什么是生物循环腐殖质土壤以及其对过渡到生物循环纯素食品生产系统的重要性

植物基质堆肥精制和生物循环腐殖质土壤的产生对农业向生物循环纯素食品生产系统转变的意义

简介

很少有人意识到，世界人口的生存其实仅依赖于地球表面上方几厘米的腐殖质，只有这些腐殖质可用于农业和园艺生产中。将水溶性营养盐作为植物营养盐可以将暂时提高产量成为可能，但与此同时，它也会导致自然界肥力增强的机制受到破坏。其最终结果导致几十年来，世界上大部分农业用地都在悄无声息地发生退化。自然土壤肥力的退化也可以表现为土壤有机质的损失，这是一个释放大量碳的过程。肥力退化可以通过化学方法获得的高浓度营养盐来补偿，或者通过必要的化石燃料的燃烧将更多的碳释放到大气中。因此，只有采取有针对性的土壤改善措施才能中断这种“自毁”行为。

1. 生产优质堆肥

生物循环纯素种植不仅意味着可以避免商业畜牧业和使用任何种类的动物粪便或动物部位进行堆肥或施肥处理，而且它还可以促进生物多样性以及封闭生物圈有机物质和能量循环，这也是术语“生物循环”所表达的意思。

这种循环的封闭绝不能只发生在农业经营本身，而必须在四个层面上进行体现。

1. 农场内。如堆肥、覆盖土或其他作物残余物的使用、插枝（如来自不再用于畜牧业的草地、伴生或可以作为肥料的植物，如采用切割和搬运方法)。
2. 本地内。如农场或现场堆肥的食品或能源生产的有机副产品，如果渣、甜菜浆、包装厂外排、清洗蔬菜和草药加工残渣、植物生物能源工厂的发酵残渣回收、市政公园的园林植物垃圾、道路和景观设计或林业中产生的锯末和木屑。
3. 区域内。如从其他地区生物质过剩的现成堆肥，或向第二点中提到的从较远地区采购的用于农场堆肥的原材料。
4. 全球范围内。如使用来自水生或海洋生态系统的加工物质、原生岩粉或仅在特定地区大量发现的其他矿物物质。

虽然可以通过各种处理方法和处理实现内部循环的封闭，但这还是取决于其可用的植物生物量的类型以及数量。堆肥对于处理当地和区域来源的生物量是必不可少的处理方法。农场是选择使用自己生产的堆肥，还是使用外部生产的堆肥，这都取决于个体企业和当地条件以及其法律情况而定。

为了能够生产出尽可能高质量的堆肥，还必须满足以下条件：

1. 堆肥总面积的25-30%必须能够被密封，以防止泄漏。
2. 必须配置有堆肥翻转机和具有吸力蠕变齿轮的合适驱动机器。
3. 必须使用测量仪器来确定堆肥温度分布、二氧化碳含量以及湿度。
4. 堆肥保护层和灌溉系统需要在腐烂过程中控制水分平衡。
5. 负责堆肥的人员必须具有足够的相关知识，并应具有植物堆肥的资格证书（基于希卢卡·尔德布兰特方法)。

开窗堆肥法特别适合于好氧生物循环的纯素栽培，其目的是未来优化其腐烂过程，同时尽可能避免在腐烂初期的氧气和渗滤液损失。这只能通过持续为微生物分解过程创造最佳发展条件来实现，其中包括：避免堆肥堆或通风口过高而无法有效改善其通气性。最重要的事，有机物的分解只有在氧气存在的情况下才会产生有益和健康的分解产物。除了关于生物循环纯素堆肥的培训计划外，目前他们还正在开发一款智能手机应用程序，该程序可以使所有根据生物循环堆肥过程工作的堆肥工厂操作员(无论是农业还是商业)能够在线实时监测对堆肥制备具有决定性作用的参数，并通过合同规定的监测和分配系统参与国际生物循环腐殖质土壤倡议。

在生物循环堆肥过程的最后，有了植物堆肥。这是一种结构良好、营养稳定的高质量堆肥、且对植物根系非常友好，可以直接用于农业和园艺的堆肥类型。然而，在喷洒这种堆肥时，根据适用的法律要求，必须考虑其最大使用量限制。例如，德国肥料法规将每公顷堆肥的最大施用量与当地氮含量相关联，并将通过堆肥（无论其成熟度如何）施用的总氮量限制为每年每公顷170公斤，或在三年内单次堆肥施肥的情况下每公顷最高可使用510公斤(LINTZEN 2020)。

生产过程和产生的产品可以由CERES机构对其是否适合生物循环素食栽培进行认证。然而，在生物循环纯素堆肥的背景下，植物堆肥(又叫植物基堆肥，它可以直接用作种植幼苗和植物的基质)的制备只是生产生物循环腐殖质土壤的第一步，下一节将更详细地介绍这一过程。

   2. 植物基质堆肥对生物循环腐殖质土壤的改良

2.1堆肥与生物循环腐殖质土的区别

如果可能的话，你可以在田地或菜地上撒上腐烂得很好的堆肥，甚至是面包屑和其他营养稳定的堆肥，施用过的地区土壤生命通常会立即恢复活力。因此，当堆肥被正确时可以被称为土壤改良剂。这种土壤改善是基于微生物活动的迅速增加和部分生活在堆肥中和部分生活在土壤中的生物的不断繁殖导致的，这些生物在堆肥中或多或少分解的有机成分中都找到了其丰富的食物供应和理想的生存条件。由于这些因素的结合，堆肥中所提供的有机物可以被迅速地、几乎完全地分解。土壤生物的生长动态甚至可以得到进一步促进。其次，不仅堆肥中所含的有机物组分，还有土壤中尚未完全分解的有机物组分也可以被很好的代谢掉。但是还必须考虑到，对土壤的任何机械干预（如耕作、翻耕或犁地）都会刺激土壤生物活性的增加，从而导致微生物分解率的上升。有机物中所含的碳和微生物生长过程中释放出来的碳可以成为真菌、细菌和其他土壤生物的组成部分，从而重新进入大气中，这也被称为呼吸作用。因此，堆肥的应用本身并不意味着将碳以永久腐殖质的形式永久地留在土壤中。

因此，人们有理由批评这样一种观点，即人们可以通过系统地施用堆肥将大气中的碳永久封存在土壤中，从而减缓全球变暖和气候变化。一般来说，用绿肥、堆肥和其他方法施用的碳在一到两个植被期后就会从土壤中流失了，而且也不会出现理想的腐殖质积聚现象(KÖGEL-KNABNER 2008)。

然而，生物循环腐殖质土壤的情况不同，这是一种到目前为止基本上被忽视的永久性腐殖质。来自土壤生物学和植物营养领域的最新科学研究证实了自2005年以来由约纳森博士和伊森巴森博士在希腊卡拉马塔主导的“生物循环公园”项目小组的发现，即在涉及混合栽培系统的有针对性处理的帮助下，高质量的植物堆肥(“植物基质堆肥”)可以被提炼成高营养且碳稳定的土壤基质。在这一过程中，原有的堆肥通过在永久种植的影响下以及混合栽培的变化，从而生成了全新的特性，使其产生的材料不再被称为堆肥，而是被称为“腐殖质土壤”。其原材料原本属于有机物，现在可以被转化作为一种新的基质。

为了确定制备材料是否已经可以被描述为生物循环腐殖质土壤，其必须满足以下标准和参数：

1. 堆肥的养分含量异常高(例如，氮含量2.5-3%)。
2. 导电性非常低（小于600 μS/cm）。
3. 完全缺乏水溶性营养素。
4. C:N比值很低(低于10)。
5. 高阳离子交换能力（超过80 meq/100g）。
6. 高密度（比重超过820g/l）。
7. 高持水能力（超过80%）。
8. 对幼苗也有显著的有效施肥效果(超过110%)。
9. 无异味。
10. 完全清晰的专利表明其可以过滤。

生长在生物循环腐殖质土壤上的植物通常生长异常繁茂，且其产量潜力比使用合成化肥高出三倍(EISENBACH等人，2018)。尽管植物生长巨大（如蔬菜植物），但其并不倾向于生成木质结构。最特别的是蔬菜的味道和风味高于其平均水平，且拥有比在土壤中生长的植物大四倍的根系。此外，生长在生物循环腐殖质土壤上的蔬菜对真菌疾病的抗性也是非常明显的。同样，在生物循环腐殖质土壤中进行直接播种可以观察到发芽期的明显加速现象。

生物循环腐殖质土壤可用于种植幼苗、温室或露天种植的蔬菜、种植灌木和树木、重新造林或为现有作物施肥。由于其中完全缺乏以盐的形式存在的水溶性营养素，因此应避免过度施肥。出于同样的原因，与普通堆肥一样，生物循环腐殖质土壤不会对地下水构成风险(SIEDT 2021)。因此，腐殖质土可以无限量的使用，而且没有关公顷最大数量的建议或限制。一般来说，当植物根与腐殖质土壤直接接触时，可以获得最佳的生长效果。例如，选择在植物行中不混合直接施用腐殖质土壤或在由原始堆肥形成的隆起床中直接种植作物。

2.2从准备材料到生物循环腐殖质土

通过商业堆肥厂大规模生产腐殖质土壤目前面临着经济危机，因为从成熟的优质堆肥(植物堆肥基质)到生物循环腐殖质土壤的细化阶段可能需要长达五年的时间。生物循环腐殖质土壤基金(“天然土壤基金”)将开始并制定适当的融资模式，并将有可能将生物循环腐殖质土壤放入改良阶段外包，并将所需要的材料提供给有合同义务的、经生物循环纯素认证的农业企业进行改良。

虽然植物基质堆肥阶段的堆肥的优化生产过程对其生产和测量技术提出了更高的要求，但这并不是每个农场都能实现的。但对于堆肥厂经营者来说，提炼成生物循环腐殖土可以在单个农场层面上进行，且不需要很大的技术改进和努力。目前人们正在准备一个相应的系统，这个系统可以将大量植物基质堆肥与生物循环纯素种植计划结合起来，在农场中进行分散但协调的、程序上和科学上监督与不断细化加工程序，并最终使其转化为腐殖质土壤。

加工服务与生物循环纯素合同农业的结合为参与的经营者开辟了新的收入来源。

2.3生物循环腐殖质土壤效应背后的微生物学

在腐殖质土壤上生长的作物在生长和产量方面的过人表现的原因是，在与在自然生态系统中发现的植物相似，一些水溶性营养物质几乎不可以被吸收使用，因此这些植物“被迫”激活其自然营养吸收机制，其中包括各种生存能力（如根酸的排泄、与菌根或固氮细菌(固氮杆菌)共生）。通过激活这些功能，植物可以即使没有溶解在水中的营养物质的存在的情况下，可以选择性地满足其特定生长阶段的营养需求。植物也可以使用营养盐(传统农业)进行栽培，甚至可以使用营养液(水培)栽培，这是因为植物浸泡在水中的组织部分不能选择性地吸收营养物。这种“无能”是现代农业植物营养理论的基础，基于对这一现象近200年的科学研究，现代农业几乎完全依赖施用水溶性矿物肥料或有机肥料来提供植物营养。在19或20世纪的世界范围内，人们就以这种方式培育作物的方式战胜了饥荒所，但是在研究中很少注意到这样一个事实: 即在自然条件下，水的吸收和养分的供应是受制于完全不同的作用机制。因此，最近在许多地方出现了许多新的研究，它们致力于填补这一知识领域(EISENBACH et al. 2019;PONGE 2022)。

迄今为止，对于生物圈腐殖土的特性及其对植物生长的影响最合理的解释模型是假设生物圈腐殖土是一种碳稳定的基质，由于在最佳条件下其中的微生物快速降解加上共生过程，其中高度复杂的营养分子会受到保护，且不会被水冲走，因此原本有机结合的植物来源的碳已经呈现出一种预结晶的网格结构。目前还不清楚这种保护仅仅是由碳聚集体的空间结构引起的、还是由于其碳聚集体的密度太大，无法穿透水分子簇、或是由大量微生物在已经形成的结构中找到理想的生活条件引起的。在碳结构的重要性背景下，目前可以证明生物圈腐殖土和赤土（FISCHER 2008）之间的相似性，而赤土的腐殖土特性是由于植物炭的存在造成的。

土壤生物学领域的研究(JONES 2008)表明，造土的过程不仅由地质源岩的风化作用或土壤中有机质的分解过程触发，而且可以主要通过植物本身引发。

植物通过光合作用可以吸收空气中存在的二氧化碳，因为它需要二氧化碳作为结构元素来构建植物组织和糖和淀粉等碳水化合物。另一方面，植物本身不能同化大气中丰富的氮元素(78%)，然而这种元素主要是植物构建蛋白质所必需元素。要做到这一点，它需要依赖于在自然条件下定居在细根附近的土壤微生物的合作。在进化过程中，它们形成了非常密切的关系。豆科植物的根系甚至可以与收集氮的细菌(根瘤菌)进行共生，而其他细菌（如自由态的固氮杆菌）则从外部为植物根提供氮元素。

由光合作用形成的碳氢化合物中有相当一部分会被植物通过根部释放，而这些化合物可作为建筑材料和能量供应给自由态的固氮细菌。植物根系和周围的微生物群之间发生了活跃的物质交换，这会进一步刺激植物的生长。而与此同时，除了形成的植物及其根系之外，大量的碳会被送入土壤并参与结晶网格结构的形成。这个过程与在未成熟的堆肥中添加植物炭以使成熟的基质增加土质稠度的过程十分类似。随着提纯过程的进行，所得到的结构似乎为固氮杆菌的定植提供了越来越好的生存条件。在改良阶段，植物质量和产量灰逐年增加，这也可以通过这种原理来解释。

植物性或生物性腐殖质土壤(永久栽培、混合栽培)表面同时生长的植物种类越多，这种改良效果越强。相反，植物在单一栽培和营养盐溶液的培养下，以上所述的机制会被部分或完全破坏。

因此，有一些特殊的环境条件能够或有利于生物循环腐殖质土壤的形成，然而，这个现象在传统农业中很少或根本没有发现。土壤退化加上自然土壤肥力的丧失，就会需要外界不断地进行氮供应。

因此，影响土壤活力的很大一部分愿意与有机物的分解无关，而直接与向植物提供氮含量多少有关。除此之外，植物与真菌、菌根和细胞器的多种交换机制也可能影响土壤活力。很明显，这些过程都可以向土壤提供充足的空气(氧气和氮气)。在这种奇妙的生命形式的相互作用中，植物充当了从大气到土壤的“碳泵”，而土壤中大量的固氮杆菌则使大气中的氮足以有办法通过土壤进入植物体内。因此，“生物循环”也可称为“肥饶的生命圈”，它起始于我们星球上最薄的外层（即植物根际），它与水和空气的供应一起是人类生存的先决条件。

由于现在人们已经逐渐认识到土壤中的反应过程比以前假设的要复杂得多。因此，人们对于通过土壤形成和腐殖质积聚来研究与自然土壤肥力发展相关的未知机制跨学科的学习和研究呼声越来越高(PONGE 2022)。

2.4生物循环腐殖质土壤对农业转型的贡献

人们已经认识到，上述植物诱导的土壤形成过程受到盐(即水溶性营养液)的存在以及播种或种植单一作物的阻碍或受到不可逆转地破坏。由于人类总是将农业与施用或多或少水溶性肥料（无论是未腐烂的或液体的动物粪便，还是大约100年来也以合成化学矿物肥料的形式）联系在一起并且越来越忽视混合种植制度的重要性。人类历史上一直存在着土壤退化的永久性危险，土壤肥力迅速下降与人类活动对于自然土壤形成过程的阻碍有关。由于世界人口继续增加，采用集约化农业将进一步导致土壤肥力加速丧失，再加上日益明显的气候变化的影响都将增加未来粮食短缺的危险。

随着生物循环腐殖质土壤的生产，这也是我们第一次不仅成功地模仿了自然生态系统中植物诱导土壤形成过程，而且还在上述生物循环堆肥制作过程中集中营养供应的帮助下加强了土壤形成过程，从而使它们对人类农业产生的效益更高。

根据德国堆肥质量协会的RAL分类来看，成熟度V级的生物循环腐殖质土壤的生产属于一个农业生产过程，其中一些高质量的蔬菜可以在生物循环纯素栽培的框架内根据多阶段精加工过程进行种植改良。

前面我们提到了混合栽培蔬菜不仅可能使用大量的堆肥来精制成腐殖质土壤，而且甚至可能成为腐殖质土壤形成的原因。由于与自然生态系统中发现的微生物相比，参与植物生长的微生物的生长和繁殖条件要好很多倍，因此在堆肥阶段进入生物循环腐殖质土壤的过程在自然界中发生得很慢。这个现象结果是在堆肥精制过程中其产量和价值潜力会不断地增加。其中培养物也使得栽培植物遗传潜力的利用率得到明显得提高。

所有这些效应都与生物循环腐殖质土壤特殊的、生物活性高的分子结构有关，这也是土壤中碳元素可以永久结合的原因。计算表明，2.5吨腐殖质土壤相当于可以产生大约1吨二氧化碳量(VHE 2020)。与其他形式的有机物相比，这大大增加了生物循环腐殖质土壤的封存潜力，使农业从气候变化的推手转变为应对其原因的解决方案的一部分。也有人提出尽管尽管如今蔬菜生产较为密集且全球生产面积不断缩小，但仍有可能可以做到有效保护地下水。显然，创造有利于生物循环腐殖质土壤发展的条件对未来农业具有很高的转化潜力。

总结

在生产过程中，因为腐殖质土壤没有来自商业畜牧业成分的添加，生物循环腐殖质土壤已经提供了一种可以生产出符合生物循环素食标准的优质蔬菜的基质。此外，生物循环腐殖质土壤代表一个永久的碳存储，与其他形式的有机肥料，如粪便，泥浆，堆肥，覆盖或绿肥相比，不受任何进一步的微生物降解，这意味着在生物循环腐殖质土壤中产生的预结晶碳将不能再逃逸到大气中。由于其大分子结构，生物循环腐殖质土壤也不再有淋滤的风险，因此不代表德国肥料条例意义上的环境污染。而且，在混合栽培的生物循环腐殖质土壤上生长的植物可以与大量的土壤生物形成共生关系，这些生物也可以与土壤中的大气氮结合从而形成氮固定。通过与腐殖质土壤中丰富的矿物质结合，土壤中氮元素的有效性将导致不仅在有机农业中，而且在传统农业中的作物产量远远高于目前的水平。因此，生物循环腐殖质土壤可以进一步取代动物或合成化肥，从而帮助人类确保了世界粮食供应，并为气候和环境保护做出了积极贡献。但是否有可能在全球范围内生产大量的生物循环腐殖质土壤将取决于与农业转型的相关蝴蝶效应将有多快和多清楚地发挥作用。

参考

1. D. EISENBACH, A. FOLINA, C. ZISI, I. ROUSSIS, I. TABAXI, P. PAPASTYLIANOU, I. KAKABOUKI, A. EFTHIMIADOU, D. J. BILALIS, «Effect of Biocyclic Humus Soil on Yield and Quality Parameters of Processing Tomato (Lycopersicon esculentum Mill.)», Bulletin UASVM Horticulture 76(1) / 2019, pp. 47-51, 2019.
2. D. EISENBACH, A. FOLINA, C. ZISI, I. ROUSSIS, I. TABAXI, P. PAPASTYLIANOU, I. KAKABOUKI, A. EFTHIMIADOU, D. J. BILALIS, «Effect of Biocyclic Humus Soil on Yield and Quality Parameters of Sweet Potato (Ipomoea batatas L.)», Scientific Papers. Series A. Agronomy, Vol. LXI, No. 1, 2018, pp. 210-217, 2018.
3. FISCHER, B. GLASER, «Synergisms between Compost and Biochar for Sustainable Soil Amelioration», Halle 2012.
4. E. JONES, «Liquid carbon pathway». Australian Farm Journal, July 2008, pp. 15-17.
5. Kögel-Knabner, K. Ekschmitt, H. Flessa, G. Guggenberger, E. Matzner, B. Marschner, M. von Lützow, «An integrative approach of organic matter stabilization in temperate soils: Linking chemistry, physics, and biology. », Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 171: pp. 5-13, 2008.
6. T. LINTZEN, «Kompost-/Champostdüngung, was gilt es düngerechtlich zu berücksichtigen?», Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen, Ökologischer Acker- und Feldgemüseanbau- Ökoteam. Informationsdienst Nr. 23 vom 12.11.2020
7. J.-F. PONGE, «Dark side of life or intractable “aether”?», Article. Pedosphere, April 2022.
8. Siedt, A. Schäffer, K. E.C. Smith, M. Nabel, M. RoSS-Nickoll, J. T. van Dongen, «Comparing straw, compost, and biochar regarding their suitability as agricultural soil amendments to affect soil structure, nutrient leaching, microbial communities, and the fate of pesticides.», Review. Science of the Total Environment 751, 2021.
9. VHE – VERBAND DER HUMUS- UND ERDENWIRTSCHAFT e.V., «Humusaufbau – Der Landwirt als Klimawirt», HuMussLand, Informationen über Kompostprodukte für Landwirte Nr.7, 2020.