重視有機營養(yǎng)研究與有機碳肥創(chuàng)新 —關于植物營養(yǎng)經(jīng)典理論的現(xiàn)代思考
1 靠天補碳導致作物碳饑餓
碳位列17 種必需營養(yǎng)元素之首，在植物中的含量高達50%，為氮、磷、鉀元素之和的5 倍多，作物增產(chǎn)必需增碳。然而，國內(nèi)外養(yǎng)分平衡研究和技術開發(fā)中的重點始終在氮、磷、鉀，以及中微量元素，甚少涉及碳營養(yǎng)，尤其是有機碳。經(jīng)典植物營養(yǎng)三個原理之一的最小因子律表達為木桶原理圖，它形象地顯示了消除營養(yǎng)元素短板對增產(chǎn)的重要性，同樣，碳在經(jīng)典理論上雖有其名而在木桶圖中卻無其位。100 多年來化肥工業(yè)生產(chǎn)出氮、磷、鉀及中微量元素肥料品種，唯獨碳肥 (除了二氧化碳施于大棚外) 產(chǎn)品幾為空白，這與碳營養(yǎng)的重要性是極不相配的。
碳主要來源于大氣，通過光合作用將CO2 轉(zhuǎn)化為需要的碳水化合物。大氣CO2 濃度約為360 mg/kg，植物株間實際濃度200 mg/kg，而光合作用的最佳濃度為1000 mg/kg 左右，大氣濃度僅為最佳濃度的1/5，在理論上作物存在碳饑餓。
作物生長過程是一種在大自然環(huán)境下進行的生化反應過程。作為生化反應最重要的底物之一，碳的供應不充分直接制約著生化反應的速率，同時減少反應物的生成，對于糧食作物來說，即產(chǎn)量減少。目前所有的高產(chǎn)記錄均未將充足的碳營養(yǎng)作為前提，已有的肥料試驗只能說是提高利用已有的碳供應量的結(jié)果，但作物產(chǎn)量有可能仍然受到碳饑餓的制約。若能在平衡施肥中補充碳，現(xiàn)有的高產(chǎn)記錄可望被突破。
作為需求最多的營養(yǎng)元素，迄今碳未進入主流肥料生產(chǎn)，在肥料研究總結(jié)中也鮮有關注。在大量施用氮磷鉀的情況下，碳的供求矛盾更為尖銳。要改變這一現(xiàn)狀，就必須施用超大量營養(yǎng)—碳，這樣讓碳的地位在肥料產(chǎn)品中得以落實。我國肥料企業(yè)和高校的科技人員在作物高產(chǎn)的探索中，逐步認識到碳營養(yǎng)的重要性，提出了“增產(chǎn)必須增碳，施氮必須施碳”的觀點，并研發(fā)出化學降解、生物發(fā)酵等不同技術途徑的有機碳肥生產(chǎn)方法，在大田生產(chǎn)中取得了明顯的增產(chǎn)、提質(zhì)和抗逆效果，顯示了有機碳肥的各種優(yōu)勢，為有機碳肥的研發(fā)和應用提供了良好的示范和引領作用。
2 有機碳肥、有機氮肥和有機肥不能混為一談
有機肥和有機碳肥兩者很容易混淆，其實兩者在水溶性高低及有機成分官能團方面有很大區(qū)別。有機肥雖然含有大量的碳，但其水溶性一般小于10%，大都在3% 左右，因而碳的有效性甚低，難以作為補碳的有效途徑。其功效更多地通過改土而慢慢顯示出來。
有機碳肥特指水溶性高、含有易被植物吸收的糖、醇、酸 (含氨基酸) 等有機碳化合物的肥料，可以含氮 (如氨基酸)，也可以不含氮。目前的有機碳肥按化學類型分，包括有機酸類，如乙酸、丙酸、氨基酸；糖類，如單糖、雙糖、多糖；醇類，如乙醇、丙醇以及醛類等；鏈狀、環(huán)狀等。按存在狀態(tài)可分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài) (CO2)。按結(jié)構(gòu)復雜程度可分為簡單碳營養(yǎng)，如單糖、乙酸、氨基酸等；復雜碳營養(yǎng)，如腐植酸、多糖、激素、多肽、維生素。結(jié)
構(gòu)復雜的有機碳營養(yǎng)，在植物體內(nèi)需經(jīng)多步反應才能合成，因而施用這類有機碳營養(yǎng)可節(jié)省更多的光能，肥效更明顯。結(jié)構(gòu)復雜的腐植酸和某些氨基酸類營養(yǎng)液則是其中的高端產(chǎn)品。
由于缺乏有機碳營養(yǎng)這一概念，有機碳肥還往往與有機氮肥混淆。含氮有機碳營養(yǎng) (如氨基酸營養(yǎng)液)，多標為有機氮。其實，有機氮的肥效優(yōu)勢相當大程度上源于其中的碳架以及其中所含的光合能量。但這點往往被忽略而導致“見氮而不見碳”。研究顯示，氨基酸、尿素等有機氮可直接被植物吸收，且肥效往往優(yōu)于無機氮。氨基酸不僅是有機氮肥，更應被視為一種氮、碳二元復合肥。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。正確理解有機碳營養(yǎng)的概念，對于有機碳營養(yǎng)，尤其是無氮有機碳 (酸、醇等) 營養(yǎng)的開發(fā)利用十分重要。例如，光合作用中的重要代謝物，α－酮戊二酸具有突出的肥效。
3 靠天補碳與施肥補碳的比較分析
施肥補碳已經(jīng)在實踐中顯示了突出的增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆優(yōu)勢。有機碳肥就其有機形態(tài)、應用范圍及條件而言，遠勝于二氧化碳，其優(yōu)越性表現(xiàn)在三方面：
第一，可減少對光能的依賴。自然狀態(tài)下的靠天補碳途徑從頭 (初始反應) 開始，如下。
這一過程受光照、溫度和水分等諸多因素的影響。有機碳肥中的碳已經(jīng)是有機態(tài)，無需消耗光能(光合作用) 進行有機轉(zhuǎn)化，以后續(xù)生化反應為起點，初始反應的光合能可節(jié)省下來用于后續(xù)反應中，制造其他必需生化物質(zhì) (如酶、激素、信號傳遞物質(zhì)等)，促進作物更好生長。有機碳相對于無機化肥的獨特優(yōu)勢是含有源于光合作用的化學內(nèi)能，可用熱力學的概念生成焓表示。其能值高低與結(jié)構(gòu)復雜程度和反應步驟有關。有機碳營養(yǎng)如氨基酸、多肽、腐植酸，其結(jié)構(gòu)越復雜，經(jīng)歷的反應步驟就越多，所節(jié)省的生化反應能值 (焓) 也越高，可謂是構(gòu)成作物生化組分的高端預構(gòu)件。而一般的無機化肥及二氧化碳只是生化組分的初級原料，在陰雨或霧霾天光照不足時，作物因光合產(chǎn)物減少而生長不良，有機碳肥節(jié)能補碳的優(yōu)點表現(xiàn)得更明顯，尤其在促長、抗病蟲等方面更突出。
第二，施用方便。有機碳肥為固體或液體，使用起來比氣態(tài)碳肥方便，無論是大田或大棚均可廣泛應用。
第三，增強作物抗逆性。作物對于寒、熱、旱、澇、病蟲害等逆境都有一套內(nèi)在基因的對應機制，但作物對逆境的響應需要消耗含碳化合物去合成必需的信號物質(zhì)并在不同部位進行傳導、接收。碳供應不足必然影響抗逆信號物質(zhì)的合成，降低作物的抗逆性。有機碳和二氧化碳碳的兩種有效性優(yōu)劣見表1。
4 有機碳肥與平衡施肥
氮、磷、鉀以及中微量元素已經(jīng)建立了營養(yǎng)診斷指標，用于平衡施肥，碳尚未有診斷指標。有機碳種類多達上千種，從碳平衡的角度衡量其指標的難度很大。一個可行的辦法是從有機物的共同特征碳鏈、碳環(huán)入手，把各種有機物均歸納為碳，以C/N 為量化指標，則可實現(xiàn)以簡馭繁，指導肥料生產(chǎn)及施用。初步試驗表明，C/N 在1 左右效果較好，可作為進一步研究的參考。實際上，合適的碳氮比隨氣候 (光照、溫度)，作物生長階段 (前、中、后)會有較大差別，因而不是一個穩(wěn)定的常數(shù)。
平衡施肥中，碳–光–氮的關系值得關注。缺光必少碳，少碳則氮的同化受阻，游離態(tài)水溶氮比例升高。光照不足時，以有機碳調(diào)整碳氮平衡，可降低游離態(tài)水溶氮比例，促生長、抗逆的肥效尤為明顯。
最近在人工遮光條件下進行的等NPK 水稻試驗，顯示出有機碳對碳–光–氮有重要調(diào)節(jié)作用，有“補碳增氮”效果。無氮有機碳肥處理的生物量比對照高， 增幅逾30%， 植株含氮量比對照高達20%，水溶性氮占全氮的比例降幅高達40%。這表明補碳促進了氮素的合成代謝，更多的水溶性小分子氮轉(zhuǎn)化為功能性大分子，這一試驗結(jié)果也為補碳增氮提供了佐證。
Myers 等報道，大氣中CO2 濃度的升高，會降低小麥、水稻、大豆等C3 作物中的Fe、Zn 及蛋白質(zhì)含量，影響膳食營養(yǎng)質(zhì)量。我們研究小組施用有機碳肥的研究結(jié)果表明，有機碳能提高稻米中Fe、Zn 及粗蛋白的含量，平均增幅分別為16%、23%、10%。這也顯示了在提高作物營養(yǎng)品質(zhì)方面，二氧化碳不能替代有機碳營養(yǎng)。
5 有機碳肥生產(chǎn)的主要技術
基于有機碳營養(yǎng)概念的有機碳肥的技術目標是獲取高有效性的小分子有機碳，而不是犧牲有機碳去獲取無機態(tài)氮磷鉀。一般的發(fā)酵技術關注氮磷鉀有效化，過度好氧發(fā)酵使大量有機碳營養(yǎng)損失為二氧化碳，應予改進。因此，有機物料的分解反應盡量保持產(chǎn)物為有機形態(tài)，以最大限度地減少二氧化碳排放，保留小分子有機態(tài)產(chǎn)物的活性。依據(jù)此技術原則，目前有機碳肥的生產(chǎn)技術可大致歸納為生化 (發(fā)酵) 處理和化學降解處理二大途徑，具體采取哪種處理途徑，應依據(jù)原料來源及加工技術來決定。
以酒精、味精、酵母等發(fā)酵工業(yè)的廢液為原料生產(chǎn)有機碳肥，可進一步降解廢液提高有機碳產(chǎn)物活性。對蔗渣、秸稈等生物質(zhì)原料，則宜采取以厭氧為主的少翻堆技術，將大分子有機物分子降解為小分子，盡量減少氧化導致的二氧化碳損失。福建綠洲公司的有機碳肥即是一成功的范例。
西北農(nóng)林科技大學研發(fā)成功的高效化學降解新技術，以食品、中藥廢渣等生物質(zhì)為原料，通過獨特的鏈式反應，可使90% 的大分子有機物在4 小時內(nèi)轉(zhuǎn)化為可溶性有機碳，生產(chǎn)出有機全營養(yǎng)肥料。以褐煤為原料加堿反應生產(chǎn)腐植酸這一傳統(tǒng)工藝也能用于有機碳生產(chǎn)。新疆雙龍、山西美邦等腐植酸公司通過原料選擇、工藝處理及配方創(chuàng)新，生產(chǎn)的產(chǎn)品水溶性高、生理活性高，在全國各地應用效果明顯，并暢銷海外。
6 我國有機碳肥的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
我國有機碳營養(yǎng)研究起步較早，上世紀八十年代，浙江農(nóng)業(yè)大學孫曦先生領導的有機營養(yǎng)研究所進行了有機肥對作物的有機營養(yǎng)研究。有機營養(yǎng)在“六五”和“七五”期間被列入農(nóng)業(yè)部重點項目，研究結(jié)果充分證明了有機肥中的有機成分對作物的直接作用及其優(yōu)越性，后續(xù)研究仍在繼續(xù)。雖然其研究重點是有機氮，但是長期積累的研究成果為有機碳的研究，尤其是含氮有機碳肥研究提供了重要的基礎。
近年來，企業(yè)界、學術界已經(jīng)出現(xiàn)了一些有機碳肥研發(fā)和生產(chǎn)先行者，還有企業(yè)家出版了有機碳肥專著。有機碳的研發(fā)已經(jīng)出現(xiàn)產(chǎn)學研結(jié)合、多學科攻關的苗頭，開始顯示出良好的發(fā)展前景?！疤蓟毕盗挟a(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)，其增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆的獨特優(yōu)勢引人注目，在藥肥“雙減”中顯示了巨大作用，成為企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的熱點。
中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所新型肥料創(chuàng)新團隊，在化肥中添加海藻、腐植酸、氨基酸等天然物質(zhì)，開發(fā)了腐植酸尿素、海藻酸尿素和氨基酸尿素等增值尿素及復合肥新產(chǎn)品，肥效顯著，獲多項發(fā)明專利。2012 年成立“化肥增值產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟”，推動我國傳統(tǒng)化肥增值改性。
華南農(nóng)業(yè)大學新肥料資源研究中心利用有機廢物資源研制了有機碳包膜氮肥 (黑尿) 及包膜鉀肥等產(chǎn)品。有機碳肥還可被加工成活化劑，對磷、鉀、鎂、鋅礦進行活化而生產(chǎn)促釋型磷、鉀、鎂、鋅肥料。秸稈干餾產(chǎn)生的多元醇、酸等有機碳，不但改善作物的碳營養(yǎng)，還可發(fā)揮對中微量元素的增效作用。
有機碳施用與其他養(yǎng)分元素如何配合，尤其是氮肥的配合，是平衡施肥有待深入研究的新課題。有機碳與氮的配合比例對碳氮代謝和肥效有重要影響，比例適當，才能充分發(fā)揮肥效。最近的試驗結(jié)果顯示，平衡施肥中的碳氮平衡合適參數(shù)，以及施用濃度、施用頻率等，可望為作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供新的技術支撐和新的肥料產(chǎn)品。有機碳營養(yǎng)還可為有機污染物的處理提供新的治污思路及技術途徑。有機污染物治理的主流技術是采用污水爆氣，使有機物分解為無機物如NH3、NO2 和CO2。若改換思路，以回收有機碳為目標，則可減少爆氣氧化，結(jié)合微生物處理和化學處理，使之轉(zhuǎn)化為高效的小分子有機碳營養(yǎng)，可化害為利和節(jié)能減排。
7 從礦質(zhì)營養(yǎng)邁向有機營養(yǎng)
化肥工業(yè)的理論基礎是100 多年前李比西提出的經(jīng)典礦質(zhì)營養(yǎng)理論。我國有機碳研發(fā)已超出其“礦質(zhì)營養(yǎng)”框架，不可能在經(jīng)典礦質(zhì)營養(yǎng)理論中找到相應的支撐?，F(xiàn)有的有機碳肥的技術進步是生產(chǎn)實踐巨大需求推動和肥料企業(yè)努力創(chuàng)新的結(jié)果，相關基礎理論研究急待加強。研究表明，現(xiàn)有的高產(chǎn)記錄都存在程度不一的碳饑餓，試驗證明通過施肥補碳可緩解碳饑餓。今后應開展更多的更嚴謹?shù)脑囼炚撟C施肥補碳的效果及其機制，可進一步提升產(chǎn)量。國內(nèi)外一些有機碳的成果如腐植酸、多肽氮肥、生物刺激物、菌肥等在一定程度上都屬于有機碳肥，這些研發(fā)成果在礦質(zhì)營養(yǎng)的經(jīng)典框架下找不到相應的位置。需要從植物營養(yǎng)的角度增加、強化有機營養(yǎng)的理論，使零散的、局部的有機碳研究成果進入到有內(nèi)在聯(lián)系的系統(tǒng)中，最終探索歸納出有機營養(yǎng)的普遍規(guī)律，豐富和發(fā)展經(jīng)典礦質(zhì)植物營養(yǎng)理論。
來源：《植物營養(yǎng)與肥料學報》2017 年06 期
作者：廖宗文，毛小云，劉可星
單位：華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院