我国新型肥料产业现状与发展展望

2024-04-01刘旭杰严旖旎单海勇

磷肥与复肥 2024年2期

刘旭杰，严旖旎，单海勇，张晋，韩笑，刘建

（江苏沿江地区农业科学研究所，江苏南通 226012）

我国自古以来就是农业生产大国，随着近几十年来化学肥料的发展和普及，目前我国已成为化肥施用量全球第一的国家，施用量超过全球平均水平的3倍［1-2］。我国农业生产长期以来深陷肥料成本投入高、农业生产环境污染严重的困局，其根本原因是农业生产过程中肥料利用率不高［2-4］。据统计，2010年欧洲国家三大作物氮利用率为61%，美国三大作物氮利用率为52%［5］，而同时期我国氮肥利用率仅为31%左右，其中玉米的氮利用率仅为30%［6］。2015 年之后，随着肥料“减量增效”技术研究深入，提高了肥料利用率，在减少肥料施用量的情况下粮食产量仍然每年都在增加，“减量增效”将是新型肥料研究的主要方向。

1 新型肥料产业现状分析

新型肥料相较于传统肥料，一般是依靠添加有效助剂，创制新配方或者开发新技术，形成具有更高肥效的新品种肥料。目前市场上较为常见的新型肥料品种包括包衣（膜）缓控释肥、脲醛类缓控释肥、水溶性复合肥、稳定性复合肥、海藻酸类复合肥、腐植酸类复合肥、氨基酸类复合肥、微生物复合肥、有机复合肥、中微量元素肥、土壤调节剂，以及以聚多巴胺、水凝胶、多层聚合物电解质、自降解多聚体自愈材料、纳米材料等智能材料为基础或主体的智能新型肥料［7-13］。

1.1 复合肥行业运行情况

根据中国磷复肥工业协会（以下简称协会）的数据，2021 年，协会统计范围内的企业复合肥总产能为5 268 万t，占全国复合肥总产能的26%左右；总销量为2 703.6万t，占全国复合肥总销量的45%左右，远超总产能占比；产能利用率为51.3%，比2020 年高0.9 百分点，也远超复合肥行业平均水平（30%）；复合肥行业产能集中度越来越高［14］。我国肥料产业布局加速向农业用肥大省转移，复合肥产业主要集中在鄂、鲁、苏、皖等地，近几年开始向东三省、河南、新疆等地转移或扩建产能，降低了综合成本，提高了市场响应速度和企业的综合竞争能力。我国肥料产业的产品结构在加速向农作物专用肥等新型肥料方向调整。近10 年间，新型肥料市场逐步扩大，各大复合肥生产企业越来越重视新型肥料的研发、生产和销售，而且随着我国测土工程的推进和升级，针对不同地区的专用新型肥料逐步出现在市场中，并深受广大农户青睐。新型肥料的研制和发展正在逐步引导整个复合肥行业产品结构发生变化。

1.2 新型肥料市场运行分析

根据协会2021 年的统计数据，受原料价格抬升影响，2021 年统计范围内的企业新型复合肥销售量占比约为36%，较2020 年降低2.93 百分点，各类新型肥料的市场占比如图1所示。

图1 2021年不同品种新型肥料的市场占有率

在统计范围内，2021 年各品种新型肥料销售量第一的企业都是业内的大中型肥料生产商（见表1），说明我国大中型肥料生产企业越来越重视新型肥料的研发和生产。

表1 2021年各品种新型肥料销售量第一的企业

1.3 新型肥料产业发展趋势

像稳定性复合肥和腐植酸类复合肥这样，助剂成本低、肥效好的新型肥料将继续占据新型肥料市场的主导地位。一些市场占有率较低的新型肥料，像海藻酸类复合肥、中微量元素肥和氨基酸类复合肥，由于市场同类型产品较少且利润较高、肥效明显，未来市场前景较好。微生物复合肥和有机复合肥，具有改良土壤、绿色环保、成本较低、利润率高等特性，叠加国家政策导向，在未来生产技术趋于成熟后，将会很快成为新型肥料市场的主导品种，其生产工艺的研究也将成为未来肥料生产研究的主要方向。

2 我国新型肥料工艺发展和创新概况

2.1 新型肥料工艺发展现状

各类新型肥料主要是颗粒肥或者粉状肥料，区别在于配方、有效成分的制备和成型以及包衣工艺。各类包衣（膜）缓控释肥主要区别在于包衣材料不同，但都主要用于实现对肥料养分释放速率的控制，有的还兼顾补充作物生长后期需要的养分。脲醛类缓控释肥主要是通过尿素和醛类化合物在酸性溶液中溶解，在催化剂作用下发生加合反应生成固体肥料，最后进行中和、造粒和包衣，工艺流程较为成熟，需要用到强酸，对生产装备耐腐蚀性能要求较高。水溶性复合肥一般是将产品直接或溶于水中后喷洒在作物叶面或土壤表面，省去了开沟深施的过程，施用简单方便，效果显著，其主要工艺过程为溶解→除杂→浓缩→晶化→过滤，与其他肥料生产工艺差异较大。稳定性复合肥是一种具有长效性和环境适应性的新型复合肥，一般采用干式工艺生产，反应温度较高。腐植酸类复合肥是我国新型肥料中研发较早的一种，其生产工艺包括干式工艺和湿式工艺，干式工艺一般是将无机养分加热到熔融态和腐植酸矿物发生络合反应，最后冷却、造粒；湿式工艺一般先将腐植酸处理成溶液或者凝胶态，再混合、烘干、造粒。海藻酸类复合肥、氨基酸类复合肥、有机复合肥、微生物复合肥都属于有机-无机复混肥，生产工艺过程和腐植酸类复合肥类似，只是有机成分及其处理和混合工艺存在区别。

2.2 新型肥料生产工艺创新

近几年新型肥料在肥料配方、造粒工艺以及包衣技术等方面都取得了一些创新成果。肥料配方上的创新，主要通过结合农作物生物学方面的研究成果，在传统肥料中添加一些有效助剂，形成新的配方，科学提高作物产量。肥料造粒是新型肥料走向产品化的关键一步，在不损失营养成分的基础上，将肥料制作成形态和效果都稳定的产品。造粒工艺方面的创新，主要表现为对挤压造粒技术、湿法造粒技术、喷雾干燥造粒技术、真空造粒技术、凝结造粒技术等传统且成熟造粒技术的微创新，重点在于根据新配方寻找新的关键工艺参数，进而形成适用于特定新型肥料的造粒工艺。包衣技术的创新是通过新材料和新包衣工艺，实现肥料缓释、控释和靶向释放等功能。

2.2.1 肥料配方创新

新型肥料配方创新涉及营养元素的组合、生物学因素、环境友好性等。目前在配方上的创新成果主要有微生物肥料整合、定制化营养配方、缓控释肥技术、有机废弃物再利用等。

微生物肥料整合指的是将有益微生物整合到肥料中，大量活菌可以帮助植物吸收养分，提高作物的耐受性，改善土壤结构，抑制病原菌，促进作物生长和提高作物品质［15］。目前微生物肥料按照产品形态可分为菌剂类和菌肥类。菌剂类包括根瘤菌剂、固氮菌剂、溶磷菌剂、光合菌剂、硅酸盐菌剂、菌根菌剂、促生菌剂、有机物料腐熟菌剂、生物修复菌剂，菌肥类主要包括将目的微生物经工业化生产增殖后与营养物质复合制成的复合微生物肥料，以及将目的微生物经工业化增殖后与以动植物残体等有机物为来源并经无害化处理的有机物料复合而成的生物有机肥。微生物对植物的作用主要依赖于他们产生的次级代谢产物，但关于有益微生物、次生代谢物、土壤性质、植物寄主之间的互作机制目前还没有一个被广泛认可的研究结果。

定制化营养配方一般指的是利用现代技术，根据具体植物的需求和具体地域的土壤特性定制肥料的营养成分。通过土壤分析和植物需求，可以调整氮、磷、钾等元素的比例，提高肥料效益。研究发现玉米增产率与土壤中锌元素的含量呈正相关，合理施用含锌的肥料能增强玉米的抗病性，提高产量和光合作用，同时还能提高玉米穗的品质［16］。定制化营养配方必须与测土工作一起构成一个测土配方肥的技术体系，相较于成品肥料过程更加复杂，农民和散户的接受程度不高，但随着高标准农田的建设和相关技术不断推广和创新，定制化营养配方肥仍然是将来必不可少的一类肥料。

缓控释肥料技术主要是通过缓控释技术的创新使肥料养分以更持久的方式释放，减少养分流失和浪费。施用缓控释肥料既能够降低土壤中氮的浓度，减少氮挥发、淋失以及硝化作用的损失，提高肥料中养分的利用率，又能够实现一季作物一次施肥基本满足作物全生育期对养分的需求，减少了施肥次数，同时还能避免因一次性施肥过多造成的烧苗现象。目前我国市场上缓控释肥料类型繁多，根据其生产过程可分为两类，一种是化成型微溶有机氮化合物，主要是脲醛（尿素和醛类的缩合物）缓控释肥料；另一种是包衣型缓控释肥，通过造粒→包覆→涂层等工艺，减缓和控制肥料养分的释放速率。根据其化学组成的差异又可将其分为包裹缓控释肥、混合缓控释肥、缩合物或聚合物缓控释肥、吸附缓控释肥等。马海生等［17］基于聚氨酯熔点低、易成型、疏水性好等特点，开发了聚氨酯缓控释肥生产工艺，实现了聚氨酯缓控释肥的规模化连续生产。但是，目前我国新型缓控释肥料施用量在肥料中的占比仅为10%左右，究其原因是现有的缓控释肥价格相较于传统化肥更高，还需要在降低成本等方面开展相关研究。

有机废弃物再利用指的是利用城市厨余垃圾、农业生产废弃物等有机废弃物制作有机肥料或者有机-无机复混肥，通过循环利用资源，实现可持续发展，减少废弃物对环境的负担。何雪莲［18］利用啤酒污泥通过圆盘造粒法制备有机-无机复混肥，并针对啤酒污泥的特性对有机成分和无机成分的比例、含水率等参数进行了相应的调整。何震［19］分别使用木质素原料、生物炭与无机养分混合，制备木质素基有机-无机复混肥和生物炭基有机-无机复混肥，然后使用木质素制备缓释膜，进行包膜，并通过静水释放实验、土柱淋溶实验、重金属吸附实验以及盆栽实验测试肥料性能，最终发现木质素基缓释肥仅在重金属吸附能力上弱于生物炭基有机-无机复混肥，其余性能均优于生物炭基有机-无机复混肥和无机化肥。靳鹏杰［20］通过限氧热解技术，利用市政污泥制备新型肥料，相较于无机化肥，新型肥料不但单位质量养分含量高，且具备吸附重金属、改善土壤环境等功能。

2.2.2 造粒工艺创新

新型肥料造粒，需要根据肥料配方在传统工艺基础上进行微创新来适应新成分的加入，保证肥料的新成分能够在造粒后不损失且稳定。肖光等［21］针对高塔造粒工艺生产尿基黄腐酸复合肥产品水分、强度等指标不达标的问题，改良了部分工艺参数，最终确定固态黄腐酸粒径控制在75 μm左右或液态黄腐酸w（H2O）30%左右时产品质量最好，且采用固态法时，使用粒径较小的黄腐酸制得的复合肥产品结块率较低。杨皓天等［22］设计了螺旋输送增压方式的秸秆炭肥料制粒机，分析了秸秆炭基颗粒肥料品质与配置工艺等的影响关系，确定了秸秆炭基肥料制粒机关键部件的合理运行参数，并提出了技术优化思路。因此目前新型肥料造粒工艺的创新方向应当是基于传统造粒工艺和新配方在一些关键工艺参数上进行适配。

2.2.3 包衣工艺创新

新型肥料包衣技术的创新基于材料技术的发展和生物学对农作物生长规律的研究。目前除了传统的尿素包衣、硫包衣、树脂包衣，一些以智能材料包衣为基础的智能肥料的创新成果也非常多。多巴胺对碱性或者盐胁迫下的植物生长有着明显的促进和改善作用，且可以增加土壤中有效磷的含量和增强碱性磷酸酶的活性［23］。FENG 等［24］以磷酸锌铵为肥芯，以聚多巴胺（Pdop）作为包膜材料，在包膜层表面接枝聚（N,N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯）聚合物刷（PDMAMEA），制备出具有pH 和温度双重感知功能的“智能”肥料MCF@Pdop-g-PDMAEMA，能够根据土壤环境的温度和pH 调节养分释放速率。多层聚合物电解质（PEM）包衣材料可以感知植物发出的信号并做出响应，比如当植物缺少养分时，根系会释放出以氨基酸、有机酸、糖和酚类为主的低分子量化合物作为信号物质，而这些信号物质可以通过PEM 扩散与膜中适体结合，引起PEM 包衣发生渗透性的变化从而释放养分［25］。用氨基甲酸酯（PCL）与聚己内酯或聚（L-乳酸）（PLA）混合制备的自降解聚乙醛酸乙酯（PEtG）包衣材料，除了能感知植物根系附近的pH变化，还可以降解为生物毒性很低且在环境中容易代谢的乙醛酸水合物和乙醇［26］。自愈材料是一种可自动修复的智能包衣材料，其自愈的机制为解决肥料控制养分释放曲线与作物生长曲线同步这一瓶颈问题提供了重要的理论和技术支持。自组装自愈性生物基聚氨酯包膜尿素（SSBPCU），包衣材料利用海藻酸钠与钙离子反应生成海藻酸钠凝胶的原理，在纳米级材料表面形成阻塞毛孔限制水流的纳米级海藻酸钠凝胶，从而实现自愈的功能［27］。聚琥珀酰亚胺基纳米材料（PSI）可以作为载体携带农药、肥料和营养物质，并在常温、pH大于7的环境下受控释放，释放速率随pH升高而加快，随官能度的提高而减慢，且毒性很小，可作为肥料和营养元素的运转载体，适合用于特定地点的农业生产［28］。

肥料包衣工艺根据包衣设备，一般分为滚筒包衣工艺和流化床包衣工艺。滚筒包衣装备是在滚筒中心放置喷头，肥料颗粒滚动时均匀地包裹上铸膜液；流化床包衣装备则是利用颗粒流化现象制作流化床，然后混入铸膜液。经过多年的创新和发展，无论是滚筒包衣工艺还是流化床包衣工艺相关工艺都根据肥料特点做了许多细分，但近几年相关的创新较少。总的来说滚筒包衣工艺适合颗粒较大的肥料，流化床包衣工艺更适合小颗粒的肥料。

3 我国新型肥料创新发展的目标及途径

在“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念指导下，新型肥料成了化肥“减量增效”工程的排头兵。近十年来我国新型肥料的市场和产业不断扩大，但现有新型肥料研发、生产工艺改进和创新还仅仅是从肥料本身着手，近几年也有结合土壤、微生物等领域的趋势与案例，但与先进栽培技术以及新型农机结合不紧密，依旧存在着许多不足［29-30］。

3.1 创新发展目标

将肥料与田间生产的耕、种、管、收等环节看作一个整体，充分结合育种、栽培、农机等相关领域的最新技术，研究和开发能够为农业生产“减量增效”，且质优价廉的环境友好型肥料产品。

3.2 创新发展途径

首先，应该优化和改进现有工艺，提高肥料生产效率，降低生产成本和环境污染，降低新型肥料的市场价格，进一步扩大新型肥料的市场。比如料浆法可利用一些像磷酸等原料发生反应时释放的热量来快速烘干；团粒法可以通过粉尘回收技术创新，利用某些原料的低温共溶（熔）机制，形成团粒法和料浆法优势互补的新技术，提高生产效率，降低排放。

其次，需要开发低碳绿色新工艺。一是产品研发要以“减量增效”为首要目标，兼顾针对不同作物的营养平衡。也可适当考虑增加功能性物质，使用绿色智能材料等，全面提升产品质量，实现肥料产品的高效利用。二是要尽可能缩短生产工艺流程，尽量做到无“三废”排放，降低生产成本和污染物处理成本。三是要因地制宜，针对不同的土壤性质，优化产业结构，实现专肥专用。

最后，要广泛结合农业生产过程中其他学科的创新成果。目前，我国新型肥料配方、材料成型工艺技术积累较为丰富。业内普遍认为，新型肥料生产工艺的创新关键点在新材料上面；也有研究表明在施用同样肥料的情况下，先进的耕作方式也可以显著提高肥料利用率，在此基础上最成功的肥料、农艺、农机三者相结合的创新成果就是侧深施肥技术和侧深施肥机，目前已广泛应用到水稻、小麦生产中。因此，肥料产业的创新也需要拓宽思路，和精准施肥、保护性耕作及秸秆还田等农艺结合起来。比如结合精准施肥，要求肥料不再以小颗粒的形态施用，而应该以肥料块或者肥料球的形态施用在作物根系附近；结合保护性耕作，要求肥料块或肥料球的养分要能满足作物一个生长周期内全部所需，且能缓慢甚至是根据作物的不同生长期智能释放，减少动土，保护耕地；结合秸秆还田，要求肥料配方能将秸秆进行二次利用，或者是肥料在释放养分过程中能够加速还田的秸秆腐解，使秸秆能在作物生长后期提供养分。此外将肥料做成球或块状可以减少肥料的表面积，减少受潮结块情况［31］。