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有机碳到底是什么?何为有机碳?

有机碳,前段时间出现了两个极端,部分肥企用碳的概念(也就是腐植酸)做水溶肥。然后所谓的专家依靠掌握的一些专业知识,出来指手画脚。感谢中国有机肥协会这篇文章,为我解惑,也为碳正名。
明明有不俗的效果,却被黑成那样,也算是肥料界的奇葩事件,可惜我们一线销售员对专业知识了解的少,无法有理有据的回击这些奇葩专家,在此感谢这篇论文的作者,打破了李比希100多年前矿质营养论的局限,全面解析有机碳的功能及原理。以下是论文部分转载。

本文节选自卫尤明、廖宗文、毛小云的《有机碳:植物营养理论的新领域,肥料技术开发的制高点》,原文刊载于《化肥工业》2019年第4期

作者简介:卫尤明(1995—),男,学士,主要从事固体废弃物资源化利用研究

摘要:现代化肥的发展已经突破传统的矿质营养学说的理论框架,迫切需要进行理论思考,而多年来化肥新产品的研发实践为植物营养理论发展提供了大量的研究素材和科学依据,其中有机碳是植物营养的重大研究领域。介绍了有机碳营养的独特优势,澄清了有机肥、有机氮与有机碳的区别,指出除了“靠天补碳(CO₂)”之外,开拓施肥补碳的高产新途径具有重要的理论意义和实用价值。

关键词:有机碳;矿质营养;碳饥饿;施肥补碳

基于经典植物矿质营养理论发展起来的化肥工业,百多年来为农业生产做出了重大贡献。进入21世纪后,化肥工业在技术上有了很大进步,新产品不断出现,如生物刺激素、腐殖酸、菌肥等,但都不是基于矿质营养理论发展起来的,均已超越了矿质营养的理论框架。这表明实践走在了理论前面,也反映了技术研发对新理论的迫切需求。多年来,化肥新产品的研发实践为植物营养理论发展提供了大量的研究素材和科学依据,我国肥料科技创新在理论研究和技术开发方面也都显现出良好的发展态势。在常规复混肥产品出现低迷时,有机碳肥逆势上场,呈快速发展趋势,其中相当大部分成为企业的拳头产品。

1 关于经典植物矿质营养理论的发展方向

近年来,国内外研发的各种新产品大多为有机营养类,如生物刺激素、菌肥、多肽类产品等,是市场畅销产品。而一般的矿质营养肥料在市场上呈现饱和状态,销售困难,竞争激烈。近年来兴起的新型肥料、特种肥料中,真正有增效节肥作用的基本上属于有机营养,即其“新”、“特”之所在。但是要进一步提升肥效,如何精准提高光合作用,针对C3、C4作物选用相应的肥料,优化各有机养分的配比等,均无法从经典植物矿质营养理论中得到指导或启发。企业界、学术界通过实践探索,提出有机碳概念,针对“碳饥饿”开发出有机碳产品并出版了相关专著。

2  关于有机碳认识的误区和盲点

2.1 靠天补碳(CO₂)不是唯一途径

有机碳已经是有机态,无需再消耗光能。CO₂转化为有机态及有机碳直接进入后续反应如图1所示。

自然状态的靠天补碳途径从初始反应开始,而有机高效碳肥补碳则跨越了初始反应而直接进入后续反应中,初始反应消耗的光合能被节省下来用于后续反应中,从而可促进作物更快生长。

在经典植物矿质营养理论中,碳是名列首位的营养元素,但是在化肥工业中却长期缺乏相应的产品开发,其原因在于认识上的偏差。有机碳营养来源于大气中的CO₂,但靠天补碳的CO₂仅为植物需求的20%,作物实际上处于严重的“碳饥饿”中,是最突出的营养短板。若能开拓施肥补碳的新途径,减轻“碳饥饿”,即可明显提质增效且节肥。理论研究和有机碳肥的实践都证明,有机营养是植物中碳的重要来源之一。20世纪70年代,浙江农业大学孙羲先生对含氮的有机营养作了大量研究,证实可以被作物吸收。近年来,也陆续有文献报道不含氮的有机碳也可以被作物吸收,有明显的增产、提质、抗逆作用。有机碳和CO₂都是碳的来源,“天补”非唯一来源,还有“肥补”这一新途径,是值得重视的化肥科技创新前沿。

2.2 有机肥与有机碳不能混淆

有机碳营养是指水溶性高、易被植物吸收的有机碳化合物,如糖、醇、酸(含氨基酸)等,即不仅有含氮的有机碳营养(如氨基酸),还包括不含氮的碳营养,两者有明显的区别。

一般有机肥为大分子,难溶、用量大,其肥效主要是通过改良土壤而慢慢显现出来。而有机碳则是小分子,水溶性高、见效快,在抗逆(如低温、寡照、旱、涝、病虫等)方面更为突出。

明确有机碳的概念对于肥料科技创新十分必要。水溶性高和各种功能团是2个显著特征,不仅有别于有机肥,而且还有别于光合反应的原料(CO₂)。在很多情况下,二者通称为碳肥,同样提供碳营养,但前者需经过光合作用才能转化为有机态,而后者已经为有机态,远胜于无机态的CO₂。

如果把有机肥与有机碳混为一谈,这就封闭了进入创新的思维通道,即使研发工作已经到了有机碳的大门前而仍止步于有机肥的水平,就无法获得突破性进展。

2.3 有机碳肥与有机氮肥不能混淆

有机氮一定是有机碳,而有机碳未必是有机氮,但可包含有机氮,两者的大小和从属关系不能颠倒。

一些含氮有机碳营养的作用往往归功于氮,而忽略了其中的碳,如氨基酸、多肽类肥料的突出肥效都归功于氮的作用。研究显示,不含氮的有机碳营养,如采用α-酮戊二酸、丙三醇、蔗糖等进行试验,也显示了明显的肥效。由此可表明有机碳概念的重要性,可纠正“见氮不见碳”的片面认识。其实,有机氮的肥效优势在相当大程度上源于其中的有机碳架以及其中化学键所含有的光合能量,但这往往被忽略了。

3  有机碳营养的独特优势

3.1 施碳增氮

有机碳有明显的增氮作用,喷碳增氮的增幅超过施氮增氮的增幅,其原因在于碳对氮平衡有重要作用。增施的氮若无相应的碳架以合成各类有机物(如氨基酸、酶等),则所吸收的离子态氮(如NH4+、NO3等)会逐渐积滞,影响吸收和转化。有机碳的补充则可以促进氮合成氨基酸、多肽、蛋白质等各类有机物,减少无机态氮在植株内的积滞,从而促进作物对氮的吸收和同化。

3.2 施碳促碳(CO₂的吸收)

研究显示,有机碳可显著提高蕹菜叶片碳含量。少量喷施有机碳,蕹菜叶片含碳质量分数增加了2%~3%,其干物质中碳的增长量大大超出所喷入的有机碳量,显示了有机碳四两拨千斤的杠杆作用。增长的碳主要是空气中的CO₂,有机碳处理加速了光合循环,促进了CO₂的吸收及同化。

3.3 施碳补微量元素(Fe、Zn)

Samuel等在《Nature》上发表的论文提出,大气CO₂浓度的升高,会导致作物铁、锌和粗蛋白含量显著降低。但笔者的研究表明,在适宜的氮水平下,喷施有机碳可提高蕹菜、水稻的铁、锌和全氮的含量,增幅达16%~21%。有机碳处理使作物对铁、锌的主动吸收更为顺畅,因而含量增加,这也显示了有机碳相对于CO₂的明显优越性。

3.4 对冲低温寡照的能量效应

缺碳和弱光是作物生长的两大制约因素。有机碳可弥补因弱光导致的光合碳产物缺乏,从而促进生长,产量增幅可高达33%,促进氮吸收的增幅可达21%。

在春季低温寡照的情况下,会出现光合作用弱、土壤氮肥相对偏多的情况,此时补充有机碳可减少光弱的不利影响,有效减少僵苗、死苗数量。

3.5 从生化反应角度认识有机碳的优势

植物的生长变化就是一系列生化反应过程,其影响因子为光能、水和肥,可表达为关于产量的函数式

由CO₂+H2O→C6H12O6(葡萄糖)的生化反应可知,化学平衡右移即可促进生长,而右移的影响因素即上式中的X1X2X3X1X2为养分物质平衡(相当于化工生产中的物料平衡),反应物充足且比例平衡则促进右移。另一影响因素是光能(X3),光能充足且与物料平衡,即质-能平衡对于生化反应的右移也有重要的促进作用。迄今国内外的养分平衡研究中,均只关注养分方面,忽略了碳及其与氮的平衡关系、光能(经常处于不足状态)及其与养分的关系,但这恰恰是植物营养理论发展和技术创新的新领域,值得引起重视。有机碳已经跨越光合阶段,因而可以相应减少对光能的依赖,促进平衡右移(促进生长)。在构建作物体的生化反应中,有机碳类似预构件,而矿质营养是类似砖头的初始原料,还需消耗光能,有机碳能减少对光照依赖的特点是其他矿质营养所不具备的。有机碳肥和CO₂对作物碳营养的有效性比较如表1所示。

4  基于有机碳的理论思考和研发思路

4.1 低头测土与抬头观天

测土配方施肥是作物增产的重要措施,但忽略了碳营养。虽然对于大棚内的CO₂气肥增产机理有所研究,但没有将其纳入平衡施肥的范围,尤其是缺乏与氮的配比优化研究,而对于有机碳及其在养分平衡中的作用几近是空白。依据测土配方制定的适宜施氮量并非一常数,其还受光照强度和时间的影响。从碳-氮平衡的角度定性分析可知,光强、光照长则光合作用强、光合产物碳架多,有利于氮肥同化,更多地转化为有机氮,如氨基酸、蛋白质;反之,氮同化减弱,不利于矿质氮转化为有机氮而停滞于无机氮,不仅作物生长慢,还易于受浓度过高NH4+的伤害。北方夏季日照长,有利于光合作用,可产生更多的碳架,更有利于化肥氮转有机态。因此,相同的测土结果,北方的施氮量可能相应调高,而南方的施氮量则应相应调低。在光照弱或氮量偏高时,作物的碳短板更为明显,此时补充有机碳能更好地消除碳短板而促进作物生长,这体现了碳氮比例在养分平衡中的重要性。

4.2 低碳工艺与富碳肥料

基于有机碳营养概念的技术目标是将有机质分解至小分子有机碳阶段即停止,尽量获取水溶有机碳,而不是让有机碳转变成CO₂排放掉。一般发酵技术关注氮、磷、钾的有效化,忽略了好氧发酵使大量有机碳营养损失为CO₂,应予以改进。据此原则,对蔗渣、畜牧粪便等原料,采取适度好氧的少翻堆技术,尽量减少CO₂损失而保留有机碳养分。西北农业大学研发成功链式化学反应,可明显减少CO₂排放量,90%的有机物可在4 h内转化为可溶性有机碳。

4.3 开拓废物资源化的治污新路

基于有机碳概念、达标排放路线之外,还可开拓有机废水(渣)回收利用的新路,即不必把废物分解至无机态的氮、磷排放,既节能又增加肥效,如可将有机废水氧化为氮气排放改为回收有机碳营养;又如近年来蓬勃发展的著名特产新会陈皮,取皮弃肉方式产生严峻的环保问题,堆肥和厌氧制酵素耗时长,均难以及时处理秋冬加工陈皮时产生的大量废渣液,而采用有机碳技术制成多功能有机碳液肥,具有加工快(1~2 d)、应用广、成本低和肥效高的明显优势。

5 有机碳研究的重大意义和发展前景

我国有机碳的技术进步是巨大需求推动和肥料界努力创新的结果,但相关基础理论研究亟待加强。

化肥工业的理论基础是100多年前李比西的经典矿质营养理论,而现代化肥工业的发展已突破矿质营养框架,生物刺激素、菌肥、腐殖酸等有机碳肥的研发都不是基于矿质营养理论发展起来的,而是从各自某一技术角度,或解决某一实际问题得出的经验成果。对这些零散的成果,从理论角度进行分析归纳,将揭示出各成果内在的系统性规律,从而上升到理论层面,这样才有利于技术创新。如有机氮研究若仍局限于氮肥的范围,对于非氮的有机碳(乙酸、酮戊二酸)的营养作用就无法深化认识,更达不到有机碳各成分的优选和组合这一深层次水平。“有机肥必须转化为矿质形态才能被植物吸收”这一错误观点仍然存在,这与有机碳营养概念的长期缺位有关。

研究表明,现有的高产记录都存在程度不一的碳饥饿,通过施肥补碳则可缓解碳饥饿。今后应继续开展试验,论证施肥补碳的效果及其机制,有望开拓一条施肥(碳)增产新路,实现高产再高产。

有机碳肥不仅为化肥企业提供了一种市场前景广阔的有机碳新产品,也为提升复混肥等常规化肥产品的肥效、扩大市场提供了新的科技手段。研究表明,常规肥料与有机碳配合施用,尤其是碳、氮的配合施用,使养分平衡提升到一个新水平,有显著增产效果,这为化肥供给侧改革提供了一个重要技术措施,也是提升化肥企业经济效益新的增长点。


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