尹麗華 周恒民 李洪嶺 宋玉杰 張 亮 薛 輝 董 岳
山東泉林集團(tuán)有限公司 高唐 252800
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)農(nóng)業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí),也出現(xiàn)了一系列嚴(yán)峻的問(wèn)題。國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展,促使農(nóng)村家庭燃料結(jié)構(gòu)變化,農(nóng)作物秸稈作為燃料使用也越來(lái)越少,而推廣秸稈直接還田技術(shù)難度大、工程量大且效益較差,效果也不理想,導(dǎo)致秸稈隨意棄置和焚燒,給環(huán)境帶來(lái)巨大的危害[1],急需找到兼具科學(xué)性、能推廣、易復(fù)制的秸稈綜合利用新模式。另外,現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)處于“石油農(nóng)業(yè)”時(shí)代,過(guò)量和不合理施用化肥、農(nóng)藥帶來(lái)的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、耕地退化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問(wèn)題日益嚴(yán)重,急需找到攻克這些問(wèn)題的方法。通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的閱讀、分析,總結(jié)了近年來(lái)我國(guó)秸稈綜合利用和肥料施用現(xiàn)狀、秸稈源黃腐酸研究的意義、黃腐酸作用原理、秸稈源黃腐酸的性能研究、秸稈源黃腐酸產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)證案例等,以期為秸稈源黃腐酸的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供參考。
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部評(píng)估,2015年全國(guó)秸稈理論資源量約10.4億噸,可收集資源量約為9億噸[2]。農(nóng)作物秸稈是一種寶貴的可再生資源,但是長(zhǎng)期以來(lái)由于受消費(fèi)觀念和生活方式的影響,我國(guó)農(nóng)村秸稈資源完全處于高消耗、高污染、低產(chǎn)出的狀況,相當(dāng)多的一部分農(nóng)作物秸稈被棄置或焚燒,沒(méi)有得到合理的開(kāi)發(fā)利用[3]。目前秸稈利用的主要方式是還田,雖然具有一定的正面效果,但長(zhǎng)期過(guò)度、過(guò)量還田易造成病蟲(chóng)害積累、增加農(nóng)藥及化肥用量等系列問(wèn)題[4]。除還田外,秸稈還可作為肥料、飼料、工業(yè)原料、燃料和食用菌基料等,但由于產(chǎn)業(yè)化水平差,收儲(chǔ)體系缺乏,高值化利用率低,導(dǎo)致農(nóng)戶秸稈離田積極性不高,科學(xué)離田綜合利用成為各地政府的當(dāng)務(wù)之急[2]。
肥料的施用從很大程度上促進(jìn)了我國(guó)糧食的生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代,我國(guó)的化肥投入開(kāi)始直線增長(zhǎng),然而糧食產(chǎn)量卻跟不上化肥的增長(zhǎng),據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究,從1996年到2009年,化肥使用量增長(zhǎng)了41.2%,而糧食總產(chǎn)量卻只增長(zhǎng)了5.1%[5]。目前,我國(guó)已成為世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),耕地面積僅占世界耕地總面積7%的中國(guó)消費(fèi)了接近世界1/3的肥料[6],單位面積用量是世界平均水平的3.7倍[7]?;世寐实鸵约笆┯玫牟缓侠?,不僅造成了化肥的浪費(fèi),還對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染(土壤污染、水體面源污染以及大氣污染等),更使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)急劇下降[8]。
目前市場(chǎng)上的黃腐酸大部分是從礦物中提取的礦物源黃腐酸,另外還有一小部分是通過(guò)生物發(fā)酵的方式制備的生物源黃腐酸。前者原料為不可再生的礦產(chǎn)資源,黃腐酸含量低,且生產(chǎn)過(guò)程需要大量酸堿等化工產(chǎn)品,制作成本高,對(duì)周?chē)h(huán)境不利[9];后者采用生物發(fā)酵工藝,影響因素過(guò)多,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定[10]。
目前通過(guò)技術(shù)突破,利用工業(yè)化的方式處理農(nóng)作物秸稈,提取黃腐酸,對(duì)秸稈綜合利用、開(kāi)拓秸稈源黃腐酸利用新途徑及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。作為“泉林模式”重要組成部分的秸稈源黃腐酸生產(chǎn)技術(shù),創(chuàng)造性地將秸稈木質(zhì)素通過(guò)秸稈置換蒸煮過(guò)程,降解磺化為黃腐酸,并采用高溫高壓、負(fù)壓濃縮、噴漿造粒等先進(jìn)技術(shù),將黃腐酸進(jìn)一步分離提純,剩余副產(chǎn)品——秸稈纖維素用于本色漿紙制品、可降解地膜及纖維素乙醇的生產(chǎn),真正實(shí)現(xiàn)了秸稈資源的高效循環(huán)利用。該技術(shù)一方面突破了傳統(tǒng)秸稈制漿黑液處理的技術(shù)瓶頸,將投入型環(huán)保轉(zhuǎn)化為環(huán)境正效益;另一方面用工業(yè)化手段,構(gòu)建農(nóng)業(yè)體系良性循環(huán),實(shí)現(xiàn)秸稈高值化利用、工業(yè)化還田,開(kāi)創(chuàng)了從秸稈中直接提取黃腐酸的技術(shù)先河,解決了礦物源黃腐酸原料稀缺、制作成本高等難題,實(shí)現(xiàn)了秸稈源黃腐酸在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
黃腐酸作為一種多維空間結(jié)構(gòu)的高分子有機(jī)物,對(duì)肥料具有提氮、解磷、促鉀、融合多元的作用,可有效提高肥料利用率。黃腐酸還可通過(guò)乳化、增溶、吸附、絡(luò)合及本身的抑菌抗病作用,實(shí)現(xiàn)增效緩釋農(nóng)藥,降低農(nóng)藥的使用量。以2016年全國(guó)化肥施用量(折純)5984.1萬(wàn)噸為例(數(shù)據(jù)來(lái)自2017年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒),按化肥減量20%計(jì)算,一旦全部使用秸稈源黃腐酸肥料,可減少化肥施用量(折純)1196.82萬(wàn)噸。
目前,我國(guó)耕地主要存在的問(wèn)題有:耕地總體質(zhì)量較差、退化嚴(yán)重、污染嚴(yán)重、營(yíng)養(yǎng)流失嚴(yán)重等。因此,急需找出提高耕地質(zhì)量的有效措施[12]。秸稈源黃腐酸開(kāi)創(chuàng)了一條沃土新途徑,實(shí)現(xiàn)秸稈的工業(yè)化還田,使土壤越來(lái)越肥沃,助力高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè),從而確保糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提高。黃腐酸分子中氧含量相對(duì)較多,碳含量相對(duì)較少[13],其分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)、稠苯環(huán)及多類雜環(huán),且各環(huán)之間由橋鍵相連,酚羥基、羧基、甲氧基、酮基、磺酸基等多類官能團(tuán)存在于環(huán)及支鏈中[14]。因此,黃腐酸是腐植酸中陽(yáng)離子交換能力、螯合能力以及吸附能力最強(qiáng)的組分[15],可有效改良土壤。
黃腐酸是一種分子量較小,稀溶液呈黃色或棕黃色的芳香族類混合物,它的諸多特征決定了其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)ψ魑铩⒎柿?、農(nóng)藥及土壤的正向作用。
由于黃腐酸分子中含有生長(zhǎng)素類物質(zhì),可作為一種天然植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,促進(jìn)作物根系發(fā)育,提高作物對(duì)微量元素的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)能力,達(dá)到刺激作物生長(zhǎng)的效果[16]。但黃腐酸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,作為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑類似物和對(duì)抗氧化酶作用的分子機(jī)理尚不清楚,還需進(jìn)一步研究。黃腐酸是一種優(yōu)良的絡(luò)合劑,絡(luò)合體內(nèi)有害物質(zhì)排出體外;抑制體內(nèi)有害生物的生長(zhǎng)繁衍,維持機(jī)體內(nèi)有益菌群占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì),增強(qiáng)機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和轉(zhuǎn)化,提升品質(zhì)[17]。黃腐酸可使作物體內(nèi)脫落酸含量升高,而脫落酸作為生長(zhǎng)抑制劑可縮小作物葉片氣孔開(kāi)張度,減少水分蒸騰,同時(shí)促進(jìn)根系發(fā)育,提高根系活力,進(jìn)而增強(qiáng)作物抗干旱能力;黃腐酸活性成分可能啟動(dòng)抗寒基因,誘導(dǎo)作物產(chǎn)生抗寒蛋白質(zhì),提高作物抗寒能力;另外由于黃腐酸中含有多種苯羧酸類物質(zhì),這類物質(zhì)與一些農(nóng)藥有效成分相同,所以對(duì)作物某些病害可以產(chǎn)生有效的免疫力,提高作物抗病能力[18]。
黃腐酸含有羧基、羥基、酚羥基等官能團(tuán),有較強(qiáng)的絡(luò)合、螯合和表面吸附能力,能減少銨態(tài)氮的損失;增加磷在土壤中移動(dòng)距離,抑制土壤對(duì)水溶性磷的固定,使無(wú)效磷轉(zhuǎn)化為有效磷,促進(jìn)根系對(duì)磷的吸收;吸收存儲(chǔ)鉀離子,提高有效鉀的含量;螯合中微量元素,促進(jìn)中微量元素的轉(zhuǎn)移和吸收。
由于黃腐酸分子結(jié)構(gòu)特殊和活性高等特點(diǎn),因此黃腐酸擁有表面活性劑的一些特征,如降低表面張力等。黃腐酸與化學(xué)農(nóng)藥配伍后,相互發(fā)生離子交換、絡(luò)合配位、氫鍵締合、物理化學(xué)吸附等作用,形成新的有機(jī)復(fù)合體系,具有緩解農(nóng)藥分解、延長(zhǎng)作用時(shí)間、減少噴施次數(shù)、提高藥效等作用,從而減輕環(huán)境污染,有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[19]。
黃腐酸作為一種有機(jī)膠體物質(zhì),可通過(guò)改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤保水保肥性、調(diào)節(jié)土壤酸堿度等作用實(shí)現(xiàn)對(duì)耕地土壤的改良修復(fù)。在我國(guó)西北、東北、華北等地區(qū)的鹽堿地中,長(zhǎng)期施用黃腐酸后,土壤團(tuán)聚體、水、肥、氣、熱等狀況均得到明顯改善,并且表土鹽分明顯降低,酸堿度得到改善,土壤交換量增大,為作物創(chuàng)造出一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境[17]。
從分子結(jié)構(gòu)看,秸稈源黃腐酸與礦物源黃腐酸相近,其分子量更小,是一類多價(jià)酚型芳香族化合物的復(fù)雜混合物,其中羧基、酚羥基為主要官能團(tuán),其余含量較少[19,20]。
對(duì)秸稈源黃腐酸的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了充分研究,同時(shí)與礦物源黃腐酸、其他生物源黃腐酸進(jìn)行了對(duì)比分析。主要研究手段為利用紅外光譜、核磁共振氫譜和碳譜、熒光光譜等對(duì)3種樣品進(jìn)行定性分析。綜合3種樣品數(shù)據(jù),分析得出:秸稈源黃腐酸含有羥基、羧基、酚羥基、甲氧基等活性官能團(tuán),與礦物源黃腐酸結(jié)構(gòu)相似,較其他生物源黃腐酸含有更多的活性官能團(tuán),有明顯的芳香族特性。
從分子結(jié)構(gòu)角度分析,秸稈源黃腐酸、礦物源黃腐酸與其他生物源黃腐酸雖外觀及物理性質(zhì)相近,但分子結(jié)構(gòu)存在著差異性,導(dǎo)致三者在實(shí)際應(yīng)用的生物活性上表現(xiàn)出顯著差異?!叭旨瘓F(tuán)”委托天津農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院開(kāi)展田間試驗(yàn)進(jìn)行證實(shí),結(jié)果如下:常規(guī)施肥條件下,分別增施等量的秸稈源黃腐酸、礦物源黃腐酸、其他生物源黃腐酸,相對(duì)比常規(guī)施肥產(chǎn)量,畝增產(chǎn)量、增幅分別為55.2 kg、8.84%,50.9 kg、8.16%,48.2 kg、7.72%,增產(chǎn)順序?yàn)椋航斩捲袋S腐酸>礦物源黃腐酸>其他生物源黃腐酸。這也從側(cè)面說(shuō)明工業(yè)化生產(chǎn)的秸稈源黃腐酸在促進(jìn)作物生長(zhǎng),增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移等方面活性更強(qiáng)[14]。
為進(jìn)一步驗(yàn)證秸稈源黃腐酸的應(yīng)用效果,以“泉林集團(tuán)”為首,聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)腐植酸質(zhì)量檢測(cè)中心(太原)和山東、福建、河北及新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院等多家科研單位開(kāi)展長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn),對(duì)秸稈源黃腐酸肥料(嘉有黃腐酸水溶肥料)的應(yīng)用效果進(jìn)行了實(shí)證性檢驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果,“泉林集團(tuán)”不斷修正產(chǎn)品與配方,繼而將成熟的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大面積的推廣,以期取得良好的社會(huì)效益、生態(tài)效益及經(jīng)濟(jì)效益。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州試驗(yàn)站經(jīng)田間試驗(yàn)得出:在相同化肥施用量條件下,增施秸稈源黃腐酸肥料可顯著提高大棚蔬菜黃瓜、西紅柿、辣椒、西葫蘆的產(chǎn)量,增加農(nóng)民收益。在黃瓜上施用秸稈源黃腐酸肥料:與對(duì)照相比,每畝沖施10、20 kg,畝增收362.9~448.7 kg,增幅12.67%~15.67%。在西紅柿上施用秸稈源黃腐酸肥料:與對(duì)照相比,每畝沖施10、20 kg,無(wú)效花和腐敗果減少,單果重平均增加5.26%~9.67%,每畝增收725~2407 kg,增幅4.83%~10.68%,畝增收益2537.5~8425.9元。在辣椒上施用秸稈源黃腐酸肥料:與常規(guī)施肥相比,隔次沖施20 kg/667 m2,單株結(jié)椒數(shù)量增加1.9個(gè)、單椒長(zhǎng)度增加0.8 cm、果肉厚度增加0.02 cm,單椒增重5.3 g、畝產(chǎn)量增加824.8 kg、增幅12.8%。在西葫蘆上施用秸稈源黃腐酸肥料:與對(duì)照相比,每畝增施50 kg,單株結(jié)果數(shù)提高0.8個(gè),單株平均產(chǎn)量增加0.49 kg,畝產(chǎn)量增加1182.6 kg,增產(chǎn)幅度為13.0%,畝增收益3547.8元。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)田間試驗(yàn)得出:在相同化肥施用量條件下,增施秸稈源黃腐酸肥料對(duì)冬小麥、夏玉米具有明顯增產(chǎn)作用。常規(guī)施肥條件下每畝增施秸稈源黃腐酸肥料10 kg,冬小麥畝穗數(shù)增加2.1萬(wàn),增幅為4.4%;穗粒數(shù)增加0.9粒,增幅3.5%;畝增產(chǎn)41.7 kg,增幅8.8%。夏玉米穗粒數(shù)增加18.1粒,增幅3.8%;千粒重增加0.9 g,增幅0.3%;畝增產(chǎn)40.2 kg,增幅8.1%??梢?jiàn),秸稈源黃腐酸對(duì)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收作用顯著。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州試驗(yàn)站經(jīng)田間試驗(yàn)得出:在相同化肥施用量條件下,增施秸稈源黃腐酸肥料,可改善大棚蔬菜西紅柿、辣椒、西葫蘆的品質(zhì)。在西紅柿上施用秸稈源黃腐酸肥料:與對(duì)照相比,每畝沖施10、20 kg,果形大而整齊、色澤鮮亮。在辣椒上施用秸稈源黃腐酸肥料:與常規(guī)施肥相比,隔次沖施20 kg/667 m2,可溶性糖含量增加0.74%、增幅19.4%,Vc含量增加7.9 mg/100 g、增幅8.1%。在西葫蘆上施用秸稈源黃腐酸肥料:與對(duì)照相比,每畝增施160 kg,畸形果率降低1.5%。中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)腐植酸質(zhì)量檢測(cè)中心(太原)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:作物施用秸稈源黃腐酸肥料后,對(duì)人體有益的指標(biāo)(SOD活性、POD活性、可溶性糖含量、Vc含量、蛋白質(zhì)含量)均上升,對(duì)植株及人體有害的指標(biāo)(活性氧負(fù)離子、丙二醛)均下降。與對(duì)照相比,SOD活性在茄子、黃瓜、桑葚果上增長(zhǎng)133%、118%、21.5%,POD活性在茄子、黃瓜、桑葚果上增長(zhǎng)205%、218%、33.4%,可溶性糖含量在茄子、黃瓜、桑葚果上增長(zhǎng)303%、182%、56.7%,總蛋白含量在黃瓜、玉米、桑葚果上增長(zhǎng)199%、105%、21.7%,Vc含量在桑葚果上增長(zhǎng)25%?;钚匝踟?fù)離子產(chǎn)生速率在蘿卜和玉米上降低75%、54%,丙二醛含量在蘿卜和黃瓜上減少67%、45%??梢?jiàn),秸稈源黃腐酸改善作物品質(zhì)效果突出。
山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過(guò)兩年的定位試驗(yàn)得出:秸稈源黃腐酸肥料可減量增效化肥,常規(guī)化肥減量20%,依然可保障小麥、玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。常規(guī)化肥減量20%,畝增施秸稈源黃腐酸肥料10 kg,小麥畝穗數(shù)增加0.4萬(wàn),增幅0.8%;穗粒數(shù)增加0.8粒,增幅3.1%;畝增產(chǎn)19.4 kg,增幅4.1%。玉米穗粒數(shù)增加1.0粒,增幅0.2%;千粒重增加0.2 g,增幅0.1%;畝增產(chǎn)0.5 kg,增幅0.1%??梢?jiàn),秸稈源黃腐酸可減量增效化肥。
山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)試驗(yàn)證明:久效磷使用量300克/公頃時(shí),蚜蟲(chóng)死亡率為30.04%;添加5 μg/mL秸稈源黃腐酸肥料的久效磷的蚜蟲(chóng)死亡率為72.71%,增效2.40倍;添加秸稈源黃腐酸肥料濃度為25 μg/mL時(shí),蚜蟲(chóng)死亡率為96.33%,增效3.21 倍;秸稈源黃腐酸肥料的添加濃度增加到250 μg/mL時(shí),蚜蟲(chóng)死亡率反而比添加濃度為25 μg/mL時(shí)略有降低,為82.40%,增效2.74倍。可見(jiàn),適宜濃度的秸稈源黃腐酸可增效農(nóng)藥。
通過(guò)福建、河北及新疆3個(gè)省級(jí)農(nóng)業(yè)科學(xué)院在茶葉、葡萄及棉花上的試驗(yàn),得出秸稈源黃腐酸肥料可以有效地調(diào)節(jié)土壤pH,提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,降低鹽漬化土壤的鹽含量。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,秸稈源黃腐酸肥料能夠有效緩解土壤過(guò)酸或過(guò)堿的情況(黃腐酸肥料產(chǎn)品適合堿性土壤,黃腐酸鹽類產(chǎn)品適合中性或酸性土壤,以此調(diào)酸調(diào)堿),同時(shí)能夠使土壤中有機(jī)質(zhì)含量提高12.74%,極顯著地降低土壤鹽漬化??梢?jiàn),秸稈源黃腐酸可改良修復(fù)土壤。
通過(guò)儀器分析秸稈源黃腐酸,并與礦物源黃腐酸和其他生物源黃腐酸對(duì)比得知,秸稈源黃腐酸分子中含有芳香族結(jié)構(gòu),且分子量更小、活性官能團(tuán)更多,說(shuō)明其具有更好的生物活性。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證實(shí),秸稈源黃腐酸產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中具有刺激作物生長(zhǎng)、增效化肥農(nóng)藥、改良修復(fù)土壤等作用,可以系統(tǒng)化地解決當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的諸多難題,再結(jié)合系統(tǒng)化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā),形成一系列的應(yīng)用技術(shù)模式,為有效解決我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然環(huán)境之間的矛盾貢獻(xiàn)力量。