作者:张行勇 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2015/7/2 21:28:46
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重新认识化肥或是解决过量施用的关键

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重新认识化肥或是解决过量施用的关键

本报记者 张行勇

目前生态环境恶化和不可再生资源快速耗竭问题是严重束缚我国农业长远发展的两道“紧箍咒”。

大量使用化肥、农药、农膜等化学产品,不仅使地越种越薄,还带来严重的面源污染,严重危及农产品质量安全和农业持续发展。因此,农业部提出制定出台了《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》,确保到2020年实现"一控两减三基本"的目标。

“一控”,即控制用水总量;“两减”,即化肥农药减量;“三基本”,即畜禽粪污、农膜、农作物秸秆基本得到资源化、综合循环再利用和无害化处理。于是,一些专家学者提出发展“种养平衡”的农业生产模式等,为实现“一控两减三基本”目标提高创新路径。

近日,《中国科学报》记者在杨凌农业示范区了解到,以西北农林科技大学资源环境学院 植物营养学博士刘存寿副研究员为带头人的研发团队历经近20年的研究,其成果可为实现“一控两减三基本”的目标提供理论支撑和技术保障。

理论创新,为"一控两减三基本"提供理论支撑

1840年,德国著名化学家李比希创立了植物矿物质营养学说,这一学说对化肥工业发展和提高作物产量做出不可磨灭的贡献。然而,无论是发达国家还是发展中国家,随着化肥施用期延长和施用量增加,特别是作物产量提高到一定程度后无一例外地出现了肥效益递减、土壤环境恶化、农产品品质下降、环境污染等一系列化肥副作用问题。

人们通常将化肥副作用归结为化肥施用比例不合适、农民盲目施肥所致。但刘存寿不认同这种观点。

“既然从化肥施用早的发达国家到施用晚的发展中国家,无一例外地出现了化肥副作用,其中必有深层次的原因。”为此,他从原始森林土壤入手,研究自然植物营养循环过程,通过与化学农业方法相比较,以期找到化肥副作用形成的原因。

学科交叉融合、利用现代分析方法是刘存寿研发团队取得植物营养原理理论突破的关键所在。土壤和植物营养教科书将土壤腐殖质定义为及其复杂不可知物质,经典方法是按在不同介质中的溶解性分离成黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸三组物质,其中水溶性腐殖酸是植物最速效、最直接的营养物质。

为了明确水溶性腐殖酸的植物营养功能来源,他们组织植物营养、生物化学、植物生理和仪器分析专家联合攻关,用两年时间攻克了水溶性腐殖酸有机物质成分测定方法,从水溶性腐殖酸中测定到约2000种有机物质,按照这些物质的植物生理作用划分植物生长刺激物、代谢酶、信号物、细胞膜稳定物、抑菌物、抗虫物和营养物七大类;用ICP分析仪测定到水溶性腐殖酸中含有38种矿物元素;由于水溶性腐殖酸中90%的氮磷元素存在于有机分子中,而且所有有机成分均为不饱和物,含有大量羧基、羟基、羰基、氨基等活性官能团。以此分析认为,水溶性腐殖酸中的矿物质元素应该以有机配位化合物形态赋存。借用《中药配位化学》研究方法,证明了水溶性腐殖酸中所有矿物元素均以有机配位态和无机离子态两种化学形态存在。

在明确了自然植物营养循环过程中植物营养种类、矿物质元素赋存的化学形态基础上,进行了土壤培养和植物测定验证。其结果表明,向土壤添加天然有机物培养至腐殖化完成后,土壤水溶性腐殖酸有机成分种类、矿物元素种类和矿物元素化学形态与自然森林土壤完全一致;新鲜植物叶片中矿物元素种类及其化学形态与水溶性腐殖酸中元素种类和化学形态完全一致。

为了明确水溶性腐殖酸有机成分、矿物元素种类和矿物元素的有机配位化合物对植物营养的影响,该研究团队进一步进行了植物吸收小分子有机物、不同矿物元素对植物生理影响和水溶性腐殖酸对无机铵态氮、无机磷肥和代表性无机金属离子的配位作用及其配位化合物植物生物有效性研究。研究结果表明,植物根系可以直接吸收不同结构的有机小分子;某些稀有元素和稀土元素具有很强的植物生理作用;水溶性腐殖酸不仅能够与外源无机铵态氮、磷、金属离子形成配合物,这些配合物以不同机理影响矿物元素的生物有效性,如:铵态氮有机配合物能够抵抗硝化细菌氧化,防治硝态氮淋溶,从而大幅度提高氮素营养利用效率;磷酸有机配合物避免无机磷酸根与无机钙、铁、锌等阳离子发生复分解反应而化学沉淀,等等,强化养分吸收。

至此,刘存寿从上述系统研究结果中提炼出、验证了三条自然植物营养原理:(1)植物根系能够吸收多种有机营养;(2)植物健康生长需要吸收多种矿物质元素;(3)植物矿物质养分的有机配位化合物植物生物有效性更高。

由此,化肥副作用形成就从理论上就揭示并阐明。由于化肥均是无机盐类,且仅提供氮磷钾三种营养元素,营养种类和化学形态均不满足植物营养需求,长期单一施用化肥导致植物有机营养与矿物质营养、大量营养元素与其它矿物质营养元素双重失衡。随着失衡程度加深,化肥副作用逐一显现并不断加重。

据了解,在李比希提出植物矿物质营养理论之前,欧洲流行德国化学家范泰耶尔就提出了植物腐殖质营养理论;而在上世纪50年代,我国植物生理与植物营养学家孙羲根据自己的研究结果,提出了植物有机-矿物质营养理论,认为有机营养和矿物质营养对植物同等重要。但限于当时测试手段,没有充分的物质实证。

技术创新,为“一控两减三基本”提供技术保障

土壤是由土壤有机物、土壤微生物和土壤矿物构成的生命体系。土壤有机物为土壤微生物提供碳营养,微生物利用有机物过程中降解生成的小分子有机活性物成为植物有机营养,微生物利用土壤和有机物中的矿物养分得到活化,微生物分泌酶和代谢激素等同样是植物有机营养,有机活性物与矿物质配位作用不仅提高了矿物养分的生物有效性,而且促使土壤形成团粒结构,为植物提供良好的水、气、热条件。显然,土壤微生物在土壤肥力形成和植物营养供应方面具有媒介和桥梁作用,这种媒介的结果就是产生水溶性腐殖酸。

通常情况下,传统有机肥实际是天然有机物,在被土壤微生物降解过程中约70%有机碳被氧化成二氧化碳,12%形成微生物碳,15%形成土壤固定态碳,仅3%左右有机碳转化成水溶性腐殖酸。因此,提高有机碳植物利用效率和养殖粪便、城市污泥完全无害化处理一直是一些专家努力攻克的目标课题。

经过5年反复实验,采用人工模拟微生物原理,利用物理化学方法使天然有机物4小时内完全降解,速度是微生物的180倍,有机碳水溶性转化率95%以上,有害微生物杀灭率100%,抗生素和合成西药无害化率98%以上。

按照自然植物营养原理,将水溶性腐殖酸与各种无机矿物离子和氮磷钾化肥进行配位反应,制备成仿生有机复合肥。仿生有机复合肥利用了自然有机-无机配合物的缓控释原理,氮素利用率比化肥提高近100%,磷素利用率比化肥提高200%以上。仿生有机复合肥克服了普通有机肥和化肥的缺点,保留且强化了两者优点,实现作物高产、产品优质和土壤培肥三位一体,保障作物产量和品质前提下,大幅度减少化肥施用量。土壤健康了,植物自然健康,农药用量自然减少。

肥效是检验创新成果的试金石

“仿生有机复合肥”进行了近10年多地多作物试验、示范和大面积施用结果表明,其可使作物高产与优质相统一,营养与抗性相统一,用地与养地相统一,实现标准化水肥一体化施肥。

据项目组介绍,经在宁夏大米,太白蔬菜和乾县苹果的使用试验,其均达到有机农产品质量标准,产量高于纯化肥对照。特别是乾县苹果示范园,连续5年施用有机全营养复合肥料,苹果产量提高42%,化肥用量减少近50%,肥料投资减少26%下,亩产高达6000公斤。

仿生有机复合肥现已规模化工业生产。分别于2009年和2013年在内蒙古鄂尔多斯和陕西建起10万吨和30万吨生产线。

2014年,刘存寿应邀参加了院士咨询项目—“中国化肥问题与对策”研讨会。

今年4月16--18日,中国科学院院士、俄罗斯国际科学院外籍院士、厦门大学赵玉芬教授专程就绿色有机肥研究到西北农林科技大学调研,对刘存寿副研究员关于化肥副作用的系统研究表示高度肯定,认为其研究结果将理论创新、方法创新与技术产业化于一体,符合香山会议宗旨,邀请刘存寿在香山会议作《模拟自然植物营养原理生产绿色肥料技术研究》专题报告。

 
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