稳定性肥料的发展与应用现状

■中国科学院沈阳应用生态研究所 石元亮，李杰，王玲莉，李忠，魏占波

专题：增效肥料——传统肥料新思路

稳定性肥料的发展与应用现状

■中国科学院沈阳应用生态研究所 石元亮，李杰，王玲莉，李忠，魏占波

稳定性肥料是指在肥料的生产过程中，添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂，或者同时添加两种抑制剂的肥料。其良好的农学效应和环境效益为实现农业节本增效提供了重要途径。近年来稳定性肥料在基础科研和生产应用领域均发展较快，使我国在这一领域一跃成为国际领先。稳定性肥料的核心是脲酶抑制剂和硝化抑制剂，我国在抑制剂及其应用方面先后提出了协同增效技术和双重调控的肥料长效增效技术与产品，使世界的抑制剂应用由单相应用迈向了复合时代。根据农田作物的具体情况，我国研究开发出了缓释尿素、稳定性专用复合（混）肥、稳定性复合氮肥及稳定性二铵（长效二铵）及长效碳铵等一系列产品。同时也根据农业生产的需要开发出可以由农民直接与肥料混合使用的产品，其中包括肥隆、增铵系列产品等，较大程度上补充了稳定性肥料的不足的限制。在新材料方面，我国研究并提出了脲酶抑制剂的保护剂，近年也对新的天然材料进行了研究，包括部分中药、芳香植物等，发现了30多种材料具有抑制剂功能，其中有10种植物具有硝化和脲酶的双重抑制剂功能，这些工作为我们进行进一步的研究发现新抑制剂材料和发现保护材料奠定了基础。

肥料是主要的农业生产资料之一，尤其是氮肥对肥料增产更为重要。我国氮肥约占化肥总用量的51%～53%，但是利用率较低，只有30%～35%左右。作为化肥最大的生产国和消费国，我国急需解决化肥利用率低、资源浪费和农业面源污染严重等问题，而稳定性肥料是解决这些问题的有效途径之一。农业部提出，到2020年中国农业要实现“一控两减三基本”的发展目标，其中减肥是实现农业节本增效的提升点和突破口。2015年以来，农业部先后发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年化肥使用量零增长行动方案推进落实方案》。力争到2020年，我国新型肥料的施用量占总体化肥使用量的比重从目前的不到10%提升到30%，鼓励开发高效、环保新型肥料，其重点是缓控释肥、稳定性肥料所需要的硝化抑制剂、脲酶抑制剂等添加剂。因此发展稳定性肥料对于我国化肥减施增效和实现零增长具有重大战略意义。

1 稳定性肥料研究现状

纵观国内外化肥工业发展，可视为单质肥料、复合肥料和以缓控释肥料/稳定性肥料为主要代表的新型肥料三个发展阶段。稳定性肥料是指在肥料的生产过程中，添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂，或者同时添加两种抑制剂的肥料。稳定性肥料在行业标准出台之前，被称为长效缓释肥或长效肥。2013年，国家将稳定性肥料纳入生产许可证管理时，将稳定性肥料做出了分类。即：只在肥料中添加脲酶抑制剂的肥料叫做稳定性肥料Ⅰ型；只在肥料中添加硝化抑制剂的肥料叫做稳定性肥料Ⅱ型；同时添加两种抑制剂的肥料叫做稳定性肥料Ⅲ型。

我国稳定性肥料产业化发展已超过三十年，经过多年的推广，目前已经成为世界上最大的稳定性肥料产品生产和使用国家，稳定性尿素产业化工艺技术等已经达到国际先进水平，也使我国的相关产品具有较大的国际竞争力，其良好的农学效应和环境效益为实现农业节本增效提供重要支撑。

稳定性肥料技术特点包括：1）氮肥利用率得到提高。氮肥利用率由30%提高到42%，多年多地实验证明，在玉米、水稻等作物上减少氮肥使用量20%不会造成减产；2）氮肥肥效期得到延长。尿素肥效期由50～60天延长到90～120天，为普通尿素的2倍。可实现大田作物一次性施肥无需追肥；3）低面源污染环境友好。减少氮淋失48.2%，降排N2O64.7%；产品对环境安全，无残留（当年在土壤中降解率达到99%以上）；4）生产工艺简单成本低。设备改造投资极少，易于原工艺结合，对于尿素生产线的改造费用约8万～12万元，对于符合肥生产线的改造费用一般在3.5万～4.5万元；化肥成本增加只有普通复合肥的2.5%～3.5%；5）增产效果明显。等氮量施肥平均增长7%～18%，减少20%用肥量不减产。

脲酶抑制剂和硝化抑制剂是稳定性肥料的技术核心。土壤脲酶抑制剂是对土壤脲酶活性有抑制作用的一类物质的统称。脲酶抑制剂在我国的研究起步较晚，70年代中期，中国科学院沈阳应用生态研究所首先进行了系统研究，以周礼恺等为代表的土壤酶学工作者率先开展了氢醌对尿素水解、氨挥发、硝化和反硝化及作物产量等方面的工作，做了大量系统的室内试验和田间试验。自80年代后期，我国对脲酶抑制剂的研究转向磷酰胺类化合物，主要是NBPT和PPD。自90年代中后期以及进入21世纪以来，脲酶抑制剂的研究种类仍多集中于HQ、NBPT和PPD，也开始运用了氮标记同位素示踪技术来研究施用脲酶抑制剂后肥料氮的去向及土壤氮转化，更深入地揭示脲酶抑制剂的抑制效果。期间也有学者开展了硫脲对脲酶活性、尿素氮转化及玉米产量影响的研究。目前世界肥料市场上已经申请专利并施用于农业生产的脲酶抑制剂有很多，多数集中在德国、印度和美国，但是只有NBPT和HQ两种脲酶抑制剂已经得到实际的应用和作为商品在市场流通。

从广义上来讲，凡能够延缓硝化过程反应链中任一步或几步反应的化合物都可以称之为硝化抑制剂。但由于NO2-在土壤中存留的时间较短，所以理想的硝化抑制剂是指能抑制亚硝化细菌的活性，从而抑制硝化作用第一步反应（氨氧化作用）的化合物。我国硝化抑制剂的研究始于20世纪60年代的中科院南京土壤研究所李庆奎团队。70年代，中科院沈阳生态所张志明团队针对硝化抑制剂DCD开展了土壤硝化和反硝化等方面的研究，并在90年代推出基于DCD的长效碳酸氢铵产品。

由于单一使用脲酶抑制剂的有效作用时间较短，且仅能延缓氨挥发的生成时间，而不能减少其总损失；硝化抑制剂的作用效果则取决于尿素氮的水解产物在土中的累积进程与数量。只有将这两类抑制剂配合使用，发挥其协同作用，才能有效调节尿素氮在土中转化的整个进程，从而减少尿素氮多种途径的损失。90年代中期以后，抑制剂开始转向复合型，即脲酶/硝化抑制剂组合和两种脲酶抑制剂组合使用，开展了大量的研究。到90年代中后期，中科院沈阳应用生态所推出复合型氮肥长效增效剂，集脲酶抑制剂、硝化抑制剂于一体，并且逐步形成“协同增效”技术。21世纪以来，德国BASF公司推出DMPP，相比DCD，DMPP具有高效、低毒、稳定的特点，使其迅速成为新型硝化抑制剂，同时也丰富了脲酶/硝化抑制剂组合的研究。国内学者们对DMPP及其衍生物也展开了大量研究。DMPP较高的价格限制了其大面积推广，武志杰团队研究了DMPP及其改性物质DMP（3,5-二甲基吡唑）、DMPZP（3,5-二甲基吡唑磷酸盐）和DMHMP（1-羟甲基-3,5-二甲基吡唑）、CMP（1-甲基吡唑-1羧酰胺）等吡唑类硝化抑制剂的室内效果和田间效果，并筛选出几种价格低廉性能高效的硝化抑制剂。近十年来，硝化抑制剂的研究也伴随着分子生物学技术手段的运用，逐渐转移到了其对氮相关微生物（主要是土壤氨氧化微生物）的影响研究，对其抑制机理也有进一步的补充，国内学者也做了相应的研究工作。目前，申请了专利并注册商标在市场上流通的硝化抑制剂品种十分丰富，但是只有DCD、DMPP和Nitrapyrin（氯甲基吡啶）在农业上得到应用。

我国自本世纪初开始，即进行了大量的抑制剂协同增效技术的完善与应用研究，这些研究成果使我国的稳定性肥料的效果已超过了国际上发达国家在这一领域的研究，达到了国际领先水平，突出反应在氮养分有效期延长和成本降低上。以中科院沈阳应用生态研究所及沈阳中科新型肥料有限公司为首的相关单位开发出的复合型抑制剂可以使氮养分有效期达到120天，施入土壤120天与普通尿素比，土壤中的有效氮仍可以高64%～123%，达到了120～130天生育期的作物一次性施肥免追肥。由于抑制剂的协同作用，使抑制剂的用量有了较大的降低，田间用量为德国和北美的30%～60%，成本是国际上同类产品成本增加的40%～50%。到目前这一技术在我国已得到了广泛的应用，先后已有缓释尿素、稳定性复合肥、稳定性复合氮肥等产品推向市场，这些产品已成为我国新型肥料的主流产品。

新型抑制剂材料的研究在我国也在不断的研究，主要涉及到新的抑制剂材料的发现及抑制剂保护技术的研究。史云峰团队研究了17科30种芳香植物水浸提液对土壤中尿素水解和硝化作用的抑制效果。发现部分植物浸提液能够抑制脲酶活性和硝化作用，菊科植物洋甘菊和芸香科植物桔子花提取物既能有效抑制尿素水解，又能有效减缓硝化作用。

此外，植物的根系分泌物也被发现能够抑制硝化作用，该现象被科学家描述为BNI，发现部分植物根系分泌物对土壤硝化细菌有特定抑制效果。2016年，施卫明团队发现水稻根系分泌物可以调控氮素转化，并首次鉴定到1,9-癸二醇这种化合物具有硝化抑制剂作用，发现其主要通过抑制氨单加氧酶(AMO)过程来抑制硝化作用，并明确了1,9-癸二醇是水稻根系分泌的天然物质，并报道其抑制效果显著好于DCD。

2 稳定性肥料研发及产业化现状

随着脲酶/硝化抑制剂的研究发展，上个世纪80年代初期，中科院生态所研究的长效尿素已在辽河化肥厂、盘锦化肥厂、大庆化肥厂、浩良河尿素厂等企业投入生产，是以脲酶抑制剂为主的长效尿素产品，已在东北、华北、华东等地区的大田上得到广泛应用。中科院沈阳生态所成功研制出长效碳酸氢铵，并在90年代中后期，实现了长效碳铵的产业化，于1998年获得了国家科技进步二等奖。在此期间由于技术的限制，稳定性肥料均为单抑制剂类肥料产品。

21世纪初，在科技部“十一五”“十二五”国家科技攻关计划和支撑计划项目的支持下，以中科院沈阳生态所武志杰和石元亮为代表，探明了脲酶和硝化抑制剂在氮素转化调控中的协同增效作用及协同作用的土壤酶学机理，结合土壤微生物学和土壤养分循环基础理论的研究，借鉴国外技术针对我国农业及化肥行业特点，开发出了协同增效作用技术并用于肥料改性。与施可丰化工股份有限公司、沈阳中科新型肥料有限公司、锦西天然气化工股份有限公司和黑龙江倍丰集团成功实现了产业化生产。脲酶/硝化抑制剂复合产品—NAM、增铵系列产品产业化，使我国稳定性肥料真正迈进了工业化生产阶段，根据一次性施肥简化农作过程等需要将这一技术应用到了复合肥（专用肥）的生产中，使稳定性肥料技术的应用空间更广泛。为推广稳定性肥料，由中科院沈阳应用生态研究所牵头，于2010年创立了“稳定性肥料技术创新战略联盟”，到目前成员单位达到68家。牵头制定了《稳定性肥料》行业标准，于2011年3月正式颁布实施。行业标准的颁布标志着我国稳定性肥料产业的发展步入了一个新的阶段。

针对稳定性肥料，我国将脲酶抑制剂和硝化抑制剂在氮素转化调控中的协同增效作用用于肥料改性，解决了单一抑制剂作用时间短、氮肥转化释放过快的问题，实现了长效复混肥和缓释尿素一次性基施免追肥。稳定性肥料在农业生产中应用的主要有稳定性尿素、稳定性复合氮肥、稳定性复合肥和稳定性掺混肥。稳定性复合（混）肥企业包括山东施可丰化工、昆明农家乐化肥、黑龙江倍丰集团河北中嘉化肥、重庆江北化工等四十几家，年产销量达100万吨以上。稳定性尿素生产企业包括辽宁华锦化工、山东鲁西化工、四川美丰、中化吉林长山、陕西丰喜化工集团、吉林隆源化肥、湖北祥云集团、江苏华昌化工股份有限公司、中化集团、锦州化工股份有限公司、四川美丰化工股份有限公司在等，年产销量在30万吨以上。稳定性肥料生产工艺上也进行了一系列技术研发。稳定性尿素生产中实现了生化抑制剂与溶剂载体的复合、与尿浆熔液的互溶及均匀分布，并进一步研发了稳定性大颗粒尿素的生产工艺。在稳定性尿素生产工艺中开发出了连续降解即时加入的生产工艺，解决了抑制剂溶解时间长、分解长效及腐蚀熔融泵的问题。氨酸法工艺是近十年来国内出现的一种最新的复合肥生产技术，我国已开发出可以适应这一工艺的稳定性复混肥的生产工艺与技术，减少了抑制剂在高温和酸性条件下的损失。

我国已建立起了“全国缓控释肥试验示范协作网”，迄今已运行9年，协作网覆盖全国22个省份，深度研究了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。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、龙眼和茶叶20余种。田间试验表明，平均增产50-170公斤/亩，增产率达5%～20%。其中水稻平均增产率为6.5%，玉米平均增产率为9.8%，小麦平均增长率为11.2%，大豆平均增产率为7.4%，马铃薯增产23%～35%。在主要作物上能够达到一次性施肥免追肥，省时省工，节约了大量的生产成本。

2016年，我国稳定性肥料产量约145万吨，其中稳定性尿素33万吨，稳定性复混肥122万吨，年总产量已达世界稳定性肥料产量的三分之一，居世界第一。肥料产品达60余个，累积推广面积已达3亿亩。应用区域遍及东北、中原、西南、西北及长江流域等22个省。

3 稳定性肥料发展存在问题

环境友好、稳定高效、应用便捷虽是未来肥料发展的总趋势。稳定性肥料技术在不断集成创新中蓬勃发展，但是现有产品与技术仍存在着成本较高，区域划分不清晰、抑制剂有效期短等问题，以绿色环保、价廉质高的抑制剂研发为突破口，通过规模化、连续化和自动化的工艺和设备升级换代，创制稳定性肥料的新产品，实现新型肥料产业化及规模化，保障国家生态环境安全和农产品质量安全，推动农业可持续发展是我国稳定性肥料未来发展的目标。为了进一步促进稳定性肥料健康发展，还要解决以下科学和技术问题：

技术方面：脲酶抑制剂、硝化抑制剂作用效果的持久性；不同抑制剂配伍协同、抑制剂和增效剂复合作用机理与技术；不同种类氮肥专用抑制剂的养分转化生物化学过程调控；新型高效脲酶/硝化抑制剂的筛选与合成、专用脲酶/硝化抑制剂构建技术；提高脲酶/硝化抑制剂稳定性、延长有效期的保护技术等。

目前稳定性肥料所使用的抑制剂在不同区域的作用效果不同，我国土壤肥料研究人员已进行大量工作，筛选了部分抑制剂，以适应我国的土壤条件和气候条件。并且进行了大量的与抑制剂组合使用的研究，取得了很大的进展。但是对于不同种类的抑制剂对不同土壤及作物的适应研究进行还不够，还应进行深入研究。

市场和法规方面：虽然我国从事稳定性肥料等新型肥料技术研发的机构较多，但相关行业市场还不完善的情况下，市场混乱，以假乱真，管理的法律法规不健全等，影响稳定性肥料产品的推广应用。今后应当快速建立起管理的标准，引导稳定性肥料产业向着有利于农民，有利于环境的方向发展。