有機(jī)碳技術(shù)與化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性改革

李群良，李瑞波

(1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西南寧 530004；2.福建綠洲生化有限公司 福建漳州 363500)

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有機(jī)碳技術(shù)與化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性改革

李群良1，李瑞波2

(1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西南寧 530004；2.福建綠洲生化有限公司 福建漳州 363500)

介紹了以有機(jī)固體廢棄物為原料，經(jīng)微生物保碳發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)富含小分子水溶有機(jī)碳的有機(jī)肥料，即有機(jī)碳肥。圍繞有機(jī)碳肥的核心——水溶有機(jī)碳，重點(diǎn)闡述了有機(jī)碳肥的生產(chǎn)技術(shù)、特點(diǎn)以及對(duì)農(nóng)業(yè)用肥的影響，指出有機(jī)碳與化肥復(fù)配形成有機(jī)碳-無(wú)機(jī)復(fù)混肥的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景，為我國(guó)化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性改革提供了一種新思路和方向。

有機(jī)碳肥 水溶有機(jī)碳 化肥產(chǎn)業(yè) 結(jié)構(gòu)性改革

碳元素占植物必需養(yǎng)分的50%以上，是N，P，K總和的5倍之多，這說(shuō)明碳元素在植物組織細(xì)胞構(gòu)成中具有重要作用，并占有主導(dǎo)地位。然而，在傳統(tǒng)的植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)中，常把C，H，O，N，P，K列為大量元素，并放在同一個(gè)檔次。從碳元素在植物必需養(yǎng)分中所占的比例來(lái)看，此種排列降低了碳元素的重要性。為此，應(yīng)將碳元素單獨(dú)分開(kāi)，稱(chēng)其為植物營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)元素，作為植物營(yíng)養(yǎng)成分的單獨(dú)一面，稱(chēng)為陰；將N，P，K及中微量元素當(dāng)作植物營(yíng)養(yǎng)成分的另一面，稱(chēng)為陽(yáng)；H和O(H2O)則是穿合陰陽(yáng)結(jié)合的曲線，形成肥料中營(yíng)養(yǎng)元素的陰陽(yáng)太極圖，打破了傳統(tǒng)的植物營(yíng)養(yǎng)元素木桶原則。因此，C與N，P，K等礦物質(zhì)元素之間的平衡是主平衡，而其他礦物質(zhì)元素之間的平衡是次平衡，忽視C與礦物質(zhì)元素之間的主平衡，則礦物質(zhì)養(yǎng)分之間的平衡將變得毫無(wú)意義[1]。這不僅在土壤肥料學(xué)和植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)中具有重要的理論意義，而且在農(nóng)業(yè)平衡施肥實(shí)踐中也具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 植物碳養(yǎng)分“二通道”吸收機(jī)制

目前，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為碳營(yíng)養(yǎng)是植物通過(guò)光合作用獲得的，無(wú)需補(bǔ)碳，在保證水分充足的條件下，補(bǔ)充N(xiāo)，P，K等其他營(yíng)養(yǎng)元素即可，而忽視了碳營(yíng)養(yǎng)的重要性。殊不知，由于大氣中CO2濃度偏低和利用效率不高等問(wèn)題，再加上植物呼吸作用也會(huì)損耗大量碳元素，導(dǎo)致幾乎所有植物均處于碳饑餓狀態(tài)[2- 3]。因此，植物生長(zhǎng)不能僅靠天補(bǔ)碳，還應(yīng)通過(guò)地補(bǔ)，即通過(guò)施肥補(bǔ)碳。事實(shí)上，植物存在“二通道”碳營(yíng)養(yǎng)吸收機(jī)制，韭黃在沒(méi)有光合作用的情況下也能生長(zhǎng)就充分說(shuō)明了此點(diǎn)。植物不僅靠光合作用固定空氣中的碳作為生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)需要，也能通過(guò)根部吸收作用從土壤中獲取碳營(yíng)養(yǎng)以補(bǔ)充光合作用碳營(yíng)養(yǎng)吸收的不足[4]。實(shí)踐證明，光合作用補(bǔ)碳是植物碳營(yíng)養(yǎng)的主通道，根部吸收補(bǔ)碳是次通道，但根部吸收補(bǔ)碳卻能大大促進(jìn)植物光合作用，這就是植物碳營(yíng)養(yǎng)的“二通道”學(xué)說(shuō)及其辯證關(guān)系。根部吸收補(bǔ)碳在植物碳營(yíng)養(yǎng)吸收方面具有四兩撥千斤的作用，成為植物碳營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充的輔助途徑和不可或缺的重要補(bǔ)充方式。

2 有機(jī)碳肥及其內(nèi)涵

在理解了植物“二通道”吸收碳營(yíng)養(yǎng)的作用機(jī)制后，接下來(lái)的問(wèn)題就是如何讓植物通過(guò)根部吸收補(bǔ)碳，也就是植物根部能利用什么形式的碳元素。答案是小分子水溶有機(jī)碳(dissolved organic carbon，簡(jiǎn)稱(chēng)DOC)，亦稱(chēng)為有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)、有效碳或生物質(zhì)碳(biocarbon，簡(jiǎn)稱(chēng)BC)。此種有機(jī)化合物被植物和土壤中的微生物直接吸收利用，可作為植物和微生物生長(zhǎng)所需的碳源和能源物質(zhì)，滿足植物和微生物生長(zhǎng)所需的碳骨架和能量需要[5]。為了與光合作用補(bǔ)碳方式加以區(qū)別，稱(chēng)富含BC的有機(jī)肥料為有機(jī)碳肥(organic carbon fertilizer，簡(jiǎn)稱(chēng)OCF)。生物質(zhì)碳和有機(jī)碳肥概念的引入將為土壤肥料和植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)翻開(kāi)嶄新的一頁(yè)，既具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，也具有重要的實(shí)踐意義。

水溶有機(jī)碳是指水溶性高、易被作物吸收的有機(jī)碳化合物，如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛及氨基酸等。

碳營(yíng)養(yǎng)的重要性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)碳營(yíng)養(yǎng)是構(gòu)成植物體內(nèi)有機(jī)成分碳骨架的必需成分，是植物合成糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、酶、信號(hào)傳遞物質(zhì)及遺傳物質(zhì)核酸等的基礎(chǔ)物質(zhì)。

(2)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)具有節(jié)能、肥效快速的優(yōu)點(diǎn)。水溶有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在其跨越了無(wú)機(jī)CO2經(jīng)光合作用生成有機(jī)物的過(guò)程，而是直接從根部吸收有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)分子，具有無(wú)需光能、肥效快的特點(diǎn)，這在陰雨天或光照不足時(shí)更能顯示出有機(jī)碳肥的優(yōu)點(diǎn)，如促長(zhǎng)、抗病等。

(3)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)在平衡施肥中具有組合者作用，是平衡施肥的關(guān)鍵，也是施肥過(guò)程中需主要考慮的因素。研究證明，有機(jī)與無(wú)機(jī)元素配合施用，可大幅提高養(yǎng)分利用率、有效性和生理功能。

(4)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)也是土壤中微生物生長(zhǎng)繁殖不可或缺的營(yíng)養(yǎng)成分，能為微生物提供生長(zhǎng)必需的物質(zhì)和能量，既有利于微生物分解土壤中的有效成分為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，又有利于微生物與植物的相互作用，增強(qiáng)植物免疫力和保持土壤疏松結(jié)構(gòu)，改善土壤物理化學(xué)性狀和生物肥力。

(5)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)成為解決當(dāng)今化肥工業(yè)所存在弊端的關(guān)鍵出路，也是解決城市、工業(yè)和農(nóng)業(yè)帶來(lái)污染的重要措施。如今國(guó)內(nèi)外許多與肥料相關(guān)的重大問(wèn)題，如平衡施肥、水體富營(yíng)養(yǎng)化、農(nóng)產(chǎn)品高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)以及提高肥料利用率等，不僅與現(xiàn)有化肥產(chǎn)品提供的養(yǎng)分有關(guān)，而且還與碳營(yíng)養(yǎng)有密切關(guān)系。另外，生產(chǎn)碳肥主要以城市生活垃圾、工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物等為原料，通過(guò)碳肥作為橋梁和樞紐節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，同時(shí)也有效解決了環(huán)境污染的問(wèn)題。

3 有機(jī)碳肥生產(chǎn)技術(shù)

目前，有機(jī)肥料生產(chǎn)普遍采用高溫好氧發(fā)酵技術(shù)并結(jié)合多次翻堆工藝，有機(jī)物料被徹底氧化分解，有機(jī)質(zhì)完全被礦化。采用此工藝技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)肥料將是一堆有機(jī)質(zhì)完全被礦化的空殼，其中的有機(jī)碳和有機(jī)氮被徹底氧化形成CO2和NH3而揮發(fā)至空氣中，既污染了環(huán)境，又減少了有機(jī)肥料中的有效成分[6]，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的有機(jī)肥料品質(zhì)低下、肥效不明顯，只能在一定程度上起到改善土壤物理結(jié)構(gòu)的作用。另外，部分學(xué)者或生產(chǎn)企業(yè)以有機(jī)固體廢棄物在缺氧的條件下低溫分解有機(jī)質(zhì)制備生物炭(biochar)，但由于這種炭制品不溶于水，植物和微生物不能吸收利用，只是具有碳固定作用而已[7]。碳是一種重要的資源，是構(gòu)成生命體不可或缺的主要物質(zhì)成分，不應(yīng)將其礦化固定下來(lái)，而應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為具有生物學(xué)活性作用的成分——生物質(zhì)碳，在碳素循環(huán)中有效流通起來(lái)(圖1)，這樣才能彰顯對(duì)碳素營(yíng)養(yǎng)的有效管理和充分應(yīng)用，為人類(lèi)和社會(huì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

圖1 DOC有效管理及利用

為此，筆者提出保碳發(fā)酵技術(shù)(圖2)，通過(guò)生物化工策略將有機(jī)物料中的有機(jī)質(zhì)控制性降解或分解在植物或微生物可吸收利用階段，即控制分解生成大量生物質(zhì)碳，而不是徹底氧化形成CO2而造成損失。這樣既有利于環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物處理及資源化利用，變廢為寶，又有利于生產(chǎn)具有良好肥效的環(huán)境友好型高碳有機(jī)肥。采用保碳發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的高碳有機(jī)肥集環(huán)保、土壤改良及食品安全于一體，是發(fā)展綠色環(huán)保和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要和保證。

圖2 保碳發(fā)酵技術(shù)示意

傳統(tǒng)有機(jī)肥生產(chǎn)沒(méi)有以生產(chǎn)有機(jī)碳養(yǎng)分為目標(biāo)，使有機(jī)肥料中有機(jī)碳含量過(guò)低，無(wú)法與化肥工業(yè)生產(chǎn)的氮、磷、鉀肥料配合使用，雖有有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥之名，卻無(wú)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥之實(shí)際功效，導(dǎo)致有機(jī)肥料產(chǎn)業(yè)無(wú)法與化肥工業(yè)實(shí)質(zhì)性對(duì)接，肥料中嚴(yán)重缺碳而N，P，K相對(duì)過(guò)量，致使肥料中陰陽(yáng)主平衡失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)土壤處于亞健康、水體富營(yíng)養(yǎng)化、食品安全問(wèn)題等一系列后續(xù)連鎖反應(yīng)。因此，只有將富含有效碳的有機(jī)碳肥與化肥工業(yè)生產(chǎn)的氮、磷、鉀等肥料配合使用，才能實(shí)現(xiàn)肥料中的陰陽(yáng)主平衡，保證糧食優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

4 有機(jī)碳技術(shù)與化肥產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)性改革

2014年，我國(guó)化肥產(chǎn)量由往年的增長(zhǎng)變?yōu)橄禄士偖a(chǎn)量首次出現(xiàn)下跌趨勢(shì)，其中：全年化肥產(chǎn)量累計(jì)為69 336.9 kt，同比減少0.7%；氮肥產(chǎn)量是繼2010年以后第2次出現(xiàn)下滑，鉀肥產(chǎn)量持續(xù)呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，磷肥產(chǎn)量小幅增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，2014年我國(guó)化肥總產(chǎn)能已達(dá)到131 670 kt/a，而我國(guó)化肥需求量?jī)H為48 940 kt，產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩[8]。近年來(lái)，由于產(chǎn)能過(guò)剩、市場(chǎng)需求下降、利潤(rùn)偏低、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇等因素制約了化肥行業(yè)發(fā)展，因此，調(diào)整化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、實(shí)行化肥產(chǎn)業(yè)供給側(cè)改革成為化肥行業(yè)健康發(fā)展的必由之路。

在化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中引入有機(jī)碳技術(shù)，將有機(jī)碳與化肥中的N，P，K等元素按一定比例有效混合，實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)與無(wú)機(jī)化肥營(yíng)養(yǎng)成分的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，真正為農(nóng)業(yè)打造一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)碳-無(wú)機(jī)復(fù)混肥，改善作物生長(zhǎng)中的營(yíng)養(yǎng)陰陽(yáng)平衡，促進(jìn)化肥的吸收利用，增進(jìn)作物抗逆性和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，改善土壤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)肥料的有效管理和利用，為化肥產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供一種新的思路，也為改善土壤結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

[1] 李瑞波，李群良.有機(jī)碳肥與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[J].科技創(chuàng)新與品牌，2015(9)：61- 65.

[2] 廖宗文，毛小云，劉可星.有機(jī)碳肥對(duì)養(yǎng)分平衡的作用初探——試析植物營(yíng)養(yǎng)中的碳短板[J].土壤學(xué)報(bào)，2014(3):656- 659.

[3] 桂丕，廖宗文，汪立梅，等.弱光照條件下有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響[J].土壤通報(bào)，2015(4)：936- 939.

[4] 李瑞波，吳少全.生物腐植酸與有機(jī)碳肥[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[5] LEHMANN J, KLEBER M. The contentious nature of soil organic matter[J]. Nature International Weekly Journal of Science, 2015(7580)：60- 68.

[6] 唐璐，曹曉曉，和苗苗.好氧堆肥過(guò)程中含碳有機(jī)物演化特征研究進(jìn)展[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(2)：217- 224.

[7] LEHMANN J. A handful of carbon[J]. Nature，2007(7141)：143- 144.

[8] 中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng).2015—2020年中國(guó)化肥產(chǎn)業(yè)研究及投資前景分析報(bào)告[R].北京：中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，2015.

Organic Carbon Technology and Structural Reform of Chemical Fertilizer Industry

LI Qunliang1, LI Ruibo2

(1.Chemistry and Chemical Engineering College of Guangxi University Guangxi Nanning 530004；2.Fujian Lüzhou Biochemical Co., Ltd. Fujian Zhangzhou 363500)

A description is given that solid organic waste is used as raw material, by fermentation with microbiological carbon preservation fermentation technology, the organic fertilizer rich in dissolved organic carbon with small molecules, i.e., organic carbon fertilizer, is produced. Around the core of organic carbon fertilizer——dissolved organic carbon, the production technology of organic carbon fertilize, its characteristics and the effect of it on fertilizer uses in agriculture are focused on, the advantages and application prospect of organic carbon-inorganic compound fertilizer which is formed by compounding organic carbon and chemical fertilizer are pointed out, and it provides a new idea and direction for structural reformation of chemical fertilizer industry in China.

organic carbon fertilizer dissolved organic carbon chemical fertilizer industry structural reform

李群良(1974—)，博士，副教授，主要從事植物有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)及其生產(chǎn)技術(shù)研究；liqunliang231@163.com。

S153.6+2

A

1006- 7779(2016)05- 0017- 03

2016- 06- 07)