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缓/控释和稳定性肥料技术创新驱动化肥行业科技发展——“新型肥料的研制与高效利用”专刊序言

杨相东 张民

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缓/控释和稳定性肥料技术创新驱动化肥行业科技发展——“新型肥料的研制与高效利用”专刊序言

Technological innovation of controlled-release and stabilized fertilizers drives the improvement of fertilizer industry in China —Preface for special issue“preparation and efficient use of new types of fertilizers”

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出版历程
  • 网络出版日期:  2019-12-20
  • 刊出日期:  2019-12-01

缓/控释和稳定性肥料技术创新驱动化肥行业科技发展——“新型肥料的研制与高效利用”专刊序言

  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 2. 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018

    English Abstract

    • 化肥主要以磷矿、钾盐和煤等石化原料制备而成,从原料的采集、破碎、筛选,到化学分解与合成,进而形成化肥产品的过程中,汇集了众多技术。依靠这些技术,化肥工业为农业生产提供了充足的养分,为社会发展做出了巨大贡献。建国以来,我国化肥工业从零开始,经过70年的发展,集聚几代人的心血,逐步发展成为全球化肥生产和使用第一大国。我国化肥产业的发展历程就是化肥制备技术与我国国情相结合,不断创新、突破和推陈出新的过程。上世纪50年代,仅有几家以硫酸铵为主的氮肥厂,谈不上化肥工业。60~80年代,着力解决煤气化制备合成气并生产氨气、碳铵和尿素的问题,解决磷矿粉、普钙、磷酸铵的利用问题[1]。与此同时,为了应对缺少化肥的问题,我国农业科研工作者积极研究有机肥、绿肥和微生物菌剂在增加土壤养分方面的作用[2],研究我国氮、磷、钾化肥的肥效演变及其对农业的增产效益[3]。80年代以后,随着基础工业的发展,化肥生产的各项技术飞速发展。到目前,我国化肥产品类型极大丰富,拥有全球先进的化肥制造技术。这一切均得益于肥料科学技术的持续创新和发展,因此,可以说我国肥料科技创新是促进我国肥料工业和农业发展的驱动力。

      依靠持续的科技投入,我们不但解决了基于中国国情的原料与生产工艺问题,还在养分复合、配方和专用等领域做出了重大贡献[4]。“十五”以来的4个五年计划期间,国家连续20年设置了肥料科技攻关项目,围绕化肥提质增效的国家重大需求,开发了一批新型肥料。正是这些新型肥料的技术创新,使得我国肥料科技逐步走到世界前列。当前,举国上下高度重视科技创新能力对行业和产业核心竞争力的支撑作用,因此,我国肥料科技创新何去何从不但关系到当前的农业可持续发展和生态文明建设,还关系着肥料行业在我国社会经济发展中的未来国际竞争力。

      随着农业的快速发展,在重视化肥产品质量的同时,更加注重产品使用效率。目前我国正在推行化肥减施增效,以达到提高养分利用率的目标。为了保障《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的科学推进,“十三五”启动了“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”重点专项,其中“新型缓/控释肥料与稳定性肥料研制”项目围绕价廉质高的包膜材料、新型绿色包膜工艺和规模化包膜设备,进行高性能包膜缓/控释肥料新产品创制和应用;围绕脲酶抑制剂、硝化抑制剂协同增效技术,创制高效稳定性肥料。

      缓/控释肥料和稳定性肥料一直是化肥研究的一个重要方向。控释肥料 (controlled-release fertilizer) 是指能按照设定的释放率 (%) 和释放期 (d) 来控制养分释放的肥料[5],用半透性膜包裹速效性化肥颗粒制成,能使速效养分在施入土壤后缓慢地释放出来以延长其肥效期[6]。缓/控释肥需要包覆有机或无机材料的膜层,膜材料包括硫磺、磷矿粉、橡胶、塑料、树脂等,有机聚合物膜材因能更有效的控释养分的释放,逐渐成为研究和使用最多的包膜材料[7]。稳定性肥料 (stabilized fertilizer) 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[8]。脲酶抑制剂有氢醌、N-丁基硫代磷酰三胺、邻苯基磷酰二胺、硫代磷酰三胺等,硝化抑制剂有吡啶、嘧啶、硫脲、六氯乙烷、双氰胺等。

      1961年,Boller利用多元醇与二元脂肪酸或环氧树脂能发生聚合反应的原理,在肥料颗粒表面制备聚合膜层,最早开发了树脂包膜缓/控释肥料[9]。Hansen也在1961年、1965年申请了利用多羟基化合物或植物油制备醇酸树脂包膜控释肥料的技术专利[10-11]。随后,日本窒素公司于1974年在美国申请的专利中介绍了生产聚烯烃包衣肥料的方法[12]。此外,Thompson[13]、Tsunehisa[14]、Donida[15]等分别使用聚偏二氯乙烯、聚丙苯和聚丙烯酸系乳液制备聚合物乳液包膜肥料。Blank[16]、Goertz和William[17]、Geiger等[18]使用植物油开发了聚氨酯包膜缓/控释肥料。

      继20世纪30年代Rotini提出存在土壤脲酶之后,Cornad指出有些物质施入土壤可以抑制脲酶活性,1971年Bromner等筛选出苯醌和氢醌类化合物作为脲酶抑制剂,随后大量的脲酶抑制剂被证实,但目前只有几种脲酶抑制剂得以商品化应用[19]。20世纪60年代初,美国道化公司研究的西吡 [2-氯-6-(三氯甲基)-吡啶] 具有很好的硝化抑制作用[20],至今研究的具有类似作用的化合物有150种以上,但是真正商品化的很少。

      上世纪70年代,我国针对碳铵易损失的问题,开发了包裹型碳铵,随后又开发了钙镁磷矿粉包裹尿素。到本世纪初,全面进入缓/控释和稳定性肥料的技术研究领域,针对各种包膜材料、工艺开展了大量的研究,在较短的时间内,逐步形成了学科齐全和产业兴旺的局面。缓/控释和稳定性肥料研究已经走过了半个多世纪的历程,在作用机理、材料、产品、工艺、设备、评价、标准等方面做出了卓有成效的工作,在取得了长足发展的同时,我们还应该清醒的认识到,该领域还存在许多技术难题[6]。到2019年,该类肥料产量仅为1500万吨左右,仅占全球化肥用量的6%,在农业生产中还未发挥其应有的作用。其核心问题主要表现在成本高、性能不稳定及生产工艺和设备规模小等方面。基于当前的技术现状,“新型缓/控释肥料与稳定性肥料研制”项目汇聚了8个重点研发计划课题,36家科研院所和企业,近100人的研究队伍,进行科技攻关。项目执行以来,在科学研究、技术开发和产品应用等方面取得了一系列的创新性成果。为了促进研究成果的应用,特组织本期专刊进行报道。

      一般认为,只有高分子材料才能够制备性能优良的控释肥料,但是高分子材料价格普遍偏高,因此采用作物秸秆液化、改性纤维素、回收植物油、高分子材料复合等技术研制新型膜材,已成为降低包膜肥料成本的关键技术。采用纳米颗粒 (如纳米SiO2、蒙脱土) 对高分子材料 (如聚乙烯醇、聚氨酯) 进行复合改性,有望在控释性能提升方面取得突破,本期优选了两篇相关论文,对当前的最新研究成果进行报道。

      低分子量有机酸简单易得,对土壤–植物–养分有着一些特定的功能,常被用作活性物质与磷、钾结合促进其养分利用效率。最近的研究表明,小分子有机酸对水稻种子萌发和幼苗生长均有着很好的效果,低分子量有机酸 (如柠檬酸、草酸) 对肥料和土壤磷素具有很好的活化作用,含氨基酸铜基的叶面肥对芹菜产量、品质有一定的提升。针对该研究热点,本期选择了2篇试验研究论文和1篇Meta分析的论文对相关研究进行报道。

      包膜肥料控释膜层结构和孔隙性质直接影响其养分释放速率,但是该领域的研究一方面受到研究手段的限制,另一方面还因为包膜材料和工艺技术的差异使得膜层结构特征各异,因此该方面的研究进展较缓慢。聚乙烯包膜控释肥料一般采用喷雾相转化法制备,目前对其特定的结构特征的研究取得了一些新的结果,本期也选择了1篇论文相关进展进行报道。

      缓/控释肥料的农田施用技术和效益评价一直是研究的热点。最近的研究关注到黄腐酸、秸秆与控释尿素配合使用具有很好的协同增效作用;另外在评价控释尿素对氨挥发、N2O排放等阻控氮素损失的领域也有新的研究结果。本期选择了2篇相关最新研究论文对此进行相关报道。

      另外,含抑制剂的稳定性肥料是一种养分高效产品,在农业生产中应用很广,其参与的土壤氮素转化过程也有很多深入研究。目前硝化抑制剂对稻田土壤N2O排放、硝化和反硝化细菌的抑制作用研究有新的突破,本期专刊也给予了关注。

      本期专刊主要侧重于对“十三五”国家重点研发计划项目“新型缓/控释肥料与稳定性肥料研制”中缓/控释肥料和稳定性肥料在新型肥料创制、田间施用技术、作用机理及效果评价等方面的一些最新研究进展。在新型肥料创制过程中,我国科技工作者在复合肥、水溶性肥料、生物有机肥等方面均有一些新的和突破性的研究成果,为肥料的持续科技创新发挥着作用,形成“百家争鸣、百花齐放”的局面,希望在以后的报道中有所侧重。

      最后,感谢为本期专刊积极供稿的科研工作者,希望在此基础上更进一步在缓/控释肥料与稳定性肥料研制和应用领域做出更加卓有成效的工作。通过坚实的肥料科技创新,引领化肥产业发展,满足未来农业对化肥的需求。

    参考文献 (20)

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