19植物碳基营养

1、19植物碳基营养植物碳基营养理论，是我们“生物碳源农业体系”的一 个重要概念。为了了解这个概念，我们必须先学习一下另一 个概念：植物矿质营养理论。从小我们就学过，植物从空气和土壤中吸收了很多营养物质，这些物质由碳C、氢H、氧O、氮N、磷P、硫S、钾K、镁Mg、钙Ca、硅Si等大 量元素，以及铁 Fe、镒Mn、锌Zn、铜Cu、硼B等微量元 素组成。植物吸收这些营养元素， 是通过不同的路径进行的。 比如，吸收H和O,显然是通过吸收水 H2O即可。而吸收 碳元素C,则是叶片中的叶绿素通过光合作用，吸收空气中 的CO2,来实现的。至于其他的 NPK等元素，由根系吸收 土壤中水中溶解的离子来实现，比如，

2、根系吸收土壤中水溶 的钾离子K+从而吸收钾元素，或者氨根离子 NH4+从而吸收 氮元素。 当植物死亡后，或者土壤中由现了动物尸体、粪 便等有机质，那么微生物会把这些有机质分解成CO2,水和矿质元素的离子形式，再被植物吸收。这样的过程，可以通过下图来表示。这个理论，就是植物矿质营养学说。1840年，德国人李比希发表的化学在农业和植物生理学 上的应用一书，正式创立了植物矿质营养学说。李比希是化学界的先驱。我们知道，有机物是由碳元素形成的一条链。这个结构就是李比希提由来的。因此，李比希是有机化 学的祖师爷。同样，创立植物矿质营养学说之后，李比希也 就成为了农业化学，甚至是生物化学的祖师爷。只不过李比

3、 希犯了一点小错误，他认为植物中的氮，是通过吸收空气中 的氮气来获取的。这个错误很快就被后人修正了。人类根据李比希的植物矿质营养学说，创立了化肥工业，从而发展 了化学农业，极大的提升了农业的产量，养活了世界上大量 的人口。 中国在1909年进口了少量智利硝石，作为氮肥使 用；1914年，吉林公主岭农事试验场首先开始进行化肥的田 间施用试验；30-40年代，卜内门化学工业公司向中国推销硫 酸镂，农民称它为肥田粉。 1935年和1937年在大连和南京 先后建成了氮肥厂。1949年以后，加快了化肥工业发展速度。 矿质营养学说为全世界做由了重大的贡献，一直被奉为植物 营养的真理，极少受到怀疑。直到由现

4、了一个中国人。孙羲老先生，中国农业化学的奠基人。1914年3月7日由生于安徽省安庆市。1935年毕业于浙江大学农学院，1957 他编著了我国第一部农业化学教材，70年代末，他在总结我国历史上施用有机肥料与作物产量和土壤肥力关系的基础 上，发现我国之所以千百年来作物产量续有增加，土壤肥力 也不断更新，是因为我国有长期施用有机肥料的优良传统。但由于有机肥的供肥特性与作物的生育需要往往不相协调， 因而增产幅度很小。为了揭示有机肥料的营养作用和供肥机理，弘扬中华民族悠久的施肥传统，探索具有中国特色的施 肥体系，孙羲开始了有机肥对作物的有机营养以及对提高土 壤肥力和作物产量的作用机理研究。“六五”和“七

5、五”期间被列入农业部重点项目。经十几年的深入研究，证明了有 机肥中有机养分的直接作用及其优越性，从土壤生物化学角 度揭示了有机肥料提高土壤肥力的机理，还发现通过有机无 机肥配合不但可解除有害氨基酸对水稻的毒害作用，而且效 果超过等量的无机氮。这些探索性工作在国际上均尚未见报 道。其中“有机肥料营养作用机理研究”获得了 1989年国 家教委科技进步二等奖。“七五”期间由他主持的农业部重 点课题“有机肥改土供肥机制及施肥技术研究”项目，于1991年获农业部科技进步二等奖。在以上研究基础上，孙羲提生了 “植物矿质一一有机营养理论”，证明了植物根系细胞 可以直接吸收小分子的有机质。这是对李比希矿质营养

6、理论 的进一步完善和补充。从此，人类意识到，土壤中的有机质，并不是必须被微生物分解成CO2、水和矿质元素，才能被植物吸收，而是被微生物分解到小分子有机质的时候，就 可以直接进入到植物根系。这一营养机理大大加快了植物生 长的速度。十几年后，我的母校一一西北农林科技大学又 由现了一位研究植物有机营养的大家。他叫刘存寿，是一位 非常重视实践的科学家。90年代初，刘老师供职于陕西省土 壤肥料研究所，研究西北旱区冬小麦的节水灌溉、施肥等研 究。在此过程中，刘老师逐渐的对李比希的植物矿质营养理论产生了质疑。根据矿质营养理论，植物死后的大分子有机质被微生物分解成小分子有机质，小分子有机质又被植物 分解成CO

7、2、水和矿质元素离子，被植物根系吸收之后再合 成为小分子有机质，小分子有机质在植物体内进一步合成为 大分子有机质。我们知道，每一步化学反应都是消耗能量的， 如此多的反应步骤岂不是造成了很多能量的浪费？生物的 进化，应该是向着节省能量的方向进化的，怎么会如此浪费 能量呢？刘老师由此提由了一个猜想：植物的根系也许可以吸收小 分子有机质。如果这个猜想成立，我们给植物施用小分子有机质肥料， 植物的根系直接吸收，在植物体内合成大分子有机质，比如 糖类、氨基酸、蛋白质等物质的速度必然会更快，农产品的 品质就会提高。在相同品质的条件下，化肥的用量可以降低， 作物长的更加健壮，农药的用量也可以降低，生产成本就

8、会 更低。 从1996年开始，刘存寿老师将自己的科研方向转向 对有机肥的研究。这一研究方向被很多同事不理解。有人跟 刘老师说，李比希提由植物矿质营养学说已经150年了，全世界都没有人做由新的重大成果，万一你失败了，岂不是浪 费了很多年的时间？刘老师说，即使我失败了，我就写论文，告诉后人，这样做是失败的，不要再在同样的路径上浪费时间。正是本着这样的精神，刘老师在有机肥研究上，创造了一条新的路子。刘老师是一个反向思维非常强的人。刘老师认为，为了搞清楚植物根系吸收的机理，我们必须知道在 完全原始的条件下，植物的根系所处的环境中，土壤里都含 有一些什么物质一一植物的根系，就是向着更高效吸收这些 物质的

9、方向进化的。刘老师采集了大量原始森林中的土壤，并利用先进的科研设备，在世界上首次测定了其中的所有物 质成分。结果显示，森林土中共含有 7大类、2000多种天然 有机物质，同时，还含有 38种矿物元素。借用中药配位化 学研究方法，刘老师的研究团队，证明了其中的矿质元素均 以有机配位态和无机离子态两种化学形态存在。有机配位化合物，其实和我们平时所说的“络合物”是一样的意思（络 合物是配合物的旧称）。比如下图就是一个小分子有机质“配合”锌离子 Zn2+和镂根离子NH4+ （氮肥“碳酸氢镂” 的主要有效成分）。如果被“配合”元素的原子，被有机质的空间结构包裹在 里面，这种形式就是我们经常看到的“螫合”

10、。比如下图，就是一个螫合结构的示意图。刘老师研究指由，植物的根系可以将小分子有机质与矿质 元素的配合物作为一个整体，直接吸收到植物体内。也就是 说，配合物溶于水之后，无需电离成离子状态，就可以以一 个整体的形式，被植物的根系直接吸收。这样的吸收方式，比吸收水中的矿质离子效率更高。进一步的，刘老师发现，在森林土含有的多种物质中，小肽类物质是活性最强的，最 容易被根系吸收。小肽，就是由几个氨基酸分子组成的小分 子有机物。比如，由2个氨基酸分子组成的，就叫 2肽；由 3个氨基酸分子组成的，就叫 3肽；依次类推。 综合种种研 究成果，刘老师提炼由了 “植物碳基营养”理论。这个理论 的核心是两条：1.植

11、物的根系可以直接吸收碳元素，即小分子有机质；2.植物矿质养分与小分子有机质形成的配合物，可以被根系直接 吸收，且效率高于离子态。理论有点干涩，类比两个例子来帮助大家理解。1.植物的根系可以直接吸收碳元素，即小分子有机质；按照李比希的植物矿质营养理论， 植物吸收C元素只能通过光合 作用来进行；那么，到了晚上，没有光的时候，光合作用就 停止了。但是，植物本身的生理活动没有停止，因此依然在 消耗能量。在这种情况下，植物白天生长，积累有机质；而 晚上则不生长，消耗有机质。这并不符合事实。韭黄，生长的全程都不见光，但是它依然不断的通过根系吸收有机质 的方式积累碳元素。韭黄之所以是黄色，是因为韭黄生长的全

12、过程都使用黑色的膜遮住了光线。由于没有阳光，韭黄 始终不会产生叶绿素一一否则韭黄变成绿色，就成了韭菜 了。由于没有进行光合作用，韭黄里的碳元素只能是通过根系吸收的。这就是植物根系可以吸收碳元素的证明。2.植物矿质养分与小分子有机质形成的配合物，可以被根系直接 吸收，且效率高于离子态。植物根系如是，人体细胞也如是。比如矿质元素钙 Ca与小分子有机质 葡萄糖酸，形成的 配合物一一葡萄糖酸钙，就特别容易被人体吸收。葡萄糖酸 钙，听起来熟悉么？三精牌葡萄糖酸钙口服液，补钙，喝蓝瓶的。 植物也是一样的道理，小分子有机质配合上矿质 元素，更容易被吸收利用。为了之后的表述方便，我们将“能被根系直接吸收的水溶

13、性小分子有机质”简称为“根吸 碳”。完成了理论研究，刘存寿老师继续对科研成果的应用 进行了探索。通过测定，刘老师发现，传统有机肥（如羊粪、 牛粪等有机肥）在被土壤微生物降解过程中，约70%有机碳被氧化成CO2,12%形成微生物自身含有的微生物碳；15% 形成土壤固定态碳，如木质素形成的极难被微生物分解的团 粒结构；仅3%左右有机碳转化成根吸碳，被植物吸收利用。我们可以看生，仅仅有 3%的碳转化为根吸碳被植物吸收。 这对传统有机肥中的碳资源，是巨大的浪费。很多工厂通过微生物发醉的形式生产的有机肥，仅发醉的时间就至少需 要8天以上。由于微生物的生化反应需要消耗能量，每形成 一个碳，就要释放由2个分

14、子的CO2,因此，微生物发醉的 有机肥，碳的转化率最多 33%o同时，最容易被植物利用的 小肽类物质，也是最容易被微生物利用的物质。在微生物发醉的过程中，小肽类物质往往都被微生物自己消耗掉了一一 我们毕竟不能命令微生物不要吃掉小肽类物质，留给我们人 类使用。 我们可以看到，提高有机碳的利用率，是降低有机肥成本的难点。经过 5年反复实验，刘存寿及其团队依据人工模拟微生物原理，利用物理化学方法使天然有机物4小时内完全降解，速度是微生物的 180倍，有机碳水溶性转化 率95%以上，有害微生物杀灭率 100% ,抗生素和合成西药 无害化率98%以上。按照自然植物营养原理，刘老师的团队将根吸碳与各种无

15、机矿物离子和氮磷钾化肥进行配位反应，制备成“人工降解 碳基矿质复合肥”。“人工降解碳基矿质复合肥”利用了自然 有机一无机配合物的缓控释原理，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。我们可以看到，这种人工降解技术，极大的提高了有机肥的 生产速度，减少了原料中有效成分的浪费，同时，其克服了 普通有机肥和化肥的缺点，保留且强化了两者优点，实现作 物高产、产品优质和土壤培肥三位一体，在保障作物产量和 品质的前提下，大幅度减少化肥施用量。不仅如此，刘老师通过控制反应的原料条件，使肥料中不仅 含有大量的根吸碳，还含有植物生长所必须的38种矿质元素（加上CHO,共41种元素），

16、更牛的是，可以让反应停止 在小分子有机质。这样，避免了微生物对小肽类物质的大量消耗。经过试验发现，在反应底物相同的前提下，微生物发醉的产物中，共含有867种物质；人工降解产物中， 共含有2485种物质；小肽类物质是两者物质数量差别的主 要原因。 经过9年的多地区、多农作物的试验和大面积应 用，这种肥料实现了 “有机的品质，化肥的产量” 。比如连 续使用5年“人工降解碳基矿质复合肥”的乾县苹果园，苹 果产量提高42%,在化肥用量减少近 50%,肥料投资减少26% 的情况下，亩产高达 6000公斤。果树病害减少，农药投入 大大减少，大小年现象消失，即使到了11月份，果园依然一片绿叶，郁郁葱葱。这个果园的老板为了提高果品质量， 减轻对树体营养的消耗，采取了疏果的措施。苹果数量是人 为的减少了，苹果的个头却自然的增大了。肥料好，果树营 养好，想“减产”都减不了。所以，“人工降解碳基矿质复合肥”的特点有：生产速度快；原料利用率高，成本低；最易被