廖宗文，毛小云，劉可星

（華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東廣州 0510225）

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

廖宗文，毛小云，劉可星

（華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東廣州 0510225）

碳是17種必需營養(yǎng)元素之首，但長期以來對碳營養(yǎng)，尤其是有機碳營養(yǎng)的系統(tǒng)研究幾乎為空白，由此導致了對作物碳饑餓的忽視。雖然作物可以通過光合作用從大氣中獲得碳，但僅能滿足作物生長所需碳營養(yǎng)的1/5。實踐已經(jīng)證明，通過施肥補充碳營養(yǎng)供給是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的有效技術途徑，生產(chǎn)可有效提供碳素營養(yǎng)的肥料也為現(xiàn)代化肥工業(yè)提供了新的發(fā)展機遇。為適應這種需求，迫切需要拓展現(xiàn)有經(jīng)典的礦質(zhì)營養(yǎng)框架，在有機營養(yǎng)理論方面取得突破，構建有機礦質(zhì)營養(yǎng)理論的新體系。本文提出了有機碳肥的概念，分析了有機碳肥的特點及施肥補碳的重要性，討論了有機碳肥在平衡施肥中的應用，指出基于有機碳概念的新型肥料研發(fā)是重大技術前沿和現(xiàn)代植物營養(yǎng)理論中富有生機的學術生長點。

礦質(zhì)營養(yǎng)；有機營養(yǎng)；碳饑餓；有機碳肥

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%[1]，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[1]，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[1–3]，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[4]。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[5]。

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[6–8]，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[5–6]。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[5]。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[7–9]，且肥效往往優(yōu)于無機氮[10–11]。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[7–8]。

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[1]，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[1]。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)構復雜程度和反應步驟有關。有機碳營養(yǎng)如氨基酸、多肽、腐殖酸，其結(jié)構越復雜，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，可謂是構成作物生化組分的高端預構件。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[6]。

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。

表 1 有機碳肥和二氧化碳對作物碳營養(yǎng)的有效性Table 1 Effectiveness of organic carbon fertilizer and CO2 on crop carbon nutrition

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[12–13]，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[5]，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)[7–8]。

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[5, 7–8]。

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[7]。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[14]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%[8]。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[6]。

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)[11, 15]。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[6]。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[16–17]，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[17–19]，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[20–21]。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[6–8]。

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[7–9]，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殖酸、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。

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More attention to organic nutrition research and innovation of organic carbon fertilizers—A modern thinking about classic plant nutrient theory

LIAO Zong-wen, MAO Xiao-yun, LIU Ke-xing
( The College of Natural Resources and Environment of South China Agricultural University, Guangzhou 510225, China )

Carbon is listed on the first of the 17 necessary nutrient elements for plants. For a long time, however,there is little researche on carbon nutrition, even worse on the role of organic carbon in supplementation of plant carbon requirement. Plants are capable of acquiring carbon nutrition from atmosphere through photosynthesis and transferred CO2to organic carbon compounds for physiological metabolism and growth, which could only meet about 1/5 of plant demand in theory, and plants often suffer from carbon hunger actually. Some researches have proved the supplementary C nutrition through fertilization an effective way for increasing yield and quality of crops. The production of efficient carbon-containing fertilizers has offered a new opportunity for modern fertilizer industry. The concept of organic nutrition is proposed in this paper, and the features and importance of organic C fertilizer and its application in balanced fertilization are discussed. Organic C might become the frontier of new fertilizer and modern plant nutrient theory in research and development.

mineral nutrient; organic nutrient; carbon hunger; organic carbon fertilizer

2017–08–14 接受日期：2017–10–21

廣東省科技計劃項目（2015B020237001）資助。

廖宗文(1947—)，男，廣東新會人，教授，主要從事新型肥料研究。E-mail: zwliao@sohu.com