有机碳肥技术与化肥产业结构性改革.
 

元素占植物必须养分的50%以上,是N、P、K总和的5倍之多。这说明了碳元素在植物组织细胞构成中具有重要作用,占有主导地位。然而,在传统植物营养学中,常把C、H、O、N、P、K均列为大量元素,放在同一个档次。根据碳元素在植物必须养分中所占的比重来看,这种排列降低了碳元素的重要性。量变到质变,应把碳元素单独分开,称为植物营养的基础元素,而不是大量元素,作为植物营养成分的单独一面,称为阴;而把N、P、K及中微量元素当作植物营养成分的另一面,称为阳;H、O(H2O)则是穿合阴阳结合的曲线,形成肥料中营养元素的阴阳太极图,打破传统的植物营养元素木桶原则,因此,碳与N、P、K等矿物质元素之间的平衡是主平衡,而其他矿物元素之间的平衡是次平衡,忽视碳与矿物质元素之间的主平衡,则矿物质养分之间的平衡将毫无意义。这不仅在土壤肥料学和植物营养学中具有重要的理论意义,而且在农业平衡施肥实践中也具有重要的实践指导意义。

目前,传统观念均认为碳营养植物光合作用而获得,在保证水分充足的条件下,补充N、P、K等其他营养元素即可,忽视了碳营养的重要性。殊不知,由于大气中二氧化碳浓度对植物吸收而言相对偏低和利用效率不高等问题,再加上植物呼吸作用也损耗大量碳元素,导致几乎所有植物均处于碳饥饿状态。因此,植物生长不能仅靠天补碳,还应通过地补,即通过施肥补碳。

事实上,植物存在二通道碳营养吸收机制,韭黄在没有光合作用的情况下也能生长就充分说明了这一点。植物不仅靠光合作用固定大量空气中的碳作为生长营养需要,也能通过根部吸收作用从土壤中获取碳营养以补充光合作用碳营养吸收的不足。实践也证明,光合作用补碳是植物碳营养的主通道,而根部吸收补碳是次通道,根部吸收补碳却能大大促进植物光合作用,这就是植物碳营养的二通道学说及其辩证关系。根部吸收补碳在植物碳营养吸收方面具有四两拨千斤的作用,成为植物碳营养补充的辅助途径和不可或缺的重要补充方式。

在理解了植物二通道吸收碳营养的作用机制后,接下来的问题就是如何为植物通过根部吸收补碳呢?也就是植物根部能利用什么形式的碳元素呢?答案是小分子水溶有机碳(dissolved organic carbon, DOC),我们称之为有机碳营养、有效碳或生物碳(biocarbon,BC)。这种有机化合物能被植物和土壤中的微生物直接吸收利用,可作为植物和微生物生长所需的碳源和能源物质,满足植物和微生物生长所需的碳骨架和能量需要。为了与光合作用补碳方式区别开来,我们称富含BC的有机肥料为有机碳肥(organic carbon fertilizers, OCF)。生物质碳和有机碳肥概念的引入将为土壤肥料和植物营养学翻开崭新的一页,既具有重要的学术价值,也具有重要的实践意义。

水溶有机碳是指水溶性高,易被作物吸收的有机碳化合物,如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛以及氨基酸等。碳营养的重要性主要表现在以下几方面:

 

  • 1. 碳营养是构成植物体内有机成分碳骨架的必需成分,是植物合成糖类、蛋白质、脂类、酶、信号传递物质以及遗传物质核酸等的基础物质。

  • 2. 有机碳营养具有节能、肥效快速的优点,水溶有机碳营养的优越性体现在它跨越了无机二氧化碳经光合作用从头生成有机物的过程,而是直接从根部吸收有机碳营养分子,具有无需光能、肥效快的特点,这在阴雨天或光照不足时更能显示有机碳肥的优点,如促长、抗病等。

  • 3. 有机碳营养在平衡施肥过程中具有组合者作用,是平衡施肥的关键,也是施肥过程中应主要考虑的因素。研究证明,有机与无机元素配合施用,可大大提高养分利用率、有效性和生理功能。

  • 4. 有机碳营养也是土壤中微生物生长繁殖不可或缺的营养成分,为微生物提供生长必需物质和能量。这样有利于微生物分解土壤中的有效成分为植物生长提高营养,也有利于微生物与植物的相互作用,增强植物免疫力和保持土壤疏松结构,改善土壤物理、化学和生物肥力。

  • 5. 有机碳营养解决当今化肥工业存在弊端的关键出路,也是解决城市、工业和农业带来污染的重要措施。如今国内外许多与肥料相关的重大问题,如平衡施肥、水体富营养化、农产品高产优质以及提高肥料利用率等,不仅与现有化肥产品提供的养分有关,而且还与碳营养有密切关系。另外,生产碳肥主要利用城市生活垃圾、工农业有机废弃物等为原料,通过碳肥作为桥梁和枢纽节点实现碳循环和循环经济建设,同时也有效解决了环境污染问题。

     利用目前技术生产的有机肥料普遍采用“高温好氧发酵技术”,并结合多次翻堆工艺,有机物料彻底氧化分解,有机质完全矿化。这样生产的有机肥料将是一堆有机质完全矿化的空壳,其中的有机碳和有机氮彻底氧化形成二氧化碳和氨气挥发损失至空气中,既污染了环境,又减少了有机肥料中肥效成分。以致于生产的有机肥料品质低下,肥效不明显。只是在一定程度上起到改善土壤物理结构的作用,毫无化学和生物肥力而言。另外,也有部分学者或生产企业以有机固体废弃物在缺氧的条件下低温分解有机质制备生物炭(biochar),然而由于这种炭制品不溶于水,植物和微生物不能吸收利用,只是具有碳固定作用而已,并不能为生物所有。碳是一种重要的资源,是构成生命体不可或缺的主要物质成分,不应将其矿化固定下来,而应将其转化为具有生物学活性作用的成分---生物碳,在碳素循环中有效流通起来,就像货币一样,这样才能彰显对碳素营养的有效管理和充分应用,为人类和社会发展作出贡献,如图1所示。

                            

 为此,我们提出“保碳发酵技术”,通过生物化工策略将有机物料中的有机质控制性降解或分解在植物或微生物可吸收利用阶段即可,即控制分解生成大量生物质碳,而不是彻底氧化形成二氧化碳损失掉,如图2所示。这样既有利于环境保护,实现有机废弃物处理及资源化利用,变废为宝;又有利于生产具有良好肥效的环境友好型高碳有机肥。这种保碳发酵技术生产的高碳有机肥集环保、土壤改良及食品安全于一体,是发展绿色环保和农业可持续发展的需要和保证。

传统有机肥生产没有以生产有机碳养分为目标,使有机肥料中有机碳含量太低,无法与化肥工业生产的N、P、K肥料配合使用,虽有“有机-无机复混肥”之名,却无“有机-无机复混肥”之实和之效,导致有机肥料产业无法与化肥工业实质性的对接,致使肥料中严重缺碳,而N、P、K相对过量,造成肥料中阴阳主平衡失调,导致土壤处于亚健康、水体富营养化以及食品安全问题等等一系列后续连锁反应。因此,只有将富含有效碳的有机碳肥与化肥工业生产的N、P、K等肥料配合使用,才能实现肥料中的阴阳主平衡,保证粮食优质高产。

 2014年我国化肥总产量、氮肥产量均呈现同比下滑态势,且产量由往年的增长变为下滑,2014年化肥总产量首次出现下跌趋势,2014年1-12月份,我国化肥产量累计为6933.69万吨,同比减少0.7%。氮肥是继2010年以后的第2次出现产量下滑。钾肥产量持续呈现大幅增长,磷肥产量小幅增长。数据显示,2014年我国化肥总产能已达到13167万吨,化肥产量达到6934万吨,而我国化肥需求量仅为4894万吨,产能严重过剩。近年来,化肥行业由于产能过剩,市场需求下降,行业利润偏低,市场竞争加剧等因素制约了行业发展。因此,调整化肥产业结构、实行化肥产业供给侧改革成为化肥行业健康发展的必由之路。

 在化肥产业结构中引入有机碳技术,把有机碳与化肥中的N、P、K等元素按一定比例有效混合,实现碳营养和化肥营养成分的优势互补,真正为农业打造一种优质有机碳-无机复合肥或复混肥,改善作物生长中的营养阴阳平衡,促进化肥的吸收利用,减少环境污染,增进作物抗逆性和改善土壤结构、增进作物优质高产,实现肥料有效管理和利用,为化肥产业供给侧结构性改革提供一种新的思路,也为改善土壤结构、减少环境污染和农业可持续发展作出贡献。

 

 

作者:李瑞波

福建绿洲生化有限公司董事长

中国有机碳肥研发中心技术总监


 
 
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