塘泥、畜禽糞便等)堆砌起來使之腐熟和無害化。“至于不同原料腐熟后形成的有機肥到底有什么不同、應該用在什么地方，人們似乎都不太關(guān)注。”張衛(wèi)峰在接受《中國科學報》采訪時說。

然而近代以來，有機肥的原料構(gòu)成和加工技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。例如，以豬糞為原料的有機肥，由于豬飼料從剩飯、豬草變成了精細化的加工飼料，豬糞成分發(fā)生了變化，用其制作的有機肥營養(yǎng)成分含量上升。

論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)大學博士生趙帥翔告訴《中國科學報》，由于全球養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展、飼料添加劑的使用、攝入鹽分的變化，動物糞尿性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，最終也會在有機肥產(chǎn)品特性上有所呈現(xiàn)。

“如果對原料特性沒有充分的認識，就無法科學施用，可能會給土壤、作物和環(huán)境帶來一系列影響。”趙帥翔說。

此外，農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的迫切需求，對有機肥施用提出了更多挑戰(zhàn)。張衛(wèi)峰說，除了為作物提供養(yǎng)分外，有機肥還承載著增產(chǎn)增效、培肥減排等功能。

張衛(wèi)峰解釋說，有機肥中大約30%是有機質(zhì)，而有機質(zhì)是土壤培肥的重要物質(zhì)來源;有機肥施用后能提高土壤保水保肥能力，從而減少化肥投入。“在所有培肥地力的措施里，正確施用有機肥的效果是最好的。”張衛(wèi)峰說。

與此同時，有機質(zhì)的還田也是碳的固定過程。它不僅直接將有機質(zhì)中的碳儲存在土壤中，而且通過促進作物生長、壯大根系帶入更多碳，或者通過豐富的微生物群體，為固碳提供更多機會。由于施用有機肥減少了化肥的投入，實現(xiàn)了環(huán)境減排。

盡管有機肥是一個多元多功能的綜合體，新時代的有機肥需要發(fā)揮多種功能，“但面對不斷變化的全球作物生產(chǎn)體系，有機肥在實際應用中常被看作一種通用性產(chǎn)品，沒有根據(jù)特定的土壤作物生長環(huán)境進行設計、甄選和區(qū)別施用，制約了肥效潛力的發(fā)揮”。張衛(wèi)峰說，人們至今尚未建立因地制宜的施用方法體系。

因地制宜施用有機肥

古老的有機肥如何滿足新時代的需求?這是值得研究的問題。

“首先要有數(shù)據(jù)支撐。”趙帥翔說，他們花了3年時間構(gòu)建了目前全球最新、最大的堆肥產(chǎn)品效應數(shù)據(jù)庫。該團隊從全球范圍內(nèi)發(fā)表的257篇論文中提取了大約2000多個數(shù)據(jù)，涉及3個方面11個關(guān)鍵因子：堆肥特性(碳氮比、碳磷比、pH值、可溶性鹽的濃度)、氮素管理(用量)和作物生長環(huán)境(作物類型、土壤質(zhì)地、土壤有機碳、pH值、溫度、降雨量)。

“通過對這些數(shù)據(jù)進行整合分析，我們量化評價了有機肥施用的增產(chǎn)、固碳和減排綜合效益，并利用梯度提升回歸模型(GBRT)定量挖掘了相關(guān)影響因子的貢獻大小。”趙帥翔解釋說，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，11個關(guān)鍵因素決定了80%的有機肥效應。

在此基礎上，該團隊建立了有機肥因地制宜的選用機制。例如，有機肥在酸性土壤、偏沙質(zhì)地、干燥氣候、偏高氣溫等條件下能夠發(fā)揮比較好的效應;低碳水平的土壤適宜匹配碳氮比和碳磷比較低的有機肥，而高碳水平土壤適宜匹配碳氮比和碳磷比較高的有機肥。

基于這些最新認識，該研究提出了將堆肥產(chǎn)品和技術(shù)與作物生長環(huán)境相匹配的精確施用策略(PCS)，并概述了該策略的關(guān)鍵步驟：診斷當?shù)厣锃h(huán)境條件障礙因子，設計和生產(chǎn)滿足當?shù)刈魑?土壤-氣候條件需求的專用產(chǎn)品，配合碳素和多種養(yǎng)分元素(N、P以及其他必要和有益營養(yǎng)成分)的最佳綜合管理技術(shù)。

“有機肥不精準施用導致的土壤有機質(zhì)提升效果差的問題，在全球都被忽略了。即使歐美國家常年普遍施用有機肥，全球土壤有機質(zhì)多年來也幾乎沒有大范圍增長。”張衛(wèi)峰說，他們利用隨機森林機器學習算法(RF)首次預測并刻畫了有機肥精確施用策略在主要糧食增產(chǎn)和農(nóng)田耕層固碳方面的全球模式及潛力。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果采用有機肥精確施用策略，全球主要糧食作物(水稻、玉米、小麥和大麥)的產(chǎn)量可提高4%(9630萬噸)，同時可讓土壤固碳量提高約26%(195億噸碳當量)。“未來20~30年如果全球有機肥能夠精準施用，是完全有可能實現(xiàn)上述增量的。”趙帥翔強調(diào)。

論文審稿人指出，這是一項非常出色的工作，是對現(xiàn)有技術(shù)非常好的總結(jié)。此外，該研究很好地證明了應用場景、產(chǎn)品和技術(shù)的密切配合對有機肥的施用效果至關(guān)重要。

另一位審稿人認為，就主題而言，這項工作與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，因為它提供了對當前有機肥使用知識的系統(tǒng)評估，以及如何在全球范圍內(nèi)優(yōu)化有機肥使用以實現(xiàn)可持續(xù)的多目標協(xié)同。

社會體系如何推動有機肥精準施用

張衛(wèi)峰告訴《中國科學報》，為了驗證這一策略，該團隊在國內(nèi)多地開展了實踐。

在上海市崇明島，當?shù)剞r(nóng)戶種植一種經(jīng)濟價值較高的柑橘“紅美人”。但由于崇明島位于長江入?？?，水中的鹽分較高，用河水或地下水澆灌影響了柑橘品質(zhì)。“我們建議他們施用鹽分含量較低的蚯蚓糞有機肥，同時收集雨水灌溉，從而取代河水和地下水。”經(jīng)過有機肥降鹽處理，柑橘品質(zhì)大大提高。

在廣西南寧金穗香蕉園，土壤酸化對香蕉生長不利，施用堿性的有機肥成為改良土壤最好的辦法;而在河西走廊的鹽堿地上，為了降低土壤pH值，施用酸性有機肥取得了非常好的成效。

上述實踐取得了明顯的效益。“過去有些地方施用了有機肥卻沒有增加土壤固碳量，這是因為有機肥沒選對。”張衛(wèi)峰說，有了這套精確施用策略，施用有機肥就可以做到因地制宜。

但要想大面積推廣這一策略，利用有機肥實現(xiàn)增產(chǎn)、固碳和減排的綜合目標，在張衛(wèi)峰看來，這既是一個科學問題，也是一個社會體系推動的問題。

當張衛(wèi)峰把他們對有機肥產(chǎn)品的設計拿給一些企業(yè)看時，企業(yè)家的回答是，“我就從來沒有按照你說的要求生產(chǎn)過這種有機肥。”這讓張衛(wèi)峰感到制定和推行相關(guān)政策十分重要。

“我們中國尤其需要這套精確施用策略，因為我國正在大力推動有機肥還田，從原料種類到工藝過程，再到產(chǎn)品設計，都要往更精準的方向走。”張衛(wèi)峰說，如果不精確，或?qū)е禄ㄙM了很大的成本把廢棄物轉(zhuǎn)變成有機肥，卻沒有發(fā)揮應有作用。

張衛(wèi)峰建議，應該改變對有機肥“一刀切”的管理局面，轉(zhuǎn)而根據(jù)有機肥的性質(zhì)和效應實行分類管理，引導企業(yè)創(chuàng)制不同功能的有機肥，這是保障有機肥支撐農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的重要舉措。

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