重視有機營養研究與有機碳肥創新 —關于植物(wù)營養經典理論的現代思考
1 靠天補碳導緻作物(wù)碳饑餓
碳位列17 種必需營養元素之首，在植物(wù)中(zhōng)的含量高達50%，爲氮、磷、鉀元素之和的5 倍多，作物(wù)增産必需增碳。然而，國内外(wài)養分(fēn)平衡研究和技術開(kāi)發中(zhōng)的重點始終在氮、磷、鉀，以及中(zhōng)微量元素，甚少涉及碳營養，尤其是有機碳。經典植物(wù)營養三個原理之一(yī)的最小(xiǎo)因子律表達爲木桶原理圖，它形象地顯示了消除營養元素短闆對增産的重要性，同樣，碳在經典理論上雖有其名而在木桶圖中(zhōng)卻無其位。100 多年來化肥工(gōng)業生(shēng)産出氮、磷、鉀及中(zhōng)微量元素肥料品種，唯獨碳肥 (除了二氧化碳施于大(dà)棚外(wài)) 産品幾爲空白(bái)，這與碳營養的重要性是極不相配的。
碳主要來源于大(dà)氣，通過光合作用将CO2 轉化爲需要的碳水化合物(wù)。大(dà)氣CO2 濃度約爲360 mg/kg，植物(wù)株間實際濃度200 mg/kg，而光合作用的最佳濃度爲1000 mg/kg 左右，大(dà)氣濃度僅爲最佳濃度的1/5，在理論上作物(wù)存在碳饑餓。
作物(wù)生(shēng)長過程是一(yī)種在大(dà)自然環境下(xià)進行的生(shēng)化反應過程。作爲生(shēng)化反應最重要的底物(wù)之一(yī)，碳的供應不充分(fēn)直接制約着生(shēng)化反應的速率，同時減少反應物(wù)的生(shēng)成，對于糧食作物(wù)來說，即産量減少。目前所有的高産記錄均未将充足的碳營養作爲前提，已有的肥料試驗隻能說是提高利用已有的碳供應量的結果，但作物(wù)産量有可能仍然受到碳饑餓的制約。若能在平衡施肥中(zhōng)補充碳，現有的高産記錄可望被突破。
作爲需求最多的營養元素，迄今碳未進入主流肥料生(shēng)産，在肥料研究總結中(zhōng)也鮮有關注。在大(dà)量施用氮磷鉀的情況下(xià)，碳的供求矛盾更爲尖銳。要改變這一(yī)現狀，就必須施用超大(dà)量營養—碳，這樣讓碳的地位在肥料産品中(zhōng)得以落實。我(wǒ)國肥料企業和高校的科技人員(yuán)在作物(wù)高産的探索中(zhōng)，逐步認識到碳營養的重要性，提出了“增産必須增碳，施氮必須施碳”的觀點，并研發出化學降解、生(shēng)物(wù)發酵等不同技術途徑的有機碳肥生(shēng)産方法，在大(dà)田生(shēng)産中(zhōng)取得了明顯的增産、提質和抗逆效果，顯示了有機碳肥的各種優勢，爲有機碳肥的研發和應用提供了良好的示範和引領作用。
2 有機碳肥、有機氮肥和有機肥不能混爲一(yī)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(fēn)官能團方面有很大(dà)區别。有機肥雖然含有大(dà)量的碳，但其水溶性一(yī)般小(xiǎo)于10%，大(dà)都在3% 左右，因而碳的有效性甚低，難以作爲補碳的有效途徑。其功效更多地通過改土而慢(màn)慢(màn)顯示出來。
有機碳肥特指水溶性高、含有易被植物(wù)吸收的糖、醇、酸 (含氨基酸) 等有機碳化合物(wù)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(fēn)，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、環狀等。按存在狀态可分(fēn)爲固态、液态和氣态 (CO2)。按結構複雜(zá)程度可分(fēn)爲簡單碳營養，如單糖、乙酸、氨基酸等；複雜(zá)碳營養，如腐植酸、多糖、激素、多肽、維生(shēng)素。結
構複雜(zá)的有機碳營養，在植物(wù)體(tǐ)内需經多步反應才能合成，因而施用這類有機碳營養可節省更多的光能，肥效更明顯。結構複雜(zá)的腐植酸和某些氨基酸類營養液則是其中(zhōng)的高端産品。
由于缺乏有機碳營養這一(yī)概念，有機碳肥還往往與有機氮肥混淆。含氮有機碳營養 (如氨基酸營養液)，多标爲有機氮。其實，有機氮的肥效優勢相當大(dà)程度上源于其中(zhōng)的碳架以及其中(zhōng)所含的光合能量。但這點往往被忽略而導緻“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(wù)吸收，且肥效往往優于無機氮。氨基酸不僅是有機氮肥，更應被視爲一(yī)種氮、碳二元複合肥。有機氮一(yī)定是有機碳，而有機碳未必是有機氮，但可包含有機氮。正确理解有機碳營養的概念，對于有機碳營養，尤其是無氮有機碳 (酸、醇等) 營養的開(kāi)發利用十分(fēn)重要。例如，光合作用中(zhōng)的重要代謝物(wù)，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(fēn)析
施肥補碳已經在實踐中(zhōng)顯示了突出的增産、優質、抗逆優勢。有機碳肥就其有機形态、應用範圍及條件而言，遠勝于二氧化碳，其優越性表現在三方面：
第一(yī)，可減少對光能的依賴。自然狀态下(xià)的靠天補碳途徑從頭 (初始反應) 開(kāi)始，如下(xià)。
這一(yī)過程受光照、溫度和水分(fēn)等諸多因素的影響。有機碳肥中(zhōng)的碳已經是有機态，無需消耗光能(光合作用) 進行有機轉化，以後續生(shēng)化反應爲起點，初始反應的光合能可節省下(xià)來用于後續反應中(zhōng)，制造其他必需生(shēng)化物(wù)質 (如酶、激素、信号傳遞物(wù)質等)，促進作物(wù)更好生(shēng)長。有機碳相對于無機化肥的獨特優勢是含有源于光合作用的化學内能，可用熱力學的概念生(shēng)成焓表示。其能值高低與結構複雜(zá)程度和反應步驟有關。有機碳營養如氨基酸、多肽、腐植酸，其結構越複雜(zá)，經曆的反應步驟就越多，所節省的生(shēng)化反應能值 (焓) 也越高，可謂是構成作物(wù)生(shēng)化組分(fēn)的高端預構件。而一(yī)般的無機化肥及二氧化碳隻是生(shēng)化組分(fēn)的初級原料，在陰雨或霧霾天光照不足時，作物(wù)因光合産物(wù)減少而生(shēng)長不良，有機碳肥節能補碳的優點表現得更明顯，尤其在促長、抗病蟲等方面更突出。
第二，施用方便。有機碳肥爲固體(tǐ)或液體(tǐ)，使用起來比氣态碳肥方便，無論是大(dà)田或大(dà)棚均可廣泛應用。
第三，增強作物(wù)抗逆性。作物(wù)對于寒、熱、旱、澇、病蟲害等逆境都有一(yī)套内在基因的對應機制，但作物(wù)對逆境的響應需要消耗含碳化合物(wù)去(qù)合成必需的信号物(wù)質并在不同部位進行傳導、接收。碳供應不足必然影響抗逆信号物(wù)質的合成，降低作物(wù)的抗逆性。有機碳和二氧化碳碳的兩種有效性優劣見表1。
4 有機碳肥與平衡施肥
氮、磷、鉀以及中(zhōng)微量元素已經建立了營養診斷指标，用于平衡施肥，碳尚未有診斷指标。有機碳種類多達上千種，從碳平衡的角度衡量其指标的難度很大(dà)。一(yī)個可行的辦法是從有機物(wù)的共同特征碳鏈、碳環入手，把各種有機物(wù)均歸納爲碳，以C/N 爲量化指标，則可實現以簡馭繁，指導肥料生(shēng)産及施用。初步試驗表明，C/N 在1 左右效果較好，可作爲進一(yī)步研究的參考。實際上，合适的碳氮比随氣候 (光照、溫度)，作物(wù)生(shēng)長階段 (前、中(zhōng)、後)會有較大(dà)差别，因而不是一(yī)個穩定的常數。
平衡施肥中(zhōng)，碳–光–氮的關系值得關注。缺光必少碳，少碳則氮的同化受阻，遊離(lí)态水溶氮比例升高。光照不足時，以有機碳調整碳氮平衡，可降低遊離(lí)态水溶氮比例，促生(shēng)長、抗逆的肥效尤爲明顯。
最近在人工(gōng)遮光條件下(xià)進行的等NPK 水稻試驗，顯示出有機碳對碳–光–氮有重要調節作用，有“補碳增氮”效果。無氮有機碳肥處理的生(shēng)物(wù)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(xiǎo)分(fēn)子氮轉化爲功能性大(dà)分(fēn)子，這一(yī)試驗結果也爲補碳增氮提供了佐證。
Myers 等報道，大(dà)氣中(zhōng)CO2 濃度的升高，會降低小(xiǎo)麥、水稻、大(dà)豆等C3 作物(wù)中(zhōng)的Fe、Zn 及蛋白(bái)質含量，影響膳食營養質量。我(wǒ)們研究小(xiǎo)組施用有機碳肥的研究結果表明，有機碳能提高稻米中(zhōng)Fe、Zn 及粗蛋白(bái)的含量，平均增幅分(fēn)别爲16%、23%、10%。這也顯示了在提高作物(wù)營養品質方面，二氧化碳不能替代有機碳營養。
5 有機碳肥生(shēng)産的主要技術
基于有機碳營養概念的有機碳肥的技術目标是獲取高有效性的小(xiǎo)分(fēn)子有機碳，而不是犧牲有機碳去(qù)獲取無機态氮磷鉀。一(yī)般的發酵技術關注氮磷鉀有效化，過度好氧發酵使大(dà)量有機碳營養損失爲二氧化碳，應予改進。因此，有機物(wù)料的分(fēn)解反應盡量保持産物(wù)爲有機形态，以最大(dà)限度地減少二氧化碳排放(fàng)，保留小(xiǎo)分(fēn)子有機态産物(wù)的活性。依據此技術原則，目前有機碳肥的生(shēng)産技術可大(dà)緻歸納爲生(shēng)化 (發酵) 處理和化學降解處理二大(dà)途徑，具體(tǐ)采取哪種處理途徑，應依據原料來源及加工(gōng)技術來決定。
以酒精、味精、酵母等發酵工(gōng)業的廢液爲原料生(shēng)産有機碳肥，可進一(yī)步降解廢液提高有機碳産物(wù)活性。對蔗渣、稭稈等生(shēng)物(wù)質原料，則宜采取以厭(yàn)氧爲主的少翻堆技術，将大(dà)分(fēn)子有機物(wù)分(fēn)子降解爲小(xiǎo)分(fēn)子，盡量減少氧化導緻的二氧化碳損失。福建綠洲公司的有機碳肥即是一(yī)成功的範例。
西北(běi)農林科技大(dà)學研發成功的高效化學降解新技術，以食品、中(zhōng)藥廢渣等生(shēng)物(wù)質爲原料，通過獨特的鏈式反應，可使90% 的大(dà)分(fēn)子有機物(wù)在4 小(xiǎo)時内轉化爲可溶性有機碳，生(shēng)産出有機全營養肥料。以褐煤爲原料加堿反應生(shēng)産腐植酸這一(yī)傳統工(gōng)藝也能用于有機碳生(shēng)産。新疆雙龍、山西美邦等腐植酸公司通過原料選擇、工(gōng)藝處理及配方創新，生(shēng)産的産品水溶性高、生(shēng)理活性高，在全國各地應用效果明顯，并暢銷海外(wài)。
6 我(wǒ)國有機碳肥的研發現狀及發展前景
我(wǒ)國有機碳營養研究起步較早，上世紀八十年代，浙江農業大(dà)學孫曦先生(shēng)領導的有機營養研究所進行了有機肥對作物(wù)的有機營養研究。有機營養在“六五”和“七五”期間被列入農業部重點項目，研究結果充分(fēn)證明了有機肥中(zhōng)的有機成分(fēn)對作物(wù)的直接作用及其優越性，後續研究仍在繼續。雖然其研究重點是有機氮，但是長期積累的研究成果爲有機碳的研究，尤其是含氮有機碳肥研究提供了重要的基礎。
近年來，企業界、學術界已經出現了一(yī)些有機碳肥研發和生(shēng)産先行者，還有企業家出版了有機碳肥專著。有機碳的研發已經出現産學研結合、多學科攻關的苗頭，開(kāi)始顯示出良好的發展前景。“碳基”系列産品陸續出現，其增産、優質和抗逆的獨特優勢引人注目，在藥肥“雙減”中(zhōng)顯示了巨大(dà)作用，成爲企業新産品開(kāi)發的熱點。
中(zhōng)國農業科學院農業資(zī)源與農業區劃研究所新型肥料創新團隊，在化肥中(zhōng)添加海藻、腐植酸、氨基酸等天然物(wù)質，開(kāi)發了腐植酸尿素、海藻酸尿素和氨基酸尿素等增值尿素及複合肥新産品，肥效顯著，獲多項發明專利。2012 年成立“化肥增值産業技術創新聯盟”，推動我(wǒ)國傳統化肥增值改性。
華南(nán)農業大(dà)學新肥料資(zī)源研究中(zhōng)心利用有機廢物(wù)資(zī)源研制了有機碳包膜氮肥 (黑尿) 及包膜鉀肥等産品。有機碳肥還可被加工(gōng)成活化劑，對磷、鉀、鎂、鋅礦進行活化而生(shēng)産促釋型磷、鉀、鎂、鋅肥料。稭稈幹餾産生(shēng)的多元醇、酸等有機碳，不但改善作物(wù)的碳營養，還可發揮對中(zhōng)微量元素的增效作用。
有機碳施用與其他養分(fēn)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，比例适當，才能充分(fēn)發揮肥效。最近的試驗結果顯示，平衡施肥中(zhōng)的碳氮平衡合适參數，以及施用濃度、施用頻(pín)率等，可望爲作物(wù)高産優質提供新的技術支撐和新的肥料産品。有機碳營養還可爲有機污染物(wù)的處理提供新的治污思路及技術途徑。有機污染物(wù)治理的主流技術是采用污水爆氣，使有機物(wù)分(fēn)解爲無機物(wù)如NH3、NO2 和CO2。若改換思路，以回收有機碳爲目标，則可減少爆氣氧化，結合微生(shēng)物(wù)處理和化學處理，使之轉化爲高效的小(xiǎo)分(fēn)子有機碳營養，可化害爲利和節能減排。
7 從礦質營養邁向有機營養
化肥工(gōng)業的理論基礎是100 多年前李比西提出的經典礦質營養理論。我(wǒ)國有機碳研發已超出其“礦質營養”框架，不可能在經典礦質營養理論中(zhōng)找到相應的支撐。現有的有機碳肥的技術進步是生(shēng)産實踐巨大(dà)需求推動和肥料企業努力創新的結果，相關基礎理論研究急待加強。研究表明，現有的高産記錄都存在程度不一(yī)的碳饑餓，試驗證明通過施肥補碳可緩解碳饑餓。今後應開(kāi)展更多的更嚴謹的試驗論證施肥補碳的效果及其機制，可進一(yī)步提升産量。國内外(wài)一(yī)些有機碳的成果如腐植酸、多肽氮肥、生(shēng)物(wù)刺激物(wù)、菌肥等在一(yī)定程度上都屬于有機碳肥，這些研發成果在礦質營養的經典框架下(xià)找不到相應的位置。需要從植物(wù)營養的角度增加、強化有機營養的理論，使零散的、局部的有機碳研究成果進入到有内在聯系的系統中(zhōng)，最終探索歸納出有機營養的普遍規律，豐富和發展經典礦質植物(wù)營養理論。
來源：《植物(wù)營養與肥料學報》2017 年06 期
作者：廖宗文，毛小(xiǎo)雲，劉可星
單位：華南(nán)農業大(dà)學資(zī)源環境學院