磷矿粉的有效利用途径综述

2014-04-08穆淑红孙运杰董海凤王逸霞刘春生

生物灾害科学 2014年1期

穆淑红，孙运杰，董海凤，王逸霞，刘春生

（山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）

随着经济的发展和人口的持续增长，人类对资源的需求量也在不断增加。如何高效合理的利用有限资源、发展可持续农业、提高资源利用率成为当前亟待解决的问题。

早在 19世纪初，磷矿首次在法国被发现，后来就在磷矿附近将磷矿粉作为肥料直接施用[1]。20世纪70年代，中科院南土所李庆逵、中国农科院土肥所陈尚谨、张夫道等分别利用国产磷矿粉和摩洛哥磷矿粉开始对磷矿粉的直接施用效果进行研究，他们在全国不同典型土壤上设置了300多个田间试验[1]。试验结果表明，磷矿粉直接施用于酸性土壤对作物有效，但直接施用于石灰性土壤没有发挥明显肥效。

磷素是植物生长的重要物质保证，磷矿又是不可再生的矿产资源。我国磷矿资源丰富，但富矿少，80%以上为中低品位磷矿[2]。因此，推广磷矿粉的直接施用以及高效利用中低品位磷矿资源是必要的。所以本文从以下几个方面探索磷矿粉的有效利用途径，以期提高其利用效率。

1 影响磷矿粉肥效的因素

1.1 土壤的性质

土壤性质对磷矿粉的肥效有很大影响，在不同性质的土壤上使用同一类型磷矿粉，肥效也不相同[3]。主要影响因子有土壤溶液的pH值、土壤中磷离子与钙离子的浓度[4]以及土壤有机质含量，其中某一因子的改变均会影响磷矿粉的肥效。

1.1.1 土壤pH 影响磷矿粉分解速率的主要因子是土壤pH。从养分有效性的角度分析，磷矿粉施入土壤后能否在该种土壤中发挥肥效，首先就要看它在该种土壤中是否有足够的溶解度，并且能否提供足够浓度的磷酸离子，来增加植物对磷的吸收。理论上，土壤pH与磷灰石在土壤液相中磷酸离子的活度的相关方程为：pHPO42-=2pH-5.18，即土壤的pH越低，酸度越大，从磷灰石中溶解出来的磷酸离子(H2PO4-)就越多，对磷矿粉的分解越有利[5]。

1.1.2 土壤中钙离子和磷离子浓度土壤对钙离子的亲和力，有利于磷矿中磷灰石溶解释放钙离子，从而促进了磷矿粉的溶解[3]。如果土壤对钙的亲和力高，磷灰石表面溶液中钙的浓度就会降低，溶度积原理得出的H2PO4-/HPO42-的比值就会升高，磷灰石表面和土壤溶液之间的H2PO4-/HPO42-梯度也会变大[3]，磷矿粉的溶解过程就会加快。

用H2PO4-的活度或磷位(pH2PO4-十1/2pCa)表示的土壤磷素水平，在磷矿粉溶解过程中的作用与土壤中钙离子含量的作用相似[3]。土壤基质必须给Ca2+和H2PO4-间的电化学位提供一个正的梯度，才能保证磷矿粉适当的溶解。

1.1.3 土壤有机质含量土壤中的有机质会缓慢而间接地影响磷矿粉在土壤中的溶解，有机物的种类、组成以及含量等因素直接影响磷矿粉的分解速度，并进而影响磷矿粉的肥效[3]。

与同浓度的普通矿质酸相比，有机质中的有机酸对磷矿粉的溶解能力和螯合能力更强[4]；腐殖质中的富啡酸和胡敏酸对磷矿粉的溶解也有着重要的作用，富啡酸能通过吸附大部分的钙离子和释放氢离子增加磷矿粉的溶解，胡敏酸能与Ca2+和PO43-形成复合体，起到磷库和钙库的作用，进而有利于磷矿粉溶解[6]。

1.2 磷矿粉的自身性质

1.2.1 磷矿粉的品位和枸溶率磷矿粉的品位习惯上指磷矿粉中五氧化二磷（P2O5%）含量，用品位高低来评价磷矿粉的质量好坏。全磷（P2O5%）＞28%的为高品位磷矿，18%<全磷（P2O5%）<28%的为中品位磷矿，全磷（P2O5%）<18%的为低品位磷矿[7]。

枸溶率是评定磷矿粉是否可以作为农用磷肥施用的重要指标之一[2]。磷矿粉的枸溶率在 15%＜枸溶率＜20%，对作物的可给性属中级；磷矿粉的枸溶率在5%＜枸溶率＜15%，对作物的可给性属低级，这些磷矿粉可能只有在酸性较强的土壤上，对肥田萝卜等敏感作物才有较理想的肥效；磷矿粉的枸溶率＜5%时，对作物的可给性极低，这些磷矿粉施入土壤后，对绝大多数作物基本都不表现出肥效[6]。

1.2.2 磷矿的结晶性质磷矿粉的结晶构型对其肥效也有很大影响[8]。第一类属利用率高的，一般为非晶形或胶态的，全磷含量比较低，以100～150目的磷矿粉为标准，磷矿粉的表面积在每克10～20 m2，檬柠酸铵溶性磷占全磷量的10%～15%。第二类属利用率中等的，晶形不明显，每克表面积为5～10 m2，檬柠酸铵溶性磷占全磷含量的5%左右。第三类是利用率低的，有明显的六角柱状晶形，晶体的主要组成成分是氟磷灰石或轻磷灰石，每克磷矿粉的表面积只有1 m2左右，檬柠酸铵溶性磷只占全磷量的3%以下[7]。

1.2.3 磷矿粉的粒径磷矿粉在土壤中的溶解度极低，而且磷矿粉颗粒与土壤中酸性组分临近才能溶解出磷。因此，增大磷矿粉颗粒与土壤的接触面积，磷矿粉肥效就越高[1,8]。

大量试验证明，磷矿粉的细度<100目(150μm)时，颗粒大小对其有效性的影响很小，甚至不存在。磷矿粉的细度>100目时，其有效性随颗粒的增大而降低。张玉兰通过查阅磷矿粉肥效田间试验材料，总结认为有80%～90%的磷矿粉过100目的细度就足够了[9]。

3.1 植物种类

农作物的生理特性是影响磷矿粉肥效的一个因子。大量田间试验和生产实践表明，油菜、荞麦、豆科绿肥，如紫云英，以及豆科作物吸收磷矿粉的能力较强，相对肥效大致在70%～80%，玉米、马铃薯、甘薯、芝麻等吸收能力中等，相对肥效在50%左右；谷子、小麦和水稻的吸收能力较弱，相对肥效在30%以下[4]。

2 磷矿粉的活化

在当今磷资源日益匮乏的形势下，为保证农业生产和粮食安全，仍需进一步提高磷矿粉直接施用的肥效[10]。针对我国大量不适于化学方法加工生产的中、低品位磷矿，近年来人们一直在探索提高磷矿粉直接施用肥效的方法，主要的活化途径有生物途径、非生物途径以及利用有机无机活化剂进行活化3个方面[1]。

2.1 生物途径

生物学上磷矿粉与有机废弃物堆肥能促进磷矿粉溶解，其原理为：堆肥过程中，有机物逐渐分解，包括真菌、细菌和放线菌在内的微生物代谢活动加剧，在代谢过程中产生大量的有机酸的酸化作用和腐殖质等螯合物质与钙、铁和铝等离子的螯合作用能促进磷矿粉溶解[11]。

2.2 非生物途径

2.2.1 化学活化生产中常采用硫酸、磷酸或者硝酸作为酸化剂，采用一般理论用酸量的20%～60%的方法，将中低品位磷矿粉酸化后施用[9]。生产这种磷肥对磷矿的品味和枸溶率要求不高，耗酸量较少，而且能显著提高中低品位磷矿粉的肥效，是一种有良好农业效果的磷肥[12]。

2.2.2 物理活化采用物理活化法将酸溶性或水酸溶性磷肥与中低品位磷矿粉掺混后施入土壤，或者将酸性磷肥与磷矿粉挤压造粒后施用，都能不同程度的提高磷矿粉的肥效和利用率。此外将磷矿粉与酸化剂如硫磺或低品位硫铁矿混合后施用也可提高磷矿粉的肥效[6]。

2.3 有机、无机活化剂活化

将中、低品位磷矿粉与有机无机活化剂混合处理后直接施用，能避免传统的硫酸处理和高温加工等生产过程污染物的产生[13]。无机活化剂一般为沸石、膨润土、蛭石等具有特殊结构的无机物，具有较强的离子交换能力，能促进磷矿粉中磷的释放，并且大大减少磷的流失和水溶性磷的固定[14]；有机活化剂包括木质素、味精废液、糖醛渣、γ-聚谷氨酸等含有大量羟基、羧基和胺基等活性基团的有机物[15]，可影响土壤对磷的吸附和解吸，并通过对金属离子的络合作用而提高难溶性磷的有效性[6]。

3 磷矿粉的合理施用

3.1 磷矿粉的用量

我国磷矿粉的直接施用主要集中在华南、西南、华中和华东等地区的酸性土壤上[16]。这些地区都是一年两熟制，在冬季部分水稻土上还种植绿肥，每年在适当的作物上一次施用较高量（一般大约 100～150斤）的磷矿粉和集中施用其肥效较好，而每年施用少量的磷矿粉对于作物的增产作用便很小[17]。

3.2 磷矿粉的施用方法

3.2.1 集中施用就是把磷肥不同程度地集中施用，通常采取条施、穴施以及与非水溶性磷肥混合拌种等方法，可以显著的提高磷矿粉肥效[17]。

3.2.2 与有机肥掺混后施用为了减少土壤对磷的固定，先把磷肥与腐熟的有机肥以1:5～1:10的比例充分搅拌，然后施用在固磷能力强的土壤上，能显著提高磷矿粉的肥效。

3.2.3 磷矿粉一般施用于酸性土壤或者比较贫瘠的土壤上效果显著，而且应优先施用在难溶磷素能力强的豆科作物或豆科绿肥作物上，这样同等量的肥料可以得到更大的增产效果[2,9]。在绿肥田上施用磷矿粉，以播种前施入为宜[18]。在酸性低产田或荒地上施用于豆科作物，通常单施磷肥即可获得一定的高产，但对禾谷类作物一般要结合少量化肥(如硫铁、尿素等)施用。

3.2.4 水旱轮作条件下和水田磷肥的合理施用由于磷肥都有后效，且施于水田或旱地的磷的后效不同，因此要做好水旱轮作中磷肥的分配[19]。在水旱轮作中，土壤经历着由干变湿和由湿变干的过程，水田土壤在由干变湿的过程中，渍水条件下pH的改变，水分增加，可使有效磷的含量增加[4,19]；而在土壤由湿变干且冬季气温较低时其有效磷的含量常常降低，这就使得施在旱作上的磷肥对后作水稻有较大的后效，而施在水稻上的磷肥对后茬旱作的贡献较小[19]。因此，在南方水旱轮作地区，尤其是土壤中的磷以磷酸铵盐的形式为主的条件下，施磷的重点放在旱作上，而以少量磷肥蘸秧根，以满足水稻苗期的需要，这样可提高磷的效果，能充分发挥增产作用。

在当今社会，人口不断增加，耕地面积日益减少，磷资源越来越匮乏，加之磷矿是一种重要的不可再生资源，因此需要因地制宜的采取多种方法，提高中、低品位磷矿粉直接施用的肥效，努力探究各种影响磷矿粉溶解的因素并使之达到最佳，使磷矿资源得到最大化利用。

[1]李美清.微晶化磷矿粉的发酵活化及其农作物效应研究[D].泰安: 山东农业大学, 2012.

[2]李庆逵, 蒋柏藩, 鲁如坤.中国磷矿的农业利用[M].南京: 江苏科学技术出版社, 1992: 12.

[3]尹云锋.硫磺与磷矿粉配合施用的肥效研究[D].哈尔滨: 东北农业大学, 2002.

[4]魏静, 周恩湘, 张桂银, 等.不同活化剂对磷矿粉的活化作用[J].河北农业大学学报, 2001(1): 13-15.

[5]蒋柏藩.中国磷矿农业利用的研究[J].中国农业科学, 1988(4): 62-67.

[6]杨翠红.磷矿粉的品位与化学组分对活化效果的影响[D].兰州: 甘肃农业大学, 2007.

[7]蒋柏藩.中低品位磷矿粉肥直接施用的研究[J].化工矿山技术, 1990(1): 32-34.

[8]魏静, 周恩湘, 张桂银, 等.不同活化剂对磷矿粉的活化作用[J].河北农业大学学报, 2001(1): 13-15.

[9]张玉兰, 王俊宇, 马星竹, 等.提高磷肥有效性的活化技术研究进展[J].土壤通报, 2009(1): 194-202.

[10]李庆逵.磷矿粉肥效问题的理论基础[J].科学通报, 1966(2): 49-57.

[11]国外磷矿粉的施用简介[J].辽宁农业科技, 1973(1): 37-40.