有机碳肥的制备与施用综述

　　摘    要：　对有机碳肥的制备工艺及原料来源进行了描述，主要介绍了酸水解法和酶水解法水解有机或生物废弃物的制备工艺，列举出几种国内外有机碳肥的制备方法及应用效果。同时分析了有机碳肥对土壤及植物的影响，发现有机碳肥对植物骨架和土壤改性起着关键性作用。最后对有机碳肥的发展所面临的机遇和困难做了分析。

　　关键词：　有机碳肥; 酸水解工艺; 酶水解工艺; 植物补碳; 土壤改性;

　　Abstract：　This article describes the preparation process and raw material sources of organic carbon fertilizers, it mainly introduces the preparation process of organic or biological wastes by acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis and Lists several methods of preparation and application of organic carbon fertilizers at home and abroad. At the same time, the effects of organic carbon fertilizers on soil and plants were also analyzed, and organic carbon fertilizers were found to play a key role in plant skeleton and soil modification. Finally, it analyzes the opportunities and difficulties faced by the development of organic carbon fertilizers.

　　Keyword：　organic carbon fertilizer; acid hydrolysis process; enzymatic hydrolysis process; Plant carbon supplement; soil modification;

　　　　碳是有机物中的骨架，支撑着整个分子的结构，因此碳在植物的生长发育过程中起着重要的作用。但植物在自然条件下吸收得到的碳营养是不足的，而且长期以来对碳营养，尤其是有机碳营养的系统研究很少，由此导致了对作物碳饥饿的忽视[1]。因此植物补碳以及改变土壤中碳结构成为重中之重。

　　在植物生长过程中，除了需要作物光合作用补给碳营养，还需要人工施加肥料来补充。近些年来国家控制肥料的生产数量，同时肥料中大部分肥效未被利用，因此增加了农业成本，浪费了能源并污染了环境，这是对现代农业可持续发展的挑战[2]。有机碳肥很好地针对这一问题，不仅含有高效肥力，能改变土壤碳结构和高效供给植物碳营养；而且其大多来自于植物及家畜废弃物，可以减轻环境污染。

　　含碳肥料可定义为含有碳元素、改善土壤性质、提高土壤肥力水平或直接提供作物碳营养的一类物质。而水溶性有机碳肥是指含有水溶性高、易被作物吸收的有机碳化合物的有机肥料，如小分子糖、醇、羧酸、酮、醛及氨基酸等[3,4]。

　　与传统有机肥料相比，尽管他们都含有大量有机碳，但有机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。有机碳肥常用于改善土壤性质和增强植株骨干强度，补充基本需求，但是不能代替无机营养的作用。因此必须将含有有效碳的有机碳肥与含N、P及K的普通化肥混合才能实现阴阳调和，实现高产量[3]。

　　1 有机碳肥的制备

　　制备有机碳肥的原料来源较为广泛，一般含有大量粗纤维和蛋白质的物质都可充当原料。常用的制备原料为生物或工业有机废弃物，在生态学的角度上，一般将废弃物视为一种资源，应该尽可能地将其重新整合到经济系统中去[5]。常用的制备工艺有酸水解法和酶水解法，根本原理为原料中含有的纤维素和蛋白质在酸水解或酶水解的条件下会转化成小分子核糖和氨基酸，是有机碳肥中最重要的营养，能被植物根部直接吸收。

　　1.1 酸水解制备

　　酸水解制备中，常用的酸有硫酸、硼酸、硝酸以及复合酸。酸水解法对比酶水解法或其他方法有很多好处，如反应速度快、水解强度高、适应性强等，但是酸水解法对设备有着腐蚀作用，因此需要谨慎处理。

　　Liu等[6]通过硫酸水解稻草生产糠醛，同时研究了添加物用量、添加物质的种类和馏程对残渣酸度的影响。使用添加剂如磷酸、磷酸钙、碳酸钙、亚硫酸氢盐等，控制合适的用量，使残留物改变成中性复合肥。实验结果证明，硫酸质量分数为20%，液体与固体的比为3∶1~ 4∶1，添加剂适量的条件下为生产糠醛的最优条件。在反应中，不需要大的设备投资，也没有复杂的反应条件，且不会带来新的污染，所以这种方法可能具有好的商业价值。

　　Liu等[7]研究开发了一种污水污泥利用技术，污泥中的细菌蛋白通过几种化学过程被提取出来以生产氨基酸螯合微量元素肥料。首先，在热盐酸溶液中水解污泥得到蛋白质溶液。考察了水解温度，反应时间和pH对污泥中蛋白质提取率的影响。其次，蛋白质溶液在热酸条件下进一步水解成氨基酸。详细研究了HCl用量、水解温度和反应时间对氨基酸收率的影响。第三，将粗氨基酸溶液通过活性炭脱色和冰醋酸溶解进行纯化。最后，通过螯合微量元素，将纯化的氨基酸用于生产氨基酸螯合微量元素肥料。结果表明，在最佳水解条件下，78.5%的蛋白质从污泥中提取，氨基酸产量为每100 g干污泥10~13 g。生产的氨基酸螯合微量元素肥料符合中国氨基酸叶面肥标准。与传统的污泥处理相比，这种新技术更环保。

　　穆光远等[8]以有机质含量大于20%的有机废液为原料，通过复合酸（硝酸和硫酸）酸解方法得到小分子有机碳的液体，再加入硼酸和硫酸锌，在40~60℃下搅拌20~40 min鳌合，后将尿素和硝铵磷搅拌溶于水的母液与其混合，得到有机液体碳肥。这种有机液体碳肥不仅含有不同形态的氮，而且含有植物可以直接吸收的水溶性碳，提供给土壤微生物繁殖所需要的充足的营养。

　　1.2 酶水解制备

　　在酶水解制备有机碳肥中，常用酶的种类较多，大致都属于蛋白质酶和纤维素酶。酶水解一般较为彻底，经济实用，较为常用，但酶解时间长和受外界环境影响（pH和温度等）较大，因此需要在合适的条件下进行反应。

　　Wang等[9]使用枯草芽孢杆菌菌株N-2进行固态发酵以生产含有氨基酸的水溶性肥料。N-2菌株产生高产量的蛋白酶，将大豆粉中的蛋白质转化为溶解在发酵产物中的小分子肽和游离氨基酸。同时发现发酵底物的初始pH、发酵天数和液体与大豆粉的比例对所得水溶性溶液中的蛋白质回收率有着显着的影响。在最佳条件下可达到最高的可溶性蛋白回收率（99.072%）。这种方法提供了豆粕的增值使用。

　　小麦谷蛋白水解物天然蛋白质生物刺激物具有寡肽、多肽和游离氨基酸，可表现出类似激素的活性，可使其用作天然肥料补充剂。Sukumar等[10]研究了在体外条件下通过测量芽生长以及参与三羧酸循环和氮代谢的酶的基因表达来测定小麦谷蛋白水解物作为生物刺激剂的效果。小麦麸质水解产物的生物刺激活性增加将使其能够在农业领域用作植物基肥料，可能减少化肥的使用并改善作物性能。

　　Endo等[11]利用牛粪发酵液在沙子和土壤上栽培番茄，取得了良好的效果。董晓涛等[12]在Endo等的启示下，在茄子栽培过程中，用不同浓度的家畜粪便发酵液代替了无机营养液。家畜粪便发酵液中含有大量有机质、小分子糖类和氨基酸。实验结果发现，不同浓度的发酵液都可明显提高根系活力，增加产量，促进茄子植株生长，提高了商品的合格率。因此用家畜粪便发酵液代替无机营养液有着很好的效果，同时家畜废物重新利用也减少了对环境的污染。

　　1.3 其他条件或方法

　　除酸水解和酶水解有机质的方法外，通过碱处理或降解处理等其他化学处理方式也能得到高效的有机碳肥。西北农林科技大学研发成功的高效化学降解新技术，以食品、中药废渣等生物质为原料，通过独特的链式反应，可使90%的大分子有机物在4 h内转化为可溶性有机碳，生产出有机全营养肥料。以褐煤为原料加碱反应生产腐植酸这一传统工艺也能用于有机碳生产[13]。

　　Nguyen等[14]在对比有机矿物质生物碳肥（将生物炭产品与有机肥料、石膏、磷酸盐岩、粒状硼和硫酸钾混合）和无机肥料及有机肥料（基于肥料的氮肥）对有机姜的种植的影响实验中，分析土壤和植物的C和N部分以及气体交换测量值，发现有机矿物质生物碳肥更具有优势，因为有机矿物质碳肥中高浓度的养分易被土壤所吸收，而且不影响氮元素的吸收及利用，且不限制植物光合作用。所以有机矿物生物质肥料有望作为商业有机肥的替代品。

　　Chiang等[15]通过食物垃圾堆肥获得的液体肥料可用于制备溶解的有机碳（DOC）溶液，使用DOC解决方案来修复受Zn污染的土壤。在实验中发现，羧基和酰胺是从液体肥料获得的DOC溶液中的主要官能团。经过修复后的土壤，有效P含量、交换性N含量和有机质含量含量都得到了大量增加。

　　陈庆等[16]以植物秸秆为主要原料，采用微生物降解的方法，分别加入不同比例的人类粪便、绿肥、酸碱调节剂、小分子有机酸和小分子有机醇制备水溶性有机碳肥，不仅肥料中的小分子有机碳易于被土壤和植物吸收，且含有植物所需的各种营养物质，因此肥效优于其他普通肥料。

　　2 施用有机碳肥对土壤及植物的影响

　　2.1 对土壤影响

　　土壤是农作物生长的基础，土壤有机质通过微生物作用一部分有机碳通过矿化变成CO2，而另一部分形成复杂、较稳定的大分子有机化合物[17]。施用有机碳肥对土壤中的有机碳有着重要的影响力，有机碳肥能够改变土壤碳结构和改变土壤性质。同时不同的有机碳肥料对不同的土质和不同深度的土壤也有着不同的影响，因此分析土壤中有机质及NPK的含量有助于分析出作物的最佳生长条件，从而可计算出肥料施用的最佳时期、比例及施用量。

　　He等[18]在对不同条件下施肥土壤的结构分析发现，石油有机碳是土壤肥力的核心，土壤C与N之比、pH和黏土是土壤中有机碳存储的主要因素，而降水量和温度的作用较小。因此可以认为通过长期施用有机碳肥来改变石油有机碳的化学结构，从而提高农业土壤碳汇能力。

　　Zhou等[19]通过对黄土高原上长期施肥的小麦及土壤的分析发现，长期施用有机肥料对土壤中有机氮和有机碳的积累有着明显的增强作用，并且长期施用有机肥料对不同层度上的土壤中的有机碳含量及C、N比也有着不同影响。因此施加肥料的种类对土壤有着很大的影响，就现在中国土地严重缺失碳营养而言，有机碳肥是最好的选择，能直接有效地改善土壤中碳结构和含量。

　　2.2 对植物影响

　　经研究表明，有机与无机元素配合吸收，可大大提高养分有效性及生理功能[20]。在传统意义上忽略了有机碳元素对植物的作用，而一味地追求无机营养，因此会造成碳营养缺失严重和无机元素富营养化。

　　有机碳对植物有着重要的作用，植物低产、劣质多与“碳短板”有关。尤其是农产品质量下降，例如果蔬的口感差、维生素C含量低、硝酸盐含量高、不耐储藏等，均与有机碳缺乏而导致的养分不平衡有关[21]。

　　赖根伟等[22]通过有机碳肥对香榧幼林生长的研究表明，有机碳肥对香榧幼林树地径、新梢生长有着明显的促进作用，可以作为在香榧林集约经营中轮流替换使用的新肥料品种。实验证明液态有机碳肥与有机碳菌肥搭配使用，促进效果最为明显。

　　陈秀莲等[23]通过实验探讨了液态有机碳肥对蕹菜产量、植株性状和经济效益的影响，从实验的结果来看，常规施肥加液态有机碳肥的配合施用对蕹菜的产量有着明显的促进，经济效益大大增加。

　　3 有机碳肥发展机遇及面临的问题

　　目前市面上常以有机肥料为主，但有机肥料中主要成分以大分子的有机质为主，不能直接被植物所吸收，因此导致有机肥料不能完全有效地被植物所利用。而且目前大部分有机肥料多以高温好氧发酵技术并结合多次翻堆工艺，有机物料被彻底氧化分解，有机质完全被矿化。采用此工艺技术生产的有机肥料将是一堆有机质完全被矿化的空壳，其中的有机碳和有机氮被彻底氧化形成CO2和NH3而挥发至空气中，既污染了环境，又减少了有机肥料中的有效成分[24]。因此有机碳肥相对于有机肥料不管在制备上还是在对植物效果上都有明显的优势。

　　在制备方面，有机碳肥常用的工艺以酶水解和酸水解为主，工艺操作简单，而且反应时间短，可以在短时间内得到成品。在施用效果上，有机碳肥含有大量的水溶性小分子有机碳，能够直接被植物和土壤所吸收。因此有机碳肥比有机肥料更有优势，可以代替有机肥料。

　　虽然有机碳肥的效果很好，制备工艺简单省时，但是在制备上有着很多的问题需要考虑。如酸水解中，设备的承受酸腐蚀的能力和制备有机碳肥所需要的成本等；在酶水解中，酶受温度、pH等外界条件的影响较大，会使酶水解不完全等；而且在制备上也会有一定的有机碳和有机氮被彻底氧化形成CO2和NH3而挥发至空气中。所以在制备工艺上需要优化或者寻找新的更好的制备方法和条件。

　　4 结语

　　传统条件下在对作物营养方面，侧重于氮、磷、钾的补充，并没有重视作物碳营养。因此首先需要对有机碳的作用有着深入的认知，使所有人明白碳对植物生长发挥着重要的作用；其次大大加强对有机碳肥的生产工艺技术的深入探究，对传统的工艺多加改进优化，使肥效达到理想的效果；再者做好土壤的保护，减少污染，定期检测土壤中有机碳含量、有机质含量和NPK的含量对预防土壤土质受损及环境污染都有很大的意义。

　　开发有机碳肥不仅是肥料技术创新的重要制高点，而且是植物营养理论研究中富有学术生机的生长点。因此保留有机碳、发展有机碳产业是我国土壤修复和有机种植的希望。

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