老驥何需長鞭揚 悠然漫步固廢場——記張夫道科學研究四十載

本刊記者 李 靈

老驥何需長鞭揚 悠然漫步固廢場
——記張夫道科學研究四十載

本刊記者 李 靈

綠色和天然是他的追求，有機與營養是他給百姓的回饋。茁壯的莖葉里飽含他的心血，肥沃的土壤中有他滿腔的希望。

——2010年度科學中國人年度人物頒獎詞

專家檔案：

張夫道，1943年生，江蘇銅山縣人，畢業于原南京農學院土壤農化系、原浙江農業大學研究生班、莫斯科國立農業大學放射化學教研室、生物化學教研室、莫斯科大學生物化學教研室。先后獲前蘇聯化學科學副博士，生物科學博士學位。教授、博士生導師，中國農業科學院原土壤肥料研究所首席研究員。

張夫道長期從事植物有機營養與有機肥料、固體廢棄物資源化利用、土壤肥力與生態環境、土壤生物演變及安全評價、大田作物專用緩/控釋肥料技術、農用納米材料等基礎和應用研究；曾主持國家“863”、國家科技攻關、國家自然科學基金、國家發改委和各部委重點項目（課題）30余項，出版專著3部，在國內外核心學術刊物發表論文120余篇，獲國家發明專利19項，獲農業部和環保部等省部級科技進步一等獎和二等獎6項。

2011年6月10日，《科學中國人》2010年年度人物獎頒給了中國農科院農業資源與農業區劃研究所研究員——張夫道。會上，這位多年辛勤耕耘在農業資源、固體廢物研究第一線的老科學家，發出了“老驥何需長鞭揚，悠然漫步固廢場”的獲獎感言。四十年風雨砥礪，而今的張夫道已成為我國固廢資源化利用技術的領跑者，青絲已變白發，不變的是一顆仍舊想為固廢事業貢獻一己之力的純真之心！

固廢選擇了我 我也選擇了固廢

張夫道，1943年生于江蘇銅山縣，20世紀60年代初，他考入原南京農學院土壤農化系，之后輾轉求學于原浙江農業大學研究生班、莫斯科國立農業大學放射化學教研室、生物化學教研室、莫斯科大學生物化學教研室，直至到中國農業科學院原土壤肥料研究所出任首席研究員，注定了他與農資，固廢行業結下一生難解之緣。

20世紀70年代以前，我國還沒有專門從事環境保護管理的部門，伴隨著當時社會經濟的飛速發展，環境問題日益顯現，將環境管理提升到國家層面已經成為應時所需。1973年8月，第一次全國環境保護會議在北京召開，隨后，國務院成立了環境領導小組。這標志著我國環境管理部門正式走到臺前，中國環保史翻開了嶄新的一頁。領導小組建立伊始，就明確了兩大重點管理方向：一是污水處理，二是固體廢棄物處置。并將城鄉廢棄物研究交由中國農科院土壤肥料研究所負責，而這一光榮而艱巨任務的具體執行重擔，交到了他——張夫道的肩膀上，這一干就是四十多年。

“固廢選擇了我，我也選擇了固廢！”正如張夫道所說，他是用心來對待自己所熱愛的職業。四十余年埋首耕耘，他的研究方向得以日益擴展，涉及城鎮生活垃圾、城鎮生活污泥、規?；笄輬黾S污、作物秸稈、三煤（風化煤、煤矸石、粉煤灰）、鈦白粉副產物硫酸亞鐵、金屬尾礦等。在國內率先提出固體廢棄物的處置和利用應實現無害化、資源化、能源化、材料化、飼料化、肥料化等重要觀點。將固體廢棄物分為有機和無機兩大類，提出有機肥的作用機理，認為有機類廢棄物中的很大一部分可作為生產有機肥的原料，同時，研制相關工藝設備，應用于固體廢棄物的處置和綜合利用，獲得了可觀的經濟、社會和環境效益，為推動我國固體廢棄物“變廢為寶”奠定了理論和實踐基礎。

“學而勿躁，研而求精”。是科技工作者必須遵守的職業準則，幾十年的科研工作，張夫道都在用行動詮釋著這句話的真諦，踏踏實實地堅守于一份責任，專注于一份事業，精深于一個領域。憑借多年在行業上的沉淀，他已然成為植物有機營養理論和有機肥作用機理的創建者、固體廢棄物資源化利用的領跑者和農用納米材料技術的奠基者。

植物有機營養理論和有機肥作用機理的創建者

我國對有機肥料的使用由來已久，但真正對這一傳統肥料進行系統研究的歷史尚淺。1937年，中國著名肥料學家，中國農業科學院陳尚謹先生率先對華北地區有機肥料進行調查，之后有不少學者也對有機肥料做過工作，但基本停留在調查研究和總結農民經驗上，這一現狀直至張夫道這一代人涉足研究，才有所突破。準確地說，從張夫道等開始，有機肥料才得以作為一門學科，利用現代科學技術手段進行系統的理論和應用研究。

1. 創立了植物有機營養理論

1840年，農業化學創始人德國學者L.V o n.李比希創立了植物礦質營養學說，其宗旨是植物吸收的營養物質無一不是以礦物質（即無機）形態被吸收利用，世界各國所有教科書均遵循這一觀點，但是，這個理論對很多現象解釋不清。例如，我們強調世界多樣性、自然現象多樣性、植物多樣性等，為什么談到植物營養就變成單一性了呢？再例如，北方農民種西瓜時，在瓜膨大期有施用芝麻醬的習慣，西瓜成熟后更甜；煙農在種植煙草時有施用腐熟豆餅的習慣，煙葉品質更好，這是礦質營養理論無法解釋的。

為彌補中國肥料結構和發展史的研究不足，張夫道在經過大量調查、分析和系統研究基礎上，對中國農業生產歷史的肥料結構與發展進行了劃代，即將1965年以前的中國農業劃分為有機農業時代，之后隨著化肥的發展，進入現代農業時代。上下幾千年，中國農民全部施用有機肥，卻沒有一個學者研究過有機物在土壤中的轉化，有誰能證明植物只吸收無機氮而不吸收有機氮？帶著這個疑問，張夫道對有機肥進行了系統研究。

從1978年開始，他選擇了15N、14C和32P-標記有機化合物，在無菌培養下，證明植物可以吸收低分子量有機氮、有機磷、糖（包括糖精鄰磺酰苯酰亞胺）、糖醇和激素類有機化合物，并參與植物體內代謝；建立了一整套有機肥料中氨基酸、有機磷、糖、糖醇、DNA、RNA、激素的提取和測定方法；用盆栽和大田試驗證明，有機肥料可改善農產品品質，如蔬菜、瓜類、水果類、茶葉、煙草等；15N標記試驗結果，有機氮與化肥氮配合施用，70%的有機氮進入植物籽?；蚬麑?，70%化肥氮進入秸稈或莖、葉，不僅可提高產量，而且還可提高農產品品質。這些研究成果逐漸被學術界所公認，1996年以“植物有機營養”條目編入“中國農業百科全書”《農業化學卷》，為近年來國內發展有機食品提供了理論依據。

2.提出了有機肥料作用機理

有機肥料除了提供給植物營養物質，更重要的是改良土壤的作用。前蘇聯土壤化學家M.M.科諾諾娃曾對土壤腐殖質進行了大量研究，中國土壤學家熊毅院士提出了土壤有機-無機復合膠體是土壤肥力的核心，至于有機肥料中的有機化合物是如何進入土壤腐殖質，有機組分如何與土壤礦物形成有機-無機復合膠體，因研究難度太大，國內外無人問津，而張夫道，成為勇于接過“燙手山芋”的第一人。

在前蘇聯攻讀生物科學博士期間，他采用14C標記作物秸稈和15N-標記兔糞，對這兩個過程進行了包括對土壤腐殖質更新過程、有機-無機復合膠體形成過程和腐殖質氮素化合物的組成及轉化等進行了系統研究，取得了重大突破。尤其在“腐殖質氮素化合物的組成及轉化”研究中，張夫道發現：土壤腐殖質中的氮素化合物全部是芳香族化合物，不被酸水解，土壤界稱為未水解殘渣氮。為此，根據它們的分子結構，他將腐殖質氮劃分為雜環化合物氮、非苯系化合物氮和苯系化合物氮，建立了一套提取和檢測方法。在土壤腐殖質中，雜環化合物氮首先形成，逐漸轉化為非苯系化合物氮，最終形成苯系化合物氮，苯系化合物氮是土壤腐殖質最核心的氮化合物；為支持這一觀點，他還對歐洲30個70年以上的長期田間肥料定位試驗耕層土壤進行了檢測，發現雜環化合物氮比例減少，非苯系和苯系化合物氮比例增加。

至此，張夫道破解了自土壤學科建立以來一直困擾各國土壤學家的“未水解殘渣氮”也就是腐殖質氮組成的謎團。

指導學生實驗

考察鐵尾礦

考察田間試驗

固體廢棄物資源化利用的領跑者

如果說，張夫道對植物有機營養理論和有機肥作用機理的研究是他研究人生中的第一縷陽光，那么，在固體廢棄物資源化利用方面所奠定的成就成為他幾十年研究生涯中的精彩之筆。

自承擔起城鄉廢棄物處置和綜合利用研究重擔后，張夫道就開始走上了“固體廢棄物資源化利用”的漫漫研究之路。面對城鎮生活垃圾、城鎮生活污泥、酒精、生物制藥污泥，畜禽場糞污，作物秸稈，三煤廢棄物，鈦白粉生產副產物，金屬尾礦等等這些隨處可見的城鄉和工業廢棄物困擾民眾的“大公害”，張夫道以固體廢棄物“無害化、資源化、能源化、材料化、飼料化、肥料化”利用為宗旨，以研究資源化和無害化處理、工藝技術及設備為核心，以實際應用為目標，對這些固體廢棄物開展了深入而系統的研究和應用。

1973年第一次全國環境保護會議后，在當時的經濟社會條件下，為支持我國固體廢棄物的處理和資源化利用，國務院環境保護領導小組辦公室從極為有限的經費中，專門對“城鎮生活垃圾處理和綜合利用技術”進行了立項，并交由張夫道主持研究。

上世紀80年代中期，農牧漁業部提出，由張夫道主持制定了《城鎮垃圾農用控制標準》，制定后的標準由國家環境保護局發布，標準編號為：GB8172-87。在國家環保和農業部門資助下，共開展了三次全國城鎮垃圾調查，分別是1975-1984年，1999-2000年，2004-2005年，成效顯著。此后，生活垃圾處理工藝被提煉為：

（1）經過粗選（包括磁選）和精選將垃圾分為三部分：無機物、有機物、塑料及制品；

（2）無機物用于制備道磚；塑料及其制品用于制備復混肥料膠結劑和包膜緩釋劑；有機物經發酵腐熟、粉碎，生產有機-無機緩釋復混肥料，迨盡消納。

2002年，農業部科教司對項目組織成果鑒定，專家委員會的鑒定意見為：在同類研究中，該技術總體水平達國際領先水平，其中納米-亞微米級廢棄塑料-淀粉混聚物包膜膠結劑技術，有機復混緩/控釋專用肥技術為原創性技術。

在城鎮生活污泥和酒精、生物制藥污泥資源化利用技術及工藝設備研究領域，張夫道從實際運用出發，分別對制取沼氣—發電技術，制備有機緩釋復混肥技術，污泥制作斷巖坡面綠化基料和高速路護坡綠化基料技術進行了研究，并推廣應用，產業化成效斐然。

張夫道所在的研究所在國內最早開展生物質能源研究。1974年，在總結四川遂寧縣農村沼氣池的基礎上，由原農牧漁業部立項，開展了沼氣池結構、發酵條件和沼氣發酵液應用研究，并在山東推廣應用。1975年在原南陽酒精廠（現為河南天冠集團公司）建造了兩個5000m3的沼氣發酵罐，目前仍在正常使用；而沼氣用于發電的技術，在山東臨沂金沂蒙集團有限公司得到應用，以木薯制備乙醇，糟液高溫厭氧發酵制取沼氣，產量約1億m3/年，全部用于發電。裝機容量為：300kw沼氣發電機組8臺，200kw沼氣發電機組16臺，年發電量折合標煤11萬噸。

三煤廢棄物利用技術主要利用三煤（風化煤、煤矸石、粉煤灰）廢棄物為主要原料生產固沙保水劑，用于荒漠化土地修復。張夫道及其團隊將化學方法與生物方法相結合，發明了多功能固沙保水劑，融固沙、保水、賦肥和改良土壤功能于一體，由于固沙保水劑膠團直徑為納米-亞微米級，可以進入土壤礦物晶格內，與土壤融為一體，形成有機-無機復合膠體，反過來又起到保水作用；在土層表面，固沙保水劑與土粒之間發生絡合反應，生成網狀絡合物，形成分子膜，防止和減少水分蒸發。

該項技術在包頭市原青年農場和九原生態產業綠化園區大面積試驗，結果表明，當年飼料玉米、向日葵、苜蓿等大獲豐收。與此同時，該項技術在包頭市推廣應用，修復荒漠化土地約15.2萬畝，社會、經濟和生態環境效益顯著。

此外，張夫道所研究的規?；笄輬黾S污處理技術及工藝設備、作物秸稈的轉化研究和利用技術、鈦白粉生產副產物硫酸亞鐵利用技術等也得到大范圍推廣，應用于農業、軍工等各個領域。

金屬尾礦是指選礦后排放的“工業廢棄物”。據不完全統計，截至2009年底金屬尾礦堆存量已超過100億噸，僅2009年就新增尾礦近10億噸，但是金屬尾礦的綜合利用率平均不到10%，尾礦已成為我國工業目前產出量最大，綜合利用率最低的大宗固體廢棄物。

從上世紀90年代初，我國一些礦山企業相繼開展了尾礦再選、尾礦生產建筑材料、尾礦充填礦山采空區、尾礦庫復墾等試驗研究，但由于各方面原因，僅停留在簡單易行的單項技術上，缺乏系統的大量綜合利用尾礦的原創性技術；此外，一些科研單位和企業環保意識不強，對技術的環保風險未做充分的評估，因此，大多數技術存在潛在的生態環境風險。由于金屬尾礦含有毒有害的重金屬和選礦添加劑等，因此，金屬尾礦綜合利用的前提條件應建立在無害化的基礎上。

張夫道接觸金屬尾礦比較早，1970年“文革”期間，他隨研究所下放山東德州，當時的風氣是生產需要什么就研究什么。受研究所委派，他和另一個同事駐點在原山東淄博鋁廠，協助他們解決赤泥問題。為深入研究，他們共布置了47個田間試驗，作物涉及水稻、油菜、大豆、柑桔等，結果大獲豐收，增產8.5%-17.0%；1973年山東省化工廳要求研究所綜合利用山東招遠高磷選金尾礦，在山東省化工廳主持下建成了年產5000噸磷肥廠，張夫道親歷其中。后因研究沼氣發酵工程而中斷，這段經歷張夫道曾戲稱為“被科研”。

1995-2005年，張夫道主持“國家土壤肥力與肥料效益監測基地網”項目，對我國土壤肥力狀況進行了全面調查和分析。分析認為，由于農村青年人進城打工，糧食作物基本上不施用有機肥，大量施用化肥，我國80%以上耕地缺乏一種或幾種微量元素。歐美發達國家政府撥出大量資金補貼農業，我國當時還在收取農業稅；發達國家有錢購買微量元素的化學品，我國農民無錢購買，必須盡快找到微量元素化學品的替代品，于是金屬尾礦就被推上了前臺。金屬尾礦中含有大量中量元素鈣、鎂、硫，微量元素鐵、鋅、硼、錳、銅、鉬，如果說第一次的金屬尾礦處置和資源化利用是“被科研”，那么自2004年開始進行的“金屬尾礦無害化農業再利用”的研究與實踐就是張夫道的一次主動出擊。

從2004年開始，張夫道重點對鐵尾礦和鉬尾礦進行了探索性研究，除了建立全碳還原理論和軟化焙燒理論，還建立了金屬尾礦研究的方法和程序。采用這些理論和研究方法基本上解決了鐵、鉬等金屬尾礦的“無害化”技術難點。例如，山西繁峙鐵尾礦鐵回收率70%以上，汞（Hg）、鎘（Cd）、砷（As）回收率100%，鉛（Pb）回收率99.5%，鉻（Cr2O3）回收率99.8%，該技術已申請國家發明專利。此外，南泥湖鉬尾礦已通過生產性試驗，其產品鉬尾礦可控緩釋肥冬小麥田間試驗結果，增產20%-30%；鉬尾礦土壤調理劑改良河南類沙化潮土，冬小麥當季增產15%-41.3%?！澳夏嗪f尾礦無害化農業再利用技術”目前不僅列入工業和信息化部《金屬尾礦綜合利用先進適用技術目錄》，而且產業化實施項目也已列入國土資源部礦產資源節約與綜合利用示范工程重點項目。

農用納米材料技術的奠基者

除了對植物有機營養、固體廢棄物等進行研究之外，張夫道的研究還涉及到了新型材料領域。從1995年開始，他和他的團隊先后研制了化學聚合（縮合）型和微乳化型兩大類19個品種功能性納米-亞微米級復合材料，其中化學聚合（縮合）型12種，微乳化型7種。申請國家發明專利25項，已授權19項，19個品種功能材料，并先后在城鎮生活垃圾資源化利用，生活污泥和規模化畜禽廠糞污處理利用，荒漠化土地修復、作物秸稈制作秸稈板、高速路路塹邊坡綠化和創傷巖石斷面綠化，大田作物專用緩/控釋肥料生產等眾多領域投入產業化應用。該領域的研究成果已于2008年獲得農業部中華農業科技獎一等獎，環保部2010年環境保護科學獎二等獎。