衛(wèi)尤明，廖宗文，毛小云

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510642)

基于經(jīng)典植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論發(fā)展起來的化肥工業(yè)，百多年來為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了重大貢獻(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，化肥工業(yè)在技術(shù)上有了很大進(jìn)步，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如生物刺激素、腐殖酸、菌肥等,但都不是基于礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論發(fā)展起來的，均已超越了礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說的理論框架。這表明實(shí)踐走在了理論前面，也反映了技術(shù)研發(fā)對(duì)新理論的迫切需求。多年來，化肥新產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)踐為植物營(yíng)養(yǎng)理論發(fā)展提供了大量的研究素材和科學(xué)依據(jù)，我國(guó)肥料科技創(chuàng)新在理論研究和技術(shù)開發(fā)方面也都顯現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-2]。在常規(guī)復(fù)混肥產(chǎn)品出現(xiàn)低迷時(shí)，有機(jī)碳肥逆勢(shì)上揚(yáng)，呈快速發(fā)展趨勢(shì)，其中相當(dāng)大部分成為企業(yè)的拳頭產(chǎn)品。

1 關(guān)于經(jīng)典植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論的發(fā)展方向

近年來，國(guó)內(nèi)外研發(fā)的各種化肥新產(chǎn)品大多為有機(jī)營(yíng)養(yǎng)類，如生物刺激素、菌肥、多肽類產(chǎn)品等，是市場(chǎng)暢銷產(chǎn)品。而一般的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)肥料，如復(fù)混肥等，在市場(chǎng)上呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，銷售困難，競(jìng)爭(zhēng)激烈。在近年來興起的新型肥料、特種肥料中，真正有增效節(jié)肥作用的基本上屬于有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，即其“新”、“特”之所在。但是要進(jìn)一步提升肥效，精準(zhǔn)提高光合作用，針對(duì)C3、C4作物選用相應(yīng)的肥料，優(yōu)化各有機(jī)養(yǎng)分的配比等，均無法從經(jīng)典植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論中得到指導(dǎo)或啟發(fā)。企業(yè)界、學(xué)術(shù)界通過實(shí)踐探索，提出了有機(jī)碳概念，針對(duì)“碳饑餓”開發(fā)出相應(yīng)的有機(jī)碳產(chǎn)品并出版了相關(guān)專著，如：福建綠洲生化有限公司在20多年研發(fā)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，陸續(xù)出版了一系列專著，其中2014年出版的《生物腐植酸與有機(jī)碳肥》于2017年再版[2]；山西奧德福公司9年前即提出“一斤果蔬半斤碳”，并開發(fā)出“碳能肥”系列產(chǎn)品；西北農(nóng)業(yè)大學(xué)劉存壽教授在多年研究有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出含多種有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的碳基全營(yíng)養(yǎng)系列肥料，于2016年通過省科技鑒定；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院對(duì)有機(jī)碳養(yǎng)分平衡中的作用、抗弱光功能、有機(jī)碳成分的篩選及優(yōu)化組合進(jìn)行了研究，提出了“天補(bǔ)”與“肥補(bǔ)”并舉的施肥高產(chǎn)技術(shù)措施并取得了重要進(jìn)展[1,3-4]。

2 關(guān)于有機(jī)碳認(rèn)識(shí)的誤區(qū)和盲點(diǎn)

2.1 “靠天補(bǔ)碳(CO2)”不是唯一途徑

有機(jī)碳已經(jīng)是有機(jī)態(tài)，無需再消耗光能。CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)及有機(jī)碳直接進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)如圖1所示。

圖1 CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)及有機(jī)碳直接進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)

自然狀態(tài)的靠天補(bǔ)碳途徑從初始反應(yīng)開始，而有機(jī)高效碳肥補(bǔ)碳則跨越了初始反應(yīng)而直接進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)中，初始反應(yīng)消耗的光合能被節(jié)省下來用于后續(xù)反應(yīng)中，從而可促進(jìn)作物更快生長(zhǎng)。

在經(jīng)典植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論中，碳是排在首位的營(yíng)養(yǎng)元素，但是在化肥工業(yè)中卻長(zhǎng)期缺乏相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)，其原因在于認(rèn)識(shí)上的偏差。有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)來源于大氣中的CO2，但靠天補(bǔ)碳的CO2僅為植物需求的20%[5]，作物實(shí)際上處于嚴(yán)重的“碳饑餓”中，是最突出的營(yíng)養(yǎng)短板。若能開拓施肥補(bǔ)碳的新途徑，減輕“碳饑餓”程度，即可明顯提質(zhì)增效且節(jié)肥[3-4，6]。理論研究和有機(jī)碳肥的實(shí)踐都證明，有機(jī)營(yíng)養(yǎng)是植物中碳的重要來源之一。20世紀(jì)70年代，浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)孫羲先生對(duì)含氮的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)作了大量研究，證實(shí)可以被作物吸收。近年來，也陸續(xù)有文獻(xiàn)報(bào)道不含氮的有機(jī)碳也可以被作物吸收，有明顯的增產(chǎn)、提質(zhì)、抗逆作用[3-4，6]。有機(jī)碳和CO2都是碳的來源，“天補(bǔ)”非唯一來源，還有“肥補(bǔ)”這一新途徑，是值得重視的化肥科技創(chuàng)新前沿。

2.2 有機(jī)肥與有機(jī)碳不能混淆

有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)是指水溶性高、易被植物吸收的有機(jī)碳化合物，如糖、醇、酸(含氨基酸)等，即不僅有含氮的有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)(如氨基酸)，還包括不含氮的碳營(yíng)養(yǎng)[1]，兩者有明顯的區(qū)別。

一般有機(jī)肥為大分子，難溶、用量大，其肥效主要是通過改良土壤而逐漸顯現(xiàn)出來。而有機(jī)碳則是小分子，水溶性高、見效快，在抗逆(如低溫、寡照、旱、澇、病蟲等)方面更為突出。

明確有機(jī)碳的概念對(duì)于肥料科技創(chuàng)新十分必要。水溶性高和各種功能團(tuán)是2個(gè)顯著特征，不僅有別于有機(jī)肥，而且還有別于光合反應(yīng)的原料(CO2)。在很多情況下，二者通稱為碳肥，同樣提供碳營(yíng)養(yǎng)，但前者需經(jīng)過光合作用才能轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)，而后者已經(jīng)成為有機(jī)態(tài)，遠(yuǎn)勝于無機(jī)態(tài)的CO2。

如果把有機(jī)肥與有機(jī)碳混為一談，這就封閉了進(jìn)入創(chuàng)新的思維通道，即使研發(fā)工作已經(jīng)到了有機(jī)碳的大門前而仍止步于有機(jī)肥的水平，就難以獲得突破性進(jìn)展。

2.3 有機(jī)碳肥與有機(jī)氮肥不能混淆

有機(jī)氮一定是有機(jī)碳，而有機(jī)碳未必是有機(jī)氮，但可包含有機(jī)氮，兩者的大小和從屬關(guān)系不能顛倒。

一些含氮有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)的作用往往歸功于氮，而忽略了其中的碳，如氨基酸、多肽類肥料的突出肥效都?xì)w功于氮的作用。研究顯示，不含氮的有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)，如采用α-酮戊二酸、丙三醇、蔗糖等進(jìn)行試驗(yàn)，也顯示了明顯的肥效[3-4]。由此可表明有機(jī)碳概念的重要性，可糾正“見氮不見碳”的片面認(rèn)識(shí)。其實(shí)，有機(jī)氮的肥效優(yōu)勢(shì)在相當(dāng)大程度上源于其中的有機(jī)碳架以及其中化學(xué)鍵所含有的光合能量，但這往往被忽略了。

3 有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

3.1 施碳增氮

3.2 施碳促碳(CO2的吸收)

研究顯示，有機(jī)碳可顯著提高蕹菜葉片碳含量。少量噴施有機(jī)碳，蕹菜葉片含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了2%～3%，其干物質(zhì)中碳的增長(zhǎng)量大大超出所噴入的有機(jī)碳量，顯示了有機(jī)碳“四兩撥千斤”的杠桿作用。增長(zhǎng)的碳主要是空氣中的CO2，有機(jī)碳處理加速了光合循環(huán)，促進(jìn)了CO2的吸收及同化。

3.3 施碳補(bǔ)微量元素(Fe、Zn)

Samuel等在《Nature》上發(fā)表的論文提出，大氣中CO2濃度的升高，會(huì)導(dǎo)致作物鐵、鋅和粗蛋白含量顯著降低[8]。但筆者的研究表明[3-4]，在適宜的氮水平下，噴施有機(jī)碳可提高蕹菜和水稻的鐵、鋅和全氮的含量，增幅達(dá)16%～21%。有機(jī)碳處理使作物對(duì)鐵和鋅的主動(dòng)吸收更為順暢，因而含量增加，這也顯示了有機(jī)碳相對(duì)于CO2的明顯優(yōu)越性。

3.4 對(duì)沖低溫寡照的能量效應(yīng)

缺碳和弱光是作物生長(zhǎng)的兩大制約因素。有機(jī)碳可彌補(bǔ)因弱光導(dǎo)致的光合碳產(chǎn)物缺乏，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)，產(chǎn)量增幅可高達(dá)33%，促進(jìn)氮吸收的增幅可達(dá)21%[3]。

在春季低溫寡照的情況下，會(huì)出現(xiàn)光合作用弱、土壤氮肥相對(duì)偏多的情況，此時(shí)補(bǔ)充有機(jī)碳可減少光弱的不利影響，有效減少僵苗、死苗數(shù)量。

3.5 從生化反應(yīng)角度認(rèn)識(shí)有機(jī)碳的優(yōu)勢(shì)

植物的生長(zhǎng)變化就是一系列生化反應(yīng)過程，其影響因子為光能、水和肥，可表達(dá)為關(guān)于產(chǎn)量的函數(shù)式：

Y=f(X1，X2，X3)

(1)

式中：Y——產(chǎn)量；

X1——礦質(zhì)；

X2——有機(jī)碳；

X3——光能。

由CO2+H2O→C6H12O6(葡萄糖)的生化反應(yīng)可知，化學(xué)平衡右移即可促進(jìn)生長(zhǎng)，而右移的影響因素即式(1)中的X1、X2和X3。X1和X2為養(yǎng)分物質(zhì)平衡(相當(dāng)于化工生產(chǎn)中的物料平衡)，反應(yīng)物充足且比例平衡則促進(jìn)右移。另一影響因素是光能(X3)，光能充足且與物料平衡，即質(zhì)-能平衡，對(duì)于生化反應(yīng)的右移也有重要的促進(jìn)作用。迄今國(guó)內(nèi)外的養(yǎng)分平衡研究中，均只關(guān)注養(yǎng)分方面，忽略了碳及其與氮的平衡關(guān)系、光能(經(jīng)常處于不足狀態(tài))及其與養(yǎng)分的關(guān)系[9]，但這恰恰是植物營(yíng)養(yǎng)理論發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的新領(lǐng)域，值得引起重視。有機(jī)碳已經(jīng)跨越光合階段，因而可以相應(yīng)減少對(duì)光能的依賴，促進(jìn)平衡右移(促進(jìn)生長(zhǎng))。在構(gòu)建作物體的生化反應(yīng)中，有機(jī)碳類似預(yù)構(gòu)件，而礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)是類似磚頭的初始原料，還需消耗光能，有機(jī)碳能減少對(duì)光照依賴的特點(diǎn)是其他礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)所不具備的。有機(jī)碳肥和CO2對(duì)作物碳營(yíng)養(yǎng)的有效性比較如表1所示。

表1 有機(jī)碳肥和CO2對(duì)作物碳營(yíng)養(yǎng)的有效性比較

項(xiàng)目形態(tài)補(bǔ)碳途徑能耗施用條件光碳限制CO2無機(jī)氣態(tài)葉面需光能大棚受限有機(jī)碳固液、液態(tài)葉面和根省光能大棚、大田較少受限

4 基于有機(jī)碳的理論思考和研發(fā)思路

4.1 低頭測(cè)土與抬頭觀天

4.2 低碳工藝與富碳肥料

基于有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)概念的技術(shù)目標(biāo)是將有機(jī)質(zhì)分解至小分子有機(jī)碳階段即停止，盡量獲取水溶性有機(jī)碳，而不是讓有機(jī)碳轉(zhuǎn)變成CO2排放。一般發(fā)酵技術(shù)關(guān)注氮、磷、鉀的有效化，忽略了好氧發(fā)酵使大量有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)損失為CO2，應(yīng)予以改進(jìn)[1-2]。據(jù)此原則，對(duì)蔗渣、畜牧糞便等原料，可采取適度好氧的少翻堆技術(shù)，盡量減少CO2損失而保留有機(jī)碳養(yǎng)分[2]。西北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)成功的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)可明顯減少CO2排放量，90%的有機(jī)物可在4 h內(nèi)轉(zhuǎn)化為可溶性有機(jī)碳。

4.3 開拓廢物資源化的治污新途徑

基于有機(jī)碳概念、達(dá)標(biāo)排放路線之外，還可開拓有機(jī)廢水(渣)回收利用的新途徑，即不必把廢物分解至無機(jī)態(tài)的氮、磷排放，既節(jié)能又提高肥效，如可將有機(jī)廢水氧化為氮?dú)馀欧鸥臑榛厥沼袡C(jī)碳營(yíng)養(yǎng)；又如近年來蓬勃發(fā)展的著名特產(chǎn)新會(huì)陳皮，取皮棄肉方式產(chǎn)生嚴(yán)峻的環(huán)保問題，堆肥和厭氧制酵素耗時(shí)長(zhǎng)，均難以及時(shí)處理秋冬季加工陳皮時(shí)產(chǎn)生的大量廢渣液，而采用有機(jī)碳技術(shù)制成多功能有機(jī)碳液肥，具有加工快(1～2 d)、應(yīng)用廣、成本低和肥效高的明顯優(yōu)勢(shì)。

5 有機(jī)碳研究的重大意義和發(fā)展前景

我國(guó)有機(jī)碳的技術(shù)進(jìn)步是巨大需求推動(dòng)和肥料界努力創(chuàng)新的結(jié)果，但相關(guān)基礎(chǔ)理論研究亟待加強(qiáng)。

化肥工業(yè)的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論，而現(xiàn)代化肥工業(yè)的發(fā)展已突破礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說的理論框架，生物刺激素、菌肥、腐殖酸等有機(jī)碳肥的研發(fā)都不是基于礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)理論發(fā)展起來的，而是從各自某一技術(shù)角度或解決某一實(shí)際問題得出的經(jīng)驗(yàn)成果。對(duì)這些零散的成果，從理論角度進(jìn)行分析歸納，將揭示出各成果內(nèi)在的系統(tǒng)性規(guī)律，從而上升到理論層面，這樣才有利于技術(shù)創(chuàng)新。如有機(jī)氮研究若仍局限于氮肥的范疇，對(duì)于非氮的有機(jī)碳(乙酸、酮戊二酸)的營(yíng)養(yǎng)作用就無法深化認(rèn)識(shí)，更達(dá)不到有機(jī)碳各成分的優(yōu)選和組合這一深層次水平?！坝袡C(jī)肥必須轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)形態(tài)才能被植物吸收”這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)仍然存在，這與有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)概念的長(zhǎng)期缺位有關(guān)。

研究表明，現(xiàn)有的高產(chǎn)記錄都存在程度不一的碳饑餓，通過施肥補(bǔ)碳則可緩解碳饑餓[1，2，4]。今后應(yīng)繼續(xù)開展試驗(yàn)，論證施肥補(bǔ)碳的效果及其機(jī)制，有望開拓一條施肥(碳)增產(chǎn)新路，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)再高產(chǎn)。

有機(jī)碳肥不僅為化肥企業(yè)提供了一種市場(chǎng)前景廣闊的新產(chǎn)品，也為提升復(fù)混肥等常規(guī)化肥產(chǎn)品的肥效、擴(kuò)大市場(chǎng)提供了新的科技手段。研究表明，常規(guī)肥料與有機(jī)碳配合施用，尤其是碳、氮的配合施用，使養(yǎng)分平衡提升到一個(gè)新水平，有顯著增產(chǎn)效果[1，2，4]，這為化肥供給側(cè)改革提供了一個(gè)重要技術(shù)措施，也是提升化肥企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益新的增長(zhǎng)點(diǎn)。