作者:李瑞波、吴少全 编著
出版社:化学工业出版社
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生物腐植酸与有机碳肥 第二版试读:
前言
前 言笔者2014年在化学工业出版社出版的《生物腐植酸与有机碳肥》一书,至今已四年多了。实事求是讲,此书有点“另类”,引起了一些争议。但其受关注受欢迎的程度,在当下的涉农书籍中也是罕见的。有鉴于此,应广大读者要求,当出版社提出希望修订再版时,我欣然答应配合。正好这几年又经历了很多实践,获得了许多新经验,产生了不少新认识,正好可利用编写第二版的机会补充进去。相信这也是新老读者们所期待的。
第二版与第一版相比,有如下变化:(1)章节重新编排,使作品条理更清晰,层次更合理。(2)将土壤功能和土壤修复的相关内容放在第一章,力图使从事农业的人们重视研究土壤,关注土壤肥力的核心物质——碳养分。文中重点表达了这样的观点:对于土壤修复而言,碳不是万能的,但缺了碳是万万不能的。(3)修改了一些重要概念:给碳正名确位。碳是生命之本,水是生命之源。但传统理论对植物必需营养元素的排序,将碳与氮、磷、钾同列为“大量元素”。这背离实际,主次不分,造成农业理论和技术方针的诸多失误。应该为碳正名,称其为“植物必需的基础元素”。
第一版把有效碳英文简写表达为EC,此简写与“电解质”的英文简写重了,可能引起理解偏差,经与多位学者交流,比较一致的意见是表达为“有效有机碳”,英译为available organic carbon,中文简称仍为“有效碳”,英文简写为AOC。(4)提出了一些重要的新概念和新规则。将“土壤肥力阴阳平衡动态图”编入书中,希望以此图及其衍生的公式w=w,取代0已经过时的植物养分“木桶法则”,作为造肥用肥的指导原则。
研究农业生态应秉持“系统论”思维。农业生态系统是地球生态循环系统的重要组成部分。农业生态系统又由许多子系统所组成。各系统的运行都遵循着“阴阳平衡”的规律。一旦平衡被打破,系统就会崩溃。而维系“阴阳平衡”运动的能量物质就是碳。
提出了“富碳农业”技术方针。富碳农业包括“天补”和“地补”。“天补”就是提高农作物环境CO浓度和补光能,“地补”就是2对耕地实行多渠道多层面的碳覆盖。“天补”加“地补”配合,农作物产量可翻番。(5)对我国肥料产业结构改革提出了更明确的方向,就是制造以碳为母体的“阴阳平衡肥”。(6)第二版在农业循环经济方面着墨较多。论证了农业循环经济关系到土壤修复,关系到环境保护,关系到粮食安全和食品健康,还关系到乡村振兴。农业的物质循环核心内容就是碳循环,而碳循环的关键技术就是碳转化,使有机物中的有机质向小分子有机碳转化。(7)提出了农业碳循环的三项战略性思考。
①以国家意志介入,强制大养殖场必须兼办有机肥料厂,由国家按成本价采购,利用西行的大量货运空车皮,把有机肥“东肥西调”,去西部农村沃土扶贫。此举予以制度化,坚持几十年,永断西部农村之穷根,彻底改变西部的农业生态,实现中华民族“圣人出,黄河清”的千年梦想。
②动员社会力量到盐碱地去办大型养殖场,将大量畜粪和污液转化为有机肥料和肥液去改造盐碱地,盐碱地便可种植饲料作物反哺养殖业。逐渐把几亿亩寸草不长的盐碱地变成米粮仓、动物蛋白生产基地。
③利用有机碳菌技术推广简易的有机废弃物转化模式,推动农村建立种养结合的合作社,种牧草养牛羊,解决占农村人口1/4的有劳动能力的中老年人就业致富,充实乡村振兴的内涵。(8)论证了有机碳肥技术的历史性贡献,希望引起重视,合力创建富碳农业,为高速运行的“中国列车”打造坚实的底盘。
几年来我国农业界碳“温度”升得相当快。现在学碳知碳讲碳用碳的人数,像滚雪球式地增长。所以这本关于有机碳肥的首部著作修订,应该会得到读者们热烈的欢迎。
我国已进入社会主义建设的新时代。正迎来一场亿万人参与的、波澜壮阔的土壤修复和乡村振兴的伟大实践,需要广大农业从业者深刻地认识碳,系统地了解土壤肥料,理性地掌握和应用有机碳肥技术。因此本次修订再版就显得很及时、很有价值。2018年8月 第一版前言
自本人的第二本“生物腐植酸”著作——《生物腐植酸肥料生产与应用》出版后,来电来人咨询交流不断,这说明生物腐植酸吸引了更多人的关注,同时也说明该书在理论阐述方面还不够,需要进一步完善。
两年多来,我们技术团队又开发了几个生物腐植酸新肥种。这些用植物有机营养的精华要素“组装”出来的新型肥料,单位面积用量比化肥还少,却能产生较好的应用效果,这用传统的肥料理论已经不能解释。于是我们一次次向传统的化学植物营养学发问,不断发现该理论体系的缺陷。170多年前由西方学者创立的化学植物营养学理论,以及几十年来我国大量学者据此演绎阐述而成的土壤肥料学经典,究竟哪里出了问题?生物腐植酸沿用矿物腐植酸理论,是不是走岔了路子?这两个大问题在我的脑海中反复出现。
二十多年来我国社会经济快速发展,而许多领域相应的理论研究却严重滞后,理论创新更为稀缺。这不但制约了社会经济的发展,也使发展不科学、不平衡产生的负面作用不断积累。这种积累是一种“负能量”,会对社会产生破坏力。变革就是经常性的局部调整,以舒缓消解“负能量”的积累,使社会得以持续稳定发展。在农业领域,伴随着国家工业化而带来的化学农业耕作方式转变,也积累了太多“负能量”,产生了严重的农业环境问题和食品安全问题,这就是所谓“化学农业综合征”。可是当人们痛定思痛寻求农业可持续发展新模式时,许多人把眼光转向有机农业。一种否定和排斥化肥的倾向出现了。有机农业被解读为纯有机种植,这可能使我们走入另一误区。
农作物的问题在土壤,土壤的问题在肥料,土壤肥料问题路在何方?这既是农业专家们的焦虑,也是政府部门领导者们的求索。
我们力图通过对生物腐植酸肥料的深入研究,找到植物营养中有机与无机和谐之道,并把其贯彻到肥料的生产技术和施肥技术中去。我们不但制造并验证了几种有机肥力相当于普通有机肥10倍以上的“超级有机肥”,而且找到了标示和检测其肥力的量化指标——有效碳(EC),制定了世界上第一套有机碳肥的技术标准。这就为和谐施肥、科学施肥直至信息化计量施肥,找到了新的精细高效的有机营养肥种。
这是一个著述与科研同步的经历。在这个过程中,随着一个个预期研发目标的实现,理论上的认识也一步步深入。回头一望,发现生物腐植酸只是一道桥梁,走过了它就是有机碳肥的世界!用植物有机碳营养这盏明灯,可以照亮探索植物营养学和土壤肥料学真谛的崎岖小路。我们开始了建立植物有机碳营养理论体系的尝试。当植物有机碳营养“二通道说”清晰起来时,当第三本“生物腐植酸”浮现出“有机碳肥”这条主线时,我们可能离真理更近了。如果我们真的撬开了一扇藏宝阁之门,我们多么渴望更多的人共同来探寻挖掘和分享里面的财宝。因为这将是全人类的无价之宝!
本书最后章节提出了基于“物质大循环”理念的“城市型农业”和“农业型城市”的构想,这既是对建设美丽中国伟大事业的衷心祝愿,也作为我们与读者继续交流的一组新命题。
西北农林科技大学刘存寿教授多次对我们的研究方向和学术观点表达支持,还把他最新力作《有机全营养配方施肥技术研究》全文发给了我。该文广博深邃,对植物营养和肥料理论有多项独到的创新观点,对本书的立论提供了有力支持;我们对有机碳肥的研发工作,受到了我国农业界老一辈德高望重的领导郝盛琦老先生的高度关注和热情鼓励。中国民营科技促进会段瑞春会长欣然为本书作序。我们借此机会向他们表达深深的谢意。中国农业科学院朱昌雄研究员、华南农业大学廖宗文教授和华东理工大学周霞萍教授都对我们的研究给予了关心和指导。另外,于天夫、刘昱杞先生也为本书的编写做了大量协助工作,在此一并表示诚挚的谢意! 李瑞波 2013年8月于福建诏安第一章 概述第一节 土壤的成分
土壤是地壳表层生长植被的部分(见图1-1),具备植被生长的条件:可以固定并容许植物根茎的生长;蓄含植物和土壤微生物所需的水分和空气;提供植物所需的养分;维持酸碱度(pH值)在适当范围内;对旱、涝、寒、热等极端气候有一定的缓冲功能。图1-1 地壳表层剖面图
土壤成分和各成分的功能见图1-2所示。图1-2 土壤成分功能图
物理成分是框架,蓄含化学成分,滋养土壤的基础生产力——生物系统,这就形成三位一体的土壤肥力。
在上述土壤化学成分中,碳(C)养分起关键和基础作用。碳广泛存在于有机质(OM)中,有机质是碳库。从有机质到碳养分有一种中间物质,就是有机质的衍生物腐殖物(HS)。腐殖物是土壤的重要组成部分。
腐植酸(HA)是由动植物(主要是植物)残体在微生物及地球化学作用下由腐殖物及其他有机物质分解或合成的一类天然有机大分子物质,没有固定的分子式和分子结构。腐植酸广泛存在于土壤、水体和煤炭矿物之中。地球上土壤中的有机质碳约3万亿吨,其中HS碳占80%左右。
腐植酸对土壤肥力的基础作用,实质上就是碳物质的作用。而且土壤三种肥力之间是互为因果,并都与碳有着紧密的联系,见图1-3所示。图1-3 土壤三种肥力与碳(养分)关系
成绍鑫在《腐植酸类物质概论》一书中高度概括了中外大量专家的观点,对腐植酸与土壤形成和肥力的作用作了如下论述:
①腐植酸是土壤形成的积极参与者和促进者,腐植酸(HA)中的黄腐酸(FA)对无机质岩石有较强的分解作用。
②腐植酸促进和制约着土壤金属离子、微量元素的迁移、固定和淋溶。这些腐植酸-无机质的复合体对土壤中的钾、钙、镁、铁、锌、锰等有益元素的迁移或固定有很大的影响。腐植酸(HA)对微量元素的富集能力的确是可观的。
③腐植酸是土壤结构的稳定剂,富含腐植酸类物质的土壤比贫瘠土壤的团聚体含量高5~7倍,总孔隙度高0.3~1倍,空气含量、渗水速度都明显较高。
④腐植酸影响着土壤的盐基交换量(CEC)。盐基交换量是土壤肥力的一个重要指标,决定着土壤保持养分的能力。腐植酸(HA)与矿物发生物理化学作用后改变了矿物吸附基团的性质。
⑤腐植酸影响土壤的持水性。腐植酸类物质能降低水的表面张力,从而减小水与土粒表面的接触角,增加水的铺展面积。富含HA的土壤比贫瘠无机土壤持水能力提高5~10倍。
⑥腐植酸是植物养料的仓库,HA通过吸附、络合、螯合、离子交换等作用,或者间接通过激活或抑制土壤酶,对诸多营养元素起保护作用和贮存作用。凡是HA含量高的地方,营养元素含量也必然高。所以100多年前不少人误认为腐植酸本身就是植物的养料。
几十年来腐植酸肥料行业的研究者们沿用着这些经典理论展开对腐植酸肥料的研究、制造和应用,为我国腐植酸肥料的理论完善及产业发展做出巨大贡献。
但是正如上述理论所表达的,腐植酸专家们不认为腐植酸本身是植物营养。
腐植酸专家们忽略了腐殖物经微生物作用会产生水溶有机碳(DOC),而有机碳的分子粒径小到一定尺度以下,其水溶物是可以被植物根系直接吸收的,这就是植物有机碳养分的一种存在形式,见图1-4所示。图1-4 有机质—腐殖物—水溶有机碳关系
可以合理推测:HS是微生物死亡尸体与有机残渣的混合物,小分子DOC是微生物的分泌物,后者被植物根系直接吸收。所以HS间接为植物提供有机养分。
微生物作用于有机质产生腐殖物和水溶性有机碳,促进土壤的肥沃和农作物的生长。从这个意义上来说,土壤不是单纯的肥料贮存器和输送带,而是依靠复杂的生态系统对有机质进行“二次加工”的“消化系统”,见图1-5所示。图1-5 土壤对有机质二次加工示意
可见土壤相当于一个消化系统,那些不易被吸收的有机质和非有机物质(如矿物质),被这个消化系统加工成了小分子有机态养分,才被植物吸收。
如果只重视使用化肥,而不注意适时使用有机肥,丢弃“养地”的传统,会使土壤贫瘠化、化肥利用率低下。
微生物生存繁殖主要的能源是碳和氮,且碳氮比值应在25左右。土壤中有机态碳极度缺乏时,微生物不能繁殖,这是土壤板结的根本原因。
忽略了给土壤补充水溶有机碳,是经典腐植酸土壤肥料学的一大缺失。而这个补碳功能,由腐植酸中水溶性好、分子量小的黄腐酸可以实现。
这种缺失与黄腐酸在矿物腐植酸中的地位有关。因为纵观矿物腐植酸行业,黄腐酸是小品种,生产成本又比较高,企业重视程度不够,只有将其用到高价值产品——叶面喷施肥,才派得上用场。如今腐植酸肥料的局面是:大量腐植酸产品被作为土壤改良剂和化肥增效剂使用,少量产品(黄腐酸)被用作叶面喷施肥的原料,却都没给土壤补充碳元素。
生物腐植酸与矿物腐植酸之间,既有相同又有不同,必然会产生适用于生物腐植酸的新理论、新方法。
第二节 土壤的分类和土壤质量的评判
土壤形态多样,成分差别很大,要对土壤做出精准的分类并非易事。但从农耕角度来看,只需对土壤进行简化归类即可。
土壤按物理类型分为:沙质土、黏土、沙壤土。沙质土透气性好,但保水保肥能力差,比较适合种植块根类作物,如萝卜、胡萝卜、马铃薯、红薯、花生、葛根等。沙质土最需要补充有机质和腐殖物。黏土透气性差,保水能力强,适合种植水生作物,如水稻、莲藕、马蹄等。如要在黏土型土壤中种植非水生作物,必须认真做好排水沟渠。沙壤土透气性较好,保水保肥能力较强,一般含HS物质丰富,适合种植除水生作物外的大部分农作物。
土壤按酸碱度(pH值)分为:酸性土壤、碱性土壤、中性土壤。影响土壤酸碱度的因素首先是地域因素。我国南方的红壤土地带,土壤基本上呈酸性;华北和东北的农田,土壤基本上呈碱性。不当农作也会加剧土壤的酸化或碱化,使得酸性土pH值下降,碱性土壤pH值上升。例如南方香蕉田近年发现pH值普遍低于5,这是由于长期偏施化肥,有的则是埋施未经充分腐熟的畜禽粪便造成的。而华北和东北一些地区,大田作物长期不进行秸秆还田,也很少补充有机肥,土壤有机酸类物质浓度极稀薄,盐分积累逐年增加,加上原来石灰岩土质的特性,土壤盐碱度就呈上升趋势。
按土壤肥沃程度可将其分为多个等级。土壤三大肥力的核心物质是碳养分,所以先从这里入手来分析土壤的肥沃度。从图1-4可见,碳养分追根溯源到有机质(OM),即可以用土壤有机质含量作为评判土壤质量的重要标准,见图1-6所示。图1-6 土壤肥沃程度分类
把有机质含量3%定作“红线”,这是从土壤生态学和植物营养学两种角度来分析的。只有有机质含量在3%以上,配以适量的无机养分,土壤三大肥力才能达到最基本的丰度,土壤生态(包括土壤中的生物系统和其上的农作物)才能保持良性循环,农产品才能达到其DNA的正常表达(即健康)。基于这一点,一些发达国家对农产品的管理,就直接抓土壤有机质含量这一项:有机质含量低于3%的农田,其生产的农产品不允许出售。
由于长期的“化学农业耕作”和“处理—达标—排放”的环保方针,导致我国耕地有机质含量平均每年下降0.05个百分点,现在已经降到2.08%,踩破了“红线”触到了“贫线”,这将对农业的可持续发展产生较大的影响。
还有其他一些参数与土壤肥沃度有关:(1)微生物指标 包括单位质量土壤中微生物总量,各大类微生物(细菌、真菌、放线菌)所占比例。(2)无机养分 即N、P、K和中微量元素含量。这些也是土壤肥沃度的因子,对其含量的了解有助于确定各种化学肥料的补充方案。(3)土壤容重 这是测试土壤含氧量的方法,也是判断土壤板结程度的指标。(4)土壤肥沃程度 这是土壤质量最重要的指标,尤其是3%的“有机质含量红线”,必须作为与耕地面积红线同等重要的指标来严格遵守。第三节 土壤对生态环境的影响
地壳中几十种主要元素,碳(C)虽然只占总重量的1.28%,但在土壤(地壳最表层生长植被部分)中却占2.5%左右。而在地球表面最富活力的生物质中,碳平均占到40%(干重)左右,它是构成生物分子框架的主要元素。生物质的碳来自地球表层和大气的碳循环,所以碳循环对地球环境具有特殊意义。
全球碳循环是由大循环进入小循环的。大循环也称地质循环,是指碳在岩石圈、水圈、大气圈、生物圈之间以、、CO、CH、RCOOH(有机酸)形式互相转换和迁移的过程。小循24环即生物循环,指生命物质与大气之间以CO形式进行交换的过程。2与生物和人类关系最直接的是生物循环。
植物中叶绿素在太阳能的作用下从大气中吸收CO,合成植物自2己的组织,放出O:2CO+HO+能量植物组织+O↑ (3-1)222
于是,植物组织就积蓄了太阳能,也就是说太阳能转化为生物质能。这些能量被动物和微生物利用,通过呼吸放出CO和水,最后植2物死亡和分解后放出CO和水,回到大气中:2植物组织+OCO↑+HO+能量 (3-2)222
但是,并不是所有的植物组织都按式(3-2)完全分解。在一定条件下,相当一部分植物残体在微生物作用下被腐殖化,形成腐植酸类物质(HS)。如果继续覆水、缺氧并处于酸性介质中,植物残体就可能通过泥炭化阶段进入成煤阶段。还有一些低等生物残体会转化为腐泥煤、石油和天然气。这实际上是以腐植酸类物质(HS)的形式把太阳能储存在地壳中了。腐植酸类物质(HS)和煤经微生物或纯化学氧化-降解过程,转化为CO、HO和其他低分子物质,放出能22量,完成植物碳循环过程。这样,式(3-1)和式(3-2)应为: (3-3)
一般来说,每年约有30%的植物枯枝落叶转化成新的腐植酸类物质(HS)。HS逐年积累,但同时又有一部分逐渐分解(矿化),到5年后大约只留下1/5。越“老”的HS矿化得越慢,新HS比老的HS分解速度快几倍。
动物也参与了生物碳循环。动物是利用植物储备的太阳能(以蛋白质、淀粉、脂肪的形式)进行生命活动的。动物通过吸收植物能量(营养)、呼吸(吸入O,放出CO)、代谢(排出粪便)以及死亡22后进入腐殖化过程,有机质被分解为CO、HO并合成腐植酸类物质22(HS),后者继续缓慢分解,完成一个循环。当然,与植物相比,动[1]物在地球碳循环中所占的比例要小得多。
由以上论述可见,碳主要是以土壤中HS的方式存在,并以HS的矿化(分解)和碳的重新聚合等方式周而复始地进行,推动地球的碳循环。
可这样通俗地理解:土壤是生命体,其蕴含着复杂的生命体系和各种生命体赖以生存演化的能源,参与并推动着地球的碳循环。
土壤对周边大气和环境的影响就是土壤参与全球小的碳循环(生物循环),这其中土壤微生物和碳养分起着关键的作用:白天,随着太阳能的逐渐增强,植物利用光合作用吸收二氧化碳,释放大量氧气,光合作用合成的碳水化合物,源源不断输送到植物的根系,经复杂的生化过程以有机酸(属于碳养分)的形式分泌出根毛,这为根际微生物提供了能源和刺激素,加上地温的提升,土壤微生物活动大大加强,对土壤中的有机物和腐植酸类物质进行分解和再合成,此过程会释放大量的二氧化碳,吸收氧气,这正好与地面的植物吸收二氧化碳、释放氧气的流程形成循环。到了夜间,植物的光合作用停止,但它还要维持自身的生命活动,这就要消耗自身积累的碳养分,消耗外界的氧气,这就形成植物夜间吸收氧气、呼出二氧化碳的流程。与此同时,土壤微生物得不到根系有机酸,加上地温下降,其生命活动和对有机物质的分解活动弱化,土壤中“自生”二氧化碳的浓度下降。由于二氧化碳密度高于空气,地面植物释放的二氧化碳下沉“挤占”土壤空气空间,致使土壤“呼出”氧气。于是又出现了土壤与植物之间二氧化碳与氧气的对流循环,只不过这个循环的流向与白天相反。
土壤与其上的植物昼夜之间这种循环“呼吸”,永无休止地进行,土壤无疑是巨大的“过滤器”,使空气得到净化,所以在土壤质量良好,农作物生长茂盛的田野,无论白天还是夜间,人们身处其中都会感觉空气清新,身心舒畅。
当土壤质量恶化,有机质含量跌至“危线”,微生物活动下降,上述这种土壤与农作物、土壤与大气之间的气体循环就弱化甚至消失,土壤失去作为空气净化器的作用。由于碳养分的缺失,施入土壤中的氮肥被吸收利用率很低,大量氮素以硝酸盐和亚硝酸盐的形式进入水体,加剧了水体富营养化,并污染地下水。部分气化与氧气结合,经空气中电场的作用转化为氧化亚氮(NO)和氨气(NH),成为空23气中微尘形成的核心物质,这是产生雾霾的重要成分。所以板结的土壤非但不能对大气净化做出正面的贡献,还间接地为PM做出了贡2.5献。
由于土壤HS的缺乏,土壤团粒结构不能形成,持水能力差,植被衰弱,华北、东北、西北等地大面积土壤沙化,这是土壤对大气质量的负面贡献。
现在,我国大量农田使用塑料地膜。塑料地膜在保水、保持地温、防抗极端气候和防止草害等方面具有重要的作用,但其负面作用也逐渐显现出来。其农膜残片在土壤中的积累产生的问题,已引起人们的注意。但其对土壤的呼吸作用、对大气循环和土壤对空气净化的作用等方面,都有负面影响,至今受关注度不高。因此期待“透气农膜”的诞生和推广应用。第四节 土壤对农作物的影响
土壤肥沃,农作物就好种、好管、好收成。但要探究其作用机理,真正讲到要点,分析透彻却不是易事。但这些学问,正是每一位农者的必修课。这些内容,便是本书贯于始终的主线,本节只提纲挈领式地先予提点,作个铺垫。土壤对农作物的作用主要体现在以下几方面。(1)对农作物根系的影响 土壤三大肥力充足,就具备了植物根系生长所需的养分、水分、氧气和微生物系统,农作物根系发达。“根深叶茂”,农作物光合作用效率高,物质积累丰富。
同一种农作物,在肥沃土壤中生长比在贫瘠土壤中生长,其根系总量会相差1倍甚至数倍。同一种植物其根系总量与地上部分生物量的比例大致是恒定的。所以土壤直接影响植物根系,也就影响农作物产量。(2)对农作物健康的影响 笔者曾到马来西亚云顶高原考察蔬菜大棚。当地种植户要种植“有机蔬菜”,习惯用鸡粪简单堆制后埋施,然后种上菜苗。其收割的青花,每朵只有150g左右,当询问其菜的味道如何时,其直摇头。拔起一株刚割花的菜茬,只见根系大部分腐黑,只有浅层表土中的根是正常的。菜茬上的母叶,色泽灰暗,边缘卷曲。再往土里挖,鸡粪的恶臭散发出来,用洗洁精洗了三次手,还未能尽除臭味。笔者问该农户:“这株菜极不健康,人吃了会健康吗?”其回答:“为什么菜不健康?施了有机肥啦!”笔者告诉他:你用不当的方法处理鸡粪,就污染了土壤。土壤不健康,农产品也就不健康。
几乎所有农户都明白:气味清新、土质肥沃的土壤,农作物生长顺利健康,病害就很少。板结的土壤、发出酸臭味的土壤,农作物呈亚健康,很易发病。最近几年农民开始重视施有机肥,就有些大型养鸡场把鸡粪烘干粉碎,一卡车一卡车地拉到农村低价卖给农民,农民直接施用到土地中,不但造成农作物黄化,还使病虫害频发。这是由于大量的鸡粪未经合格腐熟,大分子水溶物造成土壤缺氧,进而诱导土壤中微生物群系组成的变动:好氧菌被抑制,厌氧菌大量繁殖,形成一种不利于根系生长和促使有害微生物滋生的土壤环境。也就是说烘干鸡粪把土壤污染了,农作物就不健康了。
农作物不健康引发病虫害频发,农户频繁使用化学农药,于是农药残留的严重性也就凸显了。(3)化肥利用率问题对农作物健康的影响 大量事实证明,肥沃的土壤用少量的化肥就能获得好收成。这是由于有充裕的有机养分去“组合”无机养分,化肥所带的无机养分得到充分的利用,在植物体内没有无机离子被“闲置”于细胞组织之外,这种农作物营养积累平衡且丰富,植株健壮,果实丰满,作为农产品,必然是质量上佳,口感良好。
反之,土壤贫瘠,所施的化肥养分得不到足够的有机养分的“组合”,化肥中无机离子虽然能随水分进入植株,却只有部分被组合吸收入细胞组织,其余则以离子态存在于细胞外液中,这相当于动物血液中的垃圾,不但影响农作物的健康,也使农产品质量低劣,口感差。土壤越贫瘠,化肥利用率就越低,农作物这种“化肥病”就越严重,所以化肥对农作物健康的影响也可以归结为土壤对农作物健康的影响。第五节 各类土壤病及其原因
土壤承载万物,养育生命。没有健康的土壤,包括人类在内的一切生物都将生活在饥饿混乱和恐惧之中。什么是健康的土壤?就是第一节所描述的三种肥力都丰足且平衡的土壤。而不健康的土壤就多种多样了,这里归纳为如下十大土壤病,供读者参考。一、贫瘠病
贫瘠病是指土壤中各类养分缺乏所引发的病,这又可细分为:(1)缺碳病 土壤有机质含量跌到贫线(2%)以下,碳养分十分贫乏,导致微生物活动式微,土壤内部及土壤与大气之间的生态循环建立不起来,土壤就失去自肥能力。随着农作物不断种植,碳养分消耗殆尽,轻则导致农作物亚健康、低产,重则土壤严重板结或沙化,农田大面积荒漠化,种不出真正意义上的庄稼。(2)缺素病 也是一类贫瘠病,只不过它缺的是某一种或多种无机营养元素。常见农作物一些不正常表征:花而不实、黄叶、叶斑、叶缘干焦、叶脉发黄、条纹病等,都与缺某些无机元素有关。比较常见的与地域或作物有关的缺素,例如南方的缺镁,北方的缺磷,许多果树的缺硼,水稻的缺硅等。
某种大量元素缺乏主要是由于农户对农作物需肥知识不足引起的,而微量元素知识则需很专业的农户才能掌握。由于微量元素需要量少,如果重视给农田补充足量有机肥,微量元素缺素病是能被克服的,因为有机物中就包含多种微量元素。还有一种可能是因为微量元素一般惰性较大,如果土壤板结、农作物根系衰弱,即使土壤中某种微量元素并不缺乏,却很难被农作物吸收,使农作物表达出缺素症,其实这是一种缺素假象。
有的缺素病还与施肥不当有关:某种无机营养元素过量施用,会抑制某一种微量元素被吸收,这可称之为“长板抑制”。二、“富肥病”
常见的是过量施用氮肥,致使土壤硝态氮浓度过高,在硝化-反硝化的过程中,产生大量亚硝酸盐,伤害植物根系并污染地下水。还有一种“富肥病”是过量施用过磷酸钙,使土壤钙质化,硬化程度严重,成为不可耕作土壤。三、腐败病
一些大养殖场乱排污,年长日久便使周边耕地积累了很浓的未经充分分解的有机物。近年来许多农户重视施有机肥,但又缺乏有机肥制作的知识,以为畜禽粪便就是有机肥。有一位蓝莓种植户,居然每❶亩用了15t鲜牛粪做底肥,使蓝莓种上后没有几天就发黄干焦。
腐败病的本质是土壤微生物种群结构恶化,有益微生物失去控制权和繁殖条件,土壤的新陈代谢和呼吸机制建立不起来,土壤中长时间只有化学反应,没有正常的“生物反应”。四、缺氧病
黏性土壤和板结土壤易得缺氧病。
水生植物如水稻、莲藕等其自身组织结构都有内生“气腔”,能与叶面之间日夜不歇地交换气体,所以不容易产生缺氧问题。但如果在黏性土壤中种植块根类和弱根类农作物,土壤的“缺氧病”就会显现出来,严重影响作物的生长。
板结土壤日夜循环的呼吸作用近乎停止,使农作物根系处于“微氧”供应,这也就表现为土壤的缺氧病。五、重茬症
土地一茬接一茬种植同一种农作物,便使该种作物不能正常生长,称之为“重茬症”。专家们一般解释重茬病的原因有两种:一是某些微量元素稀缺;二是同一类农作物根系腐败留下的毒素积累太多。
上述解释似乎很合理,但以下情况可能推翻上述解释:①多年生果树、树木,只要管理恰当,几十年甚至上百年都不衰败。②韭菜和芦笋,一茬种下去多年不断收割,只要多施有机肥,也不衰败。③土壤肥沃(有机质含量高)时重茬症很少发生。
这些现象说明,上述重茬症两种原因的解释并没有抓住问题的实质。实质是土壤贫瘠化,微生态体系失常,导致土壤失去了自肥和自我修复机能。
贫瘠化的土地百病丛生,“重茬症”只是其一。
如果制度化地对耕地施用优质有机肥,每亩每茬(或每半年)施用2t以上有机肥,某些缺失的微量元素就能从堆肥中得到补充,土壤中的微生物群系不断得到碳源,生物多样性健全良好,绝大多数“积累毒素”(如果有的话)都会被分解,也即土壤实现自我修复,重茬症就不会发生。有人做过大蒜重茬试验,两垅大蒜都重茬,其中施足有机碳肥的大蒜长得相当好,拔出大蒜折断,在十几米外就能闻到蒜香味。而对比垅只施复合肥,大蒜长得纤细萎蔫,毫无生机。
当然,从经济效益和生态效益的角度看,有条件的地方还是应减少重茬。通过轮作和养地休耕等措施,保证土地可持续耕作。六、线虫病
线虫是土壤生物多样性的一部分,在一般情况下线虫对土壤“适耕性”是有贡献的。但是在下述情况下,线虫表现出了对农作物的危害。
①线虫类物种中,根棲性线虫成为优势种群且大量繁殖,就会使农作物根系发生大量“根结病”,阻断了根系输送通道而导致农作物坏死。
②土地板结,土壤中氧气供应不足,厌氧性线虫成为优势种群,它的活动会产生大量乙酸类有害物质,破坏植物根系的发育。
③土壤中碳养分稀缺,植物根系衰弱,对线虫的抵抗能力太差。也就是说碳养分充足(有机质含量高),植物根系发达,植物强大的生命信息能驱避线虫。即使有些线虫进入根系,粗壮的根系不容易被线虫形成的根结所堵塞,农作物还能正常生长发育。这方面已得到了大量实例的证明。七、土壤酸化
土壤呈较强的酸性,pH值4.5以下,不适宜大多数农作物的种植,就称之为土壤酸化,也是一种土壤的病态。
土壤酸化的原因主要有如下几种:
①地理位置,附近有强酸性水源,例如“铁锈水”。
②土地长期没有翻耕,土壤缺氧,厌氧微生物占优势,产酸较多。这种情况在华南香蕉地十分普遍。
③施肥所致。长期过量施某些偏酸性化肥,或者施用了没经发酵腐熟的粪便。近年来就出现许多劣质有机肥使土地酸化的案例。八、盐碱害
按照盐碱地的产生原因,可以分为原生盐碱地和次生盐碱地。
由沿海(湖)滩涂围垦形成的耕地,由于改造不彻底或耕作不当造成返盐返碱,这一类耕地为原生盐碱地。原农耕土地由于耕作不当或自然条件恶化(如缺水)而造成的盐碱化,为次生盐碱地。
耕地土壤含盐分太高,或pH值在8以上,不适于大多数植物生长,就是盐碱害。
原生盐碱地改造后,没有保持常态的淡水浇灌,或不进行足量有机肥的使用,而长期依靠化肥,是原生盐碱地再现盐碱害的主要原因。
石灰岩地质的耕地,如果长期缺水且不重视常态化使用有机肥,就很容易发生盐碱害。九、化学农药残留和重金属超标
化学农药的大量使用,尤其是除草剂,是造成土壤农药残留严重的主要原因。但土壤贫瘠化,丧失了自我修复机能,土壤中的残留农药得不到有效分解,也是一个不容忽视的因素。
重金属超标来源于三种途径,一是采用畜禽粪便制造的有机肥。在畜禽饲养中使用的饲料(尤其是添加剂),添加了砷、铜、锌等促进剂。二是化肥。一些不良厂家使用了含重金属(例如镉、铅)的矿源制造化肥。三是工业污水对水源的污染,例如某些含汞、铅、铬的污水。有少量叶面肥厂家不注意,使用了含铅、汞等重金属的管道和容器,都可能出现重金属超标的情况。十、生土
生土本应归类在第一点“贫瘠病”中,但由于这个问题存在认识上的误区,并在大规模农田整治中普遍存在,故单独拿出来分析。
生土是指耕作层(或表土层)下的原土,由于土地平整或过度深耕被翻到地面充当新的耕作层。
从土壤三大肥力的视角分析,生土由于有机质含量接近零,基本上不存在生物肥力,因而物理肥力也十分微弱。生土中含氮量极低,虽然含有钾、磷和其他微量元素,但基本上都是不溶态。因此生土是极度贫瘠的土壤。在许多地方可以看到生土之地多年寸草不生。
前几年曾出现这样的案例。广西某地为了使甘蔗田实现机械化耕作和收获,把种甘蔗的坡地铲平成规格化平整地,于是生土出来了。当地农民知道生土难以种植,不愿意承包,当地政府就出台优惠政策(包括地租的减免)招商种甘蔗。这就引来了一些外地投资者承包经营,他们参照当地农民的施肥方法施肥,结果甘蔗被种成芒草,有些甚至像大蒜一般高。从而承包经营者损失重大。
这些投资人认识上犯了两个错误:一是认为生土含矿物质丰富,矿物质就是无机养分;二是认为只要有阳光和水,就能种出庄稼。他们不懂三大肥力,更不懂应该怎样造就三大肥力。
以上分析了十种常见的土壤病。归纳分析后会发现,土壤病主要是人类没有充分了解土壤特性,即所谓“无知”造成的。“无知”则主要表现在以下“五不懂”。
①不懂碳,尤其不懂根部吸收有机碳养分,不懂土壤肥力的维持主要依赖碳能。
②不懂微生物,不知道土壤微生物是耕地的基础生产力。
③不懂阴阳平衡,不懂耕地单施化肥不补充有机质的危害性。
④不懂供氧,不知道土壤生态和植物根系发育需要足够的氧气,不懂土壤供氧的基础是团粒结构,不懂团粒结构的形成和维系依靠碳养分和微生物。简单来说就是不懂土壤的“菌氧效应”。
⑤不懂物质循环,不知道土壤肥力和植物养分最重要的成分是有机养分,也即来源于生物质。不懂植物所需的中、微量元素可以通过物质循环来获得。多年不搞农业物质循环,使土壤越耕作越贫瘠。
要修复土壤,要避免出现更多的土壤病,必须深刻记取教训,在索取的同时更要给予——养地。第六节 有机营养理论的盲区
1840年德国人李比希发表《化学在农业和植物生理学上的应用》一文,创立了“植物矿物质营养学说”,开启了世界性的化学肥料生产与应用的“化学农业”纪元。
化学肥料一出现,就展现出其巨大的优越性:用量少、肥效快、有标准,适用于几乎各种地域各种农作物。尤其与半原始的有机种植的低效低产状态相比,化肥对农业增产和大面积种植的推动作用是史无前例的。化肥对于养活全球几十亿人口,是功不可没和不可或缺的。
化学植物营养学的经典主流理论概括如下。
①构成植物营养的主要营养元素分为:大量元素是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K),中量元素是钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、氯(Cl)、硅(Si),微量元素是铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)、硼(B)、钼(Mo)。
②碳、氢、氧可以从空气和水中得到,而其他大量元素肥料要由工业化生产的化学合成肥料提供矿物质营养予以补充供给。多年后,又开始强调中微量元素的补给。
③有机质改良土壤结构,有机物矿化释放出无机态矿物质(包括CO)养分供植物吸收。2
④植物营养“最低量法则”,又称“木桶法则”,意即前述十几种植物必需的营养元素就如宽窄不一的木板,围成一个木桶,木桶水面的高度(作物的产量)取决于最短的一块木板。
⑤报酬递减规律,即在养分的一定供应数量范围内,随着某一养分供应量的不断增加,作物的产量不断上升。但是每增加一个单位的养分供应量所获得的增产值,却随着养分供应量的增加而逐步减少。
⑥化学肥料之间的相容性和拮抗性,即不同肥料混合时,互相之间会产生或不会产生化学反应。会产生化学反应的,可能造成营养成分损耗(养分挥发或转变为不被作物吸收的状态),或者肥料物理性能变坏。
⑦不同农作物对各种矿物质营养的“敏感度”不一样,尤其对中微量元素。因此因某种矿物质营养的缺失会造成某些农作物不能正常生长。
在化学植物营养理论的指导下,我国农业五十多年间,农作物单产和总产有了大幅度的提升,以占全球9%的耕地,养活占世界人口22%的国民。但也因此付出了巨大的代价:目前的化肥消耗量占全世界的35%,单以氮肥来说,年产量达到3300万吨,这一项就消耗11000万吨标准煤;与此同时,我国化肥利用率逐年下降,目前氮肥利用率仅30%~35%,磷肥利用率仅10%~20%,钾肥利用率为35%~50%。还有就是土地贫瘠化日趋严重:我国五十多年化学农业耕作,土壤有机质下降50%,由2%~3%变为1%~1.5%。化肥的有效成分被作物吸收后,留下的非养分盐分或离子在土壤中积累引起土壤酸化或次生盐渍化,这在设施农业中表现更为严重。有些地方由于大量施用化肥导致湖泊富营养化,甚至地下水亚硝酸盐严重超标。再就是农产品品质的劣化,农产品中维生素、蛋白质、纤维素以及钙等矿物质含量下降,口感和风味都比有机种植产品差,甚至导致食物不安全,这将在后续章节中予以分析。
在这种化学植物营养学理论的影响下,目前我国各地农业市、县展开的测土配方施肥还没有把土壤有机质含量作为施肥的量化目标,大家普遍以化肥营养的“平衡”,即木桶板条一样长为目标。这对耕地的治理没有根本上的意义,充其量是使化肥利用率提高一些而已。
包括政府农业管理部门在内,均应认识到耕地有机质指标的重要性。一般认为“作物所需的碳、氢、氧营养可以从空气和水得到解决。”这恰恰就是化学植物营养学致命的缺陷。氢和氧由空气和水是可以解决的,碳就未必,这在前面已有提及。这种缺陷在我国几十年化学农业耕作过程中是逐渐暴露的。因为此前几千年都是实行有机种植,农民要获得起码的收成,就必须千方百计向耕地补充各种各样的农家肥、土杂肥、塘泥、海泥。而农药则基本上都使用植物源农药和各类土制无公害灭虫剂,所以在实行化学农业的初期,土壤有机质含量一般比较丰富,相应的中、微量元素也不缺,化肥单位面积用量比较少,就能见效,上述缺陷并没有显露。即使目前美国、欧洲、澳大利亚和日本等发达国家和地区这个“缺陷”问题也不特别严重,因为这些发达国家较早就重视土壤有机质的补充,采取许多措施确保耕地有机质含量和农产品的质量,措施如下。
①从政府管理法规上明确规定耕地有机质含量指标。
②重视并很好贯彻了秸秆还田,普遍使用秸秆腐熟剂。
③重视使用腐植酸类物质做土壤改良剂。
④休耕、轮作和间种。
⑤适度控制单位面积农作物的产出量。
⑥重视种植绿肥作物。
⑦不使用破坏生物多样性的化学农药。
⑧重视水土保持。
⑨牧场(或圈养)与农场密切联系,使牲畜排泄物就近被转化肥田。
上述诸多措施都有一个共同目标:培肥地力(主要是有机质含量),不对耕地进行掠夺性使用。正因为这样,化学肥料的使用就没有给发达国家带来严重的耕地退化问题和农产品安全问题。化学植物营养学的片面性也由此被掩盖。
但我国由于实际国情,人多地少,加上改革开放初期土地短期承包制和农村大量青壮劳力进城打工,农民不重视培肥地力,传统的有机肥的制作和使用失去了动机和劳动力保障;与此同时,农村还没有一种机制来进行规模化的有机物质转化工程,有机废弃物到处乱丢乱排,却无法转化为肥料用于耕地。所以近三十年来大部分农田仅施化肥。这就造成了我国耕地有机质含量锐减,土地贫瘠,化肥利用率越来越低。化肥这一肥料体系的“阳刚一族”失去有机营养的阴柔滋润,其狂暴的一面就显露出来,由此就凸显出化学植物营养学说的缺陷。真理是相对性的,一种理论在某阶段或某种条件下是可行的,是正确的,但到了另一个阶段或另一种条件下就不可行,不那么正确的,必须做出修正。
在我国农业领域,学界习惯于接受和跟随发源于西方的理论,而缺少探索和创建自己的自然科学理论的大智大勇,这在植物营养和肥料领域表现得尤为典型。化学植物营养学的片面性和弊端已经暴露得如此尽致,中国近三十多年的农业历程也从另面阐述了“植物有机营养学”,中国最需要“植物有机营养学”。但却还没能产生一套与上述“化学植物营养学”相对应的,得到学界和社会公认的“植物有机营养学”理论体系。第七节 传统植物营养理论的重大错漏
由李比希在一百七十多年前创立并经后人不断阐释和丰富的化学植物营养学,已成为我国植物营养学和土壤肥料学的主流学说。其作用和贡献是不容置疑的。但如果把它当作植物营养的全部真理,那就不够全面了。下面列举出其存在以下误区。一、对碳的定位错误
从生物学的角度看,地球就是碳星球,因为构成生物质的基础物质是碳。碳是生命之本,水(氢和氧)是生命之源。
以植物为例,有机质占植物干物质的70%左右,而有机质中碳元素占58%,也即碳约占植物干物质的40%。而植物营养元素中,仅有碳是植物的能源。植物生长过程中新陈代谢消耗碳,由碳与氧气反应形成二氧化碳排出,释放热能维持植物体生存必需的能量。这些被消耗的碳没有最终存在于物质积累之中,也就是说人们测出植物物质积累中的碳,并不是植物生长过程中吸收的碳的全部。实际上植物必需的碳,远远超过植物全部必需营养元素的50%。
图1-7定性地表达植物各类必需营养元素所占的比例。图1-7 营养元素比例示意
如图1-7所示:碳元素在植物必需营养元素总量中占绝大部分。可是在化学植物营养学传统理论中,碳的地位被大大弱化了。传统植物营养学声称以各必需营养元素所占比例,划分为大量元素、中量元素、微量元素三大类,并定格为如表1-1所示。表1-1 原植物营养元素分类表
如果把表1-1与图1-7对照看,很容易发现这个分类表不科学。既然以占比的比例划分“大”“中”“微”,那么碳(C)的占比与N、P、K等大量元素明显不在一个数量级上,归在同一个数量序列是不合适的。
根据以上论述,如果一定要整理一个合乎逻辑的“营养元素分类表”的话,就应该把表调整为表1-2所示的分类。表1-2 植物营养元素分类调整表
对碳定位不准确,就导致植物营养理论和肥料理论长期漠视碳。肥料界只生产氮肥、磷肥、钾肥,近年再强调中微量元素肥,但不生产碳肥。即使生产了有机肥,也不知道碳养分,有机肥被制造成“无害化”的土壤改良剂。
由于原营养元素分类表深入人心,再加上“二氧化碳取之不竭”的观点普遍存在,植物碳养分的供给就长期没受到重视,土壤碳养分缺失,大面积农作物患“缺碳病”等现象居然被视而不见。甚至还有观点认为碳理论是标新立异,是对传统肥料理论的冒犯。
但事实胜于雄辩,我国近30多年“化学农业耕作”方式造成的耕地质量问题,农业环境问题和食品健康问题,都可以追溯到植物营养理论和肥料理论对碳的漠视。应该遵守自然规律,端正对“碳”的认识,研究碳,利用碳能,贮碳于土。
对碳的研究注重的是可以成为植物碳营养的碳,即有机肥力的根源,所以有必要将碳的各种形态加以分析比较(表1-3)。表1-3 自然界碳的各种形态与植物碳营养二、学说的机械性
学说认为植物必需营养由六种大量元素(C、H、O、N、P、K)、四种中量元素(Ca、Mg、S、Cl)和六种微量元素(Fe、Cu、Zn、Mn、B、Mo)组成,对有些作物,还加上Si为中量元素,总共是十七种组成。其实植物能吸收并对作物正常生长有作用的元素,至少几十种。而某些特种作物,例如水生植物、一些中草药植物,可能在十七种之外还有另一种或几种元素起重要作用。
机械性规定十七种必需元素自有其意义,方便技术人员和农业从业人员配方用肥,也有利于肥料工业的规模生产及标准化管理。但作为一门学说,机械性规定会引起以偏概全的负面作用,最终导致不少农作物得不到其必需的一些营养,或导致一些营养元素被多用滥用。
肥料平衡作用的“短板”原理(木桶法则)也有其机械性的缺陷。该原理的要点是两处:一是以“木板”的宽窄区分各营养元素的“大”“中”“微”,即合理的需求量,二是哪块“板”短了,其他板再长,对植物增产也不起作用,植物的产量由短板决定。事实证明:该理论忽略了各元素之间的互相作用,例如碳对氮、磷、钾及其他中微量元素的“横向”联系,也即某些营养元素,例如碳和氧不但自身在植物中发挥了营养作用,它对其他元素的利用率还发生不同程度的影响。但“木桶法则”就没能反映这些问题,从而造成对土壤肥料客观规律和植物营养真面目的误判。
还有,该学说只提到元素对植物的营养作用。这种“作用”的判定最终是靠“测产”和化学分析,即某元素在某作物干物质中所占的比例,以此作为施肥的依据。但学说忽略了植物的“能源物质”,它是维持植物新陈代谢所需的“燃料”,这种“燃料”元素对植物的生存起到至关重要的作用,而在对植物“测产”时却无法测出。也就是说,该学说只能指导人们向农作物施加“营养”,却无法指导补充“能源”。三、对植物碳营养吸收途径的误判
化学植物营养学最重大的失误是对植物碳营养吸收途径的看法。认为植物是通过叶片气孔吸收二氧化碳,经叶绿素的光合作用转化为碳水化合物(营养积累),不认为植物根部也能直接吸收水溶性有机碳,进行营养积累。这种把二氧化碳气体当作植物唯一碳营养的来源,即碳营养“一通道说”,导致了一系列施肥措施、有机肥和有机-无机复混肥的技术标准和制造工艺的不合理性。
由于上述理论的不完善,导致我国四十多年中耕地有机质含量大幅度下滑,大量耕地板结、沙化和盐渍化。更导致了大量农作物经常处于缺碳的状态。碳是当今植物营养最严重的“短板”。不但造成作物生长不正常,还导致化肥营养利用率越来越低。还有更令人不可思议的是“碳短板”甚至造成豆科植物连自身根瘤“自制”的有机氮都难以利用。这有一个事例作证:2012年初夏在诏安县后港村进行对毛豆的肥效对比试验,发现只用化学肥料做基肥的毛豆,接近成熟时毛豆根瘤还很饱满,而加用有机碳肥做基肥的两组毛豆,同期毛豆的根瘤却成了空壳。后者产量分别提高42.4%和82.8%,这证明缺乏碳营养的毛豆,连自身根瘤固氮的有机氮都大部分不能被利用。这个案例可能对豆科植物施肥技术和增产措施发生颠覆性的影响。四、对土壤微生物的漠视
化学植物营养学虽然注意到土壤生物肥力的作用,但没有对土壤微生物和土壤生物多样性的培养和保护给予关注。土壤板结的根本原因是微生物含量低。众所周知,微生物繁殖主要的能源是碳和氮,也知道最佳碳氮比是(20~30)∶1。可是当耕地有机质含量降到1.5%以下,也即碳含量不足0.9%的情况下,呼吁提高土壤的碳氮比以拯救土壤微生物的呼声很小,却有连篇累牍的报告和论文在那里人云亦云地谴责化肥,说“由于长期使用化肥使土壤板结”。五、关于植物矿物质营养“离子说”
化学植物营养学漠视了土壤中水溶有机营养对矿物质营养的作用,把化学肥料中矿物质营养元素如何被植物根部吸收理解为:营养盐+水=正离子+水+负离子
于是在水溶液中,正离子被植物根部吸收,把负离子留在了土壤中。这里有如下几个问题值得探讨。
①当多种化肥一起存在于土壤中时,不同的正离子在植物根端的“进口”不互相排斥吗?如果存在不同正离子互相排斥,而某些正离子和另一些负离子结合形成不水溶的沉淀物,这会不会是化肥利用率低的重要原因呢?
②在原生态植物生长环境中,矿物质营养是由土壤腐植酸和根系分泌的有机酸分解岩石,使之溶解(吸附、螯合、络合)成有机化合态矿物质营养,以水溶液的形态不断被植物根部吸收,这就是几十亿年来植物的生长史和进化史。这是植物矿物质营养进入植物的正常态,合理态。而当土壤中有机质极其匮乏时,化学肥料所提供的矿物质营养就被“离子化”进入植物内部。这种营养物质供应形态的变化,会给植物带来什么负面作用?
③土壤向植物输入矿物质营养过程中,有机质真的不起作用吗?矿物质营养真的就一定是以离子态被吸收吗?矿物质营养有没有形成有机化合态被植物吸收的可能性?
④如果承认存在有机化合态矿物质营养,那么对植物来说,有机化合态矿物质营养(化学价为零)与无机离子态矿物质营养相比较,哪个生物有效性更高呢?
⑤过多的离子态矿物质营养进入植物内部,必然有一部分不能被有机碳营养“联姻”组成植物细胞,而成了植物胞外液中的带电离子,这会刺激植物代谢产生异变物质。这种异变物质进入人体并长期积累,会不会造成人体新陈代谢异变并形成多种病害?
如何认识已经显现了的化学植物营养学的局限和缺陷,这已不是一个纯学术问题,而是关系到农业整体战略和国计民生的重大问题,不能再漠然置之了。第八节 有机营养与“阴阳平衡动态图”
我国学界多年来一直有人在呼吁植物有机营养,但由于农业生产中急功近利意识成为主流,使化学植物营养学成为压倒性主流学说,植物有机营养的声音显得微弱和无助。20世纪50年代,孙曦先生提出“植物营养有机-无机”理论,认为植物正常生长发育不但需要矿物质营养,同时需要有机营养。1986年张夫道在《植物有机营养研究》提出:植物能吸收酰胺态有机氮。2004年冯建军等应用同位素14研究了C-寡糖在西瓜幼苗植株体内的吸收、传导和分布行为,结果显示,寡糖通过处理叶部或根部后能够被植株幼苗快速吸收。叶部处14理8h和根部处理24h后,C-寡糖即可以传导和分布到西瓜幼苗的整个植株内。2007年李美云等在《植物有机营养肥料研究进展》一文中证实:氨基酸有机氮被植物吸收。
刘存寿教授对植物有机营养作了系统研究。2012年,他在《有机全营养配方施肥技术研究》一文中指出:“基础知识和生产实践也证明了植物能够吸收有机营养。①种子萌发生理告诉我们,种子从萌发到幼苗期内,完全处于自养状态。胚乳中贮存的淀粉、蛋白质水解成可溶性物质——麦芽糖、葡萄糖、氨基酸等,并陆续转运到胚轴供生长需要,由此而启动了一系列复杂的幼苗形态发生过程,最终形成幼苗。②生产中,特别是设施农业中,为了弥补条件不足,帮助作物授粉,促进作物生长,通常利用赤霉素、细胞分裂素、萘乙酸等各种外源激素。③当前使用的农药,大多是人工合成的有机物。植物以分子态吸收激素和农药,也证明植物能够吸收小分子有机物。植物根系分泌物大部分是低分子量有机物,植物根系能够分泌诸多有机物,便能够吸收类似分子量的有机物。”
在研究植物有机营养时,要先了解“有机营养”的涵义。自然界除二氧化碳和碳酸盐以外的含碳化合物都称为有机物。凡是能溶于水,能对植物显示碳营养功能的有机物质就是植物有机营养。
植物有机营养是组成复杂、种类繁多、物质组成随条件改变而改变的有机混合物体系。刘存寿以根系分泌物分子量区间为参照,确定这种水溶物分子量在300~1500之间。作者通过应用效果与化验数据相对应的优选法,确定植物有机营养有效物的分子团粒径在几十纳米至1μm之间。
可以从以下几个方面了解植物有机营养(以下简称有机营养)。一、有机营养与农作物的关系
农作物的主要成分是有机质,占其干物质的60%~70%。这些有机质一部分来源于叶片吸收的二氧化碳(无机物),另一部分来源于根系,由土壤吸收的有机营养,所以有机营养是植物的重要营养源。
有机营养还是确保农作物品质的重要基础。化学农业给人们提供了大量的粮食、蔬菜、水果和其他应由尽有的农副产品,但是粮不香、菜无味、果不甜,已经成了普遍现象。人们一旦吃到有机肥种出来的农产品,都会赞叹“原生态”的风味,感觉真好!因此真材实料的有机食品在超市售出几倍价都供不应求。这就说明有机营养对农作物的品质起决定性的作用。所以缺乏有机营养,不但使农作物口感方面的品质(也即物质积累的成分和比例)差,还导致食品安全方面出现问题。
有机营养中的碳,除了作为植物物质积累的重要成分,同时还是植物维持新陈代谢能量的能源。植物每积累一个碳,就要“燃烧”掉两个碳,所以植物对碳的总需求量是其干物质中碳的3倍。这是碳与
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