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首創基礎設施智慧服務系統—同濟大學朱合華教授

長期從事巖體強度理論及地下結構全壽命設計方法、地下空間防災安全和智慧地下基礎設施建設的研究，同濟大學土木工程學院朱合華教授是國際上較早開展數字地下空間與工程（DUSE）研究的學者之一。經過近20年的努力，朱合華團隊成員齊心協力構建起數字地下空間的理論體系、工程方法和數據庫，初步完成了數字化地下體系建設，構建出“工程數字化”創新技術核心，已經在城市軌道交通、高速公路等領域得到廣泛的應用。朱合華被國際同行認為是“城市基礎設施規劃、設計、施工和維護信息集成方法的國際開拓者之一。 2021年中國工程院新增院士中，同濟大學土木工程學院朱合華教授當選。誤打誤撞與數字化結緣　　1979年，朱合華進入重慶大學化學礦開采專業學習，開始接觸計算機編程語言。1983年9月成為重大碩士研究生后，他開始深入與計算機應用打交道，師從李通林教授，完成了“圍巖不連續面非線性效應對巷道穩定性影響分析”的碩士論文。　　1986年9月，朱合華考入同濟大學，師從孫鈞、楊林德2位恩師攻讀結構工程專業（地下結構方向）博士，論文題目為《隧道掘進面時空效應研究——邊界元法若干理論與工程應用》。　　從此，在朱合華的學術世界中，計算機技術、土木工程就成了形影不離的“伙伴”，他開辟了數字化的研究方向。　　1993年7月，朱合華到日本大阪土質試驗所和京都大學從事軟土地下工程研究，進一步運用有限元數值方法進行軟土盾構隧道管片襯砌分析、地下工程施工動態反演等。　　上世紀90年代初，日本快速發展的地下基礎設施建設，為他的研究工作提供了大量的室內和現場試驗的工程數據。　　至今，朱合華還記得這樣的場景：工作單位長期聘請的幾位工作人員，持續將大阪灣的三維地質數據輸入計算機中，形成了大阪灣的地質、地震數據庫信息系統，該信息系統在日本國內具有重要的影響。　　大阪土質試驗所所長巖崎先生告訴他：“巖土工程師一定要與地層交朋友！”這個叮囑也促成他歸國后迅即開展土木與信息學科交叉的研究。朱合華在日本期間創建的用于管片襯砌設計分析的梁-接頭（縫）不連續模型，后來也被納入了我國國家標準。　　上世紀90年代末，朱合華在同濟附近的小書攤上發現了當時的暢銷書——《數字化生存》，“數字”二字縈繞在他腦海，后來他又在《文匯報》上讀到了與“數字地球”概念有關的文章。當《巖土工程界》期刊向他約稿時，朱合華撰寫了《從數字地球到數字地層——巖土工程發展新思維》一文，從此打開地下空間與工程數字化研究的大門。推動數字化在工程中的應用　　1999年，朱合華牽頭的“城市三維地層信息管理系統的開發與應用”獲批上海市教委曙光計劃，經過3年的潛心研究，項目驗收得到了專家們的高度評價，成為團隊數字化研究工作布局的起點。朱合華團隊的工作成為了2004年上海先后啟動的29個重大科技專項之—，也是城市地下空間信息平臺建設和國土資源部與上海市聯合資助的三維地質調查項目。　　廈門翔安海底隧道是中國內地第一條海底隧道，全長8.695千米，跨海部分全長6.05千米，最大深度達到70米，相當于18層樓高。隧道還要在四周一片漆黑無方向的地下施工，所經之地地質狀況極其復雜。朱合華團隊的介入，使得這一高難度項目成為了我國跨海隧道的一項示范工程。　　近年來，朱合華團隊的研究領域遍布數字地下空間、數字化工程兩大園地，數字地下空間研究成果在上海世博地下空間、常州地下空間、延安新城地下基礎設施等得到應用，數字化工程的研究成果在廣州龍頭山雙洞八車道公路隧道、淮南望峰崗煤礦、上海長江隧道、世博500kV地下變電站和電力隧道、上海地鐵一號線結構維護、上海中心深基坑等項目建設得到應用。　　圍繞這些工程，團隊相繼研究開發出“復合纖維和預應力管片結構技術”“盾構地層適應性理論和試驗方法”“大斷面、高水壓、近間距下盾構施工微擾動控制技術”等一系列方法與技術，解決了復雜環境下地下建筑結構設計分析、施工安全與控制的一個又一個難題，主持的項目“軟土盾構隧道設計理論與施工控制技術及應用”獲2008年國家科技進步獎二等獎。　　朱合華又針對大規模、集群化的地下空間的建造難題，組織國內相關單位聯合攻關。他主持的項目“城市高密集區大規模地下空間建造關鍵技術及其集成示范”，2016年獲國家科技進步獎二等獎。　　數字化地下課題與工程的“比翼雙飛”，朱合華團隊實現了基礎理論和前沿交叉研究的良性循環。他們提出了地下空間工程全壽命數據采集—表達—分析—服務的數字化范式，開辟了數字地下空間工程新方向，攻克了“建造動態精細調控、運維快速精準評價”難題，創建了地下三維動態信息表達與分析的理論方法；攻克了安全建造的動態精細調控技術，突破了高效運維的快速精準評價技術。研究成果成功應用于上海長江通道、貴州高速公路網、上海地鐵網等重大工程。　　2015年，朱合華因在數字地下空間與工程方面的成就獲得第44屆德國洪堡研究獎，他是中國土木工程界到目前為止的唯一獲獎者。首創基礎設施智慧服務系統　　朱合華團隊經過長期思考和一年多的充分討論，創建了基礎設施智慧服務系統iS3 （infrastructure Smart Service System， 2013），即基礎設施全壽命數據采集、處理、表達、分析的一體化智慧決策服務系統。該系統從廣義工程應用場景出發，以信息流為主線，采用面向服務的組件式框架和微服務技術架構的系統平臺，集先進性、開放性和實用性為一體，是國際上第一個開源的基礎設施智慧服務系統。　　因為研究成績突出，朱合華的影響日漸擴大。日本、新加坡、英國、美國、韓國等國都留下了他的“中國好聲音”；2010年，他在上海創辦了信息巖土工程技術國際學術會議，該會議現已成為國際信息巖土工程領域的重要系列會議；2017年值同濟110周年校慶之時，成立了中國智慧基礎設施聯盟暨全球研究中心，已吸引世界170多家單位參與。　　在數字化轉型和智能建造的大潮中，如何借助現代信息技術手段，在人跡罕至的高山峻嶺地區修建地下交通基礎設施？朱合華提出開展巖體隧道動態設計的遠程診斷分析，即將iS3平臺作為數字底座，實現了基于數字孿生技術的巖體隧道支護的三維動態設計技術。三維動態設計技術成功應用于四川峨漢大峽谷隧道（最大埋深1940米，世界最深的公路隧道）施工中，僅用10分鐘完成了現場三維遠程實時動態支護設計，這在國際上首次實現，是隧道動態設計的重大技術突破。　　今天， “土木信息工程”已成為《中國大百科全書》第三版土木工程學科的分支之一，朱合華盼望著數字化轉型背景下的“土木信息工程”學科未來繼續能茁壯成長。

同濟大學 2022-08-12

有機碳肥與農業現代化

內容摘要：對植物營養元素碳的定位及其來源的認識偏差，是造成“化學農業”耕作方式缺陷的重要原因。土壤中有機養分的有效物質是植物根系可直接吸收的小分子水溶有機碳。以提供小分子水溶有機碳為目標的有機碳肥，具有廣泛的農業功能和環保功能，它將推動農業走上土壤肥力陰陽平衡、作物高產優質和生態改善的發展之路。關鍵詞有機碳養分有機碳肥陰陽平衡物質大循環一、對“碳”認識的偏差造成農業重大損失肥料總體可分為有機肥料和無機肥料兩大類，它們互相不能取代，也不能一衰一盛，而應陰陽結合，陰陽平衡，形成土壤和農作物的良好的營養基礎，才有農業的繁榮發達。綜觀我國肥料行業，化肥品種繁多產能過剩。而有機肥料卻成本高、肥效低，農民不愛用。又由于它的標準不科學，還被不法廠商鉆空子，粗制濫造，劣質有機肥坑農害民的現象不斷發生。農民極難買到優質放心的商品有機肥。本應撐起肥料領域“半邊天”的有機肥料逐漸被邊緣化。有機肥料落到今日這種地步，原因何在呢? 首先，在上世紀五十年代我國建設肥料產業時，有機肥料就拜錯了師門。我國農業文明延續幾千年，這在世界上是罕見的奇跡。幾千年農業文明傳承的密碼是什么?物質循環!有機農業耕作中注重培肥地力，把有機廢棄物通過堆肥的方式進行腐解處理然后反哺土地。這個循環中最主要的物質是碳，物質循環也即歸碳于土、貯碳于土。我國農村過去幾乎家家戶戶搞“堆肥”。這種堆肥的要點就是半厭氧發酵(不翻堆)和自然堆積燜干。這種“安安靜靜”的生產工藝既達到有機物料的腐解，又最大限度減少了碳損耗。然而我國商品有機肥的生產技術不采堆肥技術之所長，卻采用“轟轟烈烈”的新工藝：又是好氧高溫發酵，又是多次翻堆，還有高溫烘干，把有機物料中的碳養分大量氧化成二氧化碳排掉。達到了生產“礦化腐殖質”的目的:生產出了一堆“粗、重、慢”的空殼。這里明顯有化工工藝的痕跡。有機肥料現行標準(NY525-2012)規定有機肥料正面的質量技術指標是：“有機質含量(干基計)≥45%”，“總養分(干基計)N+P2O5+K2O≥5%”。內行人都知道，有機物料發酵過程中消耗的就是有機碳，同一批物料發酵后干物質中有機質含量是下降的，那么以“有機質含量”作為質量指標有何意義?而“總養分”指標中，全是無機養分，不見有機養分(水溶有機碳)的影子。有機肥料不提供有機養分，三十多年農業耕作不重視有機肥，就導致耕地有機質含量連續下跌，農田貧瘠化嚴重。為什么會出現長達三十年的“化學農業耕作”?根本原因在于化學植物營養學理論的如下重大錯漏。 1、認為植物有機營養僅來源于空氣中的二氧化碳經葉片吸收和葉綠素光合作用轉化，不認為植物根系能直接吸收有機碳養分。這就是植物有機碳來源“一通道說”。實際上存在由根系吸收的第二碳通道。不了解第二碳通道，就不重視給土壤補碳，導致土壤碳貧瘠和農作物缺碳。 2、對植物營養元素碳的定位不準確。植物干物質中碳占35%左右，再加上植物生長過程新陳代謝消耗大量碳，所以植物所需碳總量超過總養分量的50%。而植物各營養元素區劃原則是根據植物實際需求量的多、少、微來區分的。碳元素所需總量與其他各“大量元素”不在同一數級上，它在植物物質結構形成過程中起著“組合者”的作用。所以從理論上把碳正名為“基礎元素”以區別于大量元素，才有利于正確研究植物營養。基于這樣的認識，我們重新檢視傳統植物營養學的“木桶規則”。當碳(C)“板條”寬度相當于其他十幾塊“板條”寬度的總和時，還能箍成木桶嗎?所謂量變到質變，碳已經不是組成木桶壁的一塊板條，而是以碳為陰面，以十幾種礦質元素為陽面的陰陽關系，而氫和氧(即H2O)屬中性，穿合于陰陽之間，沒有它，陰陽不可能結合。這就是土壤肥力陰陽平衡關系。圖1.土壤肥力陰陽平衡動態圖陰盛陽衰(純有機種植)，農作物沒有高產;陽盛陰衰(化學農業耕作)，農作物也沒有高產。只有陰陽平衡且肥水充盈時，農作物才能發揮出最佳生產能力。所以陰陽平衡是大平衡，主平衡，無機元素平衡是小平衡、次平衡。只有陰陽平衡，無機元素平衡才能發揮實際效果。 3、把無機養分“離子說”絕對化，造成對無機養分利用率低的原因的誤判。植物在原生態或肥沃的土壤中，無機養分與有機養分以多種形態結合成“有機無機”零電價態被植物根系吸收，有機養分利用率更高?？梢姛o機養分離子態被吸收是在貧瘠土壤中才會出現。同性離子間互相排斥，異性離子結合成水不溶物，化肥利用率就低。另一方面，有機碳和各無機元素是以嚴格的配比，按植物DNA指令組裝到植物細胞的，有機碳養分匱乏，無機養分離子比例過大，就會富余出大量無機離子，游離于植物胞外液中，導致植物對無機養分的需求弱化，這是化肥利用率低的深層次原因，也是農作物低產的根本原因。 4、對土壤中碳養分存在形態的誤判。土壤有機質中的有機碳，絕大部分是不溶于水的，它不是真實的碳養分。沒能向土壤微生物提供足夠的可直接吸收的水溶有機碳肥料，微生物不能正常繁殖才導致土壤板結。對這個問題缺乏清晰的認識，微生物制劑不帶有機碳養分，相當于不備軍糧的空降兵，這是目前大量微生物制劑施到土壤中效果不佳、秸稈腐熟劑農民不愛用的原因。土壤板結與施用化肥沒有太多關聯。以上各點都可以歸結為對植物碳養分認識的偏差。這些理論的重大錯漏影響我們幾十年，造成農業領域的政策、技術、產業和耕作方式等方面都產生大量的失誤。耕地普遍缺碳，農作物大面積缺碳病，其造成的損失是難以用數字表達的。我們祖先五千年積累的農業文明遺產將因五十年的“化學農業耕作方式”而耗盡。算起來歷史留給我們挽救的時間只剩二十年了。二、有機碳肥產品的研發人類在一百七十多年前開始創建化肥工業，解決了向農作物高效富集地提供礦物質養分的技術問題，卻至今未能建立高效富集的植物有機質養分的工業化體系。肥料工業的一條腿早已跨進了農業現代化門坎，另一條腿卻還拖在小農經濟時代。有機碳肥研發的目標，就是生產富含植物有機養分的肥料。植物有機養分的有效物質是植物根系可直接吸收的小分子水溶有機碳。這種“有機”分子粒徑小于800納米，親水性，其在水溶液中呈無定形“云團狀”，能隨水流被吸入口徑小得多的植物根毛孔。利用固液有機廢棄物為原料，經微生物發酵或生化裂解，生產出液態有機碳肥和高碳有機肥，再利用這兩種基礎產品生產其他衍生產品。有機碳肥制造工藝路線圖如下：圖2.有機碳肥生產工藝路線有機碳肥系列產品，都以小分子水溶有機碳為主要有效成份，以保證施用后短期內其所提供的植物有機養分不少于10倍傳統有機肥的有機養分。以下是目前有機碳肥各品種的技術指標，其中“EC”即有效碳，指小分子水溶有機質的含碳量。表1.現有各有機碳肥品種的技術指標及性能特征用全新的檢測方法進行檢測：嚴格界定是否合格時，以DLS納米測粒儀，測出水溶上清液中的分子粒徑平均小于650納米，且該部分在溶液中含碳量與樣品總質量之比符合上表為合格。工廠化驗室快速測試方法，是將樣品水溶上清液通過650納米濾膜后，測得過濾液中含碳量與樣品總質量之比達到上表為合格。有機碳肥還可以同化肥、微生物制劑復配開發出多款衍生產品，適合一切農作物，可作基肥、追肥、葉面肥和管道輸送，因此它是一類市場前景無比廣闊的高效綠色環保肥料，其在我國潛在的市場用量每年幾千萬噸。三、有機碳肥的功能(8+1) 有機碳肥在農業方面有八大功能，加上其環保貢獻，可概括為(8+1)： 1、有機碳肥是傳統有機肥的升級換代品有機碳肥“有效碳”6%～15%，其有機肥力是傳統有機肥的5～10倍，同功能微生物相匹配使用更能使肥力倍增。每畝每茬用量20～100公斤就見顯效，用量相當于有機肥的5%-10%，使用成本300～500元，相當于使用有機肥成本的40%-50%.有機碳肥單位面積用量少、水溶性好，就能象化肥那樣方便施用，可上山、可入水。填補傳統有機肥難于應用的大量空間。有機碳肥還可管道輸送、可滴灌、可進入無土栽培系統，甚至還可用于氣霧栽培。所以有機碳肥是信息化時代的精品有機肥。 2有機碳肥是化肥的最佳伴侶有機碳肥與化肥混合施用與純化肥對比，在化肥用量不減的情況下，農作物增產30%-100%，有機碳肥與三大化肥配合施用的合理配比如下： EC/W=0.2～0.3 式中：EC為有機碳肥中“有效碳”含碳量; W為(N+P2O5+K2O)總量; 0.2適用于土壤有機質含量較豐富情況; 0.3適用于土壤有機質匱乏的情況; 復合造粒EC/W值建議用0.25～0.3。我國多年來有機無機復混肥料推廣不開，主要原因是粗重的有機肥與精細的化肥門不當戶不對。有機碳肥單位面積用量與化肥相當，混合使用門當戶對?！坝袡C碳無機復混”肥料必成未來主流肥料。 3、有機碳肥是微生物肥料的補碳劑通過施用有機碳肥可以給微生物肥料補碳以提高其有效率。施用有機碳肥后，功能微生物迅速發展成土壤中的優勢種群，隨著土壤水氣熱環境改善，土壤生態良性循環產生的生物多樣性又進一步推動生物肥力的提高，如此，有機碳肥就幫助微生物肥料發揮出真正威力。 4、有機碳肥是多功能高效土壤調理劑有機碳肥是有機碳養分富集的有機肥，與普通有機肥相比，它不但用量少，而且它的使用濃度恰與功能微生物的需求相適應，能迅速調動和擴大功能微生物的作用，快速改良土壤。有機碳肥的原材料是有機廢棄物，其中的高濃度有機廢水保留并濃縮了有機物質中的水溶碳和中微量元素，這更使它兼具補碳與補素(中微量元素)的雙重功能，所以有機碳肥是一種高效多功能土壤調理劑。 5、有機碳肥是農作物光合作用增強劑有機碳養分經由被土壤微生物吸收、被根系吸收和與礦物質養分融合三種直接作用引發土壤生物肥力、物理肥力和化學肥力連環促進的能量傳遞，這個過程的發展變化導致土壤肥沃和根系發達，肥水供應充足，從而使植物葉片寬厚，葉綠體碩大、葉綠素豐富，植物光合作用效率大大提高，請看以下兩組對比圖。圖3.有機碳肥對農作物光合作用的影響植物體內每日積累的碳水化合物(有機碳養分)越多，其所吸納的礦物質養分就越多，大體呈正比的關系，所以施用少量有機碳肥，就能使農作物呈現30%甚至100%的增產，就連最難大幅度增產的水稻都能增產30%以上。 6、有機碳肥是農作物防病抗逆機能的促進劑農作物有機碳養分充足，無機養分配套，土壤三大肥力連環促進，農作物就根深葉茂，對抗病害能力和自我修復能力就增強。土壤肥沃，生物多樣性豐富，氣場旺盛，土壤中和空氣中有益微生物活躍，致病菌難以繁衍，農作物染病的機會就少。所以說有機碳肥是農作物防病抗逆機能的促進劑。 7、有機碳肥是激活農作物生產潛力的能源有機碳肥能激發農作物的生產潛力。一些禾本科作物，例如水稻、小麥，施用有機碳肥后，有效分蘗數能增加30%以上，增產30%以上。對采摘期長的作物，使植株避免早衰、果實更豐滿，還能延長採摘期。例如蕃茄、茄子、辣椒、四季豆、黃瓜等增產50%以上。利用“有機碳肥+化肥”技術使青花菜一株采三次花，產值增加150%。這方面更大的經濟價值表現在使果樹樹勢壯旺，延長生育樹齡，成為接近原生態的“長壽樹”。由于有機碳肥助根的“天性”，塊根類作物如：紅薯、馬鈴薯、淮山、蘿卜、胡蘿卜、人參、三七等，使用后塊根碩大、風味特佳。缺碳使許多化肥離子失去了被組合的機會滯留在植物胞外液中，使農產品質量下降口感差。有機碳養分的進入組合了這些垃圾變廢為寶，使農產品既高產又優質。例如小番茄甜度提高33%，南方大棚哈密瓜的甜度達到18～19。發現災害后及時灌施液態有機碳肥，可使農作物在短時間內恢復長勢，取得較好收獲。施用有機碳肥的豆科作物不倒伏，產量提高30%左右。西蘭花：底肥每畝用復合肥50kg加有機碳菌肥50kg;追肥每畝澆施液態有機碳肥4次共3kg; 玉米：底肥每畝用復合肥40kg加有機碳菌肥40kg;追肥每畝澆施液態有機碳肥3次共3kg。圖4.有機碳肥對農作物的增產增收的促進作用 8、有機碳肥護航土地永續耕作常態化地開展物質循環，才能培肥地力。過去行之有效的千家萬戶“積肥”下地的“局部物質循環”已經式微了，土地缺碳、土壤貧瘠，農作物在亞健康中生長。有機碳肥產業就是建立大物質循環的產業。局部碳循環沒有了，大量有機廢棄物卻亂堆亂排，我們順勢而為，建立起以有機碳肥為核心的大的碳循環，就能形成新的培肥地力機制，使土地永續耕作。 9、有機碳肥產業對環境保護的貢獻首先表現在節能減排和循環經濟方面。當有機碳肥年產達到3000萬噸時，全國每年可減排COD約400萬噸。這是一種有別于傳統環保措施的“完全碳回收”措施。請看以下比較圖。圖5.有機碳肥處理技術對環境保護的重要作用其次表現在對自然環境的改善方面。有機碳肥是高效土壤調理劑。常態化施用有機碳肥，土壤物理結構優化，水氣熱協調，有機、無機養分均衡，生物多樣性豐富，土壤就能恢復生命力，提高自凈能力和緩沖調節能力，溫室氣體排放減少，還給我們一個潔凈清純的大氣環境。土壤團粒化，壤土層增厚，持水能力增強，有效緩解雨水對地表的沖刷，既保護了土地，又減少對河流湖泊的污染。有機碳肥與化肥配合使用，能使化肥利用率提高30%-50%，這就相應減少了化肥的揮發和流失，可大大減輕湖泊和近海富營養化的程度。四、有機碳肥產業展望有機碳肥不但功能廣泛，而且適于解決當前我國農業面臨的耕地貧瘠，農作物缺碳，農業環境惡化等緊迫問題。有機碳肥又是以固液有機廢棄物為原料，原料來源取之不盡，生產過程耗能低，不產生二次污染，完全能發展成全國性大產業。我國垃圾圍城、污水橫流的局面，將因有機碳肥產業的興起而改變。面對著大量有機廢棄物，我們順勢而為建立起大物質循環體系，請看以下流程圖。圖6.有機碳肥與大物質循環的關系二十多年來我國耕地有機質含量平均每年下跌0.05個百分點，現在已經跌到2.08%，這種狀況不能在短時期內根本扭轉，農業現代化就失去土地基礎。如何扭轉?要使1畝耕地有機質含量提高1個百分點，必須施用8噸傳統有機肥。18億畝耕地必須用144億噸。全國有機肥廠卯足勁干，需要70年!怎么辦?面對懸崖絕壁，我們必須另辟蹊徑：找有機碳肥! 有機碳肥產業加上使用有機碳肥技術改造的化肥、有機肥、微生物肥料產業，再加上用有機碳肥技術將大量分散的有機廢棄物就地處理成肥料，特別是使用有機碳菌劑快速腐解的秸稈還田技術，形成對我國耕地多渠道多層面的沃土肥田覆蓋，就可以化險為夷，使我國大部分耕地有機質含量每5年升1個百分點，10年內便可以使耕地有機質平均含量大于3.5%。達到此局面，在使用等量化肥的情況下，農業將整體增收30%以上。與此同時，我國將因上述措施每年減排COD近千萬噸。有機碳肥技術是一項強國富民的創新技術，它將推動農業徹底告別“化學農業耕作”方式，走上土壤肥料陰陽平衡、農作物優質高產、農業環境日益改善的健康發展之路。

清華大學 2021-04-13

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