朱昌雄及其团队——为土壤“定向”补碳

◎ 文/徐 丽

朱昌雄及其团队
——为土壤“定向”补碳

◎ 文/徐 丽

有机碳肥生物腐植酸肥料用于安徽省肥东县牌坊乡水稻田，专家现场测产，增产达12%。

我国耕地土壤贫瘠化严重，却遭遇了“肥料换高产”但“增肥低增产”的尴尬。中国农业科学院的朱昌雄研究员及其团队研究后发现，农作物和土壤缺碳是造成我国农业触碰到增产“天花板”的重要原因。

据初步统计，中国耕地中有机质的平均含量仅为2.08%，不但达到了历史最低点，并已接近生态“警戒线”。更令人担忧的是，耕地有机质还在以每年0.05个百分点的趋势下降。

“显然，给土壤补碳，为农业增产创造了很大的提升空间。但需要注意的是，我们给土壤补的碳必须能为土壤和农作物高效吸收。”朱昌雄说。

重新认识土壤的“缺碳”问题

不久前，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的“有机碳肥生物腐植酸的研究与推广应用”项目，获得了2016年中国产学研合作创新成果奖二等奖。

该团队的相关研究起始于2004年，前后历时近12年，这期间朱昌雄和团队成员所经历的种种艰辛可以想见。好在功夫不负有心人，他们的坚持最终换来了丰硕的成果。

在水体污染控制与治理科技重大专项巢湖面源课题（2009ZX07103-002；2013ZX07103-006）和自筹项目的支持下，他们采取产学研合作创新的模式，不仅重新认识了有机碳养分对土壤的重要性，并创新研究开发出系列有机碳肥技术及产品，同时形成了一整套完善的生产工艺与应用技术标准。这些技术突破，实现了对有机废弃物的再次利用，探索出了一条实现循环经济与可持续发展之路，其经济、社会及环境意义均非常显著。

基础研究的每一个重要突破，往往都会明显提升人们认识世界、改造世界的能力。朱昌雄团队的关键突破之一是，发现了植物通过根系吸收有机碳养分的现实性与必要性，且有机碳养分必须是小分子水溶有机碳，应用证明了有机碳养分对土壤的重要性。

碳元素是植物必需的大量元素之首和新陈代谢的能源。作物依靠自然状态的二氧化碳营养补给，但这种靠天补碳的方式仅能满足其需求的五分之一，作物长期处于“碳饥饿”状态。也就是说，通过有机碳肥补碳，可以有效地消除农作物和土壤的“碳饥饿”而实现碳平衡。

补充的碳要发挥作用，吸收显然是关键。事实上，植物碳养分的来源主要是通过叶片的光合作用来吸收二氧化碳，其次还有植物根系所吸收的有机碳养分。而真正能被植物根系吸收的碳养分是可水溶的小分子有机碳，它能随水流进入孔径小得多的根毛吸收孔，故称有效碳。项目组通过大量应用试验证明，有机肥料中对农作物直接起促长作用的有效物质主要是有效碳。同时，有效碳能被土壤微生物直接吸收利用，加快其大量繁殖，是改良土壤促进根系生长的重要因素。

项目组发现，土壤板结并非因为长期施用化肥，而是长期没施入合格的有机肥。土壤微生物得不到有机碳养分就不能正常繁殖，而土壤微生物繁殖所需的碳能源是小分子水溶有机碳。

他们研究发现，生物腐植酸富含水溶性腐植酸、氨基酸和大量有益菌。这为一种新型有机碳肥的诞生提供了“温床”。

引领有机碳肥生物腐植酸的产业化应用

有了理论突破，为使这一创新成果最终能“写在大地上”，朱昌雄和他的研究团队又马不停蹄地开始了有机碳肥生物腐植酸的工艺研发、标准制定、产品生产等产业化的相关工作。

经过努力，他们成功提出了半厌氧发酵和高堆干燥相结合的成套工艺，筛选并生产出了适合该工艺的发酵菌剂，实现了固体有机废弃物和浓缩有机废液联合发酵。朱昌雄说，因传统有机肥定位的错误，有机肥料的生产工艺不考虑制造和保存有效碳，有机物料经好氧高温发酵和多次翻堆，其中的有机质被分解为气体排掉，又经滚筒高温烘干，不但更多地排掉了二氧化碳，其残存的小分子水溶有机碳也因高温而缩合成大分子，这样一来，有机肥料就成了一堆没有精髓的空壳。

针对这些问题，朱昌雄和团队成员们从蔗渣固体发酵过程产物中分离得到了“枯草芽孢杆菌”、“地衣芽孢杆菌”、“链霉菌”等8株生物腐植酸高产菌株。而接种高产复合菌群能缩短发酵物料达到温度峰值的时间，提高温度峰值及纤维素酶活力水平，促进有机物、纤维素和半纤维素的降解，提高蔗渣的生物腐植酸转化率，并增加生物腐植酸产品中的微生物含量。他们新提出的半厌氧发酵和高堆干燥相结合的成套工艺，比传统商品有机肥生产工艺设备投资减少三分之二，单位产品耗能减少三分之二，而产品有效碳含量提高了50%以上。

标准化是规模化必不可少的前提。为此，朱昌雄等着手建立了生物腐植酸产品质量标准及有机碳肥企业标准，提高了生物腐植酸产品的生产能力和质量水平，开发了系列富含活性有机碳的水溶及生物有机肥料。经过联合攻关，项目组不仅建立了液态有机碳肥企业标准及固态有机碳肥企业标准，还研发了液态有机碳肥、液态有机碳微肥、液态有机碳水溶肥、天佳有机碳菌液、有机碳菌肥、有机碳菌剂、有机碳无机菌肥、生物腐植酸等8种有机碳肥系列产品。不仅能替代有机肥、化肥和微生物肥做基肥，还能促根改土松土补碳，提高光合效率，防抗土传病害，促根防病。“生物腐植酸”还可作为高碳有机肥发酵剂、秸秆快速腐熟剂。

为了适应不同的应用环境，他们还研发集成了有机碳肥生物腐植酸的不同应用模式，主要应用于农田养分控流失及土壤补碳、养殖废水处理、退化土壤修复，为建立国家有机碳肥产业打好基础。

朱昌雄介绍，生物腐植酸能全面改善土壤的理化和生物学性质，为植物的存活和生长提供有利保障，还能平衡作物增产与控养分流(淋)失。在大田生物腐植酸菜地效果试验中，生物腐植酸在控制土壤氮、磷、COD通过径流流失及淋溶淋失上具有十分显著的效果。试验结果表明，增施生物腐植酸处理的综合效益均优于不施生物腐植酸的同肥料处理。同时，生物腐植酸给土壤和农作物补碳，解决了多年来存在的施肥阴阳不平衡的问题，使农作物大幅度增产、土壤持续改良。在养殖废水处理应用中，生物腐植酸也发挥了重要作用，猪场废水有机质得到有效降解，粪大肠菌群得到一定程度的减少，速效氮、磷增加，增强了粪液肥水和饲料性的功能。项目组在试验生产中还发现，发酵废水肥塘的塘饲养出来的鱼品质好，没有土腥味，鱼的抗逆能力比较强。在退化土壤修复方面的应用中，朱昌雄及其团队全面系统地研究了不同施用量生物腐植酸对甘草种植区沙退化土壤质量的影响，探讨了生物腐植酸在矿区废弃地土壤微生物生态重建中的作用。

“我们的实验结果显示，生物腐植酸对土壤的物理、化学、生物学性质改善均有很好的促进作用。比如，生物腐植酸+尿素的混施，一定程度上消除了尿素单施对废弃地微生态重建造成的不利影响，进一步提高了微生态重建的效果。”朱昌雄说。

2015年11月，经科技部中国高科技产业化研究会评定，“富含活性有机碳的肥料研发及应用”项目为国际先进的技术开发类应用技术成果，并录入国家科技成果库。

目前，该成果生物腐植酸已广泛应用于种植业、养殖废水处理、退化环境修复等方面，并实现成果产业化，形成了一系列可批量生产的实用性有机碳肥料产品。2012年开始相关产品被陆续投入市场，年产能达3万吨，形成了强大的绿色环保肥料产业群，为保障我国土地永续耕作，提高农业总体产量发挥了重要作用。