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《构造大自然的基础材料》一书写道:“对于生命而言，没有任何元素比碳元素更重要了。”由于其独特的物理性质，碳元素可以和碳元素以及其他化学元素相结合，从而产生成千上万的化合物。今天，科学家还在不断地发现与合成新的碳化合物。
碳元素是组成生物、食物等有机化合物的基本元素。由于碳原子可以结合形成不同的形状，包括链形、棱锥形、环形、片层状和管状，所以其具有多个同素异形体，在各个领域扮演着重要的作用。近年来，备受瞩目的纳米材料，碳纳米管，富勒烯等都是碳的同素异形体。今天我们以植物为例，看看碳对生命体的影响有哪些。一、 碳对作物的重要性1、碳元素是作物17种必须营养元素中的第一大营养元素(基础元素)，占植物必须营养元素总量的50%以上，占植物干物质的35%，远超大中微量元素之和数倍之多。碳元素是作物必须大量元素之首。2、碳元素的充分补充是其它矿物质元素达到平衡施肥的前提。有机碳养分与生物肥力合成土壤肥力的阴面，矿物质养分是阳面，当阴阳平衡且富足，农作物就优质高产，阳盛阴衰或阴盛阳衰都不会高产，忽略有机碳养分而单独研究矿物质养分之间的平衡是隔靴止痒。3、碳氮比:微生物对有机质的正当分解的碳氮比的25:1;一般禾本科作物的茎秆如水稻秆、玉米秆和杂草的碳氮比60~100:1;豆科作物的茎秆的碳氮比为15~20:1;丰产蔬菜叶片中碳氮比是70:1，果树是30:14、碳元素是组合矿物质养分的框架，提供构建植物体内各有机成分的必需成分--碳架，包括链状、环状的各类碳架，是植物合成糖类、蛋白质、氨基酸、酶、激素、信号传递物质等的基础物质。5、土地是生命体，维持土地生命活动的主要能源是有机碳养分。当前我国耕地普遍缺碳，农作物缺碳病成为常态，其造成农业的损失超过农作物其它任何一种病害，农业最大的空间在于补碳。二、碳的来源1、自然给予。主要由叶片气孔吸收空气中的二氧化碳进行光合作用，使太阳能转化为化学能形成碳水化合物，组成作物的内部组织和能量来源。2、根部施用有机碳肥。植物的根部吸收土壤中溶解于水的小分子有机碳肥，输送到植物内部，经电化学反应形成植物的内部组织和能量来源。主要是纤维素、木质素、糖分、蛋白质、氨基酸等。土壤有机质所含的碳不是真实的有机碳养分，传统非水溶性有机肥(鸡粪、猪粪、羊粪、牛粪等动物粪便)以及大分子腐殖酸类有机肥补碳有限(传统有机肥需要5个月的时间才能释放出0.5%的有机碳源)，不能有效、及时补碳源;植物根系和土壤微生物能直接吸收的碳养分必须是可溶的小分子有机碳。三、缺碳的原因土地是生命体，维持土地生命活动的主要能源是有机碳养分。小分子有机碳的含量决定有机肥的肥效。当前我国耕地普遍缺碳，检测结果显示:有机质含量2%以上的不足5%，有机质含量1.5%以下的占80%，还有近15%土样中有机质含量在1%以下。众所周知，有机质的碳系数是1.724，即1.724个有机质有1个碳。土壤有机质含量太低，意味着农作物基本上不能由土壤吸收到水溶有机碳。农作物从根部得不到碳供应，这就导致缺碳。1、在人工种植条件下，特别是在贫瘠土地或大棚种植情况下，CO2的供应量(浓度)不够，空气中的CO2的含量约为0.03%，从植物光合作用的需要量来看，这一数值是比较低的。当空气中的CO2浓度提高到0.1%，就能明显提高光合强度并增加作物产量。大棚蔬菜白天大部分时间更是处于“碳饥饿”状态。2、夜间、阴雨天、雾霾天没有光合作用的情况下，植物的碳源供应不足。可是其不停地新陈代谢又在消耗"碳",这是在透支;3、长期以来理论界普遍将CO2作为植物的唯一碳源，不注意土壤中水溶有机碳是植物另一重要碳源的客观事实，从而实际上形成了忽视有机营养的“阳盛阴衰”的施肥路线，导致大量农作物经常处于“碳饥饿”状态。4、在氮磷钾施肥量大幅度增加的情况下，却没有考虑对碳的补充，使“碳短板”更为尖锐。四、碳短板对农作物造成的直接危害1、根系衰弱根系靠什么促进生长?首先是根系生长的内在刺激不足:根的趋水趋肥性，使根系有一种内在的向外向下伸长的刺激，有机质的土壤含水性差，各类肥料溶液向根部“表达”能力差，致使根系生长受抑制;其次，是根系生长的外源刺激不足。土壤微生物同根系是互动的，土壤中有机质和微生物繁殖所需的碳源不足，致使根际微生物群落稀疏，根系生长的外源刺激太弱，根系就失去了生长的外部刺激。因此土壤缺乏能被根系和土壤微生物直接吸收的水溶有机碳--有效碳，直接造成农作物根系衰弱、老化。这就是农作物减产和抗逆性差的根源。2、早衰农作物早衰的原因，自然与根系衰弱直接相关。这里要提到的是农作物其他器官和内部组织，尤其是木质素、纤维素和糖分，由根部吸收的有效碳转化所需的能量比较低，即使在夜间和阴雨天，或大棚环境中CO2不足阳光较弱的情况，这种转化和积累还可不停进行，植物内部组织可得到营养补给。相反，根部基本上吸收不到有效碳，农作物仅靠叶片的光合作用转化CO2，同样的积累所需的转化能就大得多。在白天阳光充足时，能量得到供应，但在夜间或阴雨天，这种转化和积累变少，而新陈代谢又要消耗作物内部的能量。这种能量收支的失衡，是导致植物早衰的另一种原因。这种情况在生长期较长的瓜豆类蔬菜和果树尤为显著。试验表明，在使用等量化肥的情况下，底肥加施充足的有机肥，四季豆、苦瓜、黄瓜、茄子等作物，收获时间可延长一至二个月，总产量提高30-60%。有充足的有机碳，植物生命力就旺盛，就长寿就高产;反之，植物就早衰，就减产。3、黄叶病和失绿症阴雨天光合作用接近停止，空气中CO2不 能正常被吸收转化，农作物的碳营养和碳能源双双下降。阴雨持续，就产生黄叶落叶，有些作物的新叶表现为失绿。一般误认为是“水浸”，其实只有同时烂根才是“水浸”，一般并不是“水浸”而是缺碳。4、亚健康什么是农作物的“亚健康”?就是植株没有明显的病症，却萎缩慢长，或纤萡虚长，还有就是完全失去了原生态的气味。亚健康的成因有许多，除了自然灾害后遗症外，还有种子质量、药伤肥伤后遗症、营养不良等等。当前一般农作物的化肥营养供应是充足的，往往就是有机营养严重不足，也即缺碳。不是空气中有取之不尽的CO2么?请别忘记:空气中CO2在植物体中的转化，首先要靠光合作用。夜间这种转化几乎停止了，然而农作物还在新陈代谢，还在消耗能量。如果有根部吸收水溶有机碳作补充，不但可继续进行物质转化和积累，还可供应新陈代谢的能量。一旦缺碳，这种情况就不能进行，于是植株就日夜交替周而复始地出现间歇性“透支”，这就使植株不能正常生长和完成物质积累，处于一种“亚健康”状态。5、抗病及抗逆机能下降作物对于寒、热、旱、涝等逆境和防病虫害能力均有一套内在的对应机制，就是自身产生的能量和“信息素”、“修补物质”。但是，若缺乏必需的信号物质及其传导、接收，则作物无法发挥其抗逆功能，而“碳短板”使得抗逆信号物质的产生、传导等受到抑制。同样，对于病虫害的抗御，发挥作物的内在机制，也需要克服“碳短板”才能充分发挥作用。在环境条件恶化的情况下，一般正常的光合作用也不能进行了，这时更需要由根部吸收有效碳来补充能量。可见缺碳对于恶劣困境中的植物意味着什么。植物在病虫害胁迫的情况下，会释放某种“信息素”，使病害源“知难而退”，如果植物组织受到损伤，它还会制造“修补物质”来修补(或称再生)。这些“信息素”和“修补物质”，无一例外地都有碳元素存在，有机营养素越充足，这些物质越浓烈，这就是为什么弱株比壮株容易得病的原因。缺乏根部供应的有效碳，不但营养积累少了，而且防抗病害机制也削弱了，这是植物发生病害的内在原因。因此可以毫不夸张地说:缺碳是农作物的百病之源。6、劣质、低产和物种退化农产品质量下降，例如果蔬的口感差、维生素C含量低、硝酸盐含量高、不耐贮藏等，当然这仅仅是表象，而本质就是:“化肥农作物”内含物中的物质组成比例变异，新陈代谢的异常衍生物使作物遗传信息的表达缺失或紊乱，这不但降低了农作物的产品品质，而且造成物种退化。除了杂交品种外，一般纯种的农作物是可以代代相传的，但现在连一般农民都很少靠自己留种了，因为这种“相传”已经不可靠了。五、有机碳肥应运而生平衡施肥是作物高产优质的重要技术，那么想要平衡施肥就要先补碳。植物营养平衡中的碳平衡不仅是一个重大的植物营养理论问题，同时也为肥料新产品开发提供了一个新的技术制高点。作物依靠自然状态的二氧化碳营养，这种靠天补碳方式仅能满足其需求的五分之一，作物长期处于“碳饥饿” 中。通过有机碳肥补碳，可以有效地消除“碳饥饿”而实现碳平衡。有机碳肥的研究及应用，将改变千百年来农作物“靠天补碳”的状态，开创“有机碳肥补天缺”的高产新途径。1、有机碳肥定义:有机碳肥是指能够提供水溶性高、易被植物吸收的液体或固体有机碳营养的肥料，例如糖、酸、醇类及氨基酸等。有机碳肥可为液态、固态，使用较气态碳肥方便，可广泛用于大田及大棚。就形态、应用范围及条件而言，有机高效水溶碳肥较二氧化碳更为优越。2、有机碳肥的优越性:A、吸收更快更直接:有机碳肥已经是有机态，跨越了从二氧化碳经过光合反应生成有机物的过程，无需消耗光能进行有机物转化，因而节约了光能，这部分节省的光合能可用于其他生化反应，制造其他必需物质，从而促进作物更好、更快地生长。B、肥效快，便于在大田和棚内施用，这些突出特性是二氧化碳不能比拟的。C、水溶性小分子有机碳肥是传统有机肥碳源利用率的100倍以上。D、非气态有机碳肥消除“碳短板”，在改善碳营养、提高作物产量及品质、活化矿物养分、调控土壤微生态方面均有明显的效果。3、有机碳肥的生产技术①以发酵工业废液(酒精、味精、酵母)和生物质(蔗渣、秸秆)为原料，通过活化降解废液提高有机碳产物活性。对于蔗渣则采取以厌氧为主的少翻堆技术，减少氧化以免二氧化碳损失，同时促进有机物分子降解为小分子，提高其活性。②以中药渣等生物质为原料，通过分解反应使有机物降解为小分子，但不是彻底分解为CO2和H2O，而是以高活性小分子有机碳形式存在。该反应4小时内完成，水溶性达90%以上。③以褐煤为原料，通过加碱及微生物进行化学及生化反应，生成水溶性高、生理活性高的腐植酸系列产品。 
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