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劉存壽:用中國智慧鑄就生態農業的中國方案

2018-01-18 11:24:03 丨 文章來源:中國網

文/張鑫


為減少化肥和農藥在農業發展中帶來的副作用,國家近年來也加大力度相繼出臺了相關政策和指導意見。2015年3月20日,為遏制農業面源污染擴大趨勢,農業部發布了《關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》。《意見》就防治農業面源污染提出了“一控兩減三基本”目標,“一控”即嚴格控制農業用水總量,大力發展節水農業;“兩減”即減少化肥和農藥使用量,實施化肥、農藥零增長行動;“三基本”指的是畜禽糞便、農作物秸稈、農膜基本資源化利用。2017年11月24日,《化肥供給側結構性改革調研報告》藍皮書在京發布,為我國化肥行業供給側改革挖掘了典型經驗,并對化肥行業發展提出了系統性建議。

在堅持把推進農業綠色發展作為農業供給側結構性改革的主攻方向,把農業科技創新作為驅動農業綠色發展的主要動力的政策推動下,化肥減施技術、綠色農藥創制、土壤環境修復、農產品質量安全等領域均取得一系列進展和成果。

在此領域,西北農林科技大學資源環境學院研究員劉存壽早在20年前就關注化肥副作用問題,帶領研究團隊系統研究了化肥副作用的成因、解決方案,提出了“植物碳基營養”理論,并完成了植物碳基營養肥料加工工藝研究,將研究理論物化成肥料產品,實現了理論與技術兩個創新,為中國生態農業發展提供了理論和技術支撐。

 

西北農林科技大學資源環境學院植物營養學博士劉存壽


向自然過程中尋求自然原理

1996年,美籍華人廖少云的《從美國現代農業問題看世界農業的未來》文章引起了劉老師的注意,文中一一列舉了化肥、合成農藥帶來的一系列問題,預言化學農業必將威脅人類生存。在檢索了德國、日本等化學農業起步早的發達國家相關資料后,他總結出“四個一致”,即施用化學肥料必然帶來副作用;化肥副作用表現形式一致;各形式的出現次序一致;單一施用化肥使土壤有機質下降。這“四個一致”使他開始懷疑化肥本身可能造成副作用。

研究伊始,劉存壽選擇原始森林土壤為研究對象,因為原始森林植物生長需要的營養物質自然循環,既不施肥也不打農藥,植物生長良好,有害昆蟲、致病菌隨處可見,但鮮有爆發。找到自然實現持續發展的原理并將其用于農業生產,就能解決化肥副作用問題,這就是劉老師的研究思路。

開始研究森林土壤時,他沿用植物礦物質思維,測定水溶土壤水溶腐殖酸中的氮磷鉀元素和中微量元素含量,用無機化肥配制成同樣濃度的營養液進行肥效對比試驗,結果表明,如論在等量氮磷鉀還是等量氮磷鉀和中微量元素下,土壤水溶腐殖酸的植物營養效果均優于無機化肥。至此,土壤水溶腐殖酸與化肥的唯一差異僅剩水溶有機物,水溶有機物是否具有植物營養效應,實驗結果提出了這一問題。

劉存壽介紹,化肥工業發展與化肥施用技術基于1840年德國化學家李比希提出的植物礦物質營養理論,該理論要點為:一、植物生長發育離不開礦物質營養;二、植物以無機離子吸收無機營養;三、植物吸收各種礦物元素的量不同,但對植物的營養價值同等重要;四、一種營養元素的營養功能不能被另一種元素所替代;五、農業收獲移出的礦物元素應當等量歸還。很顯然,植物礦物質營養理論中沒有水溶有機小分子物質的植物營養作用論斷,而實驗中卻因為其存在而表現出肥效差異,因此,水溶有機小分子的植物營養作用自然成為劉存壽的首要研究課題。

他說,植物營養學的礦物質營養理論沒有水溶有機小分子的植物營養論述,土壤學教科書認為土壤腐殖酸構成極為復雜,不可能搞清楚。因此,長期以來沒有水溶腐殖酸的測定方法,也就不明確其物質組成。但對腐殖酸的作用研究積累了大量的文獻資料,歸結為激活土壤微生物;提高礦物元素有效性;改良土壤結構;刺激植物生長;增強植物抗性(抗寒、抗旱、抗病抗蟲)等方面。

劉存壽總結了大量有關腐殖酸的研究文獻后得出結論,水溶腐殖酸的物質組成應該能夠知道,因為植物光合作用過程、光和產物已相對清晰,植物光合作用是合成反應,有機物被微生物降解就是分解反應,兩者互為逆反應。按照化學原理,生成物與反應物必相關,如果說土壤腐殖酸物質組成不可知的話,那就違反了基本化學原理。

說起容易做起難。為了明確腐殖酸的物質組成,劉存壽組織植物生理、生物化學、儀器分析和植物營養專家聯合攻關。經過兩年多不懈努力,終于從土壤水溶腐殖酸中測定到2400多種有機物質。由于多種有機小分子中含有氮、磷、硫等礦物元素,即腐殖酸中但磷硫等礦物元素以有機態存在,引發劉老師對貼心鈣鎂等金屬礦物元素化學形態的好奇,結果證實了他的推論,所有金屬礦物元素在水溶腐殖酸中均主要是有機配合物形態存在。土壤是巖石的風化產物,那么,水溶腐殖酸中到底有多少種礦物元素?經測定,所有土壤水溶腐殖酸中均至少含有38種礦物元素。

至此,他從土壤水溶腐殖酸中獲得三條自然植物營養特征,多種有機小分子物質;多種礦物元素;礦物元素主要以有機化合物或有機配合物形態存在。

接下來對自然植物營養特征所代表的植物營養學意義逐條逐項研究,獲得三條自然植物營養原理,植物能夠且必要吸收有機營養;植物健康生長需要多種礦物元素;有機態礦物元素的植物生物有效性高于無機離子。

他表示,很顯然,含有氮磷鉀3種礦物元素無機鹽化肥,與自然植物營養特征不一致,這就是化肥從發達國家到發展中國家無一例外導致副作用的原因。


在新西蘭皇家園藝研究院交流


驚嘆自然的神奇

“隨著對自然了解的深入,你會越發驚嘆自然的神奇”,劉存壽如是說。土壤微生物在植物營養轉化代謝過程中起著至關重要要的作用,微生物不僅將天然有機物聚合物降解成植物能夠直接吸收利用的小分子,而且將有機碳轉化成自身結構物,死亡后再釋放出各種生物活性物。礦物質微生物轉化與化學反應使有機物與礦物形成有機配合物,這種配合物同時解決了無機離子鹽效應、穩定性、離子拮抗吸收問題,同時有機配體承擔了礦物元素“載體”作用;微生物為利用根系分泌的有機碳,合成各種抗性物質和營養物質以保護植物根系健康生長。微生物為自身繁殖創造的具有良好透氣、保水的團粒結構也是植物根系生長最佳土壤條件。土壤微生物發揮著神奇作用,土壤微生物區系與活力是土壤健康的標志。

土壤微生物、礦物元素有機配體、植物有機營養和土壤團粒結構形成均以碳元素為核心,因此,他提出了“植物碳基營養理論”。

 

觀察新西蘭獼猴桃果園土壤


制備碳基營養肥料

在自然條件下,枯枝落葉首先被土壤微生物降解成水溶小分子成為自身的營養物質,同時為植物提供營養和土壤團粒結構材料,但這個過程相當緩慢,而且2/3以上有機碳被轉化成二氧化碳損失掉了。為了加快天然有機物降解速度,提高有機碳植物營養利用效率,劉老師根據微生物降解原理研究人工降解方法,經過5年反復實驗,實現了天然有機物工廠化快速降解,速度是微生物的120倍,有機碳轉化率高達98%。

 用降解而成的水溶有機物與包括無機氮磷鉀化肥在內的多種礦物元素配位反應,制備成與自然植物營養特征一致,符合自然原理的碳基營養肥料。

經過10年的多地多作物試驗、示范和大面積施用,這種新型肥料保留了傳統有機肥和化肥的全部優點,又克服了二者的缺點,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, 使作物高產與優質相統一,營養與抗性相統一,用地與養地相統一。


感悟中國文化的偉大

延用自然系統論思想,劉老師已將碳基原理擴展應用到鹽堿地改良、沙漠治理、物抗養殖等多個領域,且已初見成效。在他眼里,植物秸稈、養殖場糞便、農產品加工廢渣,甚至生活污水沉淀的污泥,這些每年多達50億噸的污染物是很好的資源,無害化處理后,其中7000萬噸的氮磷鉀,2000萬噸的礦物元素和10多億噸的有機物資源化高效利用,能夠保障中國農業可持續發展。劉存壽用中國智慧鑄就了生態農業的“中國方案”。

 


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