傳統化肥增效改性提升產品性能與功能

趙秉強

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部植物營養與肥料重點開放實驗室，北京 100081)

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傳統化肥增效改性提升產品性能與功能

趙秉強

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部植物營養與肥料重點開放實驗室，北京 100081)

【目的】當前，我國各類增效改性肥料年產量達到1300萬噸(商品量)，每年推廣面積4億多畝，年增產糧食110億公斤，為農業增產、 農民增收和環境保護做出了重要貢獻。推動傳統化肥增效改性，是一項系統工程，需要國家從技術研究、 政策、 推廣等領域給予支持。綜合分析、 評述我國傳統化肥增效改性的意義、 取得的研究成果與未來發展，為推動我國化肥提質增效，提升化肥產品性能與功能提供思路和策略。【方法】本文收集了我國有關傳統化肥增效改性研究的主要文獻，對目前改性增效肥料在我國的生產、 使用現狀和研究取得的成果和觀點進行系統分析、 歸納和綜合評述，展望未來發展趨勢，提出發展對策。【結果】傳統氮肥因活性高、 損失途徑多，磷肥施入土壤易被固定，加之我國單位面積化肥用量較高等，化肥利用率較低，對環境造成負面影響較大，化肥增效改性是提高肥料利用率的重要途徑。目前對傳統化肥進行增效改性的主要技術途徑包括緩釋法增效改性、 穩定法增效改性、 增效劑法增效改性以及有機物料與化學肥料復合(混)優化化肥養分高效利用，相應發展的增效改性產品包括緩釋肥料、 穩定肥料、 增值肥料和有機無機復合(混)肥料。【結論】傳統化肥增效改性是提升化肥產品性能與功能、 提高肥料利用率的重要途徑，需要加強研究和政策支持。

傳統化肥; 增效改性; 增效肥料

當前新型肥料的發展主要包括兩個方面: 一是對傳統(常規)肥料進行再加工，使其營養功能得到提高或使之具有新的特性和功能; 二是通過開發新資源，利用新理論、 新方法和新技術等，研發肥料新類型、 新產品。本文將就傳統化肥增效改性、 提升產品性能與功能問題展開討論，為推動我國新型肥料發展、 肥料產業技術升級，起到拋磚引玉的作用。

1　傳統化肥增效改性的必要性

傳統磷肥品種主要包括磷銨、 普通過磷酸鈣、 重鈣、 硝酸磷肥、 鈣鎂磷肥以及氮磷鉀復合(混)肥等[3]，除鈣鎂磷肥外，多數磷肥品種中的磷是水溶性磷。但是，磷肥施入土壤中通常被大量固定是影響其提高效率的重要限制因素[8-9]。我國2012年磷肥產量達到1693萬噸，占世界磷肥產量的40%，2012年我國磷肥農業用量達到1167萬噸。根據2013年農業部的結果，我國水稻、 小麥、 玉米三大糧食作物磷肥的當季利用率平均只有24%，比發達國家低十幾個百分點。第一次全國污染源普查公報，農業源總磷排放量占排放總量(含農業、 工業和生活源)的67.4%。大量施用磷肥也導致面源污染發生。因此，對傳統磷肥進行增效改性的主要方向是減少固定、 促進吸收、 提高效率。

傳統鉀肥主要包括氯化鉀、 硫酸鉀等品種。我國水溶性鉀肥資源嚴重不足，只占世界水溶性鉀肥資源的5%左右，長期以來我國鉀肥產量不能滿足自給需要[6]，50%以上依賴進口，需要大量外匯。2012年我國農業鉀肥用量525萬噸，一半來自進口。鉀肥在土壤中的活躍程度介于氮肥和磷肥之間。但是，鉀離子也相對較為活躍，施入土壤后受徑流、 淋溶及土壤固定等影響，當季利用率也不高。根據農業部2013年研究結果，我國水稻、 小麥、 玉米三大糧食作物鉀肥的當季利用率平均為42%。對傳統鉀肥增效改性的方向，也主要是提高有效性、 促進吸收，提高效率。

另外，我國農業大量依靠投入氮、 磷、 鉀化肥獲得高產的同時，大量中、 微量元素也隨作物收獲而帶出農田，我國農田土壤中、 微量元素缺乏現象越來越普遍[10-12]。因此，發展高效中、 微量元素肥料，也是提高肥效和增加產量的有效途徑。

2　傳統化肥增效改性的主要技術途徑

對傳統化肥進行增效改性的主要技術途徑包括: 一是緩釋法增效改性[13],通過發展緩釋肥料，調控肥料養分在土壤中的釋放過程，最大限度地使養分供應與作物需肥節律相一致，從而提高肥料的利用率[5]。緩釋法增效改性的肥料產品通常稱作緩釋肥料。二是穩定法增效改性[7],通過添加脲酶抑制劑或/和硝化抑制劑，以降低土壤脲酶和硝化細菌活性，減緩尿素在土壤中的轉化速度，從而減少揮發、 淋洗等損失，提高氮肥的利用率[7, 14]。穩定法增效改性的肥料產品通常稱作穩定肥料。三是增效劑法增效改性[7, 15-16],專指在肥料生產過程中加入海藻酸類、 腐植酸類和氨基酸類等天然活性物質所生產的肥料改性增效產品。海藻酸類、 腐植酸類和氨基酸類等增效劑都是天然物質或是植物源的，不但可以提高肥料利用率，而且環保安全。通過向肥料中添加生物活性物質類肥料增效劑所生產的改性增效產品，通常稱作增值肥料[7, 17]。四是有機物料與化學肥料復合(混)優化化肥養分高效利用，生產的肥料產品為有機無機復混肥料或含有機質的復合(混)肥料[9, 18]。

2.1緩釋肥產業發展及技術趨勢

緩釋肥料是我國肥料質量替代數量發展的重要產品類型[5]。從20世紀70年代開始，我國緩釋肥料經歷了探索起步(20世紀80年代)、 初步發展(20世紀90年代)和快速發展(2000年以來)三個階段[13]。2000年以前，我國緩釋肥料用量很少，在國際上沒有地位; 之后經過10多年的快速發展，到2010年全世界緩釋肥消費量170萬噸，其中中國的消費量占到70萬噸，占世界總消費量的40%以上，中國已經超過美國(60萬噸)成為世界上緩釋肥料第一生產和消費大國[13]。據測算，目前中國各類緩釋肥料的產能達到490萬噸，年產量200萬噸，應用面積達到9000多萬畝。中國緩釋肥料進行了兩次大的技術引進和集成創新。2005年以前，以引進日本溶劑型樹脂包衣緩釋肥料技術為主要特征，通過消化吸收和集成創新，形成了產業化。2005年以后，以吸收和引進美國、 加拿大無溶劑反應成膜樹脂包衣緩釋肥料技術為主要特征，通過消化吸收和集成創新，形成產業化，整體技術水平達到國際先進水平。當前我國緩釋肥料正面臨第三次創業和科技創新，需要從材料、 設備、 質量標準等方面全面自主創新，提升產業技術水平。

中國緩釋肥料產業技術創新和發展中亟待從理論上明確大田作物需要什么樣的緩釋肥料。國外緩釋肥料主要用在草坪、 園藝等領域，在大田作物上應用不多，沒有太多經驗可供我們借鑒。我國緩釋肥料發展的主要目標是大田作物，大田作物對肥料養分緩釋性的要求如何是必須加強研究和明確回答的問題。肥料的緩釋性不等同于供肥性，肥料的緩釋性是指肥料進入介質后養分向介質(水或土壤)中擴散的速度快慢; 而肥料的供肥性是指肥料進入土體后持續供應作物養分的能力，包括供肥強度和供肥持續時間兩個方面。肥料養分在土壤中釋放后并不立即在原位全部被作物直接吸收，大部分通過轉化和遷移，分布在不同深度的土體中，通過水-肥-根的耦合，從整個土體中供應作物養分。肥料養分能否被作物高效吸收利用，關鍵在于水-肥-根在時間和空間上的耦合特征[6]。水肥耦合有效地提高了肥料向作物根系的移動[19]，但在機理上只關注了水分、 養分同其吸收主體—根系在時間上的高效耦合而忽視了在空間上的耦合[6, 13]。肥料養分緩釋性的設計原則是實現“肥料養分在土壤中按一定規律釋放后，在土體中與作物需肥規律在時間和空間兩維相匹配(S型供應)”，供肥不僅僅局限于0—20 cm表土根層,只考慮肥料養分在0—20 cm土層中的釋放與作物需肥規律相匹配(“S”型釋放)，還要考慮養分向亞表層根系的供應。目前的緩釋肥料養分一般在施入土壤表層(一般是0—20 cm土層)后呈“S”型釋放，并不一定能實現肥料養分在整個土體中的供肥性也是“S”型的[6]。換言之，緩釋肥料養分在施入土壤表層(0—20 cm)后呈“S”型釋放，可使表層肥料養分供應(如0—20 cm土層，供應淺層根系)是“S”型的，但深層土壤的養分供應(20 cm以下土壤，供應深層土壤根系)不一定是“S”型的，因此整個土體中的供肥性就不是“S”型的。不同作物的根系深淺不同，對肥料養分緩釋性的要求也不相同; 土壤、 氣候和水分管理制度等不同條件下栽培的作物，對肥料養分緩釋性的要求亦不相同。因此，需要在緩釋肥的“供肥性”上大做文章，根據不同根系生長特性的作物在不同生育期根系在不同土層的分布特點，大力研究適應不同作物的專用型緩釋肥。

樹脂包膜緩釋肥料是我國最為重要的緩釋肥料品種之一，需要在以下幾方面加大科技創新力度: 1)生產工藝實現連續化，提高產品質量的穩定性; 2)提高單套設備產能，年生產能力力求超過萬噸以上，甚至超過5萬噸; 3)提高生產的自動化水平，省工、 高效、 產品質量穩定。另外，大田作物需要多樣化的緩釋肥料產品，因此，我國緩釋肥料在重視發展樹脂包膜緩釋肥料(多以BB緩釋肥料的形式進入農田)的同時，還應重視發展其他緩釋機理的肥料產品，如非樹脂包膜型、 載體緩釋型、 有機無機緩釋型等肥料品種[9, 18, 20-23]。這些產品主要是利用無機礦物材料、 有機質材料等包裹或包膜速溶性肥料，或將緩釋材料與速溶肥料融合，使養分起到緩釋長效的效果。非樹脂包膜型等緩釋肥料用普通設備即可生產，無需特殊設備、 無需溶劑，工藝簡單、 能耗小、 產量高、 成本低，大田作物應用效果好。另外，緩釋肥料需要不斷完善標準[13]。我國當前的緩釋肥料標準主要是在參考國外經驗的基礎上制定的，國外緩釋肥標準主要是根據淺根草坪和園藝花卉等植物需肥規律制定的[7, 24]，可能并不適合大田深根作物。我國發展大田作物緩釋肥料，需要依據大田作物對緩釋肥的要求，制定和完善相應標準。

2.2穩定肥料產業發展及技術趨勢

穩定肥料是指通過添加脲酶抑制劑和/或硝化抑制劑等，調節土壤酶或微生物活性，減緩尿素的水解和對銨態氮的硝化-反硝化作用，達到肥料氮素緩慢轉化和減少損失的目的。1935年Rotini首先發現土壤中存在脲酶，40年代Conrad等發現向土壤中加入某些抑制脲酶活性的物質可以延緩尿素的水解，60年代人們開始重視篩選土壤脲酶抑制劑的工作[5]。HQ(氫醌)、 NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)、 PPD(鄰-苯基磷酰二胺)、 TPTA(硫代磷酰三胺)、 CHPT(N-磷酸三環己胺)等是篩選研究的重要土壤脲酶抑制劑[14]。國外自20世紀50年代開始研制硝化抑制劑，研究的主要產品有吡啶、 嘧啶、 硫脲、 噻唑、 汞等的衍生物，以及疊氮化鉀、 氯苯異硫氰酸鹽、 六氯乙烷、 五氯酚鈉等。雙氰胺(DCD)是較為廣泛用于提高氮肥利用率的硝化抑制劑[7, 14]。

我國從20世紀60年代開始重視研究穩定肥料，中國科學院南京土壤研究所率先開始了硝化抑制劑的研究。之后，中國科學院沈陽應用生態研究所在上個世紀70年代開始研究氫醌作為脲酶抑制劑如何提高氮肥利用率，在盤錦化肥廠、 大慶化肥廠等通過添加脲酶抑制劑生產緩釋尿素，并且應用到大田作物上[14]。特別是進入2000年以來，中國科學院沈陽應用生態研究所開發出一批新型脲酶抑制劑和硝化抑制劑，應用在尿素、 復合(混)肥中，生產穩定肥料，大面積實現了產業化,并且牽頭制定了《穩定性肥料》(標準編號: HG/T 4135-2010)行業標準，2011年3月1日正式實施，規范了相關定義術語，統一了檢驗方法，從而規范了穩定肥料市場，標志著穩定肥料產業的發展步入了一個新的階段。目前全國已有50余家化肥企業從事穩定肥料生產和推廣，年產量超過80萬噸，應用面積超過上千萬畝。

穩定肥料未來技術趨勢，一是篩選更加廉價、 高效、 環保的脲酶抑制劑和硝化抑制劑，應用到穩定肥料生產中; 二是提高穩定肥料在不同土壤、 氣候條件下效果的穩定性; 三是研究穩定肥料產品如何走向作物專用化。

2.3增值肥料產業發展及技術趨勢

增值肥料的關鍵技術是開發微量高效、 環保安全的肥料增效劑。中國農業科學院新型肥料創新團隊，在國家863計劃、 國家科技支撐計劃等項目的支持下，經過10年的努力，研制出發酵海藻液、 鋅腐酸、 禾谷素等系列肥料增效劑; 開發了海藻酸尿素、 鋅腐酸尿素和禾谷素尿素等增值尿素新產品[29]，以及相應的增值復合(混)肥料、 增值磷銨等新產品; 在中國氮肥工業協會的指導下，2012年成立《化肥增值產業技術創新聯盟》，推動我國傳統化肥增值改性。我國利用氨基酸、 腐植酸、 海藻酸等改性的增值尿素年產量超過300萬噸，每年推廣面積1億畝，增產糧食30億公斤，農民增收60多億元，減少尿素損失超過40萬噸，為農業增產、 農民增收、 環境保護和促進我國肥料產品性能升級做出了貢獻[7]。增值肥料檢測方法及技術標準研究，也需要亟待加強。

2.4 有機物料與化學肥料復合(混)優化化肥養分高效利用的產業發展及技術趨勢

3　傳統化肥增效改性的政策建議

肥料是保障國家糧食安全的戰略物資，是實現農業可持續發展的物質基礎。過去十年，我國傳統化肥改性增效技術快速發展，迄今，我國各類增效改性肥料年產量達到1300萬噸(商品量)，每年推廣面積4億多畝，年增產糧食110億公斤，為農業增產、 農民增收和環境保護做出了重要貢獻。面對資源、 能源、 環境保護和糧食安全的巨大壓力，開展肥料科技創新、 發展新型肥料是我國肥料產業實施質量替代數量發展的戰略選擇。利用物理、 化學或生物等手段對傳統肥料進行改性，使其營養功能得到增強或賦予其新的功能，是肥料科技創新的重要途徑。推動傳統化肥增效改性，是一項系統工程，需要科學家和肥料行業的共同努力，更需要國家在政策上的推進。建議: 1)增加科研投入，開展傳統化肥增效改性的技術研究; 2)國家從投資、 信貸、 稅收等政策領域給予增效化肥新產業以優惠扶持; 3)國家支持建立一批傳統化肥改性增效的示范企業，推動傳統化肥產業技術提升; 4)從國家層面，建立傳統化肥增效改性工程技術國家研發平臺。

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Modification of conventional fertilizers for enhanced property and function

ZHAO Bing-qiang

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

【Objectives】 The comprehensive summary and commendation on the significance, achievements and development trends in modification on conventional fertilizers for enhanced property and function in China are meaningful for making the strategies for the development of chemical fertilizer industry in the future.【Methods】 Literatures relating to the progress in effect-enhancement and property modification of conventional fertilizers were collected and summarized. The development trends in the future were forecasted and some strategies were proposed. 【Results】 Due to its high activity of N and fixing of P in soil, the conventional N and P fertilizers have low nutrient use efficiency with consequence of serious environmental pollution in China. Therefore, it is of great significance to practice effect-enhanced modification for conventional fertilizers to upgrade their properties and functions. Currently the four measures taken in modifying the conventional fertilizers are using slow nutrient release, biological inhibitors, effect-enhancing additives and organic/inorganic combination. The products produced by employing the above four technological measures are named respectively slow-release fertilizer, stabilized fertilizer, value-added fertilizer and organic/inorganic compound fertilizer. At present, the annual production of the above four kinds of fertilizers has reached 13 million tons (commercial amount) and their annual application area reached around 27 million hectares, and the grain yield increase has reached 11 million tons. The achievement contributed greatly to promoting crop yield improvement, farmer’s income increase and environment protection. It is a systematic work to promote the practice of effect-enhanced modification for conventional fertilizers, and government policy support can help speed up the spread and expansion of the new products. 【Conclusions】 The practice of effect-enhanced modification for conventional fertilizers is crucial to upgrading fertilizer property and function and consequently to increasing fertilizer use efficiency. More efforts are needed in research and policy-making support in the future in China.

conventional fertilizer; modification; effect-enhanced fertilizer

2014-10-11接受日期: 2015-06-04

“十二五” 國家科技支撐計劃項目復合(混)肥農藝配方與生態工藝技術研究(2011BAD11B05); 環渤海中低產田增值尿素研制與施用技術研究(2013BAD05B04)資助。

趙秉強(1963—)，男，山東臨邑人，博士，研究員，主要從事肥料及施肥技術研究。Tel: 010-82108658, E-mail: zhaobingqiang@caas.cn

TQ440.2

A

1008-505X(2016)01-0001-07