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刘存寿:用中国智慧铸就生态农业的中国方案

2018-01-18 11:24:03 丨 文章来源:中国网

文/张鑫


为减少化肥和农药在农业发展中带来的副作用,国家近年来也加大力度相继出台了相关政策和指导意见。2015年3月20日,为遏制农业面源污染扩大趋势,农业部发布了《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》。《意见》就防治农业面源污染提出了“一控两减三基本”目标,“一控”即严格控制农业用水总量,大力发展节水农业;“两减”即减少化肥和农药使用量,实施化肥、农药零增长行动;“三基本”指的是畜禽粪便、农作物秸秆、农膜基本资源化利用。2017年11月24日,《化肥供给侧结构性改革调研报告》蓝皮书在京发布,为我国化肥行业供给侧改革挖掘了典型经验,并对化肥行业发展提出了系统性建议。

在坚持把推进农业绿色发展作为农业供给侧结构性改革的主攻方向,把农业科技创新作为驱动农业绿色发展的主要动力的政策推动下,化肥减施技术、绿色农药创制、土壤环境修复、农产品质量安全等领域均取得一系列进展和成果。

在此领域,西北农林科技大学资源环境学院研究员刘存寿早在20年前就关注化肥副作用问题,带领研究团队系统研究了化肥副作用的成因、解决方案,提出了“植物碳基营养”理论,并完成了植物碳基营养肥料加工工艺研究,将研究理论物化成肥料产品,实现了理论与技术两个创新,为中国生态农业发展提供了理论和技术支撑。

 

西北农林科技大学资源环境学院植物营养学博士刘存寿


向自然过程中寻求自然原理

1996年,美籍华人廖少云的《从美国现代农业问题看世界农业的未来》文章引起了刘老师的注意,文中一一列举了化肥、合成农药带来的一系列问题,预言化学农业必将威胁人类生存。在检索了德国、日本等化学农业起步早的发达国家相关资料后,他总结出“四个一致”,即施用化学肥料必然带来副作用;化肥副作用表现形式一致;各形式的出现次序一致;单一施用化肥使土壤有机质下降。这“四个一致”使他开始怀疑化肥本身可能造成副作用。

研究伊始,刘存寿选择原始森林土壤为研究对象,因为原始森林植物生长需要的营养物质自然循环,既不施肥也不打农药,植物生长良好,有害昆虫、致病菌随处可见,但鲜有爆发。找到自然实现持续发展的原理并将其用于农业生产,就能解决化肥副作用问题,这就是刘老师的研究思路。

开始研究森林土壤时,他沿用植物矿物质思维,测定水溶土壤水溶腐殖酸中的氮磷钾元素和中微量元素含量,用无机化肥配制成同样浓度的营养液进行肥效对比试验,结果表明,如论在等量氮磷钾还是等量氮磷钾和中微量元素下,土壤水溶腐殖酸的植物营养效果均优于无机化肥。至此,土壤水溶腐殖酸与化肥的唯一差异仅剩水溶有机物,水溶有机物是否具有植物营养效应,实验结果提出了这一问题。

刘存寿介绍,化肥工业发展与化肥施用技术基于1840年德国化学家李比希提出的植物矿物质营养理论,该理论要点为:一、植物生长发育离不开矿物质营养;二、植物以无机离子吸收无机营养;三、植物吸收各种矿物元素的量不同,但对植物的营养价值同等重要;四、一种营养元素的营养功能不能被另一种元素所替代;五、农业收获移出的矿物元素应当等量归还。很显然,植物矿物质营养理论中没有水溶有机小分子物质的植物营养作用论断,而实验中却因为其存在而表现出肥效差异,因此,水溶有机小分子的植物营养作用自然成为刘存寿的首要研究课题。

他说,植物营养学的矿物质营养理论没有水溶有机小分子的植物营养论述,土壤学教科书认为土壤腐殖酸构成极为复杂,不可能搞清楚。因此,长期以来没有水溶腐殖酸的测定方法,也就不明确其物质组成。但对腐殖酸的作用研究积累了大量的文献资料,归结为激活土壤微生物;提高矿物元素有效性;改良土壤结构;刺激植物生长;增强植物抗性(抗寒、抗旱、抗病抗虫)等方面。

刘存寿总结了大量有关腐殖酸的研究文献后得出结论,水溶腐殖酸的物质组成应该能够知道,因为植物光合作用过程、光和产物已相对清晰,植物光合作用是合成反应,有机物被微生物降解就是分解反应,两者互为逆反应。按照化学原理,生成物与反应物必相关,如果说土壤腐殖酸物质组成不可知的话,那就违反了基本化学原理。

说起容易做起难。为了明确腐殖酸的物质组成,刘存寿组织植物生理、生物化学、仪器分析和植物营养专家联合攻关。经过两年多不懈努力,终于从土壤水溶腐殖酸中测定到2400多种有机物质。由于多种有机小分子中含有氮、磷、硫等矿物元素,即腐殖酸中但磷硫等矿物元素以有机态存在,引发刘老师对贴心钙镁等金属矿物元素化学形态的好奇,结果证实了他的推论,所有金属矿物元素在水溶腐殖酸中均主要是有机配合物形态存在。土壤是岩石的风化产物,那么,水溶腐殖酸中到底有多少种矿物元素?经测定,所有土壤水溶腐殖酸中均至少含有38种矿物元素。

至此,他从土壤水溶腐殖酸中获得三条自然植物营养特征,多种有机小分子物质;多种矿物元素;矿物元素主要以有机化合物或有机配合物形态存在。

接下来对自然植物营养特征所代表的植物营养学意义逐条逐项研究,获得三条自然植物营养原理,植物能够且必要吸收有机营养;植物健康生长需要多种矿物元素;有机态矿物元素的植物生物有效性高于无机离子。

他表示,很显然,含有氮磷钾3种矿物元素无机盐化肥,与自然植物营养特征不一致,这就是化肥从发达国家到发展中国家无一例外导致副作用的原因。


在新西兰皇家园艺研究院交流


惊叹自然的神奇

“随着对自然了解的深入,你会越发惊叹自然的神奇”,刘存寿如是说。土壤微生物在植物营养转化代谢过程中起着至关重要要的作用,微生物不仅将天然有机物聚合物降解成植物能够直接吸收利用的小分子,而且将有机碳转化成自身结构物,死亡后再释放出各种生物活性物。矿物质微生物转化与化学反应使有机物与矿物形成有机配合物,这种配合物同时解决了无机离子盐效应、稳定性、离子拮抗吸收问题,同时有机配体承担了矿物元素“载体”作用;微生物为利用根系分泌的有机碳,合成各种抗性物质和营养物质以保护植物根系健康生长。微生物为自身繁殖创造的具有良好透气、保水的团粒结构也是植物根系生长最佳土壤条件。土壤微生物发挥着神奇作用,土壤微生物区系与活力是土壤健康的标志。

土壤微生物、矿物元素有机配体、植物有机营养和土壤团粒结构形成均以碳元素为核心,因此,他提出了“植物碳基营养理论”。

 

观察新西兰猕猴桃果园土壤


制备碳基营养肥料

在自然条件下,枯枝落叶首先被土壤微生物降解成水溶小分子成为自身的营养物质,同时为植物提供营养和土壤团粒结构材料,但这个过程相当缓慢,而且2/3以上有机碳被转化成二氧化碳损失掉了。为了加快天然有机物降解速度,提高有机碳植物营养利用效率,刘老师根据微生物降解原理研究人工降解方法,经过5年反复实验,实现了天然有机物工厂化快速降解,速度是微生物的120倍,有机碳转化率高达98%。

 用降解而成的水溶有机物与包括无机氮磷钾化肥在内的多种矿物元素配位反应,制备成与自然植物营养特征一致,符合自然原理的碳基营养肥料。

经过10年的多地多作物试验、示范和大面积施用,这种新型肥料保留了传统有机肥和化肥的全部优点,又克服了二者的缺点,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, 使作物高产与优质相统一,营养与抗性相统一,用地与养地相统一。


感悟中国文化的伟大

延用自然系统论思想,刘老师已将碳基原理扩展应用到盐碱地改良、沙漠治理、物抗养殖等多个领域,且已初见成效。在他眼里,植物秸秆、养殖场粪便、农产品加工废渣,甚至生活污水沉淀的污泥,这些每年多达50亿吨的污染物是很好的资源,无害化处理后,其中7000万吨的氮磷钾,2000万吨的矿物元素和10多亿吨的有机物资源化高效利用,能够保障中国农业可持续发展。刘存寿用中国智慧铸就了生态农业的“中国方案”。