有機碳技術(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碳的有機肥料，即有機碳肥。圍繞有機碳肥的核心——水溶有機碳，重點闡述了有機碳肥的生產(chǎn)技術(shù)、特點以及對農(nóng)業(yè)用肥的影響，指出有機碳與化肥復(fù)配形成有機碳-無機復(fù)混肥的優(yōu)勢及應(yīng)用前景，為我國化肥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性改革提供了一種新思路和方向。

有機碳肥 水溶有機碳 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，并放在同一個檔次。從碳元素在植物必需養(yǎng)分中所占的比例來看，此種排列降低了碳元素的重要性。為此，應(yīng)將碳元素單獨分開，稱其為植物營養(yǎng)的基礎(chǔ)元素，作為植物營養(yǎng)成分的單獨一面，稱為陰；將N，P，K及中微量元素當(dāng)作植物營養(yǎng)成分的另一面，稱為陽；H和O(H2O)則是穿合陰陽結(jié)合的曲線，形成肥料中營養(yǎng)元素的陰陽太極圖，打破了傳統(tǒng)的植物營養(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意義[1]。這不僅在土壤肥料學(xué)和植物營養(yǎng)學(xué)中具有重要的理論意義，而且在農(nóng)業(yè)平衡施肥實踐中也具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

1 植物碳養(yǎng)分“二通道”吸收機制

目前，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為碳營養(yǎng)是植物通過光合作用獲得的，無需補碳，在保證水分充足的條件下，補充N，P，K等其他營養(yǎng)元素即可，而忽視了碳營養(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題，再加上植物呼吸作用也會損耗大量碳元素，導(dǎo)致幾乎所有植物均處于碳饑餓狀態(tài)[2- 3]。因此，植物生長不能僅靠天補碳，還應(yīng)通過地補，即通過施肥補碳。事實上，植物存在“二通道”碳營養(yǎng)吸收機制，韭黃在沒有光合作用的情況下也能生長就充分說明了此點。植物不僅靠光合作用固定空氣中的碳作為生長營養(yǎng)需要，也能通過根部吸收作用從土壤中獲取碳營養(yǎng)以補充光合作用碳營養(yǎng)吸收的不足[4]。實踐證明，光合作用補碳是植物碳營養(yǎng)的主通道，根部吸收補碳是次通道，但根部吸收補碳卻能大大促進(jìn)植物光合作用，這就是植物碳營養(yǎng)的“二通道”學(xué)說及其辯證關(guān)系。根部吸收補碳在植物碳營養(yǎng)吸收方面具有四兩撥千斤的作用，成為植物碳營養(yǎng)補充的輔助途徑和不可或缺的重要補充方式。

2 有機碳肥及其內(nèi)涵

在理解了植物“二通道”吸收碳營養(yǎng)的作用機制后，接下來的問題就是如何讓植物通過根部吸收補碳，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碳(dissolved organic carbon，簡稱DOC)，亦稱為有機碳營養(yǎng)、有效碳或生物質(zhì)碳(biocarbon，簡稱BC)。此種有機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所需的碳源和能源物質(zhì)，滿足植物和微生物生長所需的碳骨架和能量需要[5]。為了與光合作用補碳方式加以區(qū)別，稱富含BC的有機肥料為有機碳肥(organic carbon fertilizer，簡稱OCF)。生物質(zhì)碳和有機碳肥概念的引入將為土壤肥料和植物營養(yǎng)學(xué)翻開嶄新的一頁，既具有重要的學(xué)術(shù)價值，也具有重要的實踐意義。

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

碳營養(yǎng)的重要性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

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

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

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

(4)有機碳營養(yǎng)也是土壤中微生物生長繁殖不可或缺的營養(yǎng)成分，能為微生物提供生長必需的物質(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提供營養(yǎng)，又有利于微生物與植物的相互作用，增強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)有機碳營養(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)帶來污染的重要措施。如今國內(nèi)外許多與肥料相關(guān)的重大問題，如平衡施肥、水體富營養(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)有機廢棄物等為原料，通過碳肥作為橋梁和樞紐節(jié)點，可實現(xiàn)碳循環(huán)和循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)，同時也有效解決了環(huán)境污染的問題。

3 有機碳肥生產(chǎn)技術(shù)

目前，有機肥料生產(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，有機物料被徹底氧化分解，有機質(zhì)完全被礦化。采用此工藝技術(shù)生產(chǎn)的有機肥料將是一堆有機質(zhì)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(fā)至空氣中，既污染了環(huán)境，又減少了有機肥料中的有效成分[6]，會導(dǎo)致生產(chǎn)的有機肥料品質(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)以有機固體廢棄物在缺氧的條件下低溫分解有機質(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，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(圖1)，這樣才能彰顯對碳素營養(yǎng)的有效管理和充分應(yīng)用，為人類和社會發(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)，通過生物化工策略將有機物料中的有機質(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)，實現(xiàn)有機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)境友好型高碳有機肥。采用保碳發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的高碳有機肥集環(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)有機肥生產(chǎn)沒有以生產(chǎn)有機碳養(yǎng)分為目標(biāo)，使有機肥料中有機碳含量過低，無法與化肥工業(yè)生產(chǎn)的氮、磷、鉀肥料配合使用，雖有有機-無機復(fù)混肥之名，卻無有機-無機復(fù)混肥之實際功效，導(dǎo)致有機肥料產(chǎn)業(yè)無法與化肥工業(yè)實質(zhì)性對接，肥料中嚴(yán)重缺碳而N，P，K相對過量，致使肥料中陰陽主平衡失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)土壤處于亞健康、水體富營養(yǎng)化、食品安全問題等一系列后續(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，才能實現(xiàn)肥料中的陰陽主平衡，保證糧食優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

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

2014年，我國化肥產(chǎn)量由往年的增長變?yōu)橄禄士偖a(chǎn)量首次出現(xiàn)下跌趨勢，其中：全年化肥產(chǎn)量累計為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，磷肥產(chǎn)量小幅增長。數(shù)據(jù)顯示，2014年我國化肥總產(chǎn)能已達(dá)到131 670 kt/a，而我國化肥需求量僅為48 940 kt，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩[8]。近年來，由于產(chǎn)能過剩、市場需求下降、利潤偏低、市場競爭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)中引入有機碳技術(shù)，將有機碳與化肥中的N，P，K等元素按一定比例有效混合，實現(xiàn)有機碳營養(yǎng)與無機化肥營養(yǎng)成分的優(yōu)勢互補，真正為農(nóng)業(yè)打造一種優(yōu)質(zhì)的有機碳-無機復(fù)混肥，改善作物生長中的營養(yǎng)陰陽平衡，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.有機碳肥對養(yǎng)分平衡的作用初探——試析植物營養(yǎng)中的碳短板[J].土壤學(xué)報，2014(3):656- 659.

[3] 桂丕，廖宗文，汪立梅，等.弱光照條件下有機碳營養(yǎng)對水稻生長的影響[J].土壤通報，2015(4)：936- 939.

[4] 李瑞波，吳少全.生物腐植酸與有機碳肥[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.好氧堆肥過程中含碳有機物演化特征研究進(jìn)展[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(2)：217- 224.

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

[8] 中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng).2015—2020年中國化肥產(chǎn)業(yè)研究及投資前景分析報告[R].北京：中國產(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，主要從事植物有機碳營養(yǎng)及其生產(chǎn)技術(shù)研究；liqunliang231@163.com。

S153.6+2

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1006- 7779(2016)05- 0017- 03

2016- 06- 07)