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有機碳肥與農業(yè)現代化

內容摘要：對植物營養(yǎng)元素碳的定位及其來源的認識偏差，是造成“化學農業(yè)”耕作方式缺陷的重要原因。土壤中有機養(yǎng)分的有效物質是植物根系可直接吸收的小分子水溶有機碳。以提供小分子水溶有機碳為目標的有機碳肥，具有廣泛的農業(yè)功能和環(huán)保功能，它將推動農業(yè)走上土壤肥力陰陽平衡、作物高產優(yōu)質和生態(tài)改善的發(fā)展之路。關鍵詞有機碳養(yǎng)分有機碳肥陰陽平衡物質大循環(huán) 一、對“碳”認識的偏差造成農業(yè)重大損失肥料總體可分為有機肥料和無機肥料兩大類，它們互相不能取代，也不能一衰一盛，而應陰陽結合，陰陽平衡，形成土壤和農作物的良好的營養(yǎng)基礎，才有農業(yè)的繁榮發(fā)達。綜觀我國肥料行業(yè)，化肥品種繁多產能過剩。而有機肥料卻成本高、肥效低，農民不愛用。又由于它的標準不科學，還被不法廠商鉆空子，粗制濫造，劣質有機肥坑農害民的現象不斷發(fā)生。農民極難買到優(yōu)質放心的商品有機肥。本應撐起肥料領域“半邊天”的有機肥料逐漸被邊緣化。有機肥料落到今日這種地步，原因何在呢? 首先，在上世紀五十年代我國建設肥料產業(yè)時，有機肥料就拜錯了師門。我國農業(yè)文明延續(xù)幾千年，這在世界上是罕見的奇跡。幾千年農業(yè)文明傳承的密碼是什么?物質循環(huán)!有機農業(yè)耕作中注重培肥地力，把有機廢棄物通過堆肥的方式進行腐解處理然后反哺土地。這個循環(huán)中最主要的物質是碳，物質循環(huán)也即歸碳于土、貯碳于土。我國農村過去幾乎家家戶戶搞“堆肥”。這種堆肥的要點就是半厭氧發(fā)酵(不翻堆)和自然堆積燜干。這種“安安靜靜”的生產工藝既達到有機物料的腐解，又最大限度減少了碳損耗。然而我國商品有機肥的生產技術不采堆肥技術之所長，卻采用“轟轟烈烈”的新工藝：又是好氧高溫發(fā)酵，又是多次翻堆，還有高溫烘干，把有機物料中的碳養(yǎng)分大量氧化成二氧化碳排掉。達到了生產“礦化腐殖質”的目的:生產出了一堆“粗、重、慢”的空殼。這里明顯有化工工藝的痕跡。有機肥料現行標準(NY525-2012)規(guī)定有機肥料正面的質量技術指標是：“有機質含量(干基計)≥45%”，“總養(yǎng)分(干基計)N+P2O5+K2O≥5%”。內行人都知道，有機物料發(fā)酵過程中消耗的就是有機碳，同一批物料發(fā)酵后干物質中有機質含量是下降的，那么以“有機質含量”作為質量指標有何意義?而“總養(yǎng)分”指標中，全是無機養(yǎng)分，不見有機養(yǎng)分(水溶有機碳)的影子。有機肥料不提供有機養(yǎng)分，三十多年農業(yè)耕作不重視有機肥，就導致耕地有機質含量連續(xù)下跌，農田貧瘠化嚴重。為什么會出現長達三十年的“化學農業(yè)耕作”?根本原因在于化學植物營養(yǎng)學理論的如下重大錯漏。 1、認為植物有機營養(yǎng)僅來源于空氣中的二氧化碳經葉片吸收和葉綠素光合作用轉化，不認為植物根系能直接吸收有機碳養(yǎng)分。這就是植物有機碳來源“一通道說”。實際上存在由根系吸收的第二碳通道。不了解第二碳通道，就不重視給土壤補碳，導致土壤碳貧瘠和農作物缺碳。 2、對植物營養(yǎng)元素碳的定位不準確。植物干物質中碳占35%左右，再加上植物生長過程新陳代謝消耗大量碳，所以植物所需碳總量超過總養(yǎng)分量的50%。而植物各營養(yǎng)元素區(qū)劃原則是根據植物實際需求量的多、少、微來區(qū)分的。碳元素所需總量與其他各“大量元素”不在同一數級上，它在植物物質結構形成過程中起著“組合者”的作用。所以從理論上把碳正名為“基礎元素”以區(qū)別于大量元素，才有利于正確研究植物營養(yǎng)。基于這樣的認識，我們重新檢視傳統(tǒng)植物營養(yǎng)學的“木桶規(guī)則”。當碳(C)“板條”寬度相當于其他十幾塊“板條”寬度的總和時，還能箍成木桶嗎?所謂量變到質變，碳已經不是組成木桶壁的一塊板條，而是以碳為陰面，以十幾種礦質元素為陽面的陰陽關系，而氫和氧(即H2O)屬中性，穿合于陰陽之間，沒有它，陰陽不可能結合。這就是土壤肥力陰陽平衡關系。圖1.土壤肥力陰陽平衡動態(tài)圖陰盛陽衰(純有機種植)，農作物沒有高產;陽盛陰衰(化學農業(yè)耕作)，農作物也沒有高產。只有陰陽平衡且肥水充盈時，農作物才能發(fā)揮出最佳生產能力。所以陰陽平衡是大平衡，主平衡，無機元素平衡是小平衡、次平衡。只有陰陽平衡，無機元素平衡才能發(fā)揮實際效果。 3、把無機養(yǎng)分“離子說”絕對化，造成對無機養(yǎng)分利用率低的原因的誤判。植物在原生態(tài)或肥沃的土壤中，無機養(yǎng)分與有機養(yǎng)分以多種形態(tài)結合成“有機無機”零電價態(tài)被植物根系吸收，有機養(yǎng)分利用率更高?？梢姛o機養(yǎng)分離子態(tài)被吸收是在貧瘠土壤中才會出現。同性離子間互相排斥，異性離子結合成水不溶物，化肥利用率就低。另一方面，有機碳和各無機元素是以嚴格的配比，按植物DNA指令組裝到植物細胞的，有機碳養(yǎng)分匱乏，無機養(yǎng)分離子比例過大，就會富余出大量無機離子，游離于植物胞外液中，導致植物對無機養(yǎng)分的需求弱化，這是化肥利用率低的深層次原因，也是農作物低產的根本原因。 4、對土壤中碳養(yǎng)分存在形態(tài)的誤判。土壤有機質中的有機碳，絕大部分是不溶于水的，它不是真實的碳養(yǎng)分。沒能向土壤微生物提供足夠的可直接吸收的水溶有機碳肥料，微生物不能正常繁殖才導致土壤板結。對這個問題缺乏清晰的認識，微生物制劑不帶有機碳養(yǎng)分，相當于不備軍糧的空降兵，這是目前大量微生物制劑施到土壤中效果不佳、秸稈腐熟劑農民不愛用的原因。土壤板結與施用化肥沒有太多關聯(lián)。以上各點都可以歸結為對植物碳養(yǎng)分認識的偏差。這些理論的重大錯漏影響我們幾十年，造成農業(yè)領域的政策、技術、產業(yè)和耕作方式等方面都產生大量的失誤。耕地普遍缺碳，農作物大面積缺碳病，其造成的損失是難以用數字表達的。我們祖先五千年積累的農業(yè)文明遺產將因五十年的“化學農業(yè)耕作方式”而耗盡。算起來歷史留給我們挽救的時間只剩二十年了。二、有機碳肥產品的研發(fā) 人類在一百七十多年前開始創(chuàng)建化肥工業(yè)，解決了向農作物高效富集地提供礦物質養(yǎng)分的技術問題，卻至今未能建立高效富集的植物有機質養(yǎng)分的工業(yè)化體系。肥料工業(yè)的一條腿早已跨進了農業(yè)現代化門坎，另一條腿卻還拖在小農經濟時代。有機碳肥研發(fā)的目標，就是生產富含植物有機養(yǎng)分的肥料。植物有機養(yǎng)分的有效物質是植物根系可直接吸收的小分子水溶有機碳。這種“有機”分子粒徑小于800納米，親水性，其在水溶液中呈無定形“云團狀”，能隨水流被吸入口徑小得多的植物根毛孔。利用固液有機廢棄物為原料，經微生物發(fā)酵或生化裂解，生產出液態(tài)有機碳肥和高碳有機肥，再利用這兩種基礎產品生產其他衍生產品。有機碳肥制造工藝路線圖如下：圖2.有機碳肥生產工藝路線有機碳肥系列產品，都以小分子水溶有機碳為主要有效成份，以保證施用后短期內其所提供的植物有機養(yǎng)分不少于10倍傳統(tǒng)有機肥的有機養(yǎng)分。以下是目前有機碳肥各品種的技術指標，其中“EC”即有效碳，指小分子水溶有機質的含碳量。表1.現有各有機碳肥品種的技術指標及性能特征用全新的檢測方法進行檢測：嚴格界定是否合格時，以DLS納米測粒儀，測出水溶上清液中的分子粒徑平均小于650納米，且該部分在溶液中含碳量與樣品總質量之比符合上表為合格。工廠化驗室快速測試方法，是將樣品水溶上清液通過650納米濾膜后，測得過濾液中含碳量與樣品總質量之比達到上表為合格。有機碳肥還可以同化肥、微生物制劑復配開發(fā)出多款衍生產品，適合一切農作物，可作基肥、追肥、葉面肥和管道輸送，因此它是一類市場前景無比廣闊的高效綠色環(huán)保肥料，其在我國潛在的市場用量每年幾千萬噸。三、有機碳肥的功能(8+1) 有機碳肥在農業(yè)方面有八大功能，加上其環(huán)保貢獻，可概括為(8+1)： 1、有機碳肥是傳統(tǒng)有機肥的升級換代品有機碳肥“有效碳”6%～15%，其有機肥力是傳統(tǒng)有機肥的5～10倍，同功能微生物相匹配使用更能使肥力倍增。每畝每茬用量20～100公斤就見顯效，用量相當于有機肥的5%-10%，使用成本300～500元，相當于使用有機肥成本的40%-50%.有機碳肥單位面積用量少、水溶性好，就能象化肥那樣方便施用，可上山、可入水。填補傳統(tǒng)有機肥難于應用的大量空間。有機碳肥還可管道輸送、可滴灌、可進入無土栽培系統(tǒng)，甚至還可用于氣霧栽培。所以有機碳肥是信息化時代的精品有機肥。 2有機碳肥是化肥的最佳伴侶有機碳肥與化肥混合施用與純化肥對比，在化肥用量不減的情況下，農作物增產30%-100%，有機碳肥與三大化肥配合施用的合理配比如下： EC/W=0.2～0.3 式中：EC為有機碳肥中“有效碳”含碳量; W為(N+P2O5+K2O)總量; 0.2適用于土壤有機質含量較豐富情況; 0.3適用于土壤有機質匱乏的情況; 復合造粒EC/W值建議用0.25～0.3。我國多年來有機無機復混肥料推廣不開，主要原因是粗重的有機肥與精細的化肥門不當戶不對。有機碳肥單位面積用量與化肥相當，混合使用門當戶對。“有機碳無機復混”肥料必成未來主流肥料。 3、有機碳肥是微生物肥料的補碳劑通過施用有機碳肥可以給微生物肥料補碳以提高其有效率。施用有機碳肥后，功能微生物迅速發(fā)展成土壤中的優(yōu)勢種群，隨著土壤水氣熱環(huán)境改善，土壤生態(tài)良性循環(huán)產生的生物多樣性又進一步推動生物肥力的提高，如此，有機碳肥就幫助微生物肥料發(fā)揮出真正威力。 4、有機碳肥是多功能高效土壤調理劑有機碳肥是有機碳養(yǎng)分富集的有機肥，與普通有機肥相比，它不但用量少，而且它的使用濃度恰與功能微生物的需求相適應，能迅速調動和擴大功能微生物的作用，快速改良土壤。有機碳肥的原材料是有機廢棄物，其中的高濃度有機廢水保留并濃縮了有機物質中的水溶碳和中微量元素，這更使它兼具補碳與補素(中微量元素)的雙重功能，所以有機碳肥是一種高效多功能土壤調理劑。 5、有機碳肥是農作物光合作用增強劑有機碳養(yǎng)分經由被土壤微生物吸收、被根系吸收和與礦物質養(yǎng)分融合三種直接作用引發(fā)土壤生物肥力、物理肥力和化學肥力連環(huán)促進的能量傳遞，這個過程的發(fā)展變化導致土壤肥沃和根系發(fā)達，肥水供應充足，從而使植物葉片寬厚，葉綠體碩大、葉綠素豐富，植物光合作用效率大大提高，請看以下兩組對比圖。圖3.有機碳肥對農作物光合作用的影響植物體內每日積累的碳水化合物(有機碳養(yǎng)分)越多，其所吸納的礦物質養(yǎng)分就越多，大體呈正比的關系，所以施用少量有機碳肥，就能使農作物呈現30%甚至100%的增產，就連最難大幅度增產的水稻都能增產30%以上。 6、有機碳肥是農作物防病抗逆機能的促進劑農作物有機碳養(yǎng)分充足，無機養(yǎng)分配套，土壤三大肥力連環(huán)促進，農作物就根深葉茂，對抗病害能力和自我修復能力就增強。土壤肥沃，生物多樣性豐富，氣場旺盛，土壤中和空氣中有益微生物活躍，致病菌難以繁衍，農作物染病的機會就少。所以說有機碳肥是農作物防病抗逆機能的促進劑。 7、有機碳肥是激活農作物生產潛力的能源有機碳肥能激發(fā)農作物的生產潛力。一些禾本科作物，例如水稻、小麥，施用有機碳肥后，有效分蘗數能增加30%以上，增產30%以上。對采摘期長的作物，使植株避免早衰、果實更豐滿，還能延長採摘期。例如蕃茄、茄子、辣椒、四季豆、黃瓜等增產50%以上。利用“有機碳肥+化肥”技術使青花菜一株采三次花，產值增加150%。這方面更大的經濟價值表現在使果樹樹勢壯旺，延長生育樹齡，成為接近原生態(tài)的“長壽樹”。由于有機碳肥助根的“天性”，塊根類作物如：紅薯、馬鈴薯、淮山、蘿卜、胡蘿卜、人參、三七等，使用后塊根碩大、風味特佳。缺碳使許多化肥離子失去了被組合的機會滯留在植物胞外液中，使農產品質量下降口感差。有機碳養(yǎng)分的進入組合了這些垃圾變廢為寶，使農產品既高產又優(yōu)質。例如小番茄甜度提高33%，南方大棚哈密瓜的甜度達到18～19。發(fā)現災害后及時灌施液態(tài)有機碳肥，可使農作物在短時間內恢復長勢，取得較好收獲。施用有機碳肥的豆科作物不倒伏，產量提高30%左右。西蘭花：底肥每畝用復合肥50kg加有機碳菌肥50kg;追肥每畝澆施液態(tài)有機碳肥4次共3kg; 玉米：底肥每畝用復合肥40kg加有機碳菌肥40kg;追肥每畝澆施液態(tài)有機碳肥3次共3kg。圖4.有機碳肥對農作物的增產增收的促進作用 8、有機碳肥護航土地永續(xù)耕作常態(tài)化地開展物質循環(huán)，才能培肥地力。過去行之有效的千家萬戶“積肥”下地的“局部物質循環(huán)”已經式微了，土地缺碳、土壤貧瘠，農作物在亞健康中生長。有機碳肥產業(yè)就是建立大物質循環(huán)的產業(yè)。局部碳循環(huán)沒有了，大量有機廢棄物卻亂堆亂排，我們順勢而為，建立起以有機碳肥為核心的大的碳循環(huán)，就能形成新的培肥地力機制，使土地永續(xù)耕作。 9、有機碳肥產業(yè)對環(huán)境保護的貢獻首先表現在節(jié)能減排和循環(huán)經濟方面。當有機碳肥年產達到3000萬噸時，全國每年可減排COD約400萬噸。這是一種有別于傳統(tǒng)環(huán)保措施的“完全碳回收”措施。請看以下比較圖。圖5.有機碳肥處理技術對環(huán)境保護的重要作用其次表現在對自然環(huán)境的改善方面。有機碳肥是高效土壤調理劑。常態(tài)化施用有機碳肥，土壤物理結構優(yōu)化，水氣熱協(xié)調，有機、無機養(yǎng)分均衡，生物多樣性豐富，土壤就能恢復生命力，提高自凈能力和緩沖調節(jié)能力，溫室氣體排放減少，還給我們一個潔凈清純的大氣環(huán)境。土壤團?；?，壤土層增厚，持水能力增強，有效緩解雨水對地表的沖刷，既保護了土地，又減少對河流湖泊的污染。有機碳肥與化肥配合使用，能使化肥利用率提高30%-50%，這就相應減少了化肥的揮發(fā)和流失，可大大減輕湖泊和近海富營養(yǎng)化的程度。四、有機碳肥產業(yè)展望有機碳肥不但功能廣泛，而且適于解決當前我國農業(yè)面臨的耕地貧瘠，農作物缺碳，農業(yè)環(huán)境惡化等緊迫問題。有機碳肥又是以固液有機廢棄物為原料，原料來源取之不盡，生產過程耗能低，不產生二次污染，完全能發(fā)展成全國性大產業(yè)。我國垃圾圍城、污水橫流的局面，將因有機碳肥產業(yè)的興起而改變。面對著大量有機廢棄物，我們順勢而為建立起大物質循環(huán)體系，請看以下流程圖。圖6.有機碳肥與大物質循環(huán)的關系二十多年來我國耕地有機質含量平均每年下跌0.05個百分點，現在已經跌到2.08%，這種狀況不能在短時期內根本扭轉，農業(yè)現代化就失去土地基礎。如何扭轉?要使1畝耕地有機質含量提高1個百分點，必須施用8噸傳統(tǒng)有機肥。18億畝耕地必須用144億噸。全國有機肥廠卯足勁干，需要70年!怎么辦?面對懸崖絕壁，我們必須另辟蹊徑：找有機碳肥! 有機碳肥產業(yè)加上使用有機碳肥技術改造的化肥、有機肥、微生物肥料產業(yè)，再加上用有機碳肥技術將大量分散的有機廢棄物就地處理成肥料，特別是使用有機碳菌劑快速腐解的秸稈還田技術，形成對我國耕地多渠道多層面的沃土肥田覆蓋，就可以化險為夷，使我國大部分耕地有機質含量每5年升1個百分點，10年內便可以使耕地有機質平均含量大于3.5%。達到此局面，在使用等量化肥的情況下，農業(yè)將整體增收30%以上。與此同時，我國將因上述措施每年減排COD近千萬噸。有機碳肥技術是一項強國富民的創(chuàng)新技術，它將推動農業(yè)徹底告別“化學農業(yè)耕作”方式，走上土壤肥料陰陽平衡、農作物優(yōu)質高產、農業(yè)環(huán)境日益改善的健康發(fā)展之路。

清華大學 2021-04-13

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