腐植酸在農(nóng)用中的應用

腐植酸在農(nóng)用中的應用

經(jīng)濟的快速發(fā)展往往伴隨著環(huán)境惡化，廢物排放是污染的主要原因。把廢物轉(zhuǎn)化為可供利用的資源是源頭控污的治本之策，也是實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和綠色GDP增長的主要技術途徑。農(nóng)用資源化是廢物資源化的一個重要方面，具有量大、面廣、可操作性強的明顯優(yōu)勢，可在工業(yè)和農(nóng)業(yè)兩大產(chǎn)業(yè)之間，在城市和農(nóng)村兩大地域之間實現(xiàn)廢物向資源的轉(zhuǎn)化，對于循環(huán)經(jīng)濟具有重要的促進作用。十多年來，廢物資源化積累了相當豐富的研究成果和實踐經(jīng)驗，在此基礎上向功能化發(fā)展將把廢物資源化提升到一個新的更高的水平，在循環(huán)經(jīng)濟中發(fā)揮重大作用。廢物資源具有多種多樣的化學成分和理化性質(zhì)，其中有些性質(zhì)可直接應用于功能化開發(fā)，有些則需經(jīng)過一些化學修飾以獲得特定的性質(zhì)，或強化其有用功能。例如源于造紙黑液的木素，具有一定絡合和緩釋功能，可用于控釋肥制造，若經(jīng)過氨氧化或硝化處理，其功能更明顯，具有更廣的應用。廢物農(nóng)用資源化涉及化學化工、土壤肥料和植物營養(yǎng)等多學科，是一個學科交叉的前沿領域和新的學術生長點。其成果的應用開發(fā)將促進肥料、農(nóng)藥等農(nóng)資企業(yè)的產(chǎn)品更新?lián)Q代，是一個新的經(jīng)濟增長點。腐植酸在農(nóng)、林、牧、漁、醫(yī)藥、環(huán)保方面有廣泛用途，風化煤、泥炭等礦床是其主要原料，近年來以秸稈、禽畜糞便、工業(yè)廢液(造紙黑液、發(fā)酵廢液)為原料制取腐植酸的技術開發(fā)也獲得成功，如福建詔安縣綠洲生化有限公司、江蘇南通市綠色肥料研究所等，在生化腐植酸研制方面取得重要進展，出現(xiàn)了一些在種植、養(yǎng)殖上效果明顯的新產(chǎn)品。利用廢物資源研制腐植酸是農(nóng)用資源化和功能化的一個重要渠道，同時亦為腐植酸生產(chǎn)開拓出新的可再生資源。本文從腐植酸在肥料領域的應用方面討論廢物資源功能化。1控釋肥控釋安全性分析廢物向環(huán)境排放是造成污染的主要原因，其中肥料淋失會導致水體面源污染和溫室效應。利用廢物制肥開辟了一條容量大、強度高、貫穿工農(nóng)業(yè)的生態(tài)良性循環(huán)，是源頭控污的一個有效途徑(圖1)，而制成高效控釋肥可提高肥料利用率，大大減少肥料流失造成的面源污染和溫室氣體排放，也是一種源頭控污的途徑，前者通過廢物轉(zhuǎn)化為資源，后者通過產(chǎn)品控釋功能減少污染，都具有源頭治污的效果，優(yōu)于對污染發(fā)生后才采取措施的末端治理。近年來國內(nèi)外的研究表明，通過增加化肥的技術含量，研制高效、無污染的新型肥料，提高肥料利用率，在保證增產(chǎn)的同時減少肥料損失造成的污染是解決化肥造成直接污染的有效途徑。其中，控釋肥在供肥速度上具有“削峰填谷”的效果(圖2)，能減少淋溶損失、氣化損失，同時又能提高作物產(chǎn)量，且這種增產(chǎn)作用并不是消耗土壤養(yǎng)分，而是通過減少養(yǎng)分損失對環(huán)境造成的污染實現(xiàn)的，是一種典型的“環(huán)境友好型肥料”。盆栽水稻生物量、產(chǎn)量和氮肥利用率的試驗表明(表1)，在等氮條件下，幾種控釋肥的產(chǎn)量、生物量、氮素利用率均大幅度超過普通尿素，其中有些品種在生物量(T1)和產(chǎn)量(T2)方面與等重尿素(施氮量高出30%以上)不相上下。而氮利用率則一律高于等氮和等重尿素，增幅高達50%。從圖3可以看出，普通尿素氨揮發(fā)量明顯高于兩種包膜尿素，這與其包膜嚴密，溶出的尿素量較少有關。氨的揮發(fā)損失不僅是氮肥利用率不高的重要原因之一，而且揮發(fā)的氨在空氣中氧化形成氮氧化物等溫室氣體，污染環(huán)境?？蒯尫士纱蟠鬁p少這種大氣的污染。針對國外控釋肥生產(chǎn)成本高、價格昂貴、推廣困難等問題，國內(nèi)在863計劃項目等支持下，近年來在控釋技術路線、控釋材料和工藝設備等方面全面進行技術創(chuàng)新，通過對廢物資源的功能化開發(fā)研制控釋材料，采用常規(guī)開放式設備和簡捷工藝生產(chǎn)的包膜控釋肥控釋性能好，通過包膜厚度的調(diào)節(jié)等技術手段在150d內(nèi)任意調(diào)節(jié)肥效期，長效可達到美國Osmocote包膜肥的水平(見圖4)。每噸成品肥(包膜控釋尿素或包膜復肥)的價格在進口包膜控釋肥價格的1/3以下。通過廢物制取的有機-無機復合肥以及生物黃腐酸和腐植酸用于肥料控釋功能材料，可在源頭控污中發(fā)揮重要作用。2對土壤的供肥能力及有關機構的利用利用廢物生產(chǎn)各類包括腐植酸在內(nèi)的具有增效、活化和抗固定的功能添加劑可大大提升磷、鎂、鉀貧礦的利用價值，緩解迫近的資源短缺。近年來，我們在中低品位肥料礦產(chǎn)資源的利用上突破國內(nèi)外長期沿用的高溫、酸化技術模式，也突破了只追求水溶性指標的技術思想，采用獨創(chuàng)的簡捷、常溫、無酸活化技術生產(chǎn)高效磷肥和高效鎂肥及微肥，取得了重大成功。利用中低品位磷礦研制的高效磷肥的有效性與過磷酸鈣、鈣鎂磷肥和磷銨等磷肥有本質(zhì)區(qū)別，后者的有效性源于水溶性、枸溶性，而高效磷肥的有效性則是通過活化劑與原料P形成一種“離子橋”來實現(xiàn)的。這一新的有效性比傳統(tǒng)的有效性(水溶、枸溶性)優(yōu)越。水溶性磷肥的有效性高，但大大超過了作物吸收能力，很快被土壤的Fe、Mn、Al(南方土)和Ca(北方土)固定失效，是一種前期過高、后期不足，浪費、低效的供肥方式。高效磷肥則提供了一種全新供肥機理，實現(xiàn)了一種供-求平衡的高效、長效供肥方式。不同磷肥種類的供肥方式、供肥機理見表2。盆栽水稻的試驗結果表明，活化磷礦粉的水稻生物量、植株含P量均比磷礦粉的高，也比過磷酸鈣的高。顯示了活化磷礦粉在等重條件下，肥效高于過磷酸鈣及磷礦粉，尤其是活化磷礦粉與過磷酸鈣配合，其肥效更佳?；罨椎V粉在磚紅壤上的肥效見表3。北方土壤中的盆栽試驗結果表明，活化磷礦粉可顯著增加春小麥的地上部和根系的生物量，提高植株的吸磷量，提高大豆百粒重和玉米千粒重及產(chǎn)量，顯示活化磷礦粉在北方土壤上也同樣肥效顯著。中低品位磷礦資源的高效利用技術是基于對磷肥有效性的活化態(tài)概念而提出的一項新技術，它突破了建立在經(jīng)典有效性概念的技術框架，開拓了一個以促釋活化為特征的新的研發(fā)方向。同時，也為其他一些礦物肥料資源如鎂、鉀礦的高效利用，提供了一條新的研究思路。我國的鎂礦資源較豐富，如遼寧營口和山東萊州有大型礦床。農(nóng)用鎂肥主要為高水溶性的硫酸鎂，需經(jīng)煅燒生產(chǎn)MgO，并加硫酸反應而成，耗能、耗酸。但是，若以活化態(tài)而非水溶態(tài)為目標，對鎂礦(MgCO3)粉進行活化處理，則可免除煅燒和加酸二道工序，節(jié)能、節(jié)酸；若對MgO進行活化處理，則可節(jié)酸。二種活化鎂肥的肥效不亞于硫酸鎂，而成本大為降低。1t活化氧化鎂的MgO含量是Mg2SO4的2.6倍，但價格約為Mg2SO4的50%，節(jié)支效果十分明顯。我國水溶性鉀礦資源很少，絕大部分鉀肥依靠進口，但我國有豐富的非水溶性鉀礦資源，如鉀長石、云母等。這些礦產(chǎn)資源若能用于鉀肥生產(chǎn)，將扭轉(zhuǎn)我國對進口鉀肥的依賴并節(jié)省大量外匯。我們的研究結果顯示，活化后的鉀長石水溶性K提高了48%，運用二種處理手段疊加處理，K的水溶性可進一步提高至1倍以上。初步的研究表明，應用活化態(tài)的概念，對鉀鎂礦物進行高效利用技術開發(fā)，也是一項新的重要技術途徑。3保水控釋肥的監(jiān)管技術研究應用復合保水劑作控釋材料生產(chǎn)保水控釋肥，將突破水肥分別調(diào)控的模式，實現(xiàn)水肥一體化調(diào)控。其依據(jù)是肥隨水走，水留肥留。近年來我們采取適當措施把復合保水劑與肥料混配加工成保水控釋肥，取得了成本下降、功能拓展(由保水拓展至水肥齊調(diào))的效果。將水肥調(diào)控(耦合)技術、化學保水技術和肥料控釋技術等物化到肥料中，開發(fā)集水分、養(yǎng)分供應和調(diào)控于一體的保水型控釋肥，實現(xiàn)“施肥節(jié)水”，將對促進高效持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。作者對復合保水控釋材料的研究開發(fā)、包膜和非包膜型保水控釋肥的水肥調(diào)控效果及其機理等方面進行了許多有益的探索，初步研究結果表明：高吸水性樹脂與無機材料復合研制的有機-無機復合保水材料不僅可顯著降低成本，而且能明顯提高耐鹽性能；采用非包膜方式研制的有機-無機復合保水肥能顯著提高盆栽玉米生物量，氮肥利用率比普通尿素提高一倍以上，而水分利用率與普通肥相比提高幅度可達30.81%(表4)，并能明顯降低肥料的淋溶損失量，其抗淋失的保肥性能與塑料包膜尿素相當(圖5)。腐植酸產(chǎn)品中，黃腐酸具有控制植物氣孔開閉、增強植物抗旱力的功能，是農(nóng)藝節(jié)水措施中一種很有發(fā)展前途的功能產(chǎn)品，可作為添加劑在肥料中廣為應用。新疆的旱地龍就是這種功能黃腐酸產(chǎn)品的一個成功例子。4施肥條件調(diào)控技術植物土傳病害，如番茄青枯病、香蕉黃葉病(巴拿馬病)等用藥難以防治，而且效果也不理想。但通過施肥調(diào)控土壤微生物生態(tài)，提高土壤微生物多樣性，在微生物生態(tài)水平上抑制土傳病害，是一項新穎的綠色防病技術途徑，也為肥料拓展了防病功能。為“無藥可治”的土傳病害提供了新的施肥防病的技術途徑。堆肥特性及施用時間對土壤微生物生態(tài)的調(diào)控見圖6。通過施肥改善土壤微生物群落結構、提高微生物多樣性，提高有益微生物數(shù)量，抑制病原菌繁殖，由生態(tài)調(diào)控途徑達到防治作物土傳病害的效果。這一技術原理的要點是通過調(diào)控土壤微生態(tài)防病于發(fā)生之前，而非通過殺菌治病于發(fā)生之后。了解有機肥的性質(zhì)，尤其調(diào)控土壤微生物生態(tài)的肥效快慢，確定適合的施肥時機，可獲得較好的適時調(diào)控效果，達到防病目的。因此通過施肥調(diào)控，適時提高土壤微生物多樣性指數(shù)，使之在一定期間內(nèi)得以持續(xù)，防病的效果就越好[圖6(a)]。大多數(shù)有機肥均有肥效緩慢、調(diào)控滯后的特點，達不到最佳防效。采取提前施基肥和提早追肥措施可較好地發(fā)揮其肥效和防效的潛力。調(diào)整有機肥的制肥工藝使其及時起效，也是解決此矛盾的重要技術。與腐熟20d堆肥相比，腐熟30d堆肥能在前期較早較快地提高土壤微生物多樣性指數(shù)，而腐熟20d堆肥的后熟過程能持久地提高土壤微生物多樣性[圖6(b)]。堆肥的性質(zhì)不同，對土壤微生物群落的調(diào)控效果也有所差別。施肥防病與有機肥種類、施肥時期、堆肥制作工藝有密切關系，對防病的明顯影響見圖7。研究表明，同一有機肥，采取不同追肥時間，對土壤微生物多樣性的影響以及防治土傳病害的效果均不同。由圖7可見，追肥及時，土壤微生物多樣性指數(shù)維持較高，其番茄青枯病的發(fā)病率最低(T1)；而追肥時間遲，致使前期土壤微生物多樣性指數(shù)較低，即使后期顯著提高，也難以抑制病菌的繁殖，其番茄青枯病發(fā)病率則較高(T3)。可見，適時追肥以及時調(diào)控土壤微生態(tài)是實現(xiàn)“施肥防病”的關鍵。微生物因素對施肥防病有重要影響，已普遍受到高度重視。進一步研究顯示，同時加入腐植酸與微生物，其協(xié)同作用效果更明顯，在番茄青枯病防治方面顯示了很好的效果，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中也顯示了突出的改良水質(zhì)、防治病害的效果。5功能化技術途徑廢物資源功能化技術在腐植酸生產(chǎn)中有很大的應用潛力。風化煤原料可作為包膜材料應用于緩釋肥生產(chǎn)，經(jīng)適當處理可作為包膜材料應用于活化磷肥生產(chǎn)。生化腐植酸原料和產(chǎn)品經(jīng)過適當加工，也可以用于緩釋及促釋材料。在復合保水劑中加入腐植酸，可使肥效更持久。功能化技術途徑，對于腐植酸的原料拓寬和產(chǎn)品更新?lián)Q代，將產(chǎn)生重要促進作用。同時，腐植酸在廢物資源的功能化開發(fā)中有重要作用，在有機廢物各利用方式中(如堆肥、制造有機、無機復肥等)，提