有機(jī)碳肥的制備與施用綜述

佀建成

摘 ?要：對(duì)有機(jī)碳肥的制備工藝及原料來源進(jìn)行了描述，主要介紹了酸水解法和酶水解法水解有機(jī)或生物廢棄物的制備工藝，列舉出幾種國(guó)內(nèi)外有機(jī)碳肥的制備方法及應(yīng)用效果。同時(shí)分析了有機(jī)碳肥對(duì)土壤及植物的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳肥對(duì)植物骨架和土壤改性起著關(guān)鍵性作用。最后對(duì)有機(jī)碳肥的發(fā)展所面臨的機(jī)遇和困難做了分析。

關(guān)鍵詞：有機(jī)碳肥;酸水解工藝;酶水解工藝;植物補(bǔ)碳;土壤改性

碳是有機(jī)物中的骨架，支撐著整個(gè)分子的結(jié)構(gòu)，因此碳在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著重要的作用。但植物在自然條件下吸收得到的碳營(yíng)養(yǎng)是不足的，而且長(zhǎng)期以來對(duì)碳營(yíng)養(yǎng)，尤其是有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)的系統(tǒng)研究很少，由此導(dǎo)致了對(duì)作物碳饑餓的忽視[1]。因此植物補(bǔ)碳以及改變土壤中碳結(jié)構(gòu)成為重中之重。

在植物生長(zhǎng)過程中，除了需要作物光合作用補(bǔ)給碳營(yíng)養(yǎng)，還需要人工施加肥料來補(bǔ)充。近些年來國(guó)家控制肥料的生產(chǎn)數(shù)量，同時(shí)肥料中大部分肥效未被利用，因此增加了農(nóng)業(yè)成本，浪費(fèi)了能源并污染了環(huán)境，這是對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)[2]。有機(jī)碳肥很好地針對(duì)這一問題，不僅含有高效肥力，能改變土壤碳結(jié)構(gòu)和高效供給植物碳營(yíng)養(yǎng);而且其大多來自于植物及家畜廢棄物，可以減輕環(huán)境污染。

含碳肥料可定義為含有碳元素、改善土壤性質(zhì)、提高土壤肥力水平或直接提供作物碳營(yíng)養(yǎng)的一類物質(zhì)。而水溶性有機(jī)碳肥是指含有水溶性高、易被作物吸收的有機(jī)碳化合物的有機(jī)肥料，如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛及氨基酸等[3，4]。

與傳統(tǒng)有機(jī)肥料相比，盡管他們都含有大量有機(jī)碳，但有機(jī)碳肥中碳的水溶性高，且以小分子形式存在，能直接被植物的根部利用。有機(jī)碳肥常用于改善土壤性質(zhì)和增強(qiáng)植株骨干強(qiáng)度，補(bǔ)充基本需求，但是不能代替無機(jī)營(yíng)養(yǎng)的作用。因此必須將含有有效碳的有機(jī)碳肥與含N、P及K的普通化肥混合才能實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)調(diào)和，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量[3]。

1 有機(jī)碳肥的制備

制備有機(jī)碳肥的原料來源較為廣泛，一般含有大量粗纖維和蛋白質(zhì)的物質(zhì)都可充當(dāng)原料。常用的制備原料為生物或工業(yè)有機(jī)廢棄物，在生態(tài)學(xué)的角度上，一般將廢棄物視為一種資源，應(yīng)該盡可能地將其重新整合到經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中去[5]。常用的制備工藝有酸水解法和酶水解法，根本原理為原料中含有的纖維素和蛋白質(zhì)在酸水解或酶水解的條件下會(huì)轉(zhuǎn)化成小分子核糖和氨基酸，是有機(jī)碳肥中最重要的營(yíng)養(yǎng)，能被植物根部直接吸收。

有機(jī)碳肥的制備與施用綜述

1.1 酸水解制備

酸水解制備中，常用的酸有硫酸、硼酸、硝酸以及復(fù)合酸。酸水解法對(duì)比酶水解法或其他方法有很多好處，如反應(yīng)速度快、水解強(qiáng)度高、適應(yīng)性強(qiáng)等，但是酸水解法對(duì)設(shè)備有著腐蝕作用，因此需要謹(jǐn)慎處理。

Liu等[6]通過硫酸水解稻草生產(chǎn)糠醛，同時(shí)研究了添加物用量、添加物質(zhì)的種類和餾程對(duì)殘?jiān)岫鹊挠绊?。使用添加劑如磷酸、磷酸鈣、碳酸鈣、亞硫酸氫鹽等，控制合適的用量，使殘留物改變成中性復(fù)合肥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，液體與固體的比為3∶1～ 4∶1，添加劑適量的條件下為生產(chǎn)糠醛的最優(yōu)條件。在反應(yīng)中，不需要大的設(shè)備投資，也沒有復(fù)雜的反應(yīng)條件，且不會(huì)帶來新的污染，所以這種方法可能具有好的商業(yè)價(jià)值。

Liu等[7]研究開發(fā)了一種污水污泥利用技術(shù)，污泥中的細(xì)菌蛋白通過幾種化學(xué)過程被提取出來以生產(chǎn)氨基酸螯合微量元素肥料。首先，在熱鹽酸溶液中水解污泥得到蛋白質(zhì)溶液?？疾炝怂鉁囟龋磻?yīng)時(shí)間和pH對(duì)污泥中蛋白質(zhì)提取率的影響。其次，蛋白質(zhì)溶液在熱酸條件下進(jìn)一步水解成氨基酸。詳細(xì)研究了HCl用量、水解溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)氨基酸收率的影響。第三，將粗氨基酸溶液通過活性炭脫色和冰醋酸溶解進(jìn)行純化。最后，通過螯合微量元素，將純化的氨基酸用于生產(chǎn)氨基酸螯合微量元素肥料。結(jié)果表明，在最佳水解條件下，78.5%的蛋白質(zhì)從污泥中提取，氨基酸產(chǎn)量為每100 g干污泥10～13 g。生產(chǎn)的氨基酸螯合微量元素肥料符合中國(guó)氨基酸葉面肥標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的污泥處理相比，這種新技術(shù)更環(huán)保。

穆光遠(yuǎn)等[8]以有機(jī)質(zhì)含量大于20%的有機(jī)廢液為原料，通過復(fù)合酸（硝酸和硫酸）酸解方法得到小分子有機(jī)碳的液體，再加入硼酸和硫酸鋅，在40～60℃下攪拌20～40 min鰲合，后將尿素和硝銨磷攪拌溶于水的母液與其混合，得到有機(jī)液體碳肥。這種有機(jī)液體碳肥不僅含有不同形態(tài)的氮，而且含有植物可以直接吸收的水溶性碳，提供給土壤微生物繁殖所需要的充足的營(yíng)養(yǎng)。

1.2 酶水解制備

在酶水解制備有機(jī)碳肥中，常用酶的種類較多，大致都屬于蛋白質(zhì)酶和纖維素酶。酶水解一般較為徹底，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，較為常用，但酶解時(shí)間長(zhǎng)和受外界環(huán)境影響（pH和溫度等）較大，因此需要在合適的條件下進(jìn)行反應(yīng)。

Wang等[9]使用枯草芽孢桿菌菌株N-2進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵以生產(chǎn)含有氨基酸的水溶性肥料。N-2菌株產(chǎn)生高產(chǎn)量的蛋白酶，將大豆粉中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶解在發(fā)酵產(chǎn)物中的小分子肽和游離氨基酸。同時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)酵底物的初始pH、發(fā)酵天數(shù)和液體與大豆粉的比例對(duì)所得水溶性溶液中的蛋白質(zhì)回收率有著顯著的影響。在最佳條件下可達(dá)到最高的可溶性蛋白回收率（99.072%）。這種方法提供了豆粕的增值使用。

小麥谷蛋白水解物天然蛋白質(zhì)生物刺激物具有寡肽、多肽和游離氨基酸，可表現(xiàn)出類似激素的活性，可使其用作天然肥料補(bǔ)充劑。Sukumar等[10]研究了在體外條件下通過測(cè)量芽生長(zhǎng)以及參與三羧酸循環(huán)和氮代謝的酶的基因表達(dá)來測(cè)定小麥谷蛋白水解物作為生物刺激劑的效果。小麥麩質(zhì)水解產(chǎn)物的生物刺激活性增加將使其能夠在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用作植物基肥料，可能減少化肥的使用并改善作物性能。

Endo等[11]利用牛糞發(fā)酵液在沙子和土壤上栽培番茄，取得了良好的效果。董曉濤等[12]在Endo等的啟示下，在茄子栽培過程中，用不同濃度的家畜糞便發(fā)酵液代替了無機(jī)營(yíng)養(yǎng)液。家畜糞便發(fā)酵液中含有大量有機(jī)質(zhì)、小分子糖類和氨基酸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同濃度的發(fā)酵液都可明顯提高根系活力，增加產(chǎn)量，促進(jìn)茄子植株生長(zhǎng)，提高了商品的合格率。因此用家畜糞便發(fā)酵液代替無機(jī)營(yíng)養(yǎng)液有著很好的效果，同時(shí)家畜廢物重新利用也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

1.3 其他條件或方法

除酸水解和酶水解有機(jī)質(zhì)的方法外，通過堿處理或降解處理等其他化學(xué)處理方式也能得到高效的有機(jī)碳肥。西北農(nóng)林科技大學(xué)研發(fā)成功的高效化學(xué)降解新技術(shù)，以食品、中藥廢渣等生物質(zhì)為原料，通過獨(dú)特的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可使90%的大分子有機(jī)物在4 h內(nèi)轉(zhuǎn)化為可溶性有機(jī)碳，生產(chǎn)出有機(jī)全營(yíng)養(yǎng)肥料。以褐煤為原料加堿反應(yīng)生產(chǎn)腐植酸這一傳統(tǒng)工藝也能用于有機(jī)碳生產(chǎn)[13]。

Nguyen等[14]在對(duì)比有機(jī)礦物質(zhì)生物碳肥（將生物炭產(chǎn)品與有機(jī)肥料、石膏、磷酸鹽巖、粒狀硼和硫酸鉀混合）和無機(jī)肥料及有機(jī)肥料（基于肥料的氮肥）對(duì)有機(jī)姜的種植的影響實(shí)驗(yàn)中，分析土壤和植物的C和N部分以及氣體交換測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)有機(jī)礦物質(zhì)生物碳肥更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛袡C(jī)礦物質(zhì)碳肥中高濃度的養(yǎng)分易被土壤所吸收，而且不影響氮元素的吸收及利用，且不限制植物光合作用。所以有機(jī)礦物生物質(zhì)肥料有望作為商業(yè)有機(jī)肥的替代品。

Chiang等[15]通過食物垃圾堆肥獲得的液體肥料可用于制備溶解的有機(jī)碳（DOC）溶液，使用DOC解決方案來修復(fù)受Zn污染的土壤。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，羧基和酰胺是從液體肥料獲得的DOC溶液中的主要官能團(tuán)。經(jīng)過修復(fù)后的土壤，有效P含量、交換性N含量和有機(jī)質(zhì)含量含量都得到了大量增加。

陳慶等[16]以植物秸稈為主要原料，采用微生物降解的方法，分別加入不同比例的人類糞便、綠肥、酸堿調(diào)節(jié)劑、小分子有機(jī)酸和小分子有機(jī)醇制備水溶性有機(jī)碳肥，不僅肥料中的小分子有機(jī)碳易于被土壤和植物吸收，且含有植物所需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此肥效優(yōu)于其他普通肥料。

2 施用有機(jī)碳肥對(duì)土壤及植物的影響

2.1 對(duì)土壤影響

土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，土壤有機(jī)質(zhì)通過微生物作用一部分有機(jī)碳通過礦化變成CO2，而另一部分形成復(fù)雜、較穩(wěn)定的大分子有機(jī)化合物[17]。施用有機(jī)碳肥對(duì)土壤中的有機(jī)碳有著重要的影響力，有機(jī)碳肥能夠改變土壤碳結(jié)構(gòu)和改變土壤性質(zhì)。同時(shí)不同的有機(jī)碳肥料對(duì)不同的土質(zhì)和不同深度的土壤也有著不同的影響，因此分析土壤中有機(jī)質(zhì)及NPK的含量有助于分析出作物的最佳生長(zhǎng)條件，從而可計(jì)算出肥料施用的最佳時(shí)期、比例及施用量。

He等[18]在對(duì)不同條件下施肥土壤的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，石油有機(jī)碳是土壤肥力的核心，土壤C與N之比、pH和黏土是土壤中有機(jī)碳存儲(chǔ)的主要因素，而降水量和溫度的作用較小。因此可以認(rèn)為通過長(zhǎng)期施用有機(jī)碳肥來改變石油有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高農(nóng)業(yè)土壤碳匯能力。

Zhou等[19]通過對(duì)黃土高原上長(zhǎng)期施肥的小麥及土壤的分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料對(duì)土壤中有機(jī)氮和有機(jī)碳的積累有著明顯的增強(qiáng)作用，并且長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料對(duì)不同層度上的土壤中的有機(jī)碳含量及C、N比也有著不同影響。因此施加肥料的種類對(duì)土壤有著很大的影響，就現(xiàn)在中國(guó)土地嚴(yán)重缺失碳營(yíng)養(yǎng)而言，有機(jī)碳肥是最好的選擇，能直接有效地改善土壤中碳結(jié)構(gòu)和含量。

2.2 對(duì)植物影響

經(jīng)研究表明，有機(jī)與無機(jī)元素配合吸收，可大大提高養(yǎng)分有效性及生理功能[20]。在傳統(tǒng)意義上忽略了有機(jī)碳元素對(duì)植物的作用，而一味地追求無機(jī)營(yíng)養(yǎng)，因此會(huì)造成碳營(yíng)養(yǎng)缺失嚴(yán)重和無機(jī)元素富營(yíng)養(yǎng)化。

有機(jī)碳對(duì)植物有著重要的作用，植物低產(chǎn)、劣質(zhì)多與“碳短板”有關(guān)。尤其是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，例如果蔬的口感差、維生素C含量低、硝酸鹽含量高、不耐儲(chǔ)藏等，均與有機(jī)碳缺乏而導(dǎo)致的養(yǎng)分不平衡有關(guān)[21]。

賴根偉等[22]通過有機(jī)碳肥對(duì)香榧幼林生長(zhǎng)的研究表明，有機(jī)碳肥對(duì)香榧幼林樹地徑、新梢生長(zhǎng)有著明顯的促進(jìn)作用，可以作為在香榧林集約經(jīng)營(yíng)中輪流替換使用的新肥料品種。實(shí)驗(yàn)證明液態(tài)有機(jī)碳肥與有機(jī)碳菌肥搭配使用，促進(jìn)效果最為明顯。

陳秀蓮等[23]通過實(shí)驗(yàn)探討了液態(tài)有機(jī)碳肥對(duì)蕹菜產(chǎn)量、植株性狀和經(jīng)濟(jì)效益的影響，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，常規(guī)施肥加液態(tài)有機(jī)碳肥的配合施用對(duì)蕹菜的產(chǎn)量有著明顯的促進(jìn)，經(jīng)濟(jì)效益大大增加。

3 有機(jī)碳肥發(fā)展機(jī)遇及面臨的問題

目前市面上常以有機(jī)肥料為主，但有機(jī)肥料中主要成分以大分子的有機(jī)質(zhì)為主，不能直接被植物所吸收，因此導(dǎo)致有機(jī)肥料不能完全有效地被植物所利用。而且目前大部分有機(jī)肥料多以高溫好氧發(fā)酵技術(shù)并結(jié)合多次翻堆工藝，有機(jī)物料被徹底氧化分解，有機(jī)質(zhì)完全被礦化。采用此工藝技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)肥料將是一堆有機(jī)質(zhì)完全被礦化的空殼，其中的有機(jī)碳和有機(jī)氮被徹底氧化形成CO2和NH3而揮發(fā)至空氣中，既污染了環(huán)境，又減少了有機(jī)肥料中的有效成分[24]。因此有機(jī)碳肥相對(duì)于有機(jī)肥料不管在制備上還是在對(duì)植物效果上都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在制備方面，有機(jī)碳肥常用的工藝以酶水解和酸水解為主，工藝操作簡(jiǎn)單，而且反應(yīng)時(shí)間短，可以在短時(shí)間內(nèi)得到成品。在施用效果上，有機(jī)碳肥含有大量的水溶性小分子有機(jī)碳，能夠直接被植物和土壤所吸收。因此有機(jī)碳肥比有機(jī)肥料更有優(yōu)勢(shì)，可以代替有機(jī)肥料。

雖然有機(jī)碳肥的效果很好，制備工藝簡(jiǎn)單省時(shí)，但是在制備上有著很多的問題需要考慮。如酸水解中，設(shè)備的承受酸腐蝕的能力和制備有機(jī)碳肥所需要的成本等;在酶水解中，酶受溫度、pH等外界條件的影響較大，會(huì)使酶水解不完全等;而且在制備上也會(huì)有一定的有機(jī)碳和有機(jī)氮被徹底氧化形成CO2和NH3而揮發(fā)至空氣中。所以在制備工藝上需要優(yōu)化或者尋找新的更好的制備方法和條件。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)條件下在對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)方面，側(cè)重于氮、磷、鉀的補(bǔ)充，并沒有重視作物碳營(yíng)養(yǎng)。因此首先需要對(duì)有機(jī)碳的作用有著深入的認(rèn)知，使所有人明白碳對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)揮著重要的作用;其次大大加強(qiáng)對(duì)有機(jī)碳肥的生產(chǎn)工藝技術(shù)的深入探究，對(duì)傳統(tǒng)的工藝多加改進(jìn)優(yōu)化，使肥效達(dá)到理想的效果;再者做好土壤的保護(hù)，減少污染，定期檢測(cè)土壤中有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)含量和NPK的含量對(duì)預(yù)防土壤土質(zhì)受損及環(huán)境污染都有很大的意義。

開發(fā)有機(jī)碳肥不僅是肥料技術(shù)創(chuàng)新的重要制高點(diǎn)，而且是植物營(yíng)養(yǎng)理論研究中富有學(xué)術(shù)生機(jī)的生長(zhǎng)點(diǎn)。因此保留有機(jī)碳、發(fā)展有機(jī)碳產(chǎn)業(yè)是我國(guó)土壤修復(fù)和有機(jī)種植的希望。

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