老骥何需长鞭扬 悠然漫步固废场——记张夫道科学研究四十载

本刊记者 李 灵

老骥何需长鞭扬 悠然漫步固废场
——记张夫道科学研究四十载

本刊记者 李 灵

绿色和天然是他的追求，有机与营养是他给百姓的回馈。茁壮的茎叶里饱含他的心血，肥沃的土壤中有他满腔的希望。

——2010年度科学中国人年度人物颁奖词

专家档案：

张夫道，1943年生，江苏铜山县人，毕业于原南京农学院土壤农化系、原浙江农业大学研究生班、莫斯科国立农业大学放射化学教研室、生物化学教研室、莫斯科大学生物化学教研室。先后获前苏联化学科学副博士，生物科学博士学位。教授、博士生导师，中国农业科学院原土壤肥料研究所首席研究员。

张夫道长期从事植物有机营养与有机肥料、固体废弃物资源化利用、土壤肥力与生态环境、土壤生物演变及安全评价、大田作物专用缓/控释肥料技术、农用纳米材料等基础和应用研究；曾主持国家“863”、国家科技攻关、国家自然科学基金、国家发改委和各部委重点项目（课题）30余项，出版专著3部，在国内外核心学术刊物发表论文120余篇，获国家发明专利19项，获农业部和环保部等省部级科技进步一等奖和二等奖6项。

2011年6月10日，《科学中国人》2010年年度人物奖颁给了中国农科院农业资源与农业区划研究所研究员——张夫道。会上，这位多年辛勤耕耘在农业资源、固体废物研究第一线的老科学家，发出了“老骥何需长鞭扬，悠然漫步固废场”的获奖感言。四十年风雨砥砺，而今的张夫道已成为我国固废资源化利用技术的领跑者，青丝已变白发，不变的是一颗仍旧想为固废事业贡献一己之力的纯真之心！

固废选择了我 我也选择了固废

张夫道，1943年生于江苏铜山县，20世纪60年代初，他考入原南京农学院土壤农化系，之后辗转求学于原浙江农业大学研究生班、莫斯科国立农业大学放射化学教研室、生物化学教研室、莫斯科大学生物化学教研室，直至到中国农业科学院原土壤肥料研究所出任首席研究员，注定了他与农资，固废行业结下一生难解之缘。

20世纪70年代以前，我国还没有专门从事环境保护管理的部门，伴随着当时社会经济的飞速发展，环境问题日益显现，将环境管理提升到国家层面已经成为应时所需。1973年8月，第一次全国环境保护会议在北京召开，随后，国务院成立了环境领导小组。这标志着我国环境管理部门正式走到台前，中国环保史翻开了崭新的一页。领导小组建立伊始，就明确了两大重点管理方向：一是污水处理，二是固体废弃物处置。并将城乡废弃物研究交由中国农科院土壤肥料研究所负责，而这一光荣而艰巨任务的具体执行重担，交到了他——张夫道的肩膀上，这一干就是四十多年。

“固废选择了我，我也选择了固废！”正如张夫道所说，他是用心来对待自己所热爱的职业。四十余年埋首耕耘，他的研究方向得以日益扩展，涉及城镇生活垃圾、城镇生活污泥、规模化畜禽场粪污、作物秸秆、三煤（风化煤、煤矸石、粉煤灰）、钛白粉副产物硫酸亚铁、金属尾矿等。在国内率先提出固体废弃物的处置和利用应实现无害化、资源化、能源化、材料化、饲料化、肥料化等重要观点。将固体废弃物分为有机和无机两大类，提出有机肥的作用机理，认为有机类废弃物中的很大一部分可作为生产有机肥的原料，同时，研制相关工艺设备，应用于固体废弃物的处置和综合利用，获得了可观的经济、社会和环境效益，为推动我国固体废弃物“变废为宝”奠定了理论和实践基础。

“学而勿躁，研而求精”。是科技工作者必须遵守的职业准则，几十年的科研工作，张夫道都在用行动诠释着这句话的真谛，踏踏实实地坚守于一份责任，专注于一份事业，精深于一个领域。凭借多年在行业上的沉淀，他已然成为植物有机营养理论和有机肥作用机理的创建者、固体废弃物资源化利用的领跑者和农用纳米材料技术的奠基者。

植物有机营养理论和有机肥作用机理的创建者

我国对有机肥料的使用由来已久，但真正对这一传统肥料进行系统研究的历史尚浅。1937年，中国著名肥料学家，中国农业科学院陈尚谨先生率先对华北地区有机肥料进行调查，之后有不少学者也对有机肥料做过工作，但基本停留在调查研究和总结农民经验上，这一现状直至张夫道这一代人涉足研究，才有所突破。准确地说，从张夫道等开始，有机肥料才得以作为一门学科，利用现代科学技术手段进行系统的理论和应用研究。

1. 创立了植物有机营养理论

1840年，农业化学创始人德国学者L.V o n.李比希创立了植物矿质营养学说，其宗旨是植物吸收的营养物质无一不是以矿物质（即无机）形态被吸收利用，世界各国所有教科书均遵循这一观点，但是，这个理论对很多现象解释不清。例如，我们强调世界多样性、自然现象多样性、植物多样性等，为什么谈到植物营养就变成单一性了呢？再例如，北方农民种西瓜时，在瓜膨大期有施用芝麻酱的习惯，西瓜成熟后更甜；烟农在种植烟草时有施用腐熟豆饼的习惯，烟叶品质更好，这是矿质营养理论无法解释的。

为弥补中国肥料结构和发展史的研究不足，张夫道在经过大量调查、分析和系统研究基础上，对中国农业生产历史的肥料结构与发展进行了划代，即将1965年以前的中国农业划分为有机农业时代，之后随着化肥的发展，进入现代农业时代。上下几千年，中国农民全部施用有机肥，却没有一个学者研究过有机物在土壤中的转化，有谁能证明植物只吸收无机氮而不吸收有机氮？带着这个疑问，张夫道对有机肥进行了系统研究。

从1978年开始，他选择了15N、14C和32P-标记有机化合物，在无菌培养下，证明植物可以吸收低分子量有机氮、有机磷、糖（包括糖精邻磺酰苯酰亚胺）、糖醇和激素类有机化合物，并参与植物体内代谢；建立了一整套有机肥料中氨基酸、有机磷、糖、糖醇、DNA、RNA、激素的提取和测定方法；用盆栽和大田试验证明，有机肥料可改善农产品品质，如蔬菜、瓜类、水果类、茶叶、烟草等；15N标记试验结果，有机氮与化肥氮配合施用，70%的有机氮进入植物籽粒或果实，70%化肥氮进入秸秆或茎、叶，不仅可提高产量，而且还可提高农产品品质。这些研究成果逐渐被学术界所公认，1996年以“植物有机营养”条目编入“中国农业百科全书”《农业化学卷》，为近年来国内发展有机食品提供了理论依据。

2.提出了有机肥料作用机理

有机肥料除了提供给植物营养物质，更重要的是改良土壤的作用。前苏联土壤化学家M.M.科诺诺娃曾对土壤腐殖质进行了大量研究，中国土壤学家熊毅院士提出了土壤有机-无机复合胶体是土壤肥力的核心，至于有机肥料中的有机化合物是如何进入土壤腐殖质，有机组分如何与土壤矿物形成有机-无机复合胶体，因研究难度太大，国内外无人问津，而张夫道，成为勇于接过“烫手山芋”的第一人。

在前苏联攻读生物科学博士期间，他采用14C标记作物秸秆和15N-标记兔粪，对这两个过程进行了包括对土壤腐殖质更新过程、有机-无机复合胶体形成过程和腐殖质氮素化合物的组成及转化等进行了系统研究，取得了重大突破。尤其在“腐殖质氮素化合物的组成及转化”研究中，张夫道发现：土壤腐殖质中的氮素化合物全部是芳香族化合物，不被酸水解，土壤界称为未水解残渣氮。为此，根据它们的分子结构，他将腐殖质氮划分为杂环化合物氮、非苯系化合物氮和苯系化合物氮，建立了一套提取和检测方法。在土壤腐殖质中，杂环化合物氮首先形成，逐渐转化为非苯系化合物氮，最终形成苯系化合物氮，苯系化合物氮是土壤腐殖质最核心的氮化合物；为支持这一观点，他还对欧洲30个70年以上的长期田间肥料定位试验耕层土壤进行了检测，发现杂环化合物氮比例减少，非苯系和苯系化合物氮比例增加。

至此，张夫道破解了自土壤学科建立以来一直困扰各国土壤学家的“未水解残渣氮”也就是腐殖质氮组成的谜团。

指导学生实验

考察铁尾矿

考察田间试验

固体废弃物资源化利用的领跑者

如果说，张夫道对植物有机营养理论和有机肥作用机理的研究是他研究人生中的第一缕阳光，那么，在固体废弃物资源化利用方面所奠定的成就成为他几十年研究生涯中的精彩之笔。

自承担起城乡废弃物处置和综合利用研究重担后，张夫道就开始走上了“固体废弃物资源化利用”的漫漫研究之路。面对城镇生活垃圾、城镇生活污泥、酒精、生物制药污泥，畜禽场粪污，作物秸秆，三煤废弃物，钛白粉生产副产物，金属尾矿等等这些随处可见的城乡和工业废弃物困扰民众的“大公害”，张夫道以固体废弃物“无害化、资源化、能源化、材料化、饲料化、肥料化”利用为宗旨，以研究资源化和无害化处理、工艺技术及设备为核心，以实际应用为目标，对这些固体废弃物开展了深入而系统的研究和应用。

1973年第一次全国环境保护会议后，在当时的经济社会条件下，为支持我国固体废弃物的处理和资源化利用，国务院环境保护领导小组办公室从极为有限的经费中，专门对“城镇生活垃圾处理和综合利用技术”进行了立项，并交由张夫道主持研究。

上世纪80年代中期，农牧渔业部提出，由张夫道主持制定了《城镇垃圾农用控制标准》，制定后的标准由国家环境保护局发布，标准编号为：GB8172-87。在国家环保和农业部门资助下，共开展了三次全国城镇垃圾调查，分别是1975-1984年，1999-2000年，2004-2005年，成效显著。此后，生活垃圾处理工艺被提炼为：

（1）经过粗选（包括磁选）和精选将垃圾分为三部分：无机物、有机物、塑料及制品；

（2）无机物用于制备道砖；塑料及其制品用于制备复混肥料胶结剂和包膜缓释剂；有机物经发酵腐熟、粉碎，生产有机-无机缓释复混肥料，迨尽消纳。

2002年，农业部科教司对项目组织成果鉴定，专家委员会的鉴定意见为：在同类研究中，该技术总体水平达国际领先水平，其中纳米-亚微米级废弃塑料-淀粉混聚物包膜胶结剂技术，有机复混缓/控释专用肥技术为原创性技术。

在城镇生活污泥和酒精、生物制药污泥资源化利用技术及工艺设备研究领域，张夫道从实际运用出发，分别对制取沼气—发电技术，制备有机缓释复混肥技术，污泥制作断岩坡面绿化基料和高速路护坡绿化基料技术进行了研究，并推广应用，产业化成效斐然。

张夫道所在的研究所在国内最早开展生物质能源研究。1974年，在总结四川遂宁县农村沼气池的基础上，由原农牧渔业部立项，开展了沼气池结构、发酵条件和沼气发酵液应用研究，并在山东推广应用。1975年在原南阳酒精厂（现为河南天冠集团公司）建造了两个5000m3的沼气发酵罐，目前仍在正常使用；而沼气用于发电的技术，在山东临沂金沂蒙集团有限公司得到应用，以木薯制备乙醇，糟液高温厌氧发酵制取沼气，产量约1亿m3/年，全部用于发电。装机容量为：300kw沼气发电机组8台，200kw沼气发电机组16台，年发电量折合标煤11万吨。

三煤废弃物利用技术主要利用三煤（风化煤、煤矸石、粉煤灰）废弃物为主要原料生产固沙保水剂，用于荒漠化土地修复。张夫道及其团队将化学方法与生物方法相结合，发明了多功能固沙保水剂，融固沙、保水、赋肥和改良土壤功能于一体，由于固沙保水剂胶团直径为纳米-亚微米级，可以进入土壤矿物晶格内，与土壤融为一体，形成有机-无机复合胶体，反过来又起到保水作用；在土层表面，固沙保水剂与土粒之间发生络合反应，生成网状络合物，形成分子膜，防止和减少水分蒸发。

该项技术在包头市原青年农场和九原生态产业绿化园区大面积试验，结果表明，当年饲料玉米、向日葵、苜蓿等大获丰收。与此同时，该项技术在包头市推广应用，修复荒漠化土地约15.2万亩，社会、经济和生态环境效益显著。

此外，张夫道所研究的规模化畜禽场粪污处理技术及工艺设备、作物秸秆的转化研究和利用技术、钛白粉生产副产物硫酸亚铁利用技术等也得到大范围推广，应用于农业、军工等各个领域。

金属尾矿是指选矿后排放的“工业废弃物”。据不完全统计，截至2009年底金属尾矿堆存量已超过100亿吨，仅2009年就新增尾矿近10亿吨，但是金属尾矿的综合利用率平均不到10%，尾矿已成为我国工业目前产出量最大，综合利用率最低的大宗固体废弃物。

从上世纪90年代初，我国一些矿山企业相继开展了尾矿再选、尾矿生产建筑材料、尾矿充填矿山采空区、尾矿库复垦等试验研究，但由于各方面原因，仅停留在简单易行的单项技术上，缺乏系统的大量综合利用尾矿的原创性技术；此外，一些科研单位和企业环保意识不强，对技术的环保风险未做充分的评估，因此，大多数技术存在潜在的生态环境风险。由于金属尾矿含有毒有害的重金属和选矿添加剂等，因此，金属尾矿综合利用的前提条件应建立在无害化的基础上。

张夫道接触金属尾矿比较早，1970年“文革”期间，他随研究所下放山东德州，当时的风气是生产需要什么就研究什么。受研究所委派，他和另一个同事驻点在原山东淄博铝厂，协助他们解决赤泥问题。为深入研究，他们共布置了47个田间试验，作物涉及水稻、油菜、大豆、柑桔等，结果大获丰收，增产8.5%-17.0%；1973年山东省化工厅要求研究所综合利用山东招远高磷选金尾矿，在山东省化工厅主持下建成了年产5000吨磷肥厂，张夫道亲历其中。后因研究沼气发酵工程而中断，这段经历张夫道曾戏称为“被科研”。

1995-2005年，张夫道主持“国家土壤肥力与肥料效益监测基地网”项目，对我国土壤肥力状况进行了全面调查和分析。分析认为，由于农村青年人进城打工，粮食作物基本上不施用有机肥，大量施用化肥，我国80%以上耕地缺乏一种或几种微量元素。欧美发达国家政府拨出大量资金补贴农业，我国当时还在收取农业税；发达国家有钱购买微量元素的化学品，我国农民无钱购买，必须尽快找到微量元素化学品的替代品，于是金属尾矿就被推上了前台。金属尾矿中含有大量中量元素钙、镁、硫，微量元素铁、锌、硼、锰、铜、钼，如果说第一次的金属尾矿处置和资源化利用是“被科研”，那么自2004年开始进行的“金属尾矿无害化农业再利用”的研究与实践就是张夫道的一次主动出击。

从2004年开始，张夫道重点对铁尾矿和钼尾矿进行了探索性研究，除了建立全碳还原理论和软化焙烧理论，还建立了金属尾矿研究的方法和程序。采用这些理论和研究方法基本上解决了铁、钼等金属尾矿的“无害化”技术难点。例如，山西繁峙铁尾矿铁回收率70%以上，汞（Hg）、镉（Cd）、砷（As）回收率100%，铅（Pb）回收率99.5%，铬（Cr2O3）回收率99.8%，该技术已申请国家发明专利。此外，南泥湖钼尾矿已通过生产性试验，其产品钼尾矿可控缓释肥冬小麦田间试验结果，增产20%-30%；钼尾矿土壤调理剂改良河南类沙化潮土，冬小麦当季增产15%-41.3%。“南泥湖钼尾矿无害化农业再利用技术”目前不仅列入工业和信息化部《金属尾矿综合利用先进适用技术目录》，而且产业化实施项目也已列入国土资源部矿产资源节约与综合利用示范工程重点项目。

农用纳米材料技术的奠基者

除了对植物有机营养、固体废弃物等进行研究之外，张夫道的研究还涉及到了新型材料领域。从1995年开始，他和他的团队先后研制了化学聚合（缩合）型和微乳化型两大类19个品种功能性纳米-亚微米级复合材料，其中化学聚合（缩合）型12种，微乳化型7种。申请国家发明专利25项，已授权19项，19个品种功能材料，并先后在城镇生活垃圾资源化利用，生活污泥和规模化畜禽厂粪污处理利用，荒漠化土地修复、作物秸秆制作秸秆板、高速路路堑边坡绿化和创伤岩石断面绿化，大田作物专用缓/控释肥料生产等众多领域投入产业化应用。该领域的研究成果已于2008年获得农业部中华农业科技奖一等奖，环保部2010年环境保护科学奖二等奖。