在長達8000多年的有機肥使用歷史中，人們經常忽略有機肥也應分門別類，并根據作物需要和土壤條件進行精準施用。
近日，《自然-食品》在線發表了中國農業大學資源與環境學院、國家農業綠色發展學院教授張衛峰團隊的研究成果。他們呼吁有機肥及技術應當場景化精準施用，揭示了這種精準施用對于協同實現作物增產、土壤固碳和環境減排的重要作用，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。論文通訊作者張衛峰介紹，傳統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，人們似乎都不太關注。”張衛峰在接受《中國科學報》采訪時說。
然而近代以來，有機肥的原料構成和加工技術發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，豬糞成分發生了變化，用其制作的有機肥營養成分含量上升。
論文第一作者、中國農業大學博士生趙帥翔告訴《中國科學報》，由于全球養殖業集約化發展、飼料添加劑的使用、攝入鹽分的變化，動物糞尿性質發生了顯著變化，最終也會在有機肥產品特性上有所呈現。
“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、作物和環境帶來一系列影響。”趙帥翔說。
此外，農業綠色發展的迫切需求，對有機肥施用提出了更多挑戰。張衛峰說，除了為作物提供養分外，有機肥還承載著增產增效、培肥減排等功能。
張衛峰解釋說，有機肥中大約30%是有機質，而有機質是土壤培肥的重要物質來源;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。”張衛峰說。
與此同時，有機質的還田也是碳的固定過程。它不僅直接將有機質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，實現了環境減排。
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揮多種功能，“但面對不斷變化的全球作物生產體系，有機肥在實際應用中常被看作一種通用性產品，沒有根據特定的土壤作物生長環境進行設計、甄選和區別施用，制約了肥效潛力的發揮”。張衛峰說，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。
“首先要有數據支撐。”趙帥翔說，他們花了3年時間構建了目前全球最新、最大的堆肥產品效應數據庫。該團隊從全球范圍內發表的257篇論文中提取了大約2000多個數據，涉及3個方面11個關鍵因子：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)和作物生長環境(作物類型、土壤質地、土壤有機碳、pH值、溫度、降雨量)。
“通過對這些數據進行整合分析，我們量化評價了有機肥施用的增產、固碳和減排綜合效益，并利用梯度提升回歸模型(GBRT)定量挖掘了相關影響因子的貢獻大小。”趙帥翔解釋說，結果發現，11個關鍵因素決定了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、偏沙質地、干燥氣候、偏高氣溫等條件下能夠發揮比較好的效應;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品和技術與作物生長環境相匹配的精確施用策略(PCS)，并概述了該策略的關鍵步驟：診斷當地生物環境條件障礙因子，設計和生產滿足當地作物-土壤-氣候條件需求的專用產品，配合碳素和多種養分元素(N、P以及其他必要和有益營養成分)的最佳綜合管理技術。
“有機肥不精準施用導致的土壤有機質提升效果差的問題，在全球都被忽略了。即使歐美國家常年普遍施用有機肥，全球土壤有機質多年來也幾乎沒有大范圍增長。”張衛峰說，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和農田耕層固碳方面的全球模式及潛力。
結果發現，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，是完全有可能實現上述增量的。”趙帥翔強調。
論文審稿人指出，這是一項非常出色的工作，是對現有技術非常好的總結。此外，該研究很好地證明了應用場景、產品和技術的密切配合對有機肥的施用效果至關重要。
另一位審稿人認為，就主題而言，這項工作與農業可持續發展密切相關，因為它提供了對當前有機肥使用知識的系統評估，以及如何在全球范圍內優化有機肥使用以實現可持續的多目標協同。
社會體系如何推動有機肥精準施用
張衛峰告訴《中國科學報》，為了驗證這一策略，該團隊在國內多地開展了實踐。
在上海市崇明島，當地農戶種植一種經濟價值較高的柑橘“紅美人”。但由于崇明島位于長江入海口，水中的鹽分較高，用河水或地下水澆灌影響了柑橘品質。“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。”經過有機肥降鹽處理，柑橘品質大大提高。
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，利用有機肥實現增產、固碳和減排的綜合目標，在張衛峰看來，這既是一個科學問題，也是一個社會體系推動的問題。
當張衛峰把他們對有機肥產品的設計拿給一些企業看時，企業家的回答是，“我就從來沒有按照你說的要求生產過這種有機肥。”這讓張衛峰感到制定和推行相關政策十分重要。
“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，再到產品設計，都要往更精準的方向走。”張衛峰說，如果不精確，或導致花費了很大的成本把廢棄物轉變成有機肥，卻沒有發揮應有作用。
張衛峰建議，應該改變對有機肥“一刀切”的管理局面，轉而根據有機肥的性質和效應實行分類管理，引導企業創制不同功能的有機肥，這是保障有機肥支撐農業綠色生產的重要舉措。
