磷肥产业的挑战与矿-肥技术链的创新探索

卫尤明，廖宗文，毛小云

（华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642）

1 产业困局与磷肥有效性的思考

磷资源是短期不可再生、不可替代的有限资源。我国磷矿实物储量仅占世界总储量的6.2%，而各种品级未加工的磷资源量仅占世界总量的5.8%。即使未来对w（P2O5）＜12%的低品位磷矿进行开采，开采回收率以81.9%计，我国磷矿最后利用年限也仅至2188年［1-2］。磷肥产业的“无米之炊”困局日益严峻。日趋严格的环保要求，加剧了磷肥产业生产成本上升及经济效益下滑。磷肥产业现有矿-酸-肥反应体系是一种高碳耗的激烈反应体系，面对资源短缺、环保压力、效益低下三大挑战，难以获得根本突破。

有效性是构成肥料技术体系的基础，国内外磷肥生产技术虽有不同，但都是基于高水溶性的技术体系。在这种体系下的节酸、节能等技改，都是常规体系内的量变，空间日益收窄，很难突破原体系而获得质的跃升。矿-酸-肥技术体系下，低品位磷矿因为杂质含量高，导致硫酸被无效消耗而产生更多硫酸钙，既增加生产成本，又影响磷肥质量和环境。虽然可通过选矿提高磷矿P2O5品位来降低硫酸消耗，但经济、环境成本双双攀升。因此，我国大量低品位磷矿成为“鸡肋”而难以使用。有效磷包括水溶性磷、枸溶性磷，因此各项技术都以磷矿向水溶性磷转化为目标，除向高水溶性磷转化之外，还有一种新的活化磷养分有效性（适度水溶）的技术。探索基于活化有效性的矿-肥无酸温和反应体系取代矿-酸-肥反应体系具有重要意义。

2 基于活化有效性的新技术体系

2.1 突破矿-酸-肥激烈反应，构建温和矿-肥反应体系

活化磷以活化有效性（适度水溶）取代高水溶性，以无酸活化取代强酸激烈反应，因此不会产生低品位矿无效消耗硫酸的问题，使“鸡肋”成为有效资源。活化磷的制备工艺简捷，以磷矿与活化剂研磨即可（见图1）。活化剂主要由工农业废弃物经物理、化学修饰等方法处理而制成，廉价易得。

图1 活化磷制备工艺流程

活化有效性取代经典水溶有效性，原技术体系从原料（可用低品位磷矿）到工艺（省去选矿和除镁、不用酸、不用耐酸设备等），直至质量测定方法（改静态水溶指标为动态活化指标）的全技术链均发生了质的跃升。活化温和反应体系与强酸激烈反应体系对比见表1。

表1 活化温和反应体系与强酸激烈反应体系对比

2.2 活化有效性的优点及技术原理

有效性是技术体系形成的基础，也是活化磷肥与常规磷肥两种生产体系的根本区别。

长期以来各种化肥的生产，国内外都是追求高水溶性。其实化肥水溶性并不是越高越好，近几十年来，高水溶性化肥的弊病也逐渐显现。磷肥水溶性高，磷养分容易被水冲走流失而造成富营养化，或被土壤中钙、镁阳离子沉淀而失效。为此，高水溶性磷肥、氮肥还需要包膜缓释处理加以纠正，成本升高，难以推广。而水溶性适中的活化磷肥，养分释放速率适当加快，可满足农作物需要，无须再缓释处理。活化磷有效性与高水溶性化肥的缓释同属控释作用，但方向相反，活化磷有效性化肥的缓释不是由快变慢，而是由慢变快。活化是“缓释”的逆向创新——“促释”。与常规磷肥“第一步高水溶，第二步缓释”相比，活化磷肥“一步到位”无须缓释的优势明显，且节能降耗［3-4］，又避免了土壤中磷浓度过高被土壤钙、铝、铁、锰沉淀失效，既提高了养分利用率，又减少了养分淋溶流失而导致的水体富营养化。

常规磷肥生产通过强酸高温的激烈反应工艺来实现高水溶性，活化磷肥生产则是通过温和的反应获得适度水溶性。其活化机制是机械化学力［5］，使磷矿（磷酸钙）晶体结构向无定形转化，并使难溶的磷酸钙化学键向易溶的磷酸氢键转化，其水溶性大幅度增加（可达100%～500%［3，6］），而且，明显优于常规磷肥生产应用过程中有效磷大起大落的波动，减少了磷养分被土壤固定失效的损失，与农作物磷养分吸收过程处于更好的供求动态平衡。活化有效性技术不追求过高水溶性，因此无须强酸实施激烈反应，能耗大幅度下降。

2.3 活化磷肥的优点

活化磷肥生产在原料广泛、绿色工艺和产品性能、经济效益方面，均大大超越常规磷肥。这一技术体系的全面创新，使矿-酸-肥体系下难以解决的磷矿资源枯竭、环保节能等痛点、瓶颈问题迎刃而解，为磷肥产业升级换代，实现绿色可持续发展开拓了新技术途径。

1） 低碳绿色工艺贯通矿-肥全链

活化磷肥工艺简捷、低碳，无须硫酸，把活化剂加入磷矿粉搅拌研磨即可，全程无“三废”排放，从开矿至肥料产品及田间肥效的低碳绿色优势贯通矿-肥生产链全程。活化磷的矿-肥生产链与传统矿-酸-肥生产链对比见图2。

图2 活化磷的矿-肥生产链优势

随着环保标准日益严格，活化磷肥的绿色低碳优势也更加凸显。近年来，对于一些靠近河流水源的新矿区，当地政府甚至不允许选矿筑坝排渣，不允许建硫酸厂。而无酸活化磷的低碳绿色技术为矿山实现矿肥一体化提供了有力的技术保障。

2） 肥效高效持久

全国多点试验结果显示，等量施肥条件下，活化磷肥效不亚于过磷酸钙，甚至更优，作物产量增加，品质提升且生产成本下降，性价比大幅度提升［6-8］，工厂和农民双双受益。

除了国内磷矿的活化，对斯里兰卡、印度、南非、埃及、哈萨克斯坦、巴基斯坦及美国的磷矿进行分析，筛选出相应的高效活化剂进行活化磷肥生产，进而对产品开展盆栽实验，均获成功［4，8］。在等质量施肥条件下，活化磷肥均可取得与过磷酸钙相当或略优的效果（见表2）。

表2 施用各活化磷肥（AP）与过磷酸钙（SP）的玉米生物量（干质量）对比 g/盆

活化磷肥的肥效优于常规磷肥，并不是因为其养分浓度高，而是其养分释放均衡持久，与农作物吸磷处于较好的供求动态平衡。因此活化磷肥抗淋溶、抗固定力强，利用率高。常规磷肥的大起大落供肥特性与农作物对养分的需求并不匹配，故肥效受影响。活化磷肥及常规磷肥养分释放与作物的养分吸收供求关系比较见图3。

图3 活化磷肥及常规磷肥磷养分释放与作物的磷养分吸收供求关系比较

3） 经济、环境效益大幅度提升

近十多年来，磷肥生产因矿石、能源涨价及环保压力，其利润空间进一步收窄。以过磷酸钙为例，每吨利润最高不足50 元。而活化磷肥保守利润约150元/t，是过磷酸钙的3倍。农民效益依作物而异，增幅一般为20%～30%。

近几年我国磷肥年产量约P2O51 600万t，若有1/10 常规磷肥以活化磷肥（按w（P2O5）12%计算）代替，则每年节支金额达30 亿元。这对我国磷肥企业破解原料、能源和环保压力造成的困境意义重大。

3 前景与建议

3.1 发展前景

活化磷不是在原体系内改进某些技术环节，而是从开矿、加工到肥料施用的产业链全程技术创新，低碳绿色，免选矿、免耗酸、“三废”零排放，大幅度实现碳减排，肥料呈中性，不酸化土壤，养分利用率高，有利于促进药肥双减，减量增效。经济、环境效益均大幅度提升，为实现低碳农业提供了新的技术支撑。

1） 活化技术的扩展运用

活化技术在磷肥领域的扩展有两方面，一方面是扩展用于常规磷肥的活化增效，生产活化磷铵、活化过磷酸钙、活化钙镁磷肥系列产品；另一方面是扩展至其他原料，如骨粉、白肥（饲料磷酸钙副产品）的活化。

活化磷肥除营养功能之外，还可以钝化土壤中镉，大幅度降低镉污染土壤上作物中镉含量，降幅达50%左右［9］。

此外还可以扩展应用于其他矿物和尾矿的开发。例如用钾长石生产活化钾［10］，用硅砂生产活化硅［11］；用综合活化技术使尾矿的硅、镁、钙同时活化以生产土壤改良剂，补充多种中微量元素［6］，有利于连矿渣也“吃干榨尽”，实现绿色开发，全面高效利用矿山资源。活化技术不仅用于固体肥，还可取代磷铵用于悬浮液体肥生产，具有抗土壤固定，节支增效等明显优点。

2） 国际合作

东南亚和非洲国家的磷肥多依赖进口，成本远高于中国。其中一些国家有磷矿而无磷肥生产，该地区应用活化磷的效益比中国更高。用外国廉价低品位磷矿及高镁磷矿资源，生产活化磷系列产品的技术合作陆续开展。近年来，随着“一带一路”的推进，活化磷技术在国际合作中有进一步发展。

华南农业大学十多年来承担的商务部的“发展中国家环境友好型肥料”国际培训班工作，均验证了活化磷的明显肥效。在发展中国家和发达国家都可利用当地廉价低品位磷矿和高镁磷矿资源，以活化技术的独特优势开拓广阔的国际市场。华南农业大学与美国佛罗里达大学合作完成的项目表明，施用活化磷的处理生物产量甚至优于等质量过磷酸钙处理10%以上［4］。与巴基斯坦信德农业大学合作承担的广东省科技计划项目也获得类似结果。

3.2 发展建议

1） 克服创新的阻力——思维定势

技术创新要突破原有技术，必然会与原有的思维定势产生冲突。如果不能克服长期形成的思维定势阻力，技术创新就无从谈起。活化磷在研究过程中，遇到的强大阻力是“高浓度”的片面观点，其表现有两种形式。

一是追求高浓度而忽略养分利用率。其实，肥效高低同时取决于养分浓度及其利用率，并不是浓度越高肥效一定越好。高浓度更应该注意养分利用率，否则高浓度会造成高污染。活化磷肥之所以有高肥效，不是因为它的水溶性有多高，而是因为它养分释放均衡而持久，减少了淋溶和固定的损失，养分利用率更高。

二是只看一两种养分而忽略其他养分。如磷铵是含氮、磷的高浓度肥料，而钙镁磷肥则被视为低浓度肥料。其实，钙镁磷肥的3种养分总含量与磷铵相比并不低，而且还有丰富的硅，是多元高浓度肥料。只按磷含量的评价很片面，不利于正确评价和开发矿物资源。钙镁磷肥在国外，例如日本、韩国、巴西，肥效很好，售价也较高。而且国内一些企业做了大量工作，证明钙镁磷肥在土壤改良、防病促长、抗土壤重茬等方面有显著的效果［2］。同样道理，被丢弃的尾矿虽然磷、钾含量不高，但是硅、钙含量很高，各种养分总量不低，而且原料丰富，成本低，也是有开采价值的矿物资源。

2） 制定与创新配套的政策

长期以来，创新肥料产品进入市场往往受到原有政策的限制。普通肥料管理办法对于创新肥料技术成果转化是难以逾越的障碍。尤其是颠覆性创新的肥料，在肥料登记目录中根本不存在，往往被拒之门外。从技术突破到实现产业化是重要的跨越，而市场准入则是实现这一跨越的关键。因此，急需建立新型肥料进入市场的配套政策，开辟促进创新的绿色通道。有必要参考经济特区，建立一个有配套政策的肥料创新示范特区。设立进入特区的相应门槛（例如国家项目、鉴定、获奖）政策，在特定区域进入市场，开展活化磷肥等新型肥料的试验、示范、推广及科普工作。在经过一段实践后，逐步向周边地区辐射，做到以点带面，既积极又稳妥地推进。