有機碳：植物營養理論的新領域，肥料技術開發的制高點*

衛尤明，廖宗文，毛小云

(華南農業大學資源環境學院 廣東廣州 510642)

基于經典植物礦質營養理論發展起來的化肥工業，百多年來為農業生產做出了重大貢獻。進入21世紀后，化肥工業在技術上有了很大進步，新產品不斷涌現，如生物刺激素、腐殖酸、菌肥等,但都不是基于礦質營養理論發展起來的，均已超越了礦質營養學說的理論框架。這表明實踐走在了理論前面，也反映了技術研發對新理論的迫切需求。多年來，化肥新產品的研發實踐為植物營養理論發展提供了大量的研究素材和科學依據，我國肥料科技創新在理論研究和技術開發方面也都顯現出良好的發展態勢[1-2]。在常規復混肥產品出現低迷時，有機碳肥逆勢上揚，呈快速發展趨勢，其中相當大部分成為企業的拳頭產品。

1 關于經典植物礦質營養理論的發展方向

近年來，國內外研發的各種化肥新產品大多為有機營養類，如生物刺激素、菌肥、多肽類產品等，是市場暢銷產品。而一般的礦質營養肥料，如復混肥等，在市場上呈現飽和狀態，銷售困難，競爭激烈。在近年來興起的新型肥料、特種肥料中，真正有增效節肥作用的基本上屬于有機營養，即其“新”、“特”之所在。但是要進一步提升肥效，精準提高光合作用，針對C3、C4作物選用相應的肥料，優化各有機養分的配比等，均無法從經典植物礦質營養理論中得到指導或啟發。企業界、學術界通過實踐探索，提出了有機碳概念，針對“碳饑餓”開發出相應的有機碳產品并出版了相關專著，如：福建綠洲生化有限公司在20多年研發有機營養產品的基礎上，陸續出版了一系列專著，其中2014年出版的《生物腐植酸與有機碳肥》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”，并開發出“碳能肥”系列產品；西北農業大學劉存壽教授在多年研究有機營養的基礎上，成功開發出含多種有機營養的碳基全營養系列肥料，于2016年通過省科技鑒定；華南農業大學資源環境學院對有機碳養分平衡中的作用、抗弱光功能、有機碳成分的篩選及優化組合進行了研究，提出了“天補”與“肥補”并舉的施肥高產技術措施并取得了重要進展[1,3-4]。

2 關于有機碳認識的誤區和盲點

2.1 “靠天補碳(CO2)”不是唯一途徑

有機碳已經是有機態，無需再消耗光能。CO2轉化為有機態及有機碳直接進入后續反應如圖1所示。

圖1 CO2轉化為有機態及有機碳直接進入后續反應

自然狀態的靠天補碳途徑從初始反應開始，而有機高效碳肥補碳則跨越了初始反應而直接進入后續反應中，初始反應消耗的光合能被節省下來用于后續反應中，從而可促進作物更快生長。

在經典植物礦質營養理論中，碳是排在首位的營養元素，但是在化肥工業中卻長期缺乏相應的產品開發，其原因在于認識上的偏差。有機碳營養來源于大氣中的CO2，但靠天補碳的CO2僅為植物需求的20%[5]，作物實際上處于嚴重的“碳饑餓”中，是最突出的營養短板。若能開拓施肥補碳的新途徑，減輕“碳饑餓”程度，即可明顯提質增效且節肥[3-4，6]。理論研究和有機碳肥的實踐都證明，有機營養是植物中碳的重要來源之一。20世紀70年代，浙江農業大學孫羲先生對含氮的有機營養作了大量研究，證實可以被作物吸收。近年來，也陸續有文獻報道不含氮的有機碳也可以被作物吸收，有明顯的增產、提質、抗逆作用[3-4，6]。有機碳和CO2都是碳的來源，“天補”非唯一來源，還有“肥補”這一新途徑，是值得重視的化肥科技創新前沿。

2.2 有機肥與有機碳不能混淆

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

一般有機肥為大分子，難溶、用量大，其肥效主要是通過改良土壤而逐漸顯現出來。而有機碳則是小分子，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。

明確有機碳的概念對于肥料科技創新十分必要。水溶性高和各種功能團是2個顯著特征，不僅有別于有機肥，而且還有別于光合反應的原料(CO2)。在很多情況下，二者通稱為碳肥，同樣提供碳營養，但前者需經過光合作用才能轉化為有機態，而后者已經成為有機態，遠勝于無機態的CO2。

如果把有機肥與有機碳混為一談，這就封閉了進入創新的思維通道，即使研發工作已經到了有機碳的大門前而仍止步于有機肥的水平，就難以獲得突破性進展。

2.3 有機碳肥與有機氮肥不能混淆

有機氮一定是有機碳，而有機碳未必是有機氮，但可包含有機氮，兩者的大小和從屬關系不能顛倒。

一些含氮有機碳營養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歸功于氮的作用。研究顯示，不含氮的有機碳營養，如采用α-酮戊二酸、丙三醇、蔗糖等進行試驗，也顯示了明顯的肥效[3-4]。由此可表明有機碳概念的重要性，可糾正“見氮不見碳”的片面認識。其實，有機氮的肥效優勢在相當大程度上源于其中的有機碳架以及其中化學鍵所含有的光合能量，但這往往被忽略了。

3 有機碳營養的獨特優勢

3.1 施碳增氮

3.2 施碳促碳(CO2的吸收)

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

3.3 施碳補微量元素(Fe、Zn)

Samuel等在《Nature》上發表的論文提出，大氣中CO2濃度的升高，會導致作物鐵、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，噴施有機碳可提高蕹菜和水稻的鐵、鋅和全氮的含量，增幅達16%～21%。有機碳處理使作物對鐵和鋅的主動吸收更為順暢，因而含量增加，這也顯示了有機碳相對于CO2的明顯優越性。

3.4 對沖低溫寡照的能量效應

缺碳和弱光是作物生長的兩大制約因素。有機碳可彌補因弱光導致的光合碳產物缺乏，從而促進作物生長，產量增幅可高達33%，促進氮吸收的增幅可達21%[3]。

在春季低溫寡照的情況下，會出現光合作用弱、土壤氮肥相對偏多的情況，此時補充有機碳可減少光弱的不利影響，有效減少僵苗、死苗數量。

3.5 從生化反應角度認識有機碳的優勢

植物的生長變化就是一系列生化反應過程，其影響因子為光能、水和肥，可表達為關于產量的函數式：

Y=f(X1，X2，X3)

(1)

式中：Y——產量；

X1——礦質；

X2——有機碳；

X3——光能。

由CO2+H2O→C6H12O6(葡萄糖)的生化反應可知，化學平衡右移即可促進生長，而右移的影響因素即式(1)中的X1、X2和X3。X1和X2為養分物質平衡(相當于化工生產中的物料平衡)，反應物充足且比例平衡則促進右移。另一影響因素是光能(X3)，光能充足且與物料平衡，即質-能平衡，對于生化反應的右移也有重要的促進作用。迄今國內外的養分平衡研究中，均只關注養分方面，忽略了碳及其與氮的平衡關系、光能(經常處于不足狀態)及其與養分的關系[9]，但這恰恰是植物營養理論發展和技術創新的新領域，值得引起重視。有機碳已經跨越光合階段，因而可以相應減少對光能的依賴，促進平衡右移(促進生長)。在構建作物體的生化反應中，有機碳類似預構件，而礦質營養是類似磚頭的初始原料，還需消耗光能，有機碳能減少對光照依賴的特點是其他礦質營養所不具備的。有機碳肥和CO2對作物碳營養的有效性比較如表1所示。

表1 有機碳肥和CO2對作物碳營養的有效性比較

項目形態補碳途徑能耗施用條件光碳限制CO2無機氣態葉面需光能大棚受限有機碳固液、液態葉面和根省光能大棚、大田較少受限

4 基于有機碳的理論思考和研發思路

4.1 低頭測土與抬頭觀天

4.2 低碳工藝與富碳肥料

基于有機碳營養概念的技術目標是將有機質分解至小分子有機碳階段即停止，盡量獲取水溶性有機碳，而不是讓有機碳轉變成CO2排放。一般發酵技術關注氮、磷、鉀的有效化，忽略了好氧發酵使大量有機碳營養損失為CO2，應予以改進[1-2]。據此原則，對蔗渣、畜牧糞便等原料，可采取適度好氧的少翻堆技術，盡量減少CO2損失而保留有機碳養分[2]。西北農業大學研發成功的鏈式化學反應可明顯減少CO2排放量，90%的有機物可在4 h內轉化為可溶性有機碳。

4.3 開拓廢物資源化的治污新途徑

基于有機碳概念、達標排放路線之外，還可開拓有機廢水(渣)回收利用的新途徑，即不必把廢物分解至無機態的氮、磷排放，既節能又提高肥效，如可將有機廢水氧化為氮氣排放改為回收有機碳營養；又如近年來蓬勃發展的著名特產新會陳皮，取皮棄肉方式產生嚴峻的環保問題，堆肥和厭氧制酵素耗時長，均難以及時處理秋冬季加工陳皮時產生的大量廢渣液，而采用有機碳技術制成多功能有機碳液肥，具有加工快(1～2 d)、應用廣、成本低和肥效高的明顯優勢。

5 有機碳研究的重大意義和發展前景

我國有機碳的技術進步是巨大需求推動和肥料界努力創新的結果，但相關基礎理論研究亟待加強。

化肥工業的理論基礎是經典礦質營養理論，而現代化肥工業的發展已突破礦質營養學說的理論框架，生物刺激素、菌肥、腐殖酸等有機碳肥的研發都不是基于礦質營養理論發展起來的，而是從各自某一技術角度或解決某一實際問題得出的經驗成果。對這些零散的成果，從理論角度進行分析歸納，將揭示出各成果內在的系統性規律，從而上升到理論層面，這樣才有利于技術創新。如有機氮研究若仍局限于氮肥的范疇，對于非氮的有機碳(乙酸、酮戊二酸)的營養作用就無法深化認識，更達不到有機碳各成分的優選和組合這一深層次水平?！坝袡C肥必須轉化為礦質形態才能被植物吸收”這一錯誤觀點仍然存在，這與有機碳營養概念的長期缺位有關。

研究表明，現有的高產記錄都存在程度不一的碳饑餓，通過施肥補碳則可緩解碳饑餓[1，2，4]。今后應繼續開展試驗，論證施肥補碳的效果及其機制，有望開拓一條施肥(碳)增產新路，實現高產再高產。

有機碳肥不僅為化肥企業提供了一種市場前景廣闊的新產品，也為提升復混肥等常規化肥產品的肥效、擴大市場提供了新的科技手段。研究表明，常規肥料與有機碳配合施用，尤其是碳、氮的配合施用，使養分平衡提升到一個新水平，有顯著增產效果[1，2，4]，這為化肥供給側改革提供了一個重要技術措施，也是提升化肥企業經濟效益新的增長點。