朱昌雄及其團(tuán)隊
——為土壤“定向”補碳

◎ 文/徐 麗

朱昌雄及其團(tuán)隊
——為土壤“定向”補碳

◎ 文/徐 麗

有機碳肥生物腐植酸肥料用于安徽省肥東縣牌坊鄉(xiāng)水稻田，專家現(xiàn)場測產(chǎn)，增產(chǎn)達(dá)12%。

我國耕地土壤貧瘠化嚴(yán)重，卻遭遇了“肥料換高產(chǎn)”但“增肥低增產(chǎn)”的尷尬。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的朱昌雄研究員及其團(tuán)隊研究后發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物和土壤缺碳是造成我國農(nóng)業(yè)觸碰到增產(chǎn)“天花板”的重要原因。

據(jù)初步統(tǒng)計，中國耕地中有機質(zhì)的平均含量僅為2.08%，不但達(dá)到了歷史最低點，并已接近生態(tài)“警戒線”。更令人擔(dān)憂的是，耕地有機質(zhì)還在以每年0.05個百分點的趨勢下降。

“顯然，給土壤補碳，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)創(chuàng)造了很大的提升空間。但需要注意的是，我們給土壤補的碳必須能為土壤和農(nóng)作物高效吸收?！敝觳壅f。

重新認(rèn)識土壤的“缺碳”問題

不久前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所的“有機碳肥生物腐植酸的研究與推廣應(yīng)用”項目，獲得了2016年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎二等獎。

該團(tuán)隊的相關(guān)研究起始于2004年，前后歷時近12年，這期間朱昌雄和團(tuán)隊成員所經(jīng)歷的種種艱辛可以想見。好在功夫不負(fù)有心人，他們的堅持最終換來了豐碩的成果。

在水體污染控制與治理科技重大專項巢湖面源課題（2009ZX07103-002；2013ZX07103-006）和自籌項目的支持下，他們采取產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新的模式，不僅重新認(rèn)識了有機碳養(yǎng)分對土壤的重要性，并創(chuàng)新研究開發(fā)出系列有機碳肥技術(shù)及產(chǎn)品，同時形成了一整套完善的生產(chǎn)工藝與應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)突破，實現(xiàn)了對有機廢棄物的再次利用，探索出了一條實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展之路，其經(jīng)濟(jì)、社會及環(huán)境意義均非常顯著。

基礎(chǔ)研究的每一個重要突破，往往都會明顯提升人們認(rèn)識世界、改造世界的能力。朱昌雄團(tuán)隊的關(guān)鍵突破之一是，發(fā)現(xiàn)了植物通過根系吸收有機碳養(yǎng)分的現(xiàn)實性與必要性，且有機碳養(yǎng)分必須是小分子水溶有機碳，應(yīng)用證明了有機碳養(yǎng)分對土壤的重要性。

碳元素是植物必需的大量元素之首和新陳代謝的能源。作物依靠自然狀態(tài)的二氧化碳營養(yǎng)補給，但這種靠天補碳的方式僅能滿足其需求的五分之一，作物長期處于“碳饑餓”狀態(tài)。也就是說，通過有機碳肥補碳，可以有效地消除農(nóng)作物和土壤的“碳饑餓”而實現(xiàn)碳平衡。

補充的碳要發(fā)揮作用，吸收顯然是關(guān)鍵。事實上，植物碳養(yǎng)分的來源主要是通過葉片的光合作用來吸收二氧化碳，其次還有植物根系所吸收的有機碳養(yǎng)分。而真正能被植物根系吸收的碳養(yǎng)分是可水溶的小分子有機碳，它能隨水流進(jìn)入孔徑小得多的根毛吸收孔，故稱有效碳。項目組通過大量應(yīng)用試驗證明，有機肥料中對農(nóng)作物直接起促長作用的有效物質(zhì)主要是有效碳。同時，有效碳能被土壤微生物直接吸收利用，加快其大量繁殖，是改良土壤促進(jìn)根系生長的重要因素。

項目組發(fā)現(xiàn)，土壤板結(jié)并非因為長期施用化肥，而是長期沒施入合格的有機肥。土壤微生物得不到有機碳養(yǎng)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機碳。

他們研究發(fā)現(xiàn)，生物腐植酸富含水溶性腐植酸、氨基酸和大量有益菌。這為一種新型有機碳肥的誕生提供了“溫床”。

引領(lǐng)有機碳肥生物腐植酸的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

有了理論突破，為使這一創(chuàng)新成果最終能“寫在大地上”，朱昌雄和他的研究團(tuán)隊又馬不停蹄地開始了有機碳肥生物腐植酸的工藝研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)品生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)工作。

經(jīng)過努力，他們成功提出了半?yún)捬醢l(fā)酵和高堆干燥相結(jié)合的成套工藝，篩選并生產(chǎn)出了適合該工藝的發(fā)酵菌劑，實現(xiàn)了固體有機廢棄物和濃縮有機廢液聯(lián)合發(fā)酵。朱昌雄說，因傳統(tǒng)有機肥定位的錯誤，有機肥料的生產(chǎn)工藝不考慮制造和保存有效碳，有機物料經(jīng)好氧高溫發(fā)酵和多次翻堆，其中的有機質(zhì)被分解為氣體排掉，又經(jīng)滾筒高溫烘干，不但更多地排掉了二氧化碳，其殘存的小分子水溶有機碳也因高溫而縮合成大分子，這樣一來，有機肥料就成了一堆沒有精髓的空殼。

針對這些問題，朱昌雄和團(tuán)隊成員們從蔗渣固體發(fā)酵過程產(chǎn)物中分離得到了“枯草芽孢桿菌”、“地衣芽孢桿菌”、“鏈霉菌”等8株生物腐植酸高產(chǎn)菌株。而接種高產(chǎn)復(fù)合菌群能縮短發(fā)酵物料達(dá)到溫度峰值的時間，提高溫度峰值及纖維素酶活力水平，促進(jìn)有機物、纖維素和半纖維素的降解，提高蔗渣的生物腐植酸轉(zhuǎn)化率，并增加生物腐植酸產(chǎn)品中的微生物含量。他們新提出的半?yún)捬醢l(fā)酵和高堆干燥相結(jié)合的成套工藝，比傳統(tǒng)商品有機肥生產(chǎn)工藝設(shè)備投資減少三分之二，單位產(chǎn)品耗能減少三分之二，而產(chǎn)品有效碳含量提高了50%以上。

標(biāo)準(zhǔn)化是規(guī)?；夭豢缮俚那疤?。為此，朱昌雄等著手建立了生物腐植酸產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及有機碳肥企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高了生物腐植酸產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和質(zhì)量水平，開發(fā)了系列富含活性有機碳的水溶及生物有機肥料。經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān)，項目組不僅建立了液態(tài)有機碳肥企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及固態(tài)有機碳肥企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，還研發(fā)了液態(tài)有機碳肥、液態(tài)有機碳微肥、液態(tài)有機碳水溶肥、天佳有機碳菌液、有機碳菌肥、有機碳菌劑、有機碳無機菌肥、生物腐植酸等8種有機碳肥系列產(chǎn)品。不僅能替代有機肥、化肥和微生物肥做基肥，還能促根改土松土補碳，提高光合效率，防抗土傳病害，促根防病?！吧锔菜帷边€可作為高碳有機肥發(fā)酵劑、秸稈快速腐熟劑。

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，他們還研發(fā)集成了有機碳肥生物腐植酸的不同應(yīng)用模式，主要應(yīng)用于農(nóng)田養(yǎng)分控流失及土壤補碳、養(yǎng)殖廢水處理、退化土壤修復(fù)，為建立國家有機碳肥產(chǎn)業(yè)打好基礎(chǔ)。

朱昌雄介紹，生物腐植酸能全面改善土壤的理化和生物學(xué)性質(zhì)，為植物的存活和生長提供有利保障，還能平衡作物增產(chǎn)與控養(yǎng)分流(淋)失。在大田生物腐植酸菜地效果試驗中，生物腐植酸在控制土壤氮、磷、COD通過徑流流失及淋溶淋失上具有十分顯著的效果。試驗結(jié)果表明，增施生物腐植酸處理的綜合效益均優(yōu)于不施生物腐植酸的同肥料處理。同時，生物腐植酸給土壤和農(nóng)作物補碳，解決了多年來存在的施肥陰陽不平衡的問題，使農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)、土壤持續(xù)改良。在養(yǎng)殖廢水處理應(yīng)用中，生物腐植酸也發(fā)揮了重要作用，豬場廢水有機質(zhì)得到有效降解，糞大腸菌群得到一定程度的減少，速效氮、磷增加，增強了糞液肥水和飼料性的功能。項目組在試驗生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵廢水肥塘的塘飼養(yǎng)出來的魚品質(zhì)好，沒有土腥味，魚的抗逆能力比較強。在退化土壤修復(fù)方面的應(yīng)用中，朱昌雄及其團(tuán)隊全面系統(tǒng)地研究了不同施用量生物腐植酸對甘草種植區(qū)沙退化土壤質(zhì)量的影響，探討了生物腐植酸在礦區(qū)廢棄地土壤微生物生態(tài)重建中的作用。

“我們的實驗結(jié)果顯示，生物腐植酸對土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)改善均有很好的促進(jìn)作用。比如，生物腐植酸+尿素的混施，一定程度上消除了尿素單施對廢棄地微生態(tài)重建造成的不利影響，進(jìn)一步提高了微生態(tài)重建的效果?！敝觳壅f。

2015年11月，經(jīng)科技部中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會評定，“富含活性有機碳的肥料研發(fā)及應(yīng)用”項目為國際先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)類應(yīng)用技術(shù)成果，并錄入國家科技成果庫。

目前，該成果生物腐植酸已廣泛應(yīng)用于種植業(yè)、養(yǎng)殖廢水處理、退化環(huán)境修復(fù)等方面，并實現(xiàn)成果產(chǎn)業(yè)化，形成了一系列可批量生產(chǎn)的實用性有機碳肥料產(chǎn)品。2012年開始相關(guān)產(chǎn)品被陸續(xù)投入市場，年產(chǎn)能達(dá)3萬噸，形成了強大的綠色環(huán)保肥料產(chǎn)業(yè)群，為保障我國土地永續(xù)耕作，提高農(nóng)業(yè)總體產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用。