传统农业依赖于大量使用矿物肥料 (mineral fertilizer, MF)，而矿物肥料仅将少量碳返回土壤。作物产量受到土壤肥力下降的影响，而土壤中的肥料损失在很大程度上导致了生物圈中过量活性氮和磷的不良积累。堆肥的目的就是通过一系列科学的工艺步骤，把各种各样的有机废弃物分解转化成为一种稳定的、无害化的适合于土壤培肥的有机肥产品。堆肥是可持续农业的重要投入，但使用不同类型的堆肥会导致难以预料的结果。
2022年9月5日，中国农业大学张福锁及张卫峰共同合作在Nature Food 杂志在线发表题为“A precision compost strategy aligning composts and application methods with target crops and growth environments can increase global food production”的研究论文，该研究对超过 2,000 次观察进行了全球荟萃分析，以确定“精确堆肥策略” (precision compost strategy, PCS)，从而将合适的堆肥和应用方法与目标作物和生长环境相结合，促进可持续粮食生产。
在过去的两个世纪中，农业土壤的有机碳储存中损失了大约 133 Pg 的碳。大约三分之一的农业土壤退化，这导致全球玉米产量减少32%，小麦减少60%。堆肥被认为是在农田中再生土壤有机碳 (soil organic carbon, SOC)、减少对矿物肥料 (MF) 的需求、提高作物产量以及向循环农业和可持续发展目标过渡的途径。然而，堆肥的使用可能会导致相当大的权衡取舍，因为作物产量的不确定性很大，土壤中的一氧化二氮 (N2O) 排放量增加。因此，需要一种战略方法来提供一致的多重效益。
堆肥的性能通常不令人满意，这归因于与影响堆肥对土壤和作物影响的三个主要因素相关的广泛可变性和复杂性：
1.堆肥特性（即 C/N、C/P、pH 和电导率 (EC)）的巨大可变性，这取决于各种生物废物类型和处理方法；
2.涉及种植系统（即作物类型和管理）和不同的生物物理环境（即土壤特性和气候），以及对堆肥效应的固有环境影响；
3.堆肥的养分可用性随生物物理环境而变化，并且由于堆肥衍生养分的生物利用度通常不可预测而难以优化。
该研究选择了作物产量、SOC 和 N2O 排放作为响应指标，从粮食安全、土壤肥力和温室气体足迹的角度来检查堆肥的使用。研究人员假设将特定的堆肥与特定的生物物理条件和应用方法相匹配会产生更好的结果，并称之为“精确堆肥策略”(PCS)。
精确堆肥策略的框架（图源自Nature Food ）
为了测试策略效果，研究人员建立了一个包含 2,000 多个观察值的全球数据库，通过比较 MF 和两类堆肥（仅堆肥 (compost only, CO) 和堆肥+MF (compost+MF, CM)）的使用，使用元分析方法量化堆肥使用的影响。荟萃分析表明堆肥效应具有很强的可变性和不确定性。
为了探究 PCS 的决定因素，研究人员使用增强回归树统计来量化影响因素的相对重要性，发现堆肥（碳与养分比、pH 值和盐含量电导率）、管理（氮 N 供应）和生物物理设置（作物类型、土壤质地、土壤有机碳、pH 值、温度和降雨量）的 11 个关键预测因子，这些因素80%确定了对作物产量、土壤有机碳和一氧化二氮排放的影响。
PCS 的好处在干燥和温暖的气候以及酸性 pH 值和沙质或粘土质地的土壤中更为明显，与传统做法相比，作物产量提高了40%。使用数据驱动的方法，研究人员估计全球 PCS 每年可使主要谷物作物的产量增加 96.3 Tg，即当前产量的 4%。全球 PCS 具有恢复农田表土（0-20 cm）中 19.5 Pg 碳的技术潜力，相当于当前表土土壤有机碳储量的 26.5%。
总的来说，该研究建立了 PCS 的理论概念，并使用数据驱动的方法，估计了 PCS 在全球范围内生产主要谷类作物和增加农田 SOC 库存的技术上可实现的效益，表明了 PCS 在当前和新兴农业中的核心作用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s43016-022-00584-x
