19植物碳基营养

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、锰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，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，或者土壤中出现了动物尸体、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出来的。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

酸铵，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出了重大的贡献，一直被奉为植物营养的真理，极少受到怀疑。直到出现了一个中国人。

孙羲老先生，中国农业化学的奠基人。1914年3月7日出生于安徽省安庆市。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，孙羲提出了“植物矿质——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——西北农林科技大学又出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CO2、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？

刘老师由此提出了一个猜想：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，李比希提出植物矿质营养学说已经150年了，全世界都没有人做出新的重大成果，万一你失败了，岂不是浪费了很多年的时间？刘老师说，即便我失败了，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——植物的根系，就是向着更高效吸收这些物质的方向进化的。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+和铵根离子NH4+（氮肥“碳酸氢铵”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“螯合”。比如下图，就是一个螯合结构的示意图。

刘老师研究指出，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，