传统化肥增效改性技术途径与政策建议论文
化肥是重要的农业生产资料，是粮食的“粮食”,化肥在粮食增产中的作用占40% 50%[1].我国从20世纪80年代开始大量施用化肥，目前我国农业化肥消费量已达到6000万吨，占世界消费量的1 /3,单位面积施肥量是世界平均水平的3倍[2].然而，我国又是一个肥料资源相对短缺的国家。按目前的开采速度，我国高品位的磷矿资源仅供开采15年，175亿吨磷矿资源将在79年内用完[3]; 我国钾肥更是50%依赖进口。为获得高产而大量施肥，我国氮、磷、钾化肥的当季利用率分别只有35% 、20%和40%左右，平均比发达国家低15 20个百分点。这不仅造成能源、资源和经济的巨大浪费，也带来严重的环境问题。据预测，到2030年我国化肥需求量将达到6600 7000万吨[4].2030年要使全国1亿 多公 顷 耕 地 平 均 化 肥 施 用 水 平 达600kg / hm2,是很难达到的，也是土壤、环境难以承受的。我国未来肥料发展的重点应当是如何提高效率与利用率，而不是继续大幅度提高施肥水平。所以，我国肥料产业实施“质量替代数量”发展战略，化肥用量力争控制在5500万吨左右，通过肥料科技创新、改善施肥技术和挖掘植物遗传潜力等提高肥料效益的途径，在不增加或适度减少化肥用量的前提下，通过提高效率，保证我国的粮食安全[5].
开展肥料科技创新、发展新型肥料是我国肥料产业实施质量替代数量发展的战略选择[5].新型肥料是肥料产业发展过程中不断出现的新品种、新类型和新产品，其内涵是动态发展的。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 2020年） ,将环保型肥料列为优先发展主题，重点研究开发环保型肥料创制关键技术，专用复（ 混） 型缓释、控释肥料及施肥技术与相关设备。“十五”以来，新型肥料研究被列入国家863计划、科技支撑计划、成果转化基金项目等给予支持，大大促进了新型肥料科技进步和产业化发展。2000年以来，我国新型肥料产业迅速发展。2010年，我国从事各类新型肥料生产的企业超过2000家，占全国肥料生产企业总数的1 /4,新型肥料产业的资产规模超过500亿元，从业人员约3万人，新型肥料产值每年约160多亿元[6].据估计，2014年全国各类新型肥料年产量总计达3000万吨（ 商品量） ,应用面积超过6亿亩，增产粮食150亿公斤。然而，面对资源、能源、环境保护和粮食安全的巨大压力，我国新型肥料的发展任重道远，技术水平、产业规模还远不能满足农业生产的需要。
当前新型肥料的发展主要包括两个方面： 一是对传统（ 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； 二是通过开发新资源，利用新理论、新方法和新技术等，研发肥料新类型、新产品。本文将就传统化肥增效改性、提升产品性能与功能问题展开讨论，为推动我国新型肥料发展、肥料产业技术升级，起到抛砖引玉的作用。
1 传统化肥增效改性的必要性
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[5,7].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，未被作物利用的氮肥又不容易在土壤中残留而被后续利用，加之我国氮肥用量大（ 单位面积用量约为世界平均的3倍）[7],因此，我国农田氮肥利用率一直处在较低水平[2],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[5].第一次全国污染源普查公报，农业源总氮排放量占排放总量（ 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。
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[3],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[8-9].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年农业部的结果，我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物磷肥的当季利用率平均只有24%,比发达国家低十几个百分点。第一次全国污染源普查公报，农业源总磷排放量占排放总量（ 含农业、工业和生活源） 的67. 4% .大量施用磷肥也导致面源污染发生。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。
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[6],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。根据农业部2013年研究结果，我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物钾肥的当季利用率平均为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[10-12].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。
2 传统化肥增效改性的主要技术途径
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[13],通过发展缓释肥料，调控肥料养分在土壤中的释放过程，最大限度地使养分供应与作物需肥节律相一致，从而提高肥料的利用率[5].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[7],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[7,14].稳定法增效改性的肥料产品通常称作稳定肥料。三是增效剂法增效改性[7,15-16],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，不但可以提高肥料利用率，而且环保安全。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[7,17].四是有机物料与化学肥料复合（ 混） 优化化肥养分高效利用，生产的肥料产品为有机无机复混肥料或含有机质的复合（ 混） 肥料[9,18].
2. 1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[5].从20世纪70年代开始，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[13].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40%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[13].据测算，目前中国各类缓释肥料的产能达到490万吨，年产量200万吨，应用面积达到9000多万亩。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年以后，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、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、园艺等领域，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要目标是大田作物，大田作物对肥料养分缓释性的要求如何是必须加强研究和明确回答的问题。肥料的缓释性不等同于供肥性，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，包括供肥强度和供肥持续时间两个方面。肥料养分在土壤中释放后并不立即在原位全部被作物直接吸收，大部分通过转化和迁移，分布在不同深度的土体中，通过水-肥-根的耦合，从整个土体中供应作物养分。肥料养分能否被作物高效吸收利用，关键在于水-肥-根在时间和空间上的耦合特征[6].水肥耦合有效地提高了肥料向作物根系的移动[19],但在机理上只关注了水分、养分同其吸收主体-根系在时间上的高效耦合而忽视了在空间上的耦合[6,13].肥料养分缓释性的设计原则是实现“肥料养分在土壤中按一定规律释放后，在土体中与作物需肥规律在时间和空间两维相匹配（S型供应）”,供肥不仅仅局限于0-20 cm表土根层，只考虑肥料养分在0-20 cm土层中的释放与作物需肥规律相匹配（“S”型释放） ,还要考虑养分向亚表层根系的供应。目前的缓释肥料养分一般在施入土壤表层（ 一般是0-20 cm土层）后呈“S”型释放，并不一定能实现肥料养分在整个土体中的供肥性也是“S”型的[6].换言之，缓释肥料养分在施入土壤表层（0-20 cm） 后呈“S”型释放，可使表层肥料养分供应（ 如0-20 cm土层，供应浅层根系） 是“S”型的，但深层土壤的养分供应（20cm以下土壤，供应深层土壤根系） 不一定是“S”型的，因此整个土体中的供肥性就不是“S”型的。不同作物的根系深浅不同，对肥料养分缓释性的要求也不相同； 土壤、气候和水分管理制度等不同条件下栽培的作物，对肥料养分缓释性的要求亦不相同。因此，需要在缓释肥的`“供肥性”上大做文章，根据不同根系生长特性的作物在不同生育期根系在不同土层的分布特点，大力研究适应不同作物的专用型缓释肥。
树脂包膜缓释肥料是我国最为重要的缓释肥料品种之一，需要在以下几方面加大科技创新力度：1） 生产工艺实现连续化，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，大田作物需要多样化的缓释肥料产品，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、载体缓释型、有机无机缓释型等肥料品种[9,18,20-23].这些产品主要是利用无机矿物材料、有机质材料等包裹或包膜速溶性肥料，或将缓释材料与速溶肥料融合，使养分起到缓释长效的效果。非树脂包膜型等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[13].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[7,24],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。
2. 2稳定肥料产业发展及技术趋势
稳定肥料是指通过添加脲酶抑制剂和/或硝化抑制剂等，调节土壤酶或微生物活性，减缓尿素的水解和对铵态氮的硝化-反硝化作用，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[5].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[14].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） 是较为广泛用于提高氮肥利用率的硝化抑制剂[7,14].
我国从20世纪60年代开始重视研究稳定肥料，中国科学院南京土壤研究所率先开始了硝化抑制剂的研究。之后，中国科学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[14].特别是进入2000年以来，中国科学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/T 4135 -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，从而规范了稳定肥料市场，标志着稳定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肥料生产和推广，年产量超过80万吨，应用面积超过上千万亩。
稳定肥料未来技术趋势，一是筛选更加廉价、高效、环保的脲酶抑制剂和硝化抑制剂，应用到稳定肥料生产中； 二是提高稳定肥料在不同土壤、气候条件下效果的稳定性； 三是研究稳定肥料产品如何走向作物专用化。
2. 3增值肥料产业发展及技术趋势
增值肥料（value-added fertilizer） 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，可以提高肥料利用率，且环保安全[7,17,25-26].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； 影响氮肥转化及运移模式，提 高 氮 肥 稳 定 性，减 少 氨 挥 发 和 淋 洗 损失[7,16-17,25-27]; 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[28].
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。中国农业科学院新型肥料创新团队，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[29],以及相应的增值复合（ 混） 肥料、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年产量超过300万吨，每年推广面积1亿亩，增产粮食30亿公斤，农民增收60多亿元，减少尿素损失超过40万吨，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[7].增值肥料检测方法及技术标准研究，也需要亟待加强。
2. 4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[6].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，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，提高供肥能力，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[8-9,18,30-32].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个百分点[8-9,18],尤其是有机物料与氮、磷肥复合（ 混） 的增产效果最好。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。有机无机复混肥料在经济作物，如棉花、花生、马铃薯、大蒜、油菜以及果树等作物上应用的潜力较大。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。目前，我国有机无机复混肥料年产量近700万吨，应用面积上亿亩，年增产粮食超过40亿公斤。
有机无机复混肥料产业的发展仍存在许多亟待解决的问题。目前，有机无机复混肥的生产企业规模相对较小，企业多采用团粒法工艺生产有机无机复混肥，产能相对较低，尚缺少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需要，是有机无机复混肥行业发展需要解决的问题。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%的复合（ 混） 肥料，既可以发挥有机物料优化化学肥料养分利用的作用，又可以满足市场对高浓度复合（ 混） 肥料产品的需求，有较大的市场潜力。
3 传统化肥增效改性的政策建议
肥料是保障国家粮食安全的战略物资，是实现农业可持续发展的物质基础。过去十年，我国传统化肥改性增效技术快速发展，迄今，我国各类增效改性肥料年产量达到1300万吨（ 商品量） ,每年推广面积4亿多亩，年增产粮食110亿公斤，为农业增产、农民增收和环境保护做出了重要贡献。面对资源、能源、环境保护和粮食安全的巨大压力，开展肥料科技创新、发展新型肥料是我国肥料产业实施质量替代数量发展的战略选择。利用物理、化学或生物等手段对传统肥料进行改性，使其营养功能得到增强或赋予其新的功能，是肥料科技创新的重要途径。推动传统化肥增效改性，是一项系统工程，需要科学家和肥料行业的共同努力，更需要国家在政策上的推进。建议：1） 增加科研投入，开展传统化肥增效改性的技术研究；2） 国家从投资、信贷、税收等政策领域给予增效化肥新产业以优惠扶持；3）国家支持建立一批传统化肥改性增效的示范企业，推动传统化肥产业技术提升；4） 从国家层面，建立传统化肥增效改性工程技术国家研发平台。
参 考 文 献：
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