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有机碳肥与农业现代化

内容摘要：对植物营养元素碳的定位及其来源的认识偏差，是造成“化学农业”耕作方式缺陷的重要原因。土壤中有机养分的有效物质是植物根系可直接吸收的小分子水溶有机碳。以提供小分子水溶有机碳为目标的有机碳肥，具有广泛的农业功能和环保功能，它将推动农业走上土壤肥力阴阳平衡、作物高产优质和生态改善的发展之路。关键词有机碳养分有机碳肥阴阳平衡物质大循环一、对“碳”认识的偏差造成农业重大损失肥料总体可分为有机肥料和无机肥料两大类，它们互相不能取代，也不能一衰一盛，而应阴阳结合，阴阳平衡，形成土壤和农作物的良好的营养基础，才有农业的繁荣发达。综观我国肥料行业，化肥品种繁多产能过剩。而有机肥料却成本高、肥效低，农民不爱用。又由于它的标准不科学，还被不法厂商钻空子，粗制滥造，劣质有机肥坑农害民的现象不断发生。农民极难买到优质放心的商品有机肥。本应撑起肥料领域“半边天”的有机肥料逐渐被边缘化。有机肥料落到今日这种地步，原因何在呢? 首先，在上世纪五十年代我国建设肥料产业时，有机肥料就拜错了师门。我国农业文明延续几千年，这在世界上是罕见的奇迹。几千年农业文明传承的密码是什么?物质循环!有机农业耕作中注重培肥地力，把有机废弃物通过堆肥的方式进行腐解处理然后反哺土地。这个循环中最主要的物质是碳，物质循环也即归碳于土、贮碳于土。我国农村过去几乎家家户户搞“堆肥”。这种堆肥的要点就是半厌氧发酵(不翻堆)和自然堆积焖干。这种“安安静静”的生产工艺既达到有机物料的腐解，又最大限度减少了碳损耗。然而我国商品有机肥的生产技术不采堆肥技术之所长，却采用“轰轰烈烈”的新工艺：又是好氧高温发酵，又是多次翻堆，还有高温烘干，把有机物料中的碳养分大量氧化成二氧化碳排掉。达到了生产“矿化腐殖质”的目的:生产出了一堆“粗、重、慢”的空壳。这里明显有化工工艺的痕迹。有机肥料现行标准(NY525-2012)规定有机肥料正面的质量技术指标是：“有机质含量(干基计)≥45%”，“总养分(干基计)N+P2O5+K2O≥5%”。内行人都知道，有机物料发酵过程中消耗的就是有机碳，同一批物料发酵后干物质中有机质含量是下降的，那么以“有机质含量”作为质量指标有何意义?而“总养分”指标中，全是无机养分，不见有机养分(水溶有机碳)的影子。有机肥料不提供有机养分，三十多年农业耕作不重视有机肥，就导致耕地有机质含量连续下跌，农田贫瘠化严重。为什么会出现长达三十年的“化学农业耕作”?根本原因在于化学植物营养学理论的如下重大错漏。 1、认为植物有机营养仅来源于空气中的二氧化碳经叶片吸收和叶绿素光合作用转化，不认为植物根系能直接吸收有机碳养分。这就是植物有机碳来源“一通道说”。实际上存在由根系吸收的第二碳通道。不了解第二碳通道，就不重视给土壤补碳，导致土壤碳贫瘠和农作物缺碳。 2、对植物营养元素碳的定位不准确。植物干物质中碳占35%左右，再加上植物生长过程新陈代谢消耗大量碳，所以植物所需碳总量超过总养分量的50%。而植物各营养元素区划原则是根据植物实际需求量的多、少、微来区分的。碳元素所需总量与其他各“大量元素”不在同一数级上，它在植物物质结构形成过程中起着“组合者”的作用。所以从理论上把碳正名为“基础元素”以区别于大量元素，才有利于正确研究植物营养。基于这样的认识，我们重新检视传统植物营养学的“木桶规则”。当碳(C)“板条”宽度相当于其他十几块“板条”宽度的总和时，还能箍成木桶吗?所谓量变到质变，碳已经不是组成木桶壁的一块板条，而是以碳为阴面，以十几种矿质元素为阳面的阴阳关系，而氢和氧(即H2O)属中性，穿合于阴阳之间，没有它，阴阳不可能结合。这就是土壤肥力阴阳平衡关系。图1.土壤肥力阴阳平衡动态图阴盛阳衰(纯有机种植)，农作物没有高产;阳盛阴衰(化学农业耕作)，农作物也没有高产。只有阴阳平衡且肥水充盈时，农作物才能发挥出最佳生产能力。所以阴阳平衡是大平衡，主平衡，无机元素平衡是小平衡、次平衡。只有阴阳平衡，无机元素平衡才能发挥实际效果。 3、把无机养分“离子说”绝对化，造成对无机养分利用率低的原因的误判。植物在原生态或肥沃的土壤中，无机养分与有机养分以多种形态结合成“有机无机”零电价态被植物根系吸收，有机养分利用率更高。可见无机养分离子态被吸收是在贫瘠土壤中才会出现。同性离子间互相排斥，异性离子结合成水不溶物，化肥利用率就低。另一方面，有机碳和各无机元素是以严格的配比，按植物DNA指令组装到植物细胞的，有机碳养分匮乏，无机养分离子比例过大，就会富余出大量无机离子，游离于植物胞外液中，导致植物对无机养分的需求弱化，这是化肥利用率低的深层次原因，也是农作物低产的根本原因。 4、对土壤中碳养分存在形态的误判。土壤有机质中的有机碳，绝大部分是不溶于水的，它不是真实的碳养分。没能向土壤微生物提供足够的可直接吸收的水溶有机碳肥料，微生物不能正常繁殖才导致土壤板结。对这个问题缺乏清晰的认识，微生物制剂不带有机碳养分，相当于不备军粮的空降兵，这是目前大量微生物制剂施到土壤中效果不佳、秸秆腐熟剂农民不爱用的原因。土壤板结与施用化肥没有太多关联。以上各点都可以归结为对植物碳养分认识的偏差。这些理论的重大错漏影响我们几十年，造成农业领域的政策、技术、产业和耕作方式等方面都产生大量的失误。耕地普遍缺碳，农作物大面积缺碳病，其造成的损失是难以用数字表达的。我们祖先五千年积累的农业文明遗产将因五十年的“化学农业耕作方式”而耗尽。算起来历史留给我们挽救的时间只剩二十年了。二、有机碳肥产品的研发人类在一百七十多年前开始创建化肥工业，解决了向农作物高效富集地提供矿物质养分的技术问题，却至今未能建立高效富集的植物有机质养分的工业化体系。肥料工业的一条腿早已跨进了农业现代化门坎，另一条腿却还拖在小农经济时代。有机碳肥研发的目标，就是生产富含植物有机养分的肥料。植物有机养分的有效物质是植物根系可直接吸收的小分子水溶有机碳。这种“有机”分子粒径小于800纳米，亲水性，其在水溶液中呈无定形“云团状”，能随水流被吸入口径小得多的植物根毛孔。利用固液有机废弃物为原料，经微生物发酵或生化裂解，生产出液态有机碳肥和高碳有机肥，再利用这两种基础产品生产其他衍生产品。有机碳肥制造工艺路线图如下：图2.有机碳肥生产工艺路线有机碳肥系列产品，都以小分子水溶有机碳为主要有效成份，以保证施用后短期内其所提供的植物有机养分不少于10倍传统有机肥的有机养分。以下是目前有机碳肥各品种的技术指标，其中“EC”即有效碳，指小分子水溶有机质的含碳量。表1.现有各有机碳肥品种的技术指标及性能特征用全新的检测方法进行检测：严格界定是否合格时，以DLS纳米测粒仪，测出水溶上清液中的分子粒径平均小于650纳米，且该部分在溶液中含碳量与样品总质量之比符合上表为合格。工厂化验室快速测试方法，是将样品水溶上清液通过650纳米滤膜后，测得过滤液中含碳量与样品总质量之比达到上表为合格。有机碳肥还可以同化肥、微生物制剂复配开发出多款衍生产品，适合一切农作物，可作基肥、追肥、叶面肥和管道输送，因此它是一类市场前景无比广阔的高效绿色环保肥料，其在我国潜在的市场用量每年几千万吨。三、有机碳肥的功能(8+1) 有机碳肥在农业方面有八大功能，加上其环保贡献，可概括为(8+1)： 1、有机碳肥是传统有机肥的升级换代品有机碳肥“有效碳”6%～15%，其有机肥力是传统有机肥的5～10倍，同功能微生物相匹配使用更能使肥力倍增。每亩每茬用量20～100公斤就见显效，用量相当于有机肥的5%-10%，使用成本300～500元，相当于使用有机肥成本的40%-50%.有机碳肥单位面积用量少、水溶性好，就能象化肥那样方便施用，可上山、可入水。填补传统有机肥难于应用的大量空间。有机碳肥还可管道输送、可滴灌、可进入无土栽培系统，甚至还可用于气雾栽培。所以有机碳肥是信息化时代的精品有机肥。 2有机碳肥是化肥的最佳伴侣有机碳肥与化肥混合施用与纯化肥对比，在化肥用量不减的情况下，农作物增产30%-100%，有机碳肥与三大化肥配合施用的合理配比如下： EC/W=0.2～0.3 式中：EC为有机碳肥中“有效碳”含碳量; W为(N+P2O5+K2O)总量; 0.2适用于土壤有机质含量较丰富情况; 0.3适用于土壤有机质匮乏的情况; 复合造粒EC/W值建议用0.25～0.3。我国多年来有机无机复混肥料推广不开，主要原因是粗重的有机肥与精细的化肥门不当户不对。有机碳肥单位面积用量与化肥相当，混合使用门当户对。“有机碳无机复混”肥料必成未来主流肥料。 3、有机碳肥是微生物肥料的补碳剂通过施用有机碳肥可以给微生物肥料补碳以提高其有效率。施用有机碳肥后，功能微生物迅速发展成土壤中的优势种群，随着土壤水气热环境改善，土壤生态良性循环产生的生物多样性又进一步推动生物肥力的提高，如此，有机碳肥就帮助微生物肥料发挥出真正威力。 4、有机碳肥是多功能高效土壤调理剂有机碳肥是有机碳养分富集的有机肥，与普通有机肥相比，它不但用量少，而且它的使用浓度恰与功能微生物的需求相适应，能迅速调动和扩大功能微生物的作用，快速改良土壤。有机碳肥的原材料是有机废弃物，其中的高浓度有机废水保留并浓缩了有机物质中的水溶碳和中微量元素，这更使它兼具补碳与补素(中微量元素)的双重功能，所以有机碳肥是一种高效多功能土壤调理剂。 5、有机碳肥是农作物光合作用增强剂有机碳养分经由被土壤微生物吸收、被根系吸收和与矿物质养分融合三种直接作用引发土壤生物肥力、物理肥力和化学肥力连环促进的能量传递，这个过程的发展变化导致土壤肥沃和根系发达，肥水供应充足，从而使植物叶片宽厚，叶绿体硕大、叶绿素丰富，植物光合作用效率大大提高，请看以下两组对比图。图3.有机碳肥对农作物光合作用的影响植物体内每日积累的碳水化合物(有机碳养分)越多，其所吸纳的矿物质养分就越多，大体呈正比的关系，所以施用少量有机碳肥，就能使农作物呈现30%甚至100%的增产，就连最难大幅度增产的水稻都能增产30%以上。 6、有机碳肥是农作物防病抗逆机能的促进剂农作物有机碳养分充足，无机养分配套，土壤三大肥力连环促进，农作物就根深叶茂，对抗病害能力和自我修复能力就增强。土壤肥沃，生物多样性丰富，气场旺盛，土壤中和空气中有益微生物活跃，致病菌难以繁衍，农作物染病的机会就少。所以说有机碳肥是农作物防病抗逆机能的促进剂。 7、有机碳肥是激活农作物生产潜力的能源有机碳肥能激发农作物的生产潜力。一些禾本科作物，例如水稻、小麦，施用有机碳肥后，有效分蘖数能增加30%以上，增产30%以上。对采摘期长的作物，使植株避免早衰、果实更丰满，还能延长採摘期。例如蕃茄、茄子、辣椒、四季豆、黄瓜等增产50%以上。利用“有机碳肥+化肥”技术使青花菜一株采三次花，产值增加150%。这方面更大的经济价值表现在使果树树势壮旺，延长生育树龄，成为接近原生态的“长寿树”。由于有机碳肥助根的“天性”，块根类作物如：红薯、马铃薯、淮山、萝卜、胡萝卜、人参、三七等，使用后块根硕大、风味特佳。缺碳使许多化肥离子失去了被组合的机会滞留在植物胞外液中，使农产品质量下降口感差。有机碳养分的进入组合了这些垃圾变废为宝，使农产品既高产又优质。例如小番茄甜度提高33%，南方大棚哈密瓜的甜度达到18～19。发现灾害后及时灌施液态有机碳肥，可使农作物在短时间内恢复长势，取得较好收获。施用有机碳肥的豆科作物不倒伏，产量提高30%左右。西兰花：底肥每亩用复合肥50kg加有机碳菌肥50kg;追肥每亩浇施液态有机碳肥4次共3kg; 玉米：底肥每亩用复合肥40kg加有机碳菌肥40kg;追肥每亩浇施液态有机碳肥3次共3kg。图4.有机碳肥对农作物的增产增收的促进作用 8、有机碳肥护航土地永续耕作常态化地开展物质循环，才能培肥地力。过去行之有效的千家万户“积肥”下地的“局部物质循环”已经式微了，土地缺碳、土壤贫瘠，农作物在亚健康中生长。有机碳肥产业就是建立大物质循环的产业。局部碳循环没有了，大量有机废弃物却乱堆乱排，我们顺势而为，建立起以有机碳肥为核心的大的碳循环，就能形成新的培肥地力机制，使土地永续耕作。 9、有机碳肥产业对环境保护的贡献首先表现在节能减排和循环经济方面。当有机碳肥年产达到3000万吨时，全国每年可减排COD约400万吨。这是一种有别于传统环保措施的“完全碳回收”措施。请看以下比较图。图5.有机碳肥处理技术对环境保护的重要作用其次表现在对自然环境的改善方面。有机碳肥是高效土壤调理剂。常态化施用有机碳肥，土壤物理结构优化，水气热协调，有机、无机养分均衡，生物多样性丰富，土壤就能恢复生命力，提高自净能力和缓冲调节能力，温室气体排放减少，还给我们一个洁净清纯的大气环境。土壤团粒化，壤土层增厚，持水能力增强，有效缓解雨水对地表的冲刷，既保护了土地，又减少对河流湖泊的污染。有机碳肥与化肥配合使用，能使化肥利用率提高30%-50%，这就相应减少了化肥的挥发和流失，可大大减轻湖泊和近海富营养化的程度。四、有机碳肥产业展望有机碳肥不但功能广泛，而且适于解决当前我国农业面临的耕地贫瘠，农作物缺碳，农业环境恶化等紧迫问题。有机碳肥又是以固液有机废弃物为原料，原料来源取之不尽，生产过程耗能低，不产生二次污染，完全能发展成全国性大产业。我国垃圾围城、污水横流的局面，将因有机碳肥产业的兴起而改变。面对着大量有机废弃物，我们顺势而为建立起大物质循环体系，请看以下流程图。图6.有机碳肥与大物质循环的关系二十多年来我国耕地有机质含量平均每年下跌0.05个百分点，现在已经跌到2.08%，这种状况不能在短时期内根本扭转，农业现代化就失去土地基础。如何扭转?要使1亩耕地有机质含量提高1个百分点，必须施用8吨传统有机肥。18亿亩耕地必须用144亿吨。全国有机肥厂卯足劲干，需要70年!怎么办?面对悬崖绝壁，我们必须另辟蹊径：找有机碳肥! 有机碳肥产业加上使用有机碳肥技术改造的化肥、有机肥、微生物肥料产业，再加上用有机碳肥技术将大量分散的有机废弃物就地处理成肥料，特别是使用有机碳菌剂快速腐解的秸秆还田技术，形成对我国耕地多渠道多层面的沃土肥田覆盖，就可以化险为夷，使我国大部分耕地有机质含量每5年升1个百分点，10年内便可以使耕地有机质平均含量大于3.5%。达到此局面，在使用等量化肥的情况下，农业将整体增收30%以上。与此同时，我国将因上述措施每年减排COD近千万吨。有机碳肥技术是一项强国富民的创新技术，它将推动农业彻底告别“化学农业耕作”方式，走上土壤肥料阴阳平衡、农作物优质高产、农业环境日益改善的健康发展之路。

清华大学 2021-04-13