朱昌雄及其團隊
——為土壤“定向”補碳

◎ 文/徐 麗

朱昌雄及其團隊
——為土壤“定向”補碳

◎ 文/徐 麗

有機碳肥生物腐植酸肥料用于安徽省肥東縣牌坊鄉水稻田，專家現場測產，增產達12%。

我國耕地土壤貧瘠化嚴重，卻遭遇了“肥料換高產”但“增肥低增產”的尷尬。中國農業科學院的朱昌雄研究員及其團隊研究后發現，農作物和土壤缺碳是造成我國農業觸碰到增產“天花板”的重要原因。

據初步統計，中國耕地中有機質的平均含量僅為2.08%，不但達到了歷史最低點，并已接近生態“警戒線”。更令人擔憂的是，耕地有機質還在以每年0.05個百分點的趨勢下降。

“顯然，給土壤補碳，為農業增產創造了很大的提升空間。但需要注意的是，我們給土壤補的碳必須能為土壤和農作物高效吸收。”朱昌雄說。

重新認識土壤的“缺碳”問題

不久前，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的“有機碳肥生物腐植酸的研究與推廣應用”項目，獲得了2016年中國產學研合作創新成果獎二等獎。

該團隊的相關研究起始于2004年，前后歷時近12年，這期間朱昌雄和團隊成員所經歷的種種艱辛可以想見。好在功夫不負有心人，他們的堅持最終換來了豐碩的成果。

在水體污染控制與治理科技重大專項巢湖面源課題（2009ZX07103-002；2013ZX07103-006）和自籌項目的支持下，他們采取產學研合作創新的模式，不僅重新認識了有機碳養分對土壤的重要性，并創新研究開發出系列有機碳肥技術及產品，同時形成了一整套完善的生產工藝與應用技術標準。這些技術突破，實現了對有機廢棄物的再次利用，探索出了一條實現循環經濟與可持續發展之路，其經濟、社會及環境意義均非常顯著。

基礎研究的每一個重要突破，往往都會明顯提升人們認識世界、改造世界的能力。朱昌雄團隊的關鍵突破之一是，發現了植物通過根系吸收有機碳養分的現實性與必要性，且有機碳養分必須是小分子水溶有機碳，應用證明了有機碳養分對土壤的重要性。

碳元素是植物必需的大量元素之首和新陳代謝的能源。作物依靠自然狀態的二氧化碳營養補給，但這種靠天補碳的方式僅能滿足其需求的五分之一，作物長期處于“碳饑餓”狀態。也就是說，通過有機碳肥補碳，可以有效地消除農作物和土壤的“碳饑餓”而實現碳平衡。

補充的碳要發揮作用，吸收顯然是關鍵。事實上，植物碳養分的來源主要是通過葉片的光合作用來吸收二氧化碳，其次還有植物根系所吸收的有機碳養分。而真正能被植物根系吸收的碳養分是可水溶的小分子有機碳，它能隨水流進入孔徑小得多的根毛吸收孔，故稱有效碳。項目組通過大量應用試驗證明，有機肥料中對農作物直接起促長作用的有效物質主要是有效碳。同時，有效碳能被土壤微生物直接吸收利用，加快其大量繁殖，是改良土壤促進根系生長的重要因素。

項目組發現，土壤板結并非因為長期施用化肥，而是長期沒施入合格的有機肥。土壤微生物得不到有機碳養分就不能正常繁殖，而土壤微生物繁殖所需的碳能源是小分子水溶有機碳。

他們研究發現，生物腐植酸富含水溶性腐植酸、氨基酸和大量有益菌。這為一種新型有機碳肥的誕生提供了“溫床”。

引領有機碳肥生物腐植酸的產業化應用

有了理論突破，為使這一創新成果最終能“寫在大地上”，朱昌雄和他的研究團隊又馬不停蹄地開始了有機碳肥生物腐植酸的工藝研發、標準制定、產品生產等產業化的相關工作。

經過努力，他們成功提出了半厭氧發酵和高堆干燥相結合的成套工藝，篩選并生產出了適合該工藝的發酵菌劑，實現了固體有機廢棄物和濃縮有機廢液聯合發酵。朱昌雄說，因傳統有機肥定位的錯誤，有機肥料的生產工藝不考慮制造和保存有效碳，有機物料經好氧高溫發酵和多次翻堆，其中的有機質被分解為氣體排掉，又經滾筒高溫烘干，不但更多地排掉了二氧化碳，其殘存的小分子水溶有機碳也因高溫而縮合成大分子，這樣一來，有機肥料就成了一堆沒有精髓的空殼。

針對這些問題，朱昌雄和團隊成員們從蔗渣固體發酵過程產物中分離得到了“枯草芽孢桿菌”、“地衣芽孢桿菌”、“鏈霉菌”等8株生物腐植酸高產菌株。而接種高產復合菌群能縮短發酵物料達到溫度峰值的時間，提高溫度峰值及纖維素酶活力水平，促進有機物、纖維素和半纖維素的降解，提高蔗渣的生物腐植酸轉化率，并增加生物腐植酸產品中的微生物含量。他們新提出的半厭氧發酵和高堆干燥相結合的成套工藝，比傳統商品有機肥生產工藝設備投資減少三分之二，單位產品耗能減少三分之二，而產品有效碳含量提高了50%以上。

標準化是規模化必不可少的前提。為此，朱昌雄等著手建立了生物腐植酸產品質量標準及有機碳肥企業標準，提高了生物腐植酸產品的生產能力和質量水平，開發了系列富含活性有機碳的水溶及生物有機肥料。經過聯合攻關，項目組不僅建立了液態有機碳肥企業標準及固態有機碳肥企業標準，還研發了液態有機碳肥、液態有機碳微肥、液態有機碳水溶肥、天佳有機碳菌液、有機碳菌肥、有機碳菌劑、有機碳無機菌肥、生物腐植酸等8種有機碳肥系列產品。不僅能替代有機肥、化肥和微生物肥做基肥，還能促根改土松土補碳，提高光合效率，防抗土傳病害，促根防病。“生物腐植酸”還可作為高碳有機肥發酵劑、秸稈快速腐熟劑。

為了適應不同的應用環境，他們還研發集成了有機碳肥生物腐植酸的不同應用模式，主要應用于農田養分控流失及土壤補碳、養殖廢水處理、退化土壤修復，為建立國家有機碳肥產業打好基礎。

朱昌雄介紹，生物腐植酸能全面改善土壤的理化和生物學性質，為植物的存活和生長提供有利保障，還能平衡作物增產與控養分流(淋)失。在大田生物腐植酸菜地效果試驗中，生物腐植酸在控制土壤氮、磷、COD通過徑流流失及淋溶淋失上具有十分顯著的效果。試驗結果表明，增施生物腐植酸處理的綜合效益均優于不施生物腐植酸的同肥料處理。同時，生物腐植酸給土壤和農作物補碳，解決了多年來存在的施肥陰陽不平衡的問題，使農作物大幅度增產、土壤持續改良。在養殖廢水處理應用中，生物腐植酸也發揮了重要作用，豬場廢水有機質得到有效降解，糞大腸菌群得到一定程度的減少，速效氮、磷增加，增強了糞液肥水和飼料性的功能。項目組在試驗生產中還發現，發酵廢水肥塘的塘飼養出來的魚品質好，沒有土腥味，魚的抗逆能力比較強。在退化土壤修復方面的應用中，朱昌雄及其團隊全面系統地研究了不同施用量生物腐植酸對甘草種植區沙退化土壤質量的影響，探討了生物腐植酸在礦區廢棄地土壤微生物生態重建中的作用。

“我們的實驗結果顯示，生物腐植酸對土壤的物理、化學、生物學性質改善均有很好的促進作用。比如，生物腐植酸+尿素的混施，一定程度上消除了尿素單施對廢棄地微生態重建造成的不利影響，進一步提高了微生態重建的效果。”朱昌雄說。

2015年11月，經科技部中國高科技產業化研究會評定，“富含活性有機碳的肥料研發及應用”項目為國際先進的技術開發類應用技術成果，并錄入國家科技成果庫。

目前，該成果生物腐植酸已廣泛應用于種植業、養殖廢水處理、退化環境修復等方面，并實現成果產業化，形成了一系列可批量生產的實用性有機碳肥料產品。2012年開始相關產品被陸續投入市場，年產能達3萬噸，形成了強大的綠色環保肥料產業群，為保障我國土地永續耕作，提高農業總體產量發揮了重要作用。