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腐植酸与有机碳密不可分

腐植酸与有机碳密不可分

我国的肥料发展正由 “增量增产 ”转向“减量增效增产”,以增效为亮点的新肥应运而生。上世纪已经广为人知的“元老级”肥料-腐植酸因其突出增效功能,也与近年来的后起之秀生物刺激素一同列入新肥特肥,广受关注。然而,对腐植酸的认识却一直无法从植物矿质营养理论中找到依据和启发。从近年来兴起的有机碳营养的新视角来分析,有助于从实践层面上升为理论思考,对植物营养理论研究和新肥的开发都有重要意义。

1、什么是有机碳?

这是指水溶性高易被植物吸收的有机化合物,如糖、醇、酸和醛等,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。关键特征是两点:一是水溶性决定其有效性,能否被作物吸收;二是功能团种类及多少,决定其肥效高低。

腐植酸,突出的肥效优势不在于化肥所含有的NPK和中微量矿质营养,而是其特有的有机碳营养,尤其是结构复杂、生理功能明显的环状、链状结构及酸、醇以及醛等基等基团。这才是腐植酸促长、抗逆功能的内在原因。因而腐植酸优于结构简单的有机碳,可称为有机碳金字塔顶的明珠。

2、“有机碳”概念的科学意义 

有人认为有机物肯定是含碳的,“有机碳”是多此一举,甚至是“玩概念”。其实,C营养有两形态:无机C(二氧化碳、生物质炭)和有机C(液、固态),不用“有机碳”两者何以区别?而且低水溶的堆肥等有机肥存在,不用“有机碳”,就无法从一般有机肥中区别出来(图1)。而且,提出“有机碳”,有充分的科学依据和实践依据.

一是靠天补碳(二氧化碳)只能满足作物需求的1/5,必然导致碳饥饿;

二是有机营养不必转为无机矿质营养就可为作物直接吸收;

三是大量实践证明“肥补胜天补”,施肥补碳是二氧化碳以外的补碳新途径,可消除靠天(二氧化碳)补碳的碳饥饿,增效增产优势突出。

前两点为已为国内外文献的共识,后一点为我国近十年来的科研和大量生产实践所验证。有机碳具有一般化肥没有的独特优势,但今天还存在“只有矿质态才能被吸收”这类错误观点,这与“矿质营养”经典框架的长期惯性思维有关。如果不突破这一思维定势,就难以开拓创新思路,研发新产品更无从谈起。还有一点需要指出的是“见N不见C”。有机N仅是有机C中的一类。有机N必定属于有机C,但有机C不一定是有机N。在氨基酸之类的有机N之外,还有非N有机C营养,也有重要的营养作用,不容忽略。

3、科研和生产实践证明有机碳的独特优势 

1) 施碳增氮  

有机碳增氮作用明显,增幅可超过施氮增氮的增幅。因为碳对氮平衡有重要作用。有机碳的补充则可加速氮的合成速度,减少无机态氮在植株的积滞,从而促进作物对氮的吸收、同化。

2) 施碳促碳(二氧化碳的吸收) 

有机碳可显著提高叶片碳含量。试验显示少量喷有机碳(ppm 级),而叶片碳增加2% ~ 3%,即获得了几十倍以上于施碳量的生物量。有人表示难以理解。其实,大量增长的碳主要来自空气中的二氧化碳,因为有机碳加快了光合循环速度,类似开通了高速公路,大大促进了二氧化碳的吸收及同化的速度,“有机促无机”产生了 “四两拨千斤”的明显增碳效果。 

3)有机碳与微量元素  

《Nature》论文(Increasing CO2 threatens human nutrition)2014年报道,大气二氧化碳浓度升高,会导致作物铁、锌和粗蛋白含量显著降低。但我们研究表明,喷施有机碳可提高蕹菜、水稻的铁锌和全氮的含量。增幅达20%左右。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(C)胜无机(二氧化碳 )。

研究表明有机碳的一些功能团对P、Zn、Ca、Mg等矿质元素,有很好的活化作用,这方面腐植酸的效果特别明显。可用低品位P,可免酸条件下生产高效活化P,大幅降低生产成本,扩大P资源库。此外,还可活化矿质Ca,Mg,K。

4 )对冲低温寡照的能量效应

有机碳可弥补因弱光导致光合碳产物缺乏而促进生长,实现高产。 增幅可高达33%,而且促进氮吸收增幅达21%。在春季低温寡照情况下出现的弱苗、死苗等问题,一般化肥难以解决,但腐植酸可大幅增产。

在各种有机碳中,腐植酸的效果特别明显,这与其丰富的官能团有关。

4、从生化反应角度认识有机碳优势:反应路径短而速度快

作物生长就是一系列的生化反应,本质为质量与能量的变化,可简示为:

有机碳具有独特的供质(营养)与能(节省光能)的优势。它已经跨越光合阶段,因而可减少对光能的依赖,促进生化反应平衡右移(即促长)。生化反应中,有机碳类似预构件,已是半成品,而矿质营养是砖头类的初始原料,还需消耗光能。有机碳特有的优势是减少对光照依赖。迄今国内外的养分平衡研究中,有两点忽略:一是碳与氮的平衡关系。另一重大忽略是光能(光不足是常态)。而腐植酸的突出优势,正是与这两点有关。

作物生化反应的矿质营养/有机营养路径:矿质营养从头开始,路径长,而有机碳则从光合后开始,-跳过光合段,减少光依赖 。腐植酸结构复杂,官能团多,更接近终端产物,因而能明显短合成反应历程,促进生长。

5、基于有机碳的研发范例- 控氧发酵堆肥

传统堆肥着眼于N、P,但堆肥过程中有大量有机碳(也含有机N)转化为CO2(含无机N)损失而被忽略。基于“有机碳”概念的“控氧分段堆肥”,把分解过程尽量控制在产生二氧化碳之前(见图3关键线)而保留尽量多的小分子水溶有机碳(含有机N)。这一 “富碳发酵”新技术可大幅提高腐植酸(富碳)转化率,效益大幅提升(图4)。

6、突破惯性框架 开拓创新思维 

近年来迅速发展的生物刺激素、腐植酸等有机碳肥,无法从经典矿质理论中找到指导,但又迫切需要理论发展创新以指导实践。矿质营养理论不涉及有机碳,但并不能作为否定有机的依据,也不能作为我们止步不前的理由。相反,把经典矿质营养向“矿质—有机营养理论”方向推进,是对经典的继承和发展,也是前人留给后人的历史责任。

有机碳新视角有助于我们获得对腐植酸的新认识,对于如何发挥腐植酸的独特优势,提供了更大的思考空间和更广泛的应用场景。这不仅对“减肥增效”有重大促进,也为现代植物营养理论的发展创新提供了更丰富的实践依据。在新形势下,腐植酸将作出新的更大贡献。


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