有機碳肥的制備與施用綜述

佀建成

摘 ?要：對有機碳肥的制備工藝及原料來源進行了描述，主要介紹了酸水解法和酶水解法水解有機或生物廢棄物的制備工藝，列舉出幾種國內外有機碳肥的制備方法及應用效果。同時分析了有機碳肥對土壤及植物的影響，發現有機碳肥對植物骨架和土壤改性起著關鍵性作用。最后對有機碳肥的發展所面臨的機遇和困難做了分析。

關鍵詞：有機碳肥;酸水解工藝;酶水解工藝;植物補碳;土壤改性

碳是有機物中的骨架，支撐著整個分子的結構，因此碳在植物的生長發育過程中起著重要的作用。但植物在自然條件下吸收得到的碳營養是不足的，而且長期以來對碳營養，尤其是有機碳營養的系統研究很少，由此導致了對作物碳饑餓的忽視[1]。因此植物補碳以及改變土壤中碳結構成為重中之重。

在植物生長過程中，除了需要作物光合作用補給碳營養，還需要人工施加肥料來補充。近些年來國家控制肥料的生產數量，同時肥料中大部分肥效未被利用，因此增加了農業成本，浪費了能源并污染了環境，這是對現代農業可持續發展的挑戰[2]。有機碳肥很好地針對這一問題，不僅含有高效肥力，能改變土壤碳結構和高效供給植物碳營養;而且其大多來自于植物及家畜廢棄物，可以減輕環境污染。

含碳肥料可定義為含有碳元素、改善土壤性質、提高土壤肥力水平或直接提供作物碳營養的一類物質。而水溶性有機碳肥是指含有水溶性高、易被作物吸收的有機碳化合物的有機肥料，如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛及氨基酸等[3，4]。

與傳統有機肥料相比，盡管他們都含有大量有機碳，但有機碳肥中碳的水溶性高，且以小分子形式存在，能直接被植物的根部利用。有機碳肥常用于改善土壤性質和增強植株骨干強度，補充基本需求，但是不能代替無機營養的作用。因此必須將含有有效碳的有機碳肥與含N、P及K的普通化肥混合才能實現陰陽調和，實現高產量[3]。

1 有機碳肥的制備

制備有機碳肥的原料來源較為廣泛，一般含有大量粗纖維和蛋白質的物質都可充當原料。常用的制備原料為生物或工業有機廢棄物，在生態學的角度上，一般將廢棄物視為一種資源，應該盡可能地將其重新整合到經濟系統中去[5]。常用的制備工藝有酸水解法和酶水解法，根本原理為原料中含有的纖維素和蛋白質在酸水解或酶水解的條件下會轉化成小分子核糖和氨基酸，是有機碳肥中最重要的營養，能被植物根部直接吸收。

有機碳肥的制備與施用綜述

1.1 酸水解制備

酸水解制備中，常用的酸有硫酸、硼酸、硝酸以及復合酸。酸水解法對比酶水解法或其他方法有很多好處，如反應速度快、水解強度高、適應性強等，但是酸水解法對設備有著腐蝕作用，因此需要謹慎處理。

Liu等[6]通過硫酸水解稻草生產糠醛，同時研究了添加物用量、添加物質的種類和餾程對殘渣酸度的影響。使用添加劑如磷酸、磷酸鈣、碳酸鈣、亞硫酸氫鹽等，控制合適的用量，使殘留物改變成中性復合肥。實驗結果證明，硫酸質量分數為20%，液體與固體的比為3∶1～ 4∶1，添加劑適量的條件下為生產糠醛的最優條件。在反應中，不需要大的設備投資，也沒有復雜的反應條件，且不會帶來新的污染，所以這種方法可能具有好的商業價值。

Liu等[7]研究開發了一種污水污泥利用技術，污泥中的細菌蛋白通過幾種化學過程被提取出來以生產氨基酸螯合微量元素肥料。首先，在熱鹽酸溶液中水解污泥得到蛋白質溶液。考察了水解溫度，反應時間和pH對污泥中蛋白質提取率的影響。其次，蛋白質溶液在熱酸條件下進一步水解成氨基酸。詳細研究了HCl用量、水解溫度和反應時間對氨基酸收率的影響。第三，將粗氨基酸溶液通過活性炭脫色和冰醋酸溶解進行純化。最后，通過螯合微量元素，將純化的氨基酸用于生產氨基酸螯合微量元素肥料。結果表明，在最佳水解條件下，78.5%的蛋白質從污泥中提取，氨基酸產量為每100 g干污泥10～13 g。生產的氨基酸螯合微量元素肥料符合中國氨基酸葉面肥標準。與傳統的污泥處理相比，這種新技術更環保。

穆光遠等[8]以有機質含量大于20%的有機廢液為原料，通過復合酸（硝酸和硫酸）酸解方法得到小分子有機碳的液體，再加入硼酸和硫酸鋅，在40～60℃下攪拌20～40 min鰲合，后將尿素和硝銨磷攪拌溶于水的母液與其混合，得到有機液體碳肥。這種有機液體碳肥不僅含有不同形態的氮，而且含有植物可以直接吸收的水溶性碳，提供給土壤微生物繁殖所需要的充足的營養。

1.2 酶水解制備

在酶水解制備有機碳肥中，常用酶的種類較多，大致都屬于蛋白質酶和纖維素酶。酶水解一般較為徹底，經濟實用，較為常用，但酶解時間長和受外界環境影響（pH和溫度等）較大，因此需要在合適的條件下進行反應。

Wang等[9]使用枯草芽孢桿菌菌株N-2進行固態發酵以生產含有氨基酸的水溶性肥料。N-2菌株產生高產量的蛋白酶，將大豆粉中的蛋白質轉化為溶解在發酵產物中的小分子肽和游離氨基酸。同時發現發酵底物的初始pH、發酵天數和液體與大豆粉的比例對所得水溶性溶液中的蛋白質回收率有著顯著的影響。在最佳條件下可達到最高的可溶性蛋白回收率（99.072%）。這種方法提供了豆粕的增值使用。

小麥谷蛋白水解物天然蛋白質生物刺激物具有寡肽、多肽和游離氨基酸，可表現出類似激素的活性，可使其用作天然肥料補充劑。Sukumar等[10]研究了在體外條件下通過測量芽生長以及參與三羧酸循環和氮代謝的酶的基因表達來測定小麥谷蛋白水解物作為生物刺激劑的效果。小麥麩質水解產物的生物刺激活性增加將使其能夠在農業領域用作植物基肥料，可能減少化肥的使用并改善作物性能。

Endo等[11]利用牛糞發酵液在沙子和土壤上栽培番茄，取得了良好的效果。董曉濤等[12]在Endo等的啟示下，在茄子栽培過程中，用不同濃度的家畜糞便發酵液代替了無機營養液。家畜糞便發酵液中含有大量有機質、小分子糖類和氨基酸。實驗結果發現，不同濃度的發酵液都可明顯提高根系活力，增加產量，促進茄子植株生長，提高了商品的合格率。因此用家畜糞便發酵液代替無機營養液有著很好的效果，同時家畜廢物重新利用也減少了對環境的污染。

1.3 其他條件或方法

除酸水解和酶水解有機質的方法外，通過堿處理或降解處理等其他化學處理方式也能得到高效的有機碳肥。西北農林科技大學研發成功的高效化學降解新技術，以食品、中藥廢渣等生物質為原料，通過獨特的鏈式反應，可使90%的大分子有機物在4 h內轉化為可溶性有機碳，生產出有機全營養肥料。以褐煤為原料加堿反應生產腐植酸這一傳統工藝也能用于有機碳生產[13]。

Nguyen等[14]在對比有機礦物質生物碳肥（將生物炭產品與有機肥料、石膏、磷酸鹽巖、粒狀硼和硫酸鉀混合）和無機肥料及有機肥料（基于肥料的氮肥）對有機姜的種植的影響實驗中，分析土壤和植物的C和N部分以及氣體交換測量值，發現有機礦物質生物碳肥更具有優勢，因為有機礦物質碳肥中高濃度的養分易被土壤所吸收，而且不影響氮元素的吸收及利用，且不限制植物光合作用。所以有機礦物生物質肥料有望作為商業有機肥的替代品。

Chiang等[15]通過食物垃圾堆肥獲得的液體肥料可用于制備溶解的有機碳（DOC）溶液，使用DOC解決方案來修復受Zn污染的土壤。在實驗中發現，羧基和酰胺是從液體肥料獲得的DOC溶液中的主要官能團。經過修復后的土壤，有效P含量、交換性N含量和有機質含量含量都得到了大量增加。

陳慶等[16]以植物秸稈為主要原料，采用微生物降解的方法，分別加入不同比例的人類糞便、綠肥、酸堿調節劑、小分子有機酸和小分子有機醇制備水溶性有機碳肥，不僅肥料中的小分子有機碳易于被土壤和植物吸收，且含有植物所需的各種營養物質，因此肥效優于其他普通肥料。

2 施用有機碳肥對土壤及植物的影響

2.1 對土壤影響

土壤是農作物生長的基礎，土壤有機質通過微生物作用一部分有機碳通過礦化變成CO2，而另一部分形成復雜、較穩定的大分子有機化合物[17]。施用有機碳肥對土壤中的有機碳有著重要的影響力，有機碳肥能夠改變土壤碳結構和改變土壤性質。同時不同的有機碳肥料對不同的土質和不同深度的土壤也有著不同的影響，因此分析土壤中有機質及NPK的含量有助于分析出作物的最佳生長條件，從而可計算出肥料施用的最佳時期、比例及施用量。

He等[18]在對不同條件下施肥土壤的結構分析發現，石油有機碳是土壤肥力的核心，土壤C與N之比、pH和黏土是土壤中有機碳存儲的主要因素，而降水量和溫度的作用較小。因此可以認為通過長期施用有機碳肥來改變石油有機碳的化學結構，從而提高農業土壤碳匯能力。

Zhou等[19]通過對黃土高原上長期施肥的小麥及土壤的分析發現，長期施用有機肥料對土壤中有機氮和有機碳的積累有著明顯的增強作用，并且長期施用有機肥料對不同層度上的土壤中的有機碳含量及C、N比也有著不同影響。因此施加肥料的種類對土壤有著很大的影響，就現在中國土地嚴重缺失碳營養而言，有機碳肥是最好的選擇，能直接有效地改善土壤中碳結構和含量。

2.2 對植物影響

經研究表明，有機與無機元素配合吸收，可大大提高養分有效性及生理功能[20]。在傳統意義上忽略了有機碳元素對植物的作用，而一味地追求無機營養，因此會造成碳營養缺失嚴重和無機元素富營養化。

有機碳對植物有著重要的作用，植物低產、劣質多與“碳短板”有關。尤其是農產品質量下降，例如果蔬的口感差、維生素C含量低、硝酸鹽含量高、不耐儲藏等，均與有機碳缺乏而導致的養分不平衡有關[21]。

賴根偉等[22]通過有機碳肥對香榧幼林生長的研究表明，有機碳肥對香榧幼林樹地徑、新梢生長有著明顯的促進作用，可以作為在香榧林集約經營中輪流替換使用的新肥料品種。實驗證明液態有機碳肥與有機碳菌肥搭配使用，促進效果最為明顯。

陳秀蓮等[23]通過實驗探討了液態有機碳肥對蕹菜產量、植株性狀和經濟效益的影響，從實驗的結果來看，常規施肥加液態有機碳肥的配合施用對蕹菜的產量有著明顯的促進，經濟效益大大增加。

3 有機碳肥發展機遇及面臨的問題

目前市面上常以有機肥料為主，但有機肥料中主要成分以大分子的有機質為主，不能直接被植物所吸收，因此導致有機肥料不能完全有效地被植物所利用。而且目前大部分有機肥料多以高溫好氧發酵技術并結合多次翻堆工藝，有機物料被徹底氧化分解，有機質完全被礦化。采用此工藝技術生產的有機肥料將是一堆有機質完全被礦化的空殼，其中的有機碳和有機氮被徹底氧化形成CO2和NH3而揮發至空氣中，既污染了環境，又減少了有機肥料中的有效成分[24]。因此有機碳肥相對于有機肥料不管在制備上還是在對植物效果上都有明顯的優勢。

在制備方面，有機碳肥常用的工藝以酶水解和酸水解為主，工藝操作簡單，而且反應時間短，可以在短時間內得到成品。在施用效果上，有機碳肥含有大量的水溶性小分子有機碳，能夠直接被植物和土壤所吸收。因此有機碳肥比有機肥料更有優勢，可以代替有機肥料。

雖然有機碳肥的效果很好，制備工藝簡單省時，但是在制備上有著很多的問題需要考慮。如酸水解中，設備的承受酸腐蝕的能力和制備有機碳肥所需要的成本等;在酶水解中，酶受溫度、pH等外界條件的影響較大，會使酶水解不完全等;而且在制備上也會有一定的有機碳和有機氮被徹底氧化形成CO2和NH3而揮發至空氣中。所以在制備工藝上需要優化或者尋找新的更好的制備方法和條件。

4 結語

傳統條件下在對作物營養方面，側重于氮、磷、鉀的補充，并沒有重視作物碳營養。因此首先需要對有機碳的作用有著深入的認知，使所有人明白碳對植物生長發揮著重要的作用;其次大大加強對有機碳肥的生產工藝技術的深入探究，對傳統的工藝多加改進優化，使肥效達到理想的效果;再者做好土壤的保護，減少污染，定期檢測土壤中有機碳含量、有機質含量和NPK的含量對預防土壤土質受損及環境污染都有很大的意義。

開發有機碳肥不僅是肥料技術創新的重要制高點，而且是植物營養理論研究中富有學術生機的生長點。因此保留有機碳、發展有機碳產業是我國土壤修復和有機種植的希望。

參考文獻

[1] ?廖宗文，毛小云，劉可星. 重視有機營養研究與有機碳肥創新——關于植物營養經典理論的現代思考[J]. 植物營養與肥料學報，2017，（6）：1694-1698.

[2] ?Chen J，Lü S，Zhang Z，et al. Environmentally friendly fertilizers：A review of materials used and their effects on the environment[J]. Science of the Total Environment，2017，613/614：829-839.

[3] ?李群良，李瑞波. 有機碳技術與化肥產業結構性改革[J]. 化肥工業，2016，（5）：17-19.