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传统化肥增效的产业发展与技术趋势

2017年10月11日 11:36  中国农资网   作者:  5    收藏

关键词:化肥

面对资源、能源、环境保护和粮食安全的巨大压力,在不增加或少量增加化肥用量的前提下,发展增效肥料,推动传统化肥全面增值改性,是我国肥料产业实现“质量替代数量”发展提供重要保障,对我国农业增产、农民增收、环境保护和促进肥料产业技术升级提供强有力的科技支撑,是中国肥料产业未来发展的道路。

一、 传统化肥增效改性的内涵与必要性

1. 传统化肥增效改性技术途径

对传统肥料(常规肥料)进行再加工,使其营养功能得到提高或使之具有新的特性和功能,是新型肥料研究的重要内容。对传统化肥进行增效改性的主要技术途径包括:一是缓释法增效改性。通过发展缓释肥料,调控肥料养分在土壤中的释放过程,最大限度地使土壤的供肥性与作物需肥节律相一致,从而提高肥料的利用率。缓释法增效改性的肥料产品通常称作缓释肥料。二是稳定法增效改性。通过添加脲酶抑制剂或/和硝化抑制剂,以降低土壤脲酶和硝化细菌活性,减缓尿素在土壤中的转化速度,从而减少挥发、淋洗等损失,提高氮肥的利用率。稳定法增效改性的肥料产品通常称作稳定性肥料。三是增效剂法增效改性。专指在肥料生产过程中加入海藻酸类、腐植酸类和氨基酸类等天然活性物质所生产的肥料改性增效产品。海藻酸类、腐植酸类和氨基酸类等增效剂都是天然物质或是植物源的,可以提高肥料肥利用率,且环保安全。通过向肥料中添加生物活性物质类肥料增效剂所生产的改性增效产品,通常称作增值肥料。四是有机物料与化学肥料复合(混)优化化肥养分高效利用,生产的肥料产品多为有机无机复混肥或有机质型(炭基)复混肥料。

2. 传统化肥增效改性的必要性

(1)我国大田作物氮肥当季利用率仅为30%左右

我国传统氮肥主要包括尿素(占氮肥总产量的65%左右)、硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵及硝酸铵等品种类型。由于氮肥活性高,损失途径多,并且未被作物利用的氮肥又不容易在土壤中残留被后续利用,加之我国氮肥用量大(单位面积用量约为世界平均的3倍),因此,我国农田氮肥的利用效率一直处在较低水平,全国大田作物氮肥当季利用率平均只有30%左右,远低于发达国家50%-60%的水平。2012年,我国氮肥产量4313万吨,占世界产量的40%左右;农业消费氮肥3337万吨,占氮肥产量的77%。我国每年农业施用的氮肥通过挥发、淋洗和径流等途径损失超过1000万吨,相当于2000多万吨尿素,直接经济损失400多亿元人民币,不仅造成能源与资源的巨大浪费,而且对环境造成极大威胁。第一次全国污染源普查公报,农业源总氮排放量为270.46万吨,占排放总量(含农业、工业和生活源)的57.2%。因此,对传统氮肥进行增效改性,减少损失、提高利用率,对保护资源与环境、提高经济效益等,均具有重要意义。

(2)我国三大作物磷肥当季利用率只有24%

传统磷肥品种主要包括磷铵、普通过磷酸钙、重钙、硝酸磷肥、钙镁磷肥以及氮磷钾复合(混)肥等,除钙镁磷肥外,多数磷肥品种中的磷是水溶性磷。但是,磷肥施入土壤中通常被大量固定是影响其提高效率的重要限制因素。我国2012年磷肥产量达到1693万吨,占世界磷肥产量的40%,2012年我国磷肥农业用量达到1167万吨。根据2013年农业部研究的结果(2013年10月),我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物磷肥的当季利用率只有24%,比发达国家低十几个百分点。我国大量施用磷肥也导致面源污染严重发生。第一次全国污染源普查公报,农业源总磷排放量为28.47万吨,占排放总量(含农业、工业和生活源)的67.4%。因此,对传统磷肥进行增效改性的主要方向,是减少固定、促进吸收,提高效率。

(3)我国三大作物钾肥利用率为42%

传统钾肥主要包括氯化钾、硫酸钾等品种。我国水溶性钾肥资源严重不足,只占世界水溶性钾肥资源的5%左右,长期以来我国钾肥产量不能满足自给需要,50%以上依赖进口,需要大量外汇。2012年我国农业钾肥用量525万吨,一半来自进口。钾肥在土壤中的活跃程度介于氮肥和磷肥之间。但是,钾离子也相对较为活跃,施入土壤后受径流、淋溶及土壤固定等影响,当季利用率也不高,约为35%~50%(2013年10月农业部研究结果,我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物钾肥平均利用率为42%)。对传统钾肥增效改性的方向,也主要是提高有效性、促进吸收,提高效率。

另外,我国农业大量依靠投入氮磷钾化肥获得高产的同时,大量中微量元素也随作物收获而带出农田,我国农田土壤中微量元素缺乏现象越来越普遍。因此,发展高效中微量元素肥料,也是提高肥效和增加产量的有效途径。

二、 缓释肥产业发展及技术趋势

缓释肥料是我国肥料质量替代数量发展的重要产品类型。从20世纪70年代开始,到今天我国缓释肥料经历了探索起步(20世纪80年代)、初步发展(20世纪90年代)和快速发展(2000年以来)三个阶段。2000年以前,我国缓释肥料用量很少,在国际上没有地位;之后经过10多年的快速发展,到2010年全世界缓释肥消费量170万吨,其中中国的消费量占到70万吨,占世界总消费量的1/3以上,中国已经超过美国(60万吨)成为世界上缓释肥料第一生产和消费大国。中国缓释肥料进行了两次大的技术引进和集成创新。2005年以前,以引进日本溶剂型树脂包衣缓释肥料技术为主要特征,通过消化吸收和集成创新,形成了产业化。2005年-至今,以吸收和引进美国、加拿大无溶剂反应成膜树脂包衣缓释肥料技术为主要特征,通过消化吸收和集成创新,形成产业化,整体技术水平达到国际先进水平。当前我国缓释肥料正面临第三次创业和科技创新,需要从材料、工业设备、质量标准等方面全面自主创新,提升产业技术水平。

中国缓释肥料产业技术创新和发展中亟待解决的问题:一是从理论上明确大田作物需要什么样的缓释肥料。国外缓释肥料主要用在草坪、园艺等非农产业,在大田作物上应用不多,没有太多经验可供我们借鉴。我国缓释肥料发展的主战场是大田作物,大田作物需要什么样的缓释肥料?大田作物对肥料养分缓释性的要求如何,这是必须加强研究和明确回答的问题。二是我国缓释肥料还需在工艺和材料领域进行再创新,提升产业技术水平。要回答大田作物需要什么样的缓释肥料,也即大田作物对肥料养分缓释性要求如何?首先不能将肥料的缓释性和供肥性混为一谈。肥料的缓释性是指“肥料进入介质后养分向介质(水或土壤)中扩散的速度快慢”;而肥料的供肥性是指“肥料进入土体后持续供应作物养分的能力”。根据水肥高效利用的水-肥-根耦合理论,肥料养分缓释性的设计原则应当是实现“肥料养分在土壤中按一定规律释放后,使其在土体中的供肥性与作物需肥规律相匹配(S型供应)”,而不仅仅只限于0-20cm根层,只考虑肥料养分在0-20cm土层中的释放与作物需肥规律相匹配(“S”型释放)。

我国树脂包膜缓释肥料的工艺、设备创新主要包括:(1)生产实现连续化,提高产品质量的稳定性;(2)提高单套设备产能,年生产能力力求超过万吨以上,甚至超过5万吨;(3)提高生产的自动化水平,省工、高效、产品质量稳定。另外,大田作物缓释肥料需要多样化的产品,因此,我国缓释肥料在重视发展树脂包膜缓释肥料(多以BB缓释肥料的形式进入农田)的同时,还应重视发展其他缓释机理的肥料产品,如非树脂包膜型、内置缓释型、有机无机缓释型等肥料品种。这些非树脂包膜型缓释肥料用普通设备即可生产,无需特殊设备、无需溶剂,工艺简单、能耗小、产量高、成本低,大田作物应用效果好。另外,缓释肥料需要不断完善标准。我国当前的缓释肥料标准主要是在参考国外经验的基础上制定的,国外缓释肥标准主要是根据浅根草坪和园艺花卉等植物需肥规律制定的,可能并不适合大田深根作物。我国发展大田作物缓释肥料,需要依据大田作物对缓释肥的要求,制定和完善相应标准。

三、 稳定性肥料产业发展及技术趋势

稳定性肥料是指通过添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂等,调节土壤酶或微生物的活性,减缓尿素的水解和对铵态氮的硝化-反硝化作用,从而达到肥料氮素缓慢转化和减少损失的目的。1935年Rotini首先发现土壤中存在脲酶;40年代Conrad等发现向土壤中加入某些抑制脲酶活性的物质可以延缓尿素的水解;60年代人们开始重视筛选土壤脲酶抑制剂的工作。HQ(氢醌)、NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)、PPD(邻-苯基磷酰二胺)、TPTA(硫代磷酰三胺)、CHPT(N-磷酸三环己胺)等是筛选研究的重要土壤脲酶抑制剂。国外自20世纪50年代开始研制硝化抑制剂,研究的主要产品有吡啶、嘧啶、硫脲、噻唑、汞等的衍生物,以及叠氮化钾、氯苯异硫氰酸盐、六氯乙烷、五氯酚钠等。双氰胺(DCD)是应用较为广泛用于提高氮肥利用率的硝化抑制剂。

我国从20世纪60年代开始重视研究稳定性肥料,中科院南京土壤研究所率先开始了硝化抑制剂的研究。之后,中科院沈阳应用生态研究所在上个世纪70年代开始研究氢醌作为脲酶抑制剂如何提高氮肥利用率,在盘锦化肥厂、大庆化肥厂等通过添加脲酶抑制剂生产缓释尿素,并且应用到大田作物上。特别是进入2000年以来,中科院沈阳应用生态研究所开发出一批新型脲酶抑制剂和硝化抑制剂,应用在尿素、复合(混)肥中,生产稳定性肥料,大面积实现了产业化,并且牵头制定了《稳定性肥料》(标准编号:HG/T4135-2010)行业标准,2011年3月1日正式实施,规范了相关定义术语,统一了检验方法,从而规范了稳定性肥料市场,标志着稳定性肥料产业的发展步入了一个新的阶段。目前全国已有50余家化肥企业从事稳定性肥料生产和推广,年产量超过80万吨。

稳定性肥料未来技术趋势,一是筛选更加廉价、高效、环保的脲酶抑制剂和硝化抑制剂,应用到稳定性肥料生产中;二是提高稳定性肥料在不同土壤、气候条件下的效果稳定性;三是研究稳定性肥料产品走向作物专用化。

四、 增值肥料产业发展及技术趋势

增值肥料(Value-addedFertilizer)是增效肥料的一种,专指肥料生产过程中加入海藻酸类、腐植酸类和氨基酸类等天然活性物质所生产的肥料改性增效产品。海藻酸类、腐植酸类和氨基酸类等增效剂都是天然物质或是植物源的,可以提高肥料肥利用率,且环保安全。增值肥料发展的主要技术特点:增效剂微量高效,添加量在多在0.3‰-3‰之间;肥料养分含量基本不受影响,如增值尿素含氮量不低于46%;增效明显,添加的增效剂具有常规的可检测性;增效剂为植物源天然物质及其提取物,对环境、作物和人体无害;工艺简单,成本低。增值肥料主要通过促进作物根系生长与活力;提高氮肥稳定性和转化及运移模式,减少氨挥发和淋洗损失;减少土壤对磷钾肥的固定,提高其有效性和供应强度等。从而改善作物对肥料的吸收利用,提高肥料利用率。

中国农科院农业资源与农业区划研究所新型肥料创新团队,在国家863计划、国家科技支撑计划等项目的支持下,经过近10年的努力,研制出发酵海藻液、锌腐酸、禾谷素等系列肥料增效剂;开发了海藻酸尿素、锌腐酸尿素和禾谷素尿素等增值尿素新产品,以及相应的增值复合肥、增值磷铵等新产品;在中国氮肥工业协会的指导下,2012年成立《化肥增值产业技术创新联盟》,推动我国传统化肥增值改性。我国利用氨基酸、腐植酸、海藻酸等改性的增值尿素、复合肥、磷铵等,年产量超过300万吨,推广面积1.5亿亩,增产粮食45亿公斤,农民增收80多亿元,减少尿素损失超过60万吨。增值尿素为农业增产、农民增收、环境保护和促进我国肥料产品性能升级做出了贡献。

增值肥料的关键技术是开发微量高效、环保安全的肥料增效剂。另外,增值肥料检测方法及技术标准研究,也需要亟待加强。

五、 有机物料与化学肥料复合(混)优化化肥养分高效利用的产业发展及技术趋势

有机无机复混肥是肥料产业发展中的新秀,具有中国特色,逐渐被产业界所重视。过去发展有机无机复混肥料的主要原因,一是消纳有机废弃物,保护环境;二是增加土壤有机质,培肥土壤。然而,我们一系列的研究发现,有机物料与化学肥料科学复合(混),具有调节化学肥料养分转化、释放和供应模式的作用;有机物料通过改善土壤的理化性状、调节土壤酶活性等,减轻氮肥氨挥发损失,减缓磷钾肥在土壤中的固定,土壤供肥能力得到改善,等养分投入条件下,有机无机复合(混)肥料具有较高的化肥养分利用率。如将味精厂发酵产生的有机废弃物分别与化学氮肥、磷肥和钾肥进行复混造粒,等养分投入情况下,有机复混氮肥、有机复混磷肥、有机复混钾肥比普通化肥供肥能力强,作物增产,肥料利用率提高5~10百分点,尤其是有机物料与氮、磷肥复合(混)的增产效果最好。有机无机复混肥在经济作物,如棉花、花生、马铃薯、大蒜、油菜以及果树等作物上使用的潜力较大。磷钾含量较高的有机无机复混肥也可以替代普通复混肥料作冬小麦等作物的基肥施用;高氮型的有机无机复混肥也可以用作追肥,或用在东北春玉米或华北夏玉米上的一次性施肥。我国每年有机无机复混肥产量超过600万吨,应用面积达到1亿亩以上,广泛应用在棉花、花生、马铃薯、大蒜、油菜以及果树等大田经济作物上,在小麦、玉米等粮食作物上应用也越来越广泛,作物增产30亿公斤以上。

有机无机复混肥料在农业生产中日益发挥重要的作用,增产效果明显,受到用户的广泛欢迎。但是,有机无机复混肥产业的发展仍存在许多亟待解决的问题。目前,系统研究有机物料与化学肥料复合(混)优化化肥养分高效利用的原理,建立有机无机复合(混)肥优化化肥养分高效利用的理论与技术体系,是未来有机无机复合(混)肥料研究的重要任务。同时,有机无机复混肥的生产企业规模相对较小,多数企业均采用团粒法工艺生产有机无机复混肥,产能相对较低,尚没形成龙头企业带动该行业的发展。开发产能高、养分含量高、效果好、品相优的有机无机复混肥料生产新工艺,适应我国机械化施肥发展的要求,是发展有机无机复混肥行业发展需要解决的生产中的问题。系统研究有机物料与化学肥料复合(混)优化化肥养分高效利用的机理与原理,建立有机无机复合(混)肥优化化肥养分高效利用的理论与技术体系,是未来有机无机复合(混)肥料研究的重要任务。另外,发展有机质含量3-8%、养分浓度超过40%以上的有机质型复合(混)肥料,不仅可以发挥有机物料优化化学肥料养分利用的作用,而且可以满足市场对高浓度复合(混)肥产品的需求,有较大的市场潜力。

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