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中国科学报报道本团队生物质氮研究新发现
蒋高明 2020-10-24 07:11
今天“嗤之以鼻” 明天高攀不起 中国科学家发现禽畜粪尿是生物质氮最大贡献者 日前,中国科学院植物研究所研究员蒋高明团队揭示了中国生物质氮资源库及其替代化肥潜力,这项研究为我国高效生态农业发展提供了理论支撑。相关成果发表在最近的《可再生和可持续能源评论》上。 蒋高明研究组长期从事高效生态农业栽培模式和技术研究。为了探讨生物质氮库及其替代化肥的潜力,该团队以中国为例,统计了2009-2018年间12种生物质资源量,并详细计算了氮库。 科研人员发现,中国每年产生的生物质资源量(干重)约为15.27亿吨,动物尿液(湿重)约为8.79亿吨,共含有2553万吨纯氮,是全国农业栽培植物实际吸收化学合成氮的4.12倍,有机肥替代化肥潜力巨大。 生物质氮最大贡献者来自畜禽粪便和尿液(54.5%),其次是作物秸秆(22.9%)、蔬菜废弃物(9.4%)、酒糟、醋糟和酱油糟(2.3%)、城市污泥(2.2%)、园林废弃物(2.1%)、城乡可降解生活垃圾(1.8%)、果园废弃物(1.8%)、渔业废弃物(1.6%)、中草药渣(0.64%)、菌棒(0.63%)、屠宰场废弃物(0.13%)等。 近年来,中国大力推进农药化肥“零增长”行动,倡导用有机肥替代化肥,有机肥来源成为研究的热点问题之一。理论上,地球上所有光合产物及其衍生物,如作物秸秆、蔬菜废弃物、畜禽粪便、城乡可降解生活垃圾等均可作为有机肥原料替代化肥。然而,具体到某一地区或者某个国家,生物质资源量及生物质氮库容量及其替代化肥的潜力尚不清楚。(来源:中国科学报 丁佳) 相关论文信息: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110215 版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
个人分类: 建言新农村|3028 次阅读|0 个评论
未来农业氮素来源:生物固氮和生物质氮再利用
蒋高明 2020-10-9 06:53
未来农业氮素来源:生物固氮和生物质氮再利用 梁鸣早 蒋高明 氮对植物生长是至关重要的。植物体内各种蛋白质、核酸、磷脂都需要氮的参与才能合成。蛋白质 ( 含氮 16% ~ 18%) 是构成植物体内细胞原生质的基本组成,蛋白质丰富才能促进细胞不断地分裂、增长,使果实更饱满。核酸是脱氧核糖核酸( DNA )和核糖核酸( RNA )的总称,是遗传物质。磷脂是细胞膜的重要组成,是一种两性分子,一端为亲水端,含氮或磷的一极,另一端为疏水(亲油)。氮还是组成叶绿素,可维持生命活动,在提高农作物的产量改善品质方面,具有极其重要的作用。 氮还是植物体内很多种酶的组成元素,酶是植物代谢的催化剂。一些氨基酸和蛋白质具有防御功能,如细胞分裂素和生长素等植物内源激素、病原相关蛋白、植物抗毒素等都需要氮参与才能够合成。细胞分裂素( CTK )细胞分裂素促进细胞分裂、消除顶端优势、促进侧芽的迅速生长、延缓植物衰老、抑制茎伸长;生长素( IAA )或称吲哚乙酸,其作用是保持顶端优势、植物向性、茎延长、形成层细胞分裂和根萌发。病原相关蛋白( PRP )是植物受到病原物侵染或非生物因子刺激后产生的一类水溶性蛋白,主要功能是攻击病原体, 降解细胞壁大分子,降解病原物毒素,抑制病毒外壳蛋白与植物受体分子的结合等。 β- 葡聚糖酶、几丁质酶等为植物体内合成的一种具有生物催化活性的水解酶类,可增强杀虫效果、增强抗病性。 氮的上述作用早在 150 年前科学家就开始关注了。 德国 人尤斯图斯 · 冯 · 李比希 男爵 ( Justus von Liebig , 1803-1873 ),最早发现了氮对于植物营养的重要性,因此也被称为“肥料工业之父 ” 。李比希指出:土地肥力丧失的主要原因是,植物消耗了土壤里的生命所必需的矿物成分,诸如钠、钙、磷等。他第一个主张用 化肥 代替天然肥料进行施肥。他认为植物所必需的氮是从大气中直接吸收的,所以在他的化肥配料表中没有加入氮化物。这一点后来被纠正了,从而使农业生产发生了巨大的飞跃。 氮肥已经发明出来,在农业上起到非常大的作用,第一次绿色革命成果的取得,很大程度上来自氮肥的贡献。我国从上世纪三四十年代引进化肥产业,经过七八十的发展,如今成为世界上最大的化肥生产国与使用国。截止到 2017 年,我国合成氨年产能超 30 万吨的企业 102 家,尿素年产能超 50 万吨的有 66 家。截至 2018 年底,全国合成氨产能合计 6689 万吨 / 年,全国尿素产能合计 6954 万吨 / 年。 1991 年,我国成为世界最大氮肥生产国, 2003 年成为净出口国, 2007 年成为世界最大出口国。 遗憾的是,氮肥生产量远远超过实际使用量,而实际使用量又大大超过作物能够吸收量,盈余氮素造成了严重的环境污染。 2011 年中国农科院学者发表文章谈到,我国通过各种途径年输入农田的纯氮素量约为 4 916 万吨,化肥氮占各种肥料总量的 58.2% ,而作物真正吸收的氮只有 1 905 万吨。通过各种途径损失的氮 1 947 万吨,氮素盈余量 1 064 万吨,占总投入量的 61.2% 。 2010 年调查发现,全国有 17 个省氮肥平均量超过国际公认上限 225 公斤 / 公顷。在经济效益较高的蔬菜、果树和花卉的氮肥用量更高,为普通大田作物的数倍甚至数十倍。 化学氮肥利用率低缘于其易挥发性和速溶性,尿素气态率高达 15% ~ 20% 。化学氮肥是全水溶性肥,施到土壤中瞬间溶解在土壤溶液中,有些被植物根系吸收;有些随着土壤水渗透到地下水;有些成为温室气体的组成;只有很少的部分通过硝态氮还原成氮气回到大气中。土壤中的氮最多只有 3 个月有效期,这就是为什么农民种地需要不断追氮肥的主要原因,然而过量施用氮肥造成土壤板结和酸化。 中国农业大学张福锁院士团队发现,从上世纪 80 年代开始的大约 30 年间,我国的所有土壤类型都发生了土壤的酸碱度下降现象,平均下降了 0.1 到 0.8 个单位。在自然界,这种规模的土壤酸化通常需要几十万年的时间。土壤酸化的主因是氮素化肥的过量施用。 植物根系可以吸收铵态氮和硝态氮。水稻以吸收铵态氮( NH 4 + )为主;旱地作物主要吸收硝态氮( NO 3 - )(幼苗期吸收铵态氮多,而主要生育期吸收硝态氮)。植物吸收的氮,无论是铵态氮还是硝态氮,都需要在根系中同化为氨基酸,再由韧皮部将氨基酸运输到植物体内。 动物粪便和植物秸杆等有机物质进入土壤后,在一系列土壤微生物的作用下,经过一系列分解转化过程分解释放出氮素。当碳氮比小于 25 时,会释放出铵态氮,铵态氮在硝化细菌作用下,经过两步变为硝态氮。土壤温度、湿度、通气状况、 pH 值、微生物种群数量等条件决定其转化速率和数量。当碳氮比大于 30 时,有机质需要吸收一部分土壤氮,待碳氮比小于 25 后再释放氮。 在自然生态系统中,每年新增加的,可为有机体所用的氮主要来源于生物固氮,如植物体内的氮约 80% ~ 90% 来源于生物固氮,其中约 80% 来源于联合固氮菌的内生固氮。如果 ⼈ 类 ⽣ 产活动能模拟自然 ⽣ 态模式 ,将不用化肥厂就能够提供足够的氮素。 以往科学家认为只有豆科植物才能够固氮,后来发现了不少非豆科植物也有固氮的能力,其实是微生物发挥了重要作用。 1965 年,北京大学学者首先发现巨大芽孢杆菌具有固氮作用,后来该菌用于生产实践。中国农业科学院土壤肥料研究所国家菌肥质量检测中心登记的 3000 多家菌肥企业,注册的代表菌以芽孢杆菌属为主。 高效固氮芽孢杆菌是从自然界筛选出来的,其固氮能力较强,竞争适应性也强,可广泛农作物品种,可为水稻、玉米、小麦、棉花、蔬菜、果树等非豆科农作物提供氮素养分。此外,中国农科院的学者还发现植物体内存在大量的内生固氮菌,玉米、水稻、小麦的内生固氮菌组成各有其特色,并建立了粮食作物内生固氮菌菌种资源库,库存资源 3 500 株, 62 属 256 种。中国内生固氮菌资源库在菌株数量、种群多样性等研究与英国方面居国际前列。我国主要粮食作物内生固氮菌包括,类芽孢杆菌属( Paenibacillus )和芽孢杆菌属( Bacillus ),它们是作物根际和农田环境中自生固氮微生物的优势种群,广泛分布在多种作物和不同地区。假单胞菌属( Pseudomonas )、根瘤菌属 ( Rhizobium )和芽孢杆菌属( Bacillus )是水稻、小麦、玉米等作物可培养内生固氮菌的优势种群。 在实际应用中,国内已有企业实现了规模化生产和应用,应用成本略低于化肥。如山西某企业生产的地力旺菌肥,其有益生物菌包括,枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌(高固氮菌)、巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌(高解钾菌)、嗜酸乳杆菌、 苏云金芽孢杆菌(占比 90% );侧孢芽孢杆菌、 5406 放线菌、光合细菌、鼠李糖乳杆菌等。其复合菌产品活菌数达 20 亿个 / 克,远高于国家标准 2 亿个 / 克。 芽孢杆菌类和光合细菌有固氮作用。复合微生物菌群可为作物提供两种活性氮:一种微生物固氮为作物提供氨态氮、另一种微生物降解有机物生成的小分子高活性的有机氮, 100% 替代尿素。化学氮肥在土壤中只有三个月的有效期,而微生物与作物内生,可不间断地提供给作物活性氮,是真正的“化肥工厂”,且其作用是慢慢释放的,不存在环境污染问题。 地球上所有的光合产物均可以作为有机肥,包括秸秆、畜禽粪便、生活垃圾、果园废弃物、蔬菜废弃物、园林废弃物、酒糟、菌棒、中草药残渣、屠宰场废弃物、渔业废弃物等,其最初的来源也是空气中的氮。据统计每年全中国这些生物质含纯氮 2553 万吨,远超过全国氮肥总用量。关于这个巨大潜力,我们将另文专门介绍。 从上面的介绍来看,充分利用微生物固氮空气中的氮,循环城乡可获取的利用生物质氮,化肥是可以 100% 替代下来的,且产量不会下降,还有提升的空间。围绕这个重要课题,国内学者已经密集实验了几十年,成果领先国外同行学者。 (梁鸣早为中国农业科学院土壤肥料研究所退休副研究员、蒋高明为中国科学院植物研究所研究员、中国科学院大学岗位教授)
个人分类: 环保呐喊|5599 次阅读|0 个评论
中国生物质总氮库及其替代化肥的潜力
蒋高明 2020-10-1 08:57
中国生物质总氮库及其替代化肥的潜力 崔晓辉、郭立月、李彩虹、刘美珍、吴光磊、蒋高明 【 摘要 】 地球上所有光合产物及其可降解衍生物,如作物秸秆、蔬菜废弃物、畜禽粪便等,均可作为有机肥料替代化学肥料,且其潜力巨大。然而,具体到某一地区或国家的生物质氮库到底有多大尚不清楚。为了探讨生物质氮库及其替代化肥的潜力,本文以中国为例,调查了12种生物质资源并计算了其氮库。研究发现,中国生物量(干重)总量约15.27亿吨/年和动物的尿液(湿重)约为8.7875亿吨/年。两者包含2553万吨纯氮,是全国农业栽培植物实际吸收化学合成氮 (620万吨) 的4.12倍。生物质氮的最大贡献者来自牲畜和家禽粪便和尿液(54.5%),其次是农作物秸秆(22.9%)、蔬菜废弃物(9.4%)、酒糟、醋糟和酱油糟(2.3%)、城市污泥(2.2%)、园林废弃物(2.1%)、城乡生活垃圾(1.8%)、果园废弃物(1.8%)、渔业废弃物(1.6%)、中草药渣 (0.64%)、菌棒(0.63%)、屠宰场废弃物(0.13%)。建议政府高度重视利用生物质氮利用,将废弃生物质资源用于农业生态系统,实现农业可持续发展。 关键词: 农作物秸秆、畜禽粪便、生物质资源、合成氮肥、肥料利用、农业可持续发展 《可更新与可持续能源评述》(影响因子12.348) 2020年8月25日在线发表 The total biomass nitrogen reservoir and its potential of replacing chemical fertilizers in China Renewable and Sustainable Energy Reviews Available online 25 August 2020 (IF=12.348) Xiaohui Cui, Liyue Guo, Caihong Li, Meizhen Liu, Guanglei Wu, Gaoming Jiang Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100093, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China ABSTRACT Biomass resources originally produced by photosynthesis and their biodegradable derivatives such as crop straw, vegetable waste, livestock and poultry manure, etc., can be used as organic fertilizers which have huge potentials in replacing chemical ones. However, it is not clear how large the biomass nitrogen reservoir is in a certain region or country. In order to determine the biomass nitrogen reservoir and its potential to replace chemical fertilizers, we took China as a case, investigated 12 kinds of biomass resources and calculated their nitrogen reservoirs. It was found that the total amount of biomass (dry weight) in China was about 1.527 billion t⋅a −1 and the urine of animal (wet weight) was about 878.75 million t⋅a −1 . The sum of them contained 25.53 million t⋅a −1 nitrogen, being 4.12 times that of the amount of agriculture plants actual absorption for synthetic nitrogen fertilizers (6.20 million t⋅a −1 ) in the country in 2018. For biomass nitrogen, the biggest contributor came from the manure and urine of livestock and poultry (54.5%), followed by crop straw (22.9%), vegetable waste (9.4%), vinasse, vinegar and soy sauce lees (2.3%), municipal sludge (2.2%), garden waste (2.1%), urban and rural household garbage (1.8%), orchard waste (1.8%), fishery waste (1.6%), Chinese herbal dreg (0.64%), mushroom stick (0.63%), with slaughterhouse waste being 0.13%. We suggest the government should pay more attention to the utilization of biomass nitrogen by returning waste biological resources to agricultural ecosystem and achieve sustainable agricultural development in the future. Keywords: Crop straw Livestock and poultry manure Biomass resources Synthetic nitrogen fertilizer Fertilizer utilization Agricultural sustainable development
个人分类: 生态科普|2652 次阅读|0 个评论

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