新时期开展腐植酸肥料“三化效应”研究势在必行

2015-11-30

    农业生产中的不合理耕作与气候变化的明显耦合关系,是全球碳排放失控的“元凶”之一[1]2013115日,联合国环境规划署在《2013年排放差距报告》中指出,农业领域产生的直接排放占全球温室气体的11%。于此聚焦3点:(1)腐植酸是土壤的“生命核”,是土壤肥力的主要构效者,是土壤稳碳固碳的重要一环。2013114日,中国社会科学院发布《应对气候变化报告(2013)》中指出,土地利用变化对地球碳循环具有重要影响。1750-2011年人为排放到大气的CO25450±850亿吨,其中,土地利用变化排放CO21800±800亿吨,约占全部人为源碳排放量的30%,工业碳排放的43%[2](2)土壤是生命之源。土壤关系人类生存安全,土壤一旦出问题就是最大的民生问题。2014417日,环保部和国土资源部发布了《全国土壤污染状况调查公报》,土壤总超标率为16.1%20141217日,农业部发布了《全国耕地质量等级情况公报》,七成耕地质量有障碍。(3)肥料是作物生命之乳,“庄稼一枝花,全靠肥当家”。20131010日,农业部发布了《中国三大粮食作物肥料利用率研究报告》指出,三大粮食作物氮肥、磷肥和钾肥当季平均利用率分别为33%24%42%2015318日,农业部发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,“提质增效化肥”成为必由之路。

    面对农业排放、土壤污染、耕地质量下降、化肥零增长等方面的压力,开展腐植酸肥料“三化效应”(低碳化、生态化、优质化)研究势在必行。

    1 腐植酸肥料低碳化

    肥料是农业生产过程中一个重要碳排放源[3]。腐植酸肥料的低碳化对农业减排意义重大。

    1.1 腐植酸本身具有低碳化属性

    土壤结构是控制和表征土壤有机碳稳定状态的一个主要物理稳定性综合变量,团聚体是其重要组成部分[4]。团聚体的形成及作用会使土壤结构及微生物生存的物理化学环境发生变化,进而影响土壤中有机碳分解转化和固定[58]。其中,大的水稳性团聚体(>0.25mm)含量与土壤有机碳含量呈显著正相关性[9]

    腐植酸本身是土壤团粒的构造者。在土壤形成过程中,腐植酸与各种微生物分泌的多糖醛酸甙、粘粒矿物以及铁、铝的氢氧化物等,通过不同形式与各种作用力相结合,形成了各种类型的有机无机复合体[10]。同时,在各种表面电荷和作用力下,通过团聚作用而形成不同粒级的团聚体[11]。研究表明,在优化施肥基础上施加腐植酸钾,与农民传统施肥相比,土壤水稳性团聚体>0.25mm粒级的百分含量提高16.53%[12]。团聚体的物理保护有利于减少矿化分解,提高土壤有机碳的稳定性,从而实现固碳,减少碳排放。

    1.2 腐植酸与肥料生产低碳化

    腐植酸肥料生产既节能又减排,低碳化效果显著。研究表明,每施用1kg腐植酸,可节能约62500KJ,折合2kg标煤,同时相应减少CO2排放5.6kg[13]。如果按照2014年我国尿素表观消费量5239万吨(实物量),全部使用腐植酸肥料,其中腐植酸含量按照5%计算,即262万吨腐植酸/年,可节能约1.64×1014KJ,折合523.9万吨标煤,相应减少CO2排放29338.4万吨。

    1.3 腐植酸肥料利用率高必然低碳

    腐植酸肥料提高肥料利用率效果显著。大量科学研究和实践证明,在等养分的情况下,腐植酸肥料比常规肥料利用率平均提高10个百分点以上,相当于肥料利用率净增30%~40[14]2014年我国尿素表观消费量5239万吨(实物量),按照氮肥平均利用率为33%,则实际有效用量为5239×0.33=1729万吨。若按照加入腐植酸后利用率提高30%计算,即实际利用率33%×130%=42.9%,则实际有效用量5239×0.429=2248万吨,相当于有效氮肥多施了2248-1729=519万吨。同样,腐植酸可通过提高磷肥和钾肥利用率而减少肥料用量。如此,腐植酸提高肥料利用率,减少肥料用量,必然低碳。

    1.4 腐植酸肥料减少温室气体排放

    施用腐植酸肥料可减少CO2SO2NOx等温室气体和有毒气体排放。研究表明,每施用1kg腐植酸,节能约62500KJ,折合2kg标煤,相应少排放5.6kg CO2[13]0.09kg SO20.7kgNO2。按照2014年我国化肥总产量约6933万吨(折纯量),折实物肥料约13866万吨计算,假定全部施用腐植酸肥料,其中腐植酸含量按照5%计算(693.3万吨腐植酸/),可减少CO23863万吨、SO258万吨、NO2495万吨,累积减少4416万吨气体排放。

    1.5 腐植酸肥料维持土壤碳平衡

    利用腐植酸肥料反哺土壤,可以发挥“促汇抑源”双重作用。一方面,通过“碳补充”方式,实现“碳截留”,增加碳汇能力。工业利用腐植酸反哺土壤,可以促进土壤团聚体数量增加,提高土壤有机碳含量,增强土壤固碳能力。另一方面,通过增绿固碳,减少碳排放。腐植酸肥料可以增强植物的光合作用,从而有利于更多地吸收自然界中的CO2。研究表明,每施用1kg腐植酸,可增加植物吸收CO2240kg,占总CO2减排量的98%。如果2014年全部施用腐植酸肥料,则可增加植物吸收CO2量高达166392万吨,相当于近十万株(929837)成年大树一年的吸碳量。

    2 腐植酸肥料生态化

    土壤生态系统的稳定性是评价土壤健康和土壤质量的重要指标[15]。腐植酸肥料可以调节生物系统、土壤系统和环境系统之间的物质循环、能量转换和信息传递,提高土壤质量,改善土壤健康状况。

    2.1 腐植酸本身具有生态化效应

    土壤生态系统的功能主要是指它的生产力,即土壤的有效肥力[16]。腐植酸是土壤肥力的基础,生态化功能具足。在土壤固相组成中,除了矿物质之外,就是土壤有机质。土壤腐殖质是土壤有机质中最主要的存在形式,一般占比高达80%。腐植酸是土壤腐殖质中最活跃的组分,一般占比高达75%以上[10]。在土壤形成过程之中,“有机质←→腐殖质←→腐植酸”三者之间密不可分。如果说,土壤有机质是土壤肥力的标志,而腐植酸作为土壤有机质的核心物质,始终贯穿于土壤肥力形成之中,说明腐植酸的优寡直接反映着土壤肥力的状况[14]

    2.2 腐植酸肥料提升土壤质量

    目前,评价土壤质量的指标主要侧重于评价土壤退化和生产力,具体包括土壤物理、化学和生物学指标3个方面[17]。腐植酸肥料于土壤物理、化学和生物学属性融合,可以有效提升土壤质量。(1)腐植酸肥料为土壤物理性质改良提供原动力。腐植酸可有效调节和改良土壤质地[1218],降低土壤容重[1923],增加土壤孔隙度[23],保护和改善土壤结构,增加和保持土壤有效水分[19],调节土壤热状况,增加土壤通气性能,形成有利于植物根系生长发育的良好土壤环境。(2)腐植酸肥料调控和改善土壤的化学性质。腐植酸具有吸附、螯()合、离子交换、氧化还原等功能[13],可以调控和改善土壤的胶体性质、酸碱性、氧化还原性以及配位反应等,使土壤有机质含量增加[202123],速效养分含量提高[202123],酸碱度调节适中[2426],形成适宜植物生长的土壤环境。(3)腐植酸肥料为土壤微生物注入新的活力。腐植酸可以提高土壤微生物活性,增加土壤微生物数量[2227],尤其在提高土壤好氧菌、放线菌、纤维分解菌等3大种群数量方面效果显著,有利于增强土壤酶的活性[22],加速有机物的矿化,促进营养元素的释放[21],改良植物根系的营养条件。

    2.3 腐植酸肥料增强土壤生态功能

    腐植酸肥料在增强土壤生态功能方面具有五大综合特点,可以解决土壤养分失衡、土壤酸化、有害物质积累、生物多样性衰退等给生态系统本身和环境带来的巨大压力和严重威胁。(1)有助于增强肥料持效和缓释性能,且无残留、无污染[2830](2)减少肥料挥发和淋溶[183133](3)优化土壤物理化学结构,提高土壤有机质含量,调节土壤pH值,保持土壤最佳的养分动态平衡,改善土壤保水、保肥、透气性能,过滤降解土壤中的有毒有害物质[1826](4)有利于土壤微生物区系的生态繁衍,促进土壤微生态良性循环[3436](5)促进“土壤—根系—微生物”三者之间有益的相互作用,重构无机有机生物复合体[37]

    2.4 腐植酸肥料防治土壤污染

    腐植酸是净化“土壤血统”的本源性物质,在无机污染物、有机污染物防治与修复等方面大有作为。大量研究表明,腐植酸肥料对土壤中的汞(Hg2+)[38]、镉(Cd2+)[3945]、铜(Cu2+)[4346]、锌(Zn2+)[4046]、铅(Pb2+)[43454748]、铬(Cr6+)[4951]、镍(Ni2+)[4352]等重金属离子,通过离子交换、吸附、络()合、氧化还原等作用[5354]。不同来源和种类的腐植酸,可以通过两个相反的途径减少土壤重金属,一是将重金属固定和钝化,有效减少土壤中可溶性重金属含量,防止被农作物吸收;二是将重金属活化,提高植物可利用态重金属含量,定向种植特种植物将重金属吸收,降低土壤重金属污染[43]。腐植酸肥料可以促进农药降解,对降低土壤中草甘膦、乙草胺、三唑磷残留量有显著的促进作用[5557]。此外,腐植酸肥料还可降低或避免其他化学试剂的引入,有效避免二次污染。

    2.5 腐植酸肥料协调土壤根际环境

    腐植酸是“土壤的活力素”[58],在协调农业生产过程中与土壤根际环境(包括根际的物理、化学和生物环境与作物生长发育、抗逆性和生产力的直接关系)效果显著[59]。大量研究表明,腐植酸肥料可以改良土壤物理、化学和生物学性质[60],保持土壤有效养分支出量与补给量之间的平衡运转[61],促进主根的生长及侧根的形成,提高根的吸收能力[6264],增强植物对逆境的抵抗能力[6566],提高作物产量[606566]

    3 腐植酸肥料优质化

    “肥料优质化”是走高产高效、优质环保、可持续发展之路,促进粮食增产、农民增收和生态环境安全的必然要求。腐植酸肥料与土壤有机质最优良,于化肥提质最和谐,于粮食品质改善最直接,是绿色安全的优质肥料。

    3.1 腐植酸本身是优良的有机质

    凡是有机质不一定是腐植酸,凡是腐植酸一定是最好的有机质[14]。我们必须深刻认识到,工农业副产的有机质不一定安全。随着农业生产方式发生的根本性转变,现代有机肥已经不同于传统有机肥。如人畜粪便、秸秆、动物残体等传统有机物已经失去了“天然本色”,生产传统有机肥的特质已不复存在[146768]

    天然腐植酸是动植物遗骸,主要是植物遗骸,经过微生物的分解和转化,以及地球化学的一系列过程造成和积累起来的一类有机物质[69]。至今,天然腐植酸仍无法人为合成,而腐植酸工业化利用则成为必然。我国煤炭腐植酸(诸如褐煤、风化煤、泥煤等)资源丰富,种类齐全,是提取腐植酸的主要来源[14]。研究表明,煤炭腐植酸与土壤腐殖酸具有相似的物理特性、化学组成、分子结构及分子量范围,具有一致的应用特性[7072]。因此,煤炭腐植酸和土壤腐殖酸二者“血源”相同,经过标准化控制的腐植酸富存的有机质一定最安全,是土壤腐殖酸的主要补充来源和潜在库存。

    3.2 腐植酸与氮磷钾三大肥和谐共生

    腐植酸是土壤肥料的主要构效者,在化肥行业出现拐点的今天,腐植酸完全可以托起化肥,提氮、解磷、促钾,与氮磷钾三大肥和谐共生,形成1+1>2的集合效应[73]

    腐植酸与氮肥:二者有机结合可以减少氮肥损失,抑制硝化,抑制土壤脲酶活性,减缓尿素的分解与挥发,从而提高氮肥利用率[73]

    腐植酸与磷肥:具有活化磷的作用,可以使难溶性磷转化为枸溶性磷,使水溶性磷转化为不易固定的可溶性磷,从而大大提高磷肥当季的利用率[73]

    腐植酸与钾肥:具有活化钾的功能,腐植酸增加了土壤阳离子代换能力及改善了土壤胶体性质,从而促进了作物对钾的吸收[73]

    3.3 腐植酸肥料产品多元化

    腐植酸与肥料相结合,一方面可复合多种元素,包括大量元素、中量元素、微量元素和特种元素;另一方可进行多元复合,包括一元复合、二元复合或三元复合,实现112的复合效果(1),不仅有效解决了目前我国化肥生产存在的品种单一、低浓度品种居多、营养元素种类少、不能满足植物生长所需的多种元素等问题,还省时省工,降低了生产成本[14]

    3.4 腐植酸肥料开发空间巨大

    腐植酸与肥料结合条件优越:(1)活性基团丰富。腐植酸是一类大分子有机弱酸聚合物,其可能的结构如图1所示[53]。腐植酸含有多种官能团,如酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、醌基等,这些活性基团决定了腐植酸的酸性、亲水性、离子交换性、络合能力及较高的吸附能力等[33],使其具有很强的化学活性和生理活性。(2)分子量范围大。腐植酸主要由小分子黄腐酸、中大分子棕腐酸和高分子黑腐酸三个组分构成,分子量从几百到几百万,变化范围巨大。(3)研发空间广阔。根据不同区域、不同土壤、不同作物、不同耕作方式等,充分利用不同来源腐植酸的差异及其组分、结构和功能特点,可以实现专一化、差异化、多元化肥料产品开发[61]

    3.5 腐植酸肥料提高作物品质

    腐植酸肥料在改善农产品品质方面担当着重要角色。一方面,腐植酸肥料可以提高营养物质的含量,如淀粉、蛋白质、氨基酸、可溶性糖、维生素、有益元素等;另一方面,腐植酸肥料可以降低有害物质残留,如某些重金属、硝酸盐、亚硝酸盐、残留农药等,改善农产品品质。

    研究表明,腐植酸在改善作物品质方面具有很好的效果,可以满足老百姓对农产品品质越来越高的要求[74]。例如,腐植酸肥料可以提高水稻[7577]、小麦[7879]、玉米[80]、甘薯[758182]、马铃薯[8384]等粮食作物的蛋白质、淀粉、可溶性糖、Vc含量等。腐植酸肥料可以提高番茄[8588]、黄瓜[8990]、生菜[9193]等蔬菜作物中可溶性糖、可溶性固形物、Vc等含量,降低亚硝酸盐含量。腐植酸肥料可以提高草莓[94]、葡萄[95]、苹果[96]等水果中蛋白质、Vc及可溶性糖的含量,降低总酸度,提高糖酸比,改善口感等。腐植酸肥料提升茶叶中游离氨基酸、咖啡碱、水浸出物含量,增加可溶性糖含量,下调酚氨比[9799];提高烤烟的感官质量,提高烤烟总糖、还原糖、总植物碱、石油醚提取物、蛋白质、钾等含量[100102];促进甘蔗糖分增加[103]等,改善经济作物品质效果显著。

   

    联合国气候变化报告警告:全球在2100年之前实现零排放,2050年前必须实现减排40%70%。我国到2020年化肥使用量实现零增长,通过向土壤反哺腐植酸,让化肥减量,腐植酸肥料增量,确保土壤和粮食安全,着力开展腐植酸肥料“三化效应”研究势在必行。

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