有机碳技术与化肥产业结构性改革

李群良，李瑞波

(1.广西大学化学化工学院 广西南宁 530004；2.福建绿洲生化有限公司 福建漳州 363500)



有机碳技术与化肥产业结构性改革

李群良1，李瑞波2

(1.广西大学化学化工学院 广西南宁 530004；2.福建绿洲生化有限公司 福建漳州 363500)

介绍了以有机固体废弃物为原料，经微生物保碳发酵技术发酵生产富含小分子水溶有机碳的有机肥料，即有机碳肥。围绕有机碳肥的核心——水溶有机碳，重点阐述了有机碳肥的生产技术、特点以及对农业用肥的影响，指出有机碳与化肥复配形成有机碳-无机复混肥的优势及应用前景，为我国化肥产业结构性改革提供了一种新思路和方向。

有机碳肥 水溶有机碳 化肥产业 结构性改革

碳元素占植物必需养分的50%以上，是N，P，K总和的5倍之多，这说明碳元素在植物组织细胞构成中具有重要作用，并占有主导地位。然而，在传统的植物营养学中，常把C，H，O，N，P，K列为大量元素，并放在同一个档次。从碳元素在植物必需养分中所占的比例来看，此种排列降低了碳元素的重要性。为此，应将碳元素单独分开，称其为植物营养的基础元素，作为植物营养成分的单独一面，称为阴；将N，P，K及中微量元素当作植物营养成分的另一面，称为阳；H和O(H2O)则是穿合阴阳结合的曲线，形成肥料中营养元素的阴阳太极图，打破了传统的植物营养元素木桶原则。因此，C与N，P，K等矿物质元素之间的平衡是主平衡，而其他矿物质元素之间的平衡是次平衡，忽视C与矿物质元素之间的主平衡，则矿物质养分之间的平衡将变得毫无意义[1]。这不仅在土壤肥料学和植物营养学中具有重要的理论意义，而且在农业平衡施肥实践中也具有重要的实践指导意义。

1 植物碳养分“二通道”吸收机制

目前，传统观念认为碳营养是植物通过光合作用获得的，无需补碳，在保证水分充足的条件下，补充N，P，K等其他营养元素即可，而忽视了碳营养的重要性。殊不知，由于大气中CO2浓度偏低和利用效率不高等问题，再加上植物呼吸作用也会损耗大量碳元素，导致几乎所有植物均处于碳饥饿状态[2- 3]。因此，植物生长不能仅靠天补碳，还应通过地补，即通过施肥补碳。事实上，植物存在“二通道”碳营养吸收机制，韭黄在没有光合作用的情况下也能生长就充分说明了此点。植物不仅靠光合作用固定空气中的碳作为生长营养需要，也能通过根部吸收作用从土壤中获取碳营养以补充光合作用碳营养吸收的不足[4]。实践证明，光合作用补碳是植物碳营养的主通道，根部吸收补碳是次通道，但根部吸收补碳却能大大促进植物光合作用，这就是植物碳营养的“二通道”学说及其辩证关系。根部吸收补碳在植物碳营养吸收方面具有四两拨千斤的作用，成为植物碳营养补充的辅助途径和不可或缺的重要补充方式。

2 有机碳肥及其内涵

在理解了植物“二通道”吸收碳营养的作用机制后，接下来的问题就是如何让植物通过根部吸收补碳，也就是植物根部能利用什么形式的碳元素。答案是小分子水溶有机碳(dissolved organic carbon，简称DOC)，亦称为有机碳营养、有效碳或生物质碳(biocarbon，简称BC)。此种有机化合物被植物和土壤中的微生物直接吸收利用，可作为植物和微生物生长所需的碳源和能源物质，满足植物和微生物生长所需的碳骨架和能量需要[5]。为了与光合作用补碳方式加以区别，称富含BC的有机肥料为有机碳肥(organic carbon fertilizer，简称OCF)。生物质碳和有机碳肥概念的引入将为土壤肥料和植物营养学翻开崭新的一页，既具有重要的学术价值，也具有重要的实践意义。

水溶有机碳是指水溶性高、易被作物吸收的有机碳化合物，如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛及氨基酸等。

碳营养的重要性主要表现在以下几个方面：

(1)碳营养是构成植物体内有机成分碳骨架的必需成分，是植物合成糖类、蛋白质、脂类、酶、信号传递物质及遗传物质核酸等的基础物质。

(2)有机碳营养具有节能、肥效快速的优点。水溶有机碳营养的优越性体现在其跨越了无机CO2经光合作用生成有机物的过程，而是直接从根部吸收有机碳营养分子，具有无需光能、肥效快的特点，这在阴雨天或光照不足时更能显示出有机碳肥的优点，如促长、抗病等。

(3)有机碳营养在平衡施肥中具有组合者作用，是平衡施肥的关键，也是施肥过程中需主要考虑的因素。研究证明，有机与无机元素配合施用，可大幅提高养分利用率、有效性和生理功能。

(4)有机碳营养也是土壤中微生物生长繁殖不可或缺的营养成分，能为微生物提供生长必需的物质和能量，既有利于微生物分解土壤中的有效成分为植物生长提供营养，又有利于微生物与植物的相互作用，增强植物免疫力和保持土壤疏松结构，改善土壤物理化学性状和生物肥力。

(5)有机碳营养成为解决当今化肥工业所存在弊端的关键出路，也是解决城市、工业和农业带来污染的重要措施。如今国内外许多与肥料相关的重大问题，如平衡施肥、水体富营养化、农产品高产优质以及提高肥料利用率等，不仅与现有化肥产品提供的养分有关，而且还与碳营养有密切关系。另外，生产碳肥主要以城市生活垃圾、工农业有机废弃物等为原料，通过碳肥作为桥梁和枢纽节点，可实现碳循环和循环经济建设，同时也有效解决了环境污染的问题。

3 有机碳肥生产技术

目前，有机肥料生产普遍采用高温好氧发酵技术并结合多次翻堆工艺，有机物料被彻底氧化分解，有机质完全被矿化。采用此工艺技术生产的有机肥料将是一堆有机质完全被矿化的空壳，其中的有机碳和有机氮被彻底氧化形成CO2和NH3而挥发至空气中，既污染了环境，又减少了有机肥料中的有效成分[6]，会导致生产的有机肥料品质低下、肥效不明显，只能在一定程度上起到改善土壤物理结构的作用。另外，部分学者或生产企业以有机固体废弃物在缺氧的条件下低温分解有机质制备生物炭(biochar)，但由于这种炭制品不溶于水，植物和微生物不能吸收利用，只是具有碳固定作用而已[7]。碳是一种重要的资源，是构成生命体不可或缺的主要物质成分，不应将其矿化固定下来，而应将其转化为具有生物学活性作用的成分——生物质碳，在碳素循环中有效流通起来(图1)，这样才能彰显对碳素营养的有效管理和充分应用，为人类和社会发展作出贡献。

图1 DOC有效管理及利用

为此，笔者提出保碳发酵技术(图2)，通过生物化工策略将有机物料中的有机质控制性降解或分解在植物或微生物可吸收利用阶段，即控制分解生成大量生物质碳，而不是彻底氧化形成CO2而造成损失。这样既有利于环境保护，实现有机废弃物处理及资源化利用，变废为宝，又有利于生产具有良好肥效的环境友好型高碳有机肥。采用保碳发酵技术生产的高碳有机肥集环保、土壤改良及食品安全于一体，是发展绿色环保和农业可持续发展的需要和保证。

图2 保碳发酵技术示意

传统有机肥生产没有以生产有机碳养分为目标，使有机肥料中有机碳含量过低，无法与化肥工业生产的氮、磷、钾肥料配合使用，虽有有机-无机复混肥之名，却无有机-无机复混肥之实际功效，导致有机肥料产业无法与化肥工业实质性对接，肥料中严重缺碳而N，P，K相对过量，致使肥料中阴阳主平衡失调，进而引发土壤处于亚健康、水体富营养化、食品安全问题等一系列后续连锁反应。因此，只有将富含有效碳的有机碳肥与化肥工业生产的氮、磷、钾等肥料配合使用，才能实现肥料中的阴阳主平衡，保证粮食优质高产。

4 有机碳技术与化肥产业的结构性改革

2014年，我国化肥产量由往年的增长变为下滑，化肥总产量首次出现下跌趋势，其中：全年化肥产量累计为69 336.9 kt，同比减少0.7%；氮肥产量是继2010年以后第2次出现下滑，钾肥产量持续呈现大幅增长，磷肥产量小幅增长。数据显示，2014年我国化肥总产能已达到131 670 kt/a，而我国化肥需求量仅为48 940 kt，产能严重过剩[8]。近年来，由于产能过剩、市场需求下降、利润偏低、市场竞争加剧等因素制约了化肥行业发展，因此，调整化肥产业结构、实行化肥产业供给侧改革成为化肥行业健康发展的必由之路。

在化肥产业结构中引入有机碳技术，将有机碳与化肥中的N，P，K等元素按一定比例有效混合，实现有机碳营养与无机化肥营养成分的优势互补，真正为农业打造一种优质的有机碳-无机复混肥，改善作物生长中的营养阴阳平衡，促进化肥的吸收利用，增进作物抗逆性和优质高产，改善土壤结构，实现肥料的有效管理和利用，为化肥产业供给侧结构性改革提供一种新的思路，也为改善土壤结构、减少环境污染和农业可持续发展作出贡献。

[1] 李瑞波，李群良.有机碳肥与农业现代化[J].科技创新与品牌，2015(9)：61- 65.

[2] 廖宗文，毛小云，刘可星.有机碳肥对养分平衡的作用初探——试析植物营养中的碳短板[J].土壤学报，2014(3):656- 659.

[3] 桂丕，廖宗文，汪立梅，等.弱光照条件下有机碳营养对水稻生长的影响[J].土壤通报，2015(4)：936- 939.

[4] 李瑞波，吴少全.生物腐植酸与有机碳肥[M].北京：化学工业出版社，2014.

[5] LEHMANN J, KLEBER M. The contentious nature of soil organic matter[J]. Nature International Weekly Journal of Science, 2015(7580)：60- 68.

[6] 唐璐，曹晓晓，和苗苗.好氧堆肥过程中含碳有机物演化特征研究进展[J].杭州师范大学学报(自然科学版)，2015(2)：217- 224.

[7] LEHMANN J. A handful of carbon[J]. Nature，2007(7141)：143- 144.

[8] 中国产业信息网.2015—2020年中国化肥产业研究及投资前景分析报告[R].北京：中国产业信息网，2015.

Organic Carbon Technology and Structural Reform of Chemical Fertilizer Industry

LI Qunliang1, LI Ruibo2

(1.Chemistry and Chemical Engineering College of Guangxi University Guangxi Nanning 530004；2.Fujian Lüzhou Biochemical Co., Ltd. Fujian Zhangzhou 363500)

A description is given that solid organic waste is used as raw material, by fermentation with microbiological carbon preservation fermentation technology, the organic fertilizer rich in dissolved organic carbon with small molecules, i.e., organic carbon fertilizer, is produced. Around the core of organic carbon fertilizer——dissolved organic carbon, the production technology of organic carbon fertilize, its characteristics and the effect of it on fertilizer uses in agriculture are focused on, the advantages and application prospect of organic carbon-inorganic compound fertilizer which is formed by compounding organic carbon and chemical fertilizer are pointed out, and it provides a new idea and direction for structural reformation of chemical fertilizer industry in China.

organic carbon fertilizer dissolved organic carbon chemical fertilizer industry structural reform

李群良(1974—)，博士，副教授，主要从事植物有机碳营养及其生产技术研究；liqunliang231@163.com。

S153.6+2

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1006- 7779(2016)05- 0017- 03

2016- 06- 07)