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新型肥料的种类与应用

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一、发展新型肥料的必要性

肥料是粮食丰产与优质的决定性因素之一。过去150年来,化肥的施用对全球粮食的增产和食物短缺的缓解作出了巨大的贡献。在20世纪,世界人口从16亿增至60亿(增长275%),而世界耕地面积仅由9亿公顷增至13.7亿公顷(增长52%),但全球谷物产量却由5亿吨增至20亿吨(增长300%),化学肥料的施用起了非常关键的作用。

我国是一个人口众多,资源紧缺的泱泱大国,这样的基本国情决定了我国的农业尤其是粮食生产,在经济发展的任何阶段,都不能削弱而只能加强。要高度重视农业生产,始终保持粮食及其他农产品产量的稳定增长。而肥料,特别是化肥,在农业增产中起着举足轻重的作用。

但我国肥料生产与应用中仍存在着一系列问题,如化肥利用率低,养分高效利用的新型肥料品种缺乏,复混肥料养分形态、数量配比不能满足作物营养需求,平衡施肥理论和技术的推广与应用缺乏系列专用复合肥,非水溶性钾矿资源没有得到充分利用,有机肥料发酵周期长、有毒有害物质含量超标严重等。上述问题已成为制约中国食物安全的根本性问题之一。

环保高效新型肥料能提高肥料利用率,保证粮食安全,减少环境污染,一次施用就能满足作物的需要,可大大减轻农民的劳动强度,降低肥料施用成本,成为未来农业的发展方向。因此,发展新型高效肥料,对于实现我国农业现代化、确保我国粮食安全具有十分重要的意义。


二、新型肥料的种类及特点

近六十年来,随着科学技术突飞猛进的发展,肥料科学领域的新知识、新理论、新技术不断涌现,肥料向复合高效、缓释控释( 长效) 和环境友好等多方向发展。因而,我们把利用新方法、新工艺生产的具有上述特征的肥料称为新型肥料,以区别于传统化肥工业生产的化学单质肥料和复合肥料,以及未经深加工的有机肥料。它是针对传统肥料的利用率低、易污染环境、施用不便等缺点,对其进行的物理、化学或生物化学改性后生产出的一类新产品。主要包括稳定性肥料、缓释和控释肥料、聚氨酸类肥料、多功能肥料、商品化有机肥、生物肥料等。为适应农业生产的新要求,新型肥料作为一种有助于改善环境质量和农产品质量、提高农作物产量的农用生产资料发展迅速。

近几年,在新型肥料行业中,稳定性、缓释、控释和聚氨酸类肥的发展是最快的,其次是商品有机肥,多功能肥料则因为涵盖面太广、针对性较强、市场比较混乱而发展相对缓慢。因此,我们主要介绍稳定性、缓释、控释肥和聚氨酸类肥料的特点及施用效果。

1. 稳定性肥料

稳定性肥料是指经过一定工艺加入脲酶抑制剂和(或)硝化抑制剂,施入土壤后能通过脲酶抑制剂抑制尿素的水解,和(或)通过硝化抑制剂抑制铵态氮的硝化,使肥效期得到延长的一类含氮肥料(包括含氮的二元或三元肥料和单质氮肥),是在传统肥料中加入氮肥增效剂来延长肥效期这样一类产品的统称。

稳定性肥料技术具有肥效期长(一次施肥,养分有效期可达120天)、养分利用率高(氮利用率提高8.7个百分点,减少氮淋失48.2%,降排N2O(一氧化二氮)64.7%;磷提高4个百分点,土壤磷活化率13%,肥料磷有效率提高28%)、平稳供给养分,增产效果明显(作物后期不缺肥,活秆成熟,作物平均增产幅度10%~18%);环境友好,降低面源污染(本产品对环境安全,无残留。当年降解率达75%)、成本低(成本增加只有普通复合肥的2%~3%,可以广泛用于粮食作物)。

稳定性肥料已在东北、中原、西南、西北及长江流域等22个省进行了应用,生产的稳定性专用肥有60多个品种,应用作物涉及玉米、水稻、大豆、小麦、棉花等30多种,平均每亩增产165.25公斤,增产率达14.7%,农民每亩增收188.35元。

2. 包膜或包囊控释肥料

这类肥料主要是指在肥料外层包裹一层材料,从而达到控制养分的释放特性,包膜材料是此类肥料的核心。目前我国包衣类控释肥料主要有以下几种:

(1)硫包衣。硫包衣尿素(Sulfur Coated Urea)是通过在尿素外面包裹硫磺、微晶蜡密封剂而制成的,硫磺与微晶蜡密封剂的数量将会决定该产品缓释氮的释放特性。我国的SCU技术由国外直接引进,在引进的基础上,又增加了工艺控制程序,调节养分释放。含高浓度氮30%~40%,可以减少氮淋溶或以氨的形态挥发,硫价格低廉,硫本身也是一种中量的植物营养元素。目前市场有售的包硫尿素(7天内)其溶解率为40%~60%。

(2)聚合物包膜肥料。聚合物包膜尿素是通过在尿素外面包裹热塑性包裹材料而制成的。主要技术是包膜材料的选择和添加包膜的实用技术。与传统肥料相比,由于更为复杂的生产过程和较高成本的包膜材料,使生产的聚合物包膜肥料成本明显增加(也高于包硫尿素)。

(3)肥包肥。郑州大学许秀成等研制的包裹肥料是以水不溶性无机肥料(通常为亲水性材料)逐层包裹水溶性肥料核芯,在包裹过程中形成了缓效复合肥料,通过调节包裹层组成及厚度来制得不同养分配比的缓效增值复合肥料。该系列增值肥料包括以钙镁磷肥为包裹层、以磷矿部分酸化为包裹层、以二价金属磷酸铵钾盐为包裹层。

(4)涂层缓释尿素。中国科学院石家庄农业现代化研究所阎宗彪等研制的涂层缓释一次肥采用与氮、磷、钾肥料颗粒表面具有较强的亲和能力和成膜特性的涂层材料,分别涂在不同肥料颗粒表面,形成一层或多层包膜,成为具有“控氮缓释、促磷增效、防钾淋失、微量补充”功能,粒度均匀、色彩各异的单质改性肥料颗粒,再采用掺混工艺根据测土施肥需要科学组配与作物全生育期养分需求变化相协调。


3. 脲甲醛肥料、异丁叉二脲、丁烯叉二脲

将肥料直接或间接地通过共价或离子键连接到预先形成的聚合物上,构成一种新型组合物。其所含养分的释放速度取决于聚合物键的性质、立体化学结构、疏水性、降解难易度和交联程度等。分为三种类型:难溶性有机化合物,包括脲甲醛、丁烯叉二脲和草酰胺等;水溶性难降解化合物,如异丁叉二脲等;低溶解性无机盐,如磷酸镁铵等。

这三类肥料主要应用于专业性的草皮、苗圃、温室、草坪以及庭院和景观梅花,脲甲醛类肥料应用最广,被广泛应用于较温暖的气候区(欧洲地中海地区、美国南部和西南部地区),由于受到生产成本过高的限制,应用不那么广泛。在日本和欧洲,丁烯叉二脲主要应用于草皮和特色农业中,典型应用是配入氮磷钾颗粒肥料中。

4. 聚氨酸类肥料

聚氨酸类肥料能够防止养分损失和固定,促进作物对养分的吸收,并提高养分吸收和运转速率,起到离子泵作用,提升离子养分与作物根系的亲和力,可使作物产量增加7%~30%。能有效提高肥料养分利用率(氮利用率提高24%~32%,磷利用率提高25%~30%,钾的利用率提高30%~35%),可降低肥料投入(减少肥料投入15%~20%),减轻农民负担。产品无残留,对人、畜、植物无毒害,符合绿色农业生产的要求,具有广谱性,适用于各种土壤及农作物。

三、新型肥料的产业化现状

经过20多年的探索发展,新型肥料在国际上已成为一个成熟的产业,这也进一步推动了我国新型肥料产业的发展。

中国的缓控释肥从上世纪70 年代初开始起步。到目前为止,中国陆续研制成功了树脂包衣、硫包衣、脲醛类、生化抑制剂稳定性肥料等缓控释肥,并实现了产业化。全球缓控释肥消费量的三分之一由中国生产,品种涉及包裹肥料、树脂包衣、硫包衣肥料、脲醛和稳定性肥料。

2009年我国缓控释肥料产能到达250万吨,其中,稳定性肥料由于成本较低、技术相对简单、投资较小,发展比较迅猛,占总产量的绝大部分,而树脂包膜类、脲醛肥料等由于成本相对较高、投资较大,发展速度相对缓慢,市场的推广难度大,产量较少。

我国从事包硫尿素的企业主要有汉枫、金正大、山西丰喜等。总产量30万吨,出口占一大部分,国内只在BB肥上有应用。

山东农业大学的聚合物包膜控释肥在山东金正大集团实现产业化,目前年生产能力达到60万吨,2009年产量达到50~60万吨。华南农业大学水溶性树脂合成技术已经在圃乐特控释肥料公司实现了产业化生产,产能约10万吨,研制开发的异粒变速控释肥技术在山东施可丰年产10万吨项目早已投产。北京农林科学院与北京首创集团新型肥料公司合作,生产聚烯烃包衣控释肥料,年产能达到20万吨。

济南乐喜施肥料有限公司是目前最大的包裹型缓控释肥料生产企业,现有年产能10万吨的生产线3条,产品主要供应农业市场。

脲醛类缓释肥目前国内生产的主要厂家上海大洋年产、武汉绿茵、青岛住商等,生产规模较小,产品多用于出口。

稳定性肥料技术的产品已占全国长效肥市场的85%以上,年总产量已达世界产量的三分之一,居世界第一。市场遍及东北、中原、西南、西北及长江流域等22个省、50余家企业。包括施可丰化工股份有限公司、黑龙江倍丰农资集团有限公司、锦西天然气化工股份有限公司、山东鲁西化工集团、江苏华昌化工集团、云南农家乐复合肥有限公司、河北中嘉复合肥有限公司、内蒙古辽中京化工有限责任公司和广西新胜利农业生产资料有限责任公司等在全国复合肥行业中具有一定影响力的企业。2011年全国稳定性肥料销售量累计生产122.5万吨。中国科学院与全国22家科研、推广机构建立了密切的合作关系,成立了“全国缓控释肥试验示范协作网”,投入600万元,用于稳定性肥料的全国示范推广,示范协作网覆盖了全国22个省份,涉及试验示范作物包括水稻、玉米、小麦、大豆、棉花、甘薯、花生、油菜、胡萝卜、大葱、大蒜、姜、苹果、菠萝、甘蔗、荔枝、柑橘、橡胶、香蕉、龙眼、茶叶21种,涵盖土壤类型、作物种类众多,深度研究不同作物专用肥配方、施用技术,为稳定性肥料的推广起到了积极的作用。

2010年12月由中国科学院沈阳应用生态研究所牵头,联合全国68家企业和科研院所联合成立了稳定性肥料产业技术联盟,集中多家之力进行稳定性肥料技术的宣传和市场开拓,实现资源共享,规范稳定性肥料经营,集中攻克稳定性肥料中的成本及新材料的问题,为稳定性肥料产业的持续稳定发展奠定基础。

2011年3月1日,世界首部《稳定性肥料》行业标准正式颁布实施,规范了此类产品的生产、销售、使用和质量监督,保证了市场的健康发展。

聚氨酸类肥料产地主要集中在山东、河北。其中,山东2011年聚氨酸尿素总产量超过70万吨,华北地区占据5成以上产量。2008至2011年,中科院沈阳应用生态研究所、辽宁中科生物工程有限公司利用生物工程技术合成的一种含氨基酸的聚合物,经过精致提纯后获得具有活性的有机高分子聚合物,是一种新型、环保的生物合成的有机型化肥增效剂,目前生产聚氨酸肥料的厂家有山东三方化工股份有限公司、玉溪云海工贸有限公司、广西新方向化学工业有限公司、辽宁元亨生物科技有限公司、河北藁城化肥总厂、湖北祥云(集团)化工股份有限公司、吉林颂禾合作社等。

四、新型肥料的发展方向

新型肥料的发展趋势与农业发展趋势密切相关,随着人口的增长,人类对粮食和农产品需求量增多,只有加快新型肥料的发展速度,才能保证农业生产沿着高产、优质、低耗和高效的方向发展。

1. 高效化

随着农业生产的进一步发展,对新型肥料的养分含量提出了更高的要求,高浓度不仅有效地满足作物需要,而且还可省时、省工,提高工作效率。

2. 复合化

农业生产要求新型肥料要具有多种功效,来满足作物生长的需要。目前,含有微量元素的复合肥料,以及含有农药、激素、除草剂等新型肥料在市场上日趋增多。

3. 长效化

随着现代农业的发展,对肥料的效能和有效时期都提出了更高的要求,肥料要根据作物的不同需求来满足作物的需要。稳定性肥料具有肥效期长,一次性施肥免追肥等特点,技术可节约用肥量15%~20%左右,养分平均利用率提高8.7个百分点。养分淋失率降低48.2%,N2O(一氧化二氮)排放减少46%~74%,肥料利用率达到45%~54% ;土壤磷平均活化率为13%,肥料磷有效率提高28%。等产量节肥15%~20%;同肥量可增产10%~15%;一次性施肥,使氮肥肥效期达120~130 天。稳定性肥料符合我国农业的特点,是今后肥料的发展方向。