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緩/控釋和穩(wěn)定性肥料技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)化肥行業(yè)科技發(fā)展
——“新型肥料的研制與高效利用”??蜓?/h1>
2019-01-20 14:11楊相東
關(guān)鍵詞:脲酶包膜硝化

楊相東,張 民

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2 土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安 271018)

化肥主要以磷礦、鉀鹽和煤等石化原料制備而成,從原料的采集、破碎、篩選,到化學(xué)分解與合成,進(jìn)而形成化肥產(chǎn)品的過程中,匯集了眾多技術(shù)。依靠這些技術(shù),化肥工業(yè)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了充足的養(yǎng)分,為社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。建國以來,我國化肥工業(yè)從零開始,經(jīng)過70年的發(fā)展,集聚幾代人的心血,逐步發(fā)展成為全球化肥生產(chǎn)和使用第一大國。我國化肥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程就是化肥制備技術(shù)與我國國情相結(jié)合,不斷創(chuàng)新、突破和推陳出新的過程。上世紀(jì)50年代,僅有幾家以硫酸銨為主的氮肥廠,談不上化肥工業(yè)。60~80年代,著力解決煤氣化制備合成氣并生產(chǎn)氨氣、碳銨和尿素的問題,解決磷礦粉、普鈣、磷酸銨的利用問題[1]。與此同時(shí),為了應(yīng)對缺少化肥的問題,我國農(nóng)業(yè)科研工作者積極研究有機(jī)肥、綠肥和微生物菌劑在增加土壤養(yǎng)分方面的作用[2],研究我國氮、磷、鉀化肥的肥效演變及其對農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)效益[3]。80年代以后,隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展,化肥生產(chǎn)的各項(xiàng)技術(shù)飛速發(fā)展。到目前,我國化肥產(chǎn)品類型極大豐富,擁有全球先進(jìn)的化肥制造技術(shù)。這一切均得益于肥料科學(xué)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展,因此,可以說我國肥料科技創(chuàng)新是促進(jìn)我國肥料工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。

依靠持續(xù)的科技投入,我們不但解決了基于中國國情的原料與生產(chǎn)工藝問題,還在養(yǎng)分復(fù)合、配方和專用等領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)[4]?!笆濉币詠淼?個(gè)五年計(jì)劃期間,國家連續(xù)20年設(shè)置了肥料科技攻關(guān)項(xiàng)目,圍繞化肥提質(zhì)增效的國家重大需求,開發(fā)了一批新型肥料。正是這些新型肥料的技術(shù)創(chuàng)新,使得我國肥料科技逐步走到世界前列。當(dāng)前,舉國上下高度重視科技創(chuàng)新能力對行業(yè)和產(chǎn)業(yè)核心競爭力的支撐作用,因此,我國肥料科技創(chuàng)新何去何從不但關(guān)系到當(dāng)前的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè),還關(guān)系著肥料行業(yè)在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的未來國際競爭力。

隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,在重視化肥產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),更加注重產(chǎn)品使用效率。目前我國正在推行化肥減施增效,以達(dá)到提高養(yǎng)分利用率的目標(biāo)。為了保障《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》的科學(xué)推進(jìn),“十三五”啟動(dòng)了“化學(xué)肥料和農(nóng)藥減施增效綜合技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng),其中“新型緩/控釋肥料與穩(wěn)定性肥料研制”項(xiàng)目圍繞價(jià)廉質(zhì)高的包膜材料、新型綠色包膜工藝和規(guī)?;ぴO(shè)備,進(jìn)行高性能包膜緩/控釋肥料新產(chǎn)品創(chuàng)制和應(yīng)用;圍繞脲酶抑制劑、硝化抑制劑協(xié)同增效技術(shù),創(chuàng)制高效穩(wěn)定性肥料。

緩/控釋肥料和穩(wěn)定性肥料一直是化肥研究的一個(gè)重要方向。控釋肥料(controlled-release fertilizer)是指能按照設(shè)定的釋放率(%)和釋放期(d)來控制養(yǎng)分釋放的肥料[5],用半透性膜包裹速效性化肥顆粒制成,能使速效養(yǎng)分在施入土壤后緩慢地釋放出來以延長其肥效期[6]。緩/控釋肥需要包覆有機(jī)或無機(jī)材料的膜層,膜材料包括硫磺、磷礦粉、橡膠、塑料、樹脂等,有機(jī)聚合物膜材因能更有效的控釋養(yǎng)分的釋放,逐漸成為研究和使用最多的包膜材料[7]。穩(wěn)定性肥料(stabilized fertilizer)是指經(jīng)過一定工藝加入脲酶抑制劑和(或)硝化抑制劑,施入土壤后能通過脲酶抑制劑抑制尿素的水解,和(或)通過硝化抑制劑抑制銨態(tài)氮的硝化,使肥效期得到延長的一類含氮肥料[8]。脲酶抑制劑有氫醌、N-丁基硫代磷酰三胺、鄰苯基磷酰二胺、硫代磷酰三胺等,硝化抑制劑有吡啶、嘧啶、硫脲、六氯乙烷、雙氰胺等。

1961年,Boller利用多元醇與二元脂肪酸或環(huán)氧樹脂能發(fā)生聚合反應(yīng)的原理,在肥料顆粒表面制備聚合膜層,最早開發(fā)了樹脂包膜緩/控釋肥料[9]。Hansen也在1961年、1965年申請了利用多羥基化合物或植物油制備醇酸樹脂包膜控釋肥料的技術(shù)專利[10-11]。隨后,日本窒素公司于1974年在美國申請的專利中介紹了生產(chǎn)聚烯烴包衣肥料的方法[12]。此外,Thompson[13]、Tsunehisa[14]、Donida[15]等分別使用聚偏二氯乙烯、聚丙苯和聚丙烯酸系乳液制備聚合物乳液包膜肥料。Blank[16]、Goertz和William[17]、Geiger等[18]使用植物油開發(fā)了聚氨酯包膜緩/控釋肥料。

繼20世紀(jì)30年代Rotini提出存在土壤脲酶之后,Cornad指出有些物質(zhì)施入土壤可以抑制脲酶活性,1971年Bromner等篩選出苯醌和氫醌類化合物作為脲酶抑制劑,隨后大量的脲酶抑制劑被證實(shí),但目前只有幾種脲酶抑制劑得以商品化應(yīng)用[19]。20世紀(jì)60年代初,美國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],至今研究的具有類似作用的化合物有150種以上,但是真正商品化的很少。

上世紀(jì)70年代,我國針對碳銨易損失的問題,開發(fā)了包裹型碳銨,隨后又開發(fā)了鈣鎂磷礦粉包裹尿素。到本世紀(jì)初,全面進(jìn)入緩/控釋和穩(wěn)定性肥料的技術(shù)研究領(lǐng)域,針對各種包膜材料、工藝開展了大量的研究,在較短的時(shí)間內(nèi),逐步形成了學(xué)科齊全和產(chǎn)業(yè)興旺的局面。緩/控釋和穩(wěn)定性肥料研究已經(jīng)走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程,在作用機(jī)理、材料、產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)等方面做出了卓有成效的工作,在取得了長足發(fā)展的同時(shí),我們還應(yīng)該清醒的認(rèn)識(shí)到,該領(lǐng)域還存在許多技術(shù)難題[6]。到2019年,該類肥料產(chǎn)量僅為1500萬噸左右,僅占全球化肥用量的6%,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還未發(fā)揮其應(yīng)有的作用。其核心問題主要表現(xiàn)在成本高、性能不穩(wěn)定及生產(chǎn)工藝和設(shè)備規(guī)模小等方面?;诋?dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀,“新型緩/控釋肥料與穩(wěn)定性肥料研制”項(xiàng)目匯聚了8個(gè)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題,36家科研院所和企業(yè),近100人的研究隊(duì)伍,進(jìn)行科技攻關(guān)。項(xiàng)目執(zhí)行以來,在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用等方面取得了一系列的創(chuàng)新性成果。為了促進(jìn)研究成果的應(yīng)用,特組織本期專刊進(jìn)行報(bào)道。

一般認(rèn)為,只有高分子材料才能夠制備性能優(yōu)良的控釋肥料,但是高分子材料價(jià)格普遍偏高,因此采用作物秸稈液化、改性纖維素、回收植物油、高分子材料復(fù)合等技術(shù)研制新型膜材,已成為降低包膜肥料成本的關(guān)鍵技術(shù)。采用納米顆粒(如納米SiO2、蒙脫土)對高分子材料(如聚乙烯醇、聚氨酯)進(jìn)行復(fù)合改性,有望在控釋性能提升方面取得突破,本期優(yōu)選了兩篇相關(guān)論文,對當(dāng)前的最新研究成果進(jìn)行報(bào)道。

低分子量有機(jī)酸簡單易得,對土壤-植物-養(yǎng)分有著一些特定的功能,常被用作活性物質(zhì)與磷、鉀結(jié)合促進(jìn)其養(yǎng)分利用效率。最近的研究表明,小分子有機(jī)酸對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長均有著很好的效果,低分子量有機(jī)酸(如檸檬酸、草酸)對肥料和土壤磷素具有很好的活化作用,含氨基酸銅基的葉面肥對芹菜產(chǎn)量、品質(zhì)有一定的提升。針對該研究熱點(diǎn),本期選擇了2篇試驗(yàn)研究論文和1篇Meta分析的論文對相關(guān)研究進(jìn)行報(bào)道。

包膜肥料控釋膜層結(jié)構(gòu)和孔隙性質(zhì)直接影響其養(yǎng)分釋放速率,但是該領(lǐng)域的研究一方面受到研究手段的限制,另一方面還因?yàn)榘げ牧虾凸に嚰夹g(shù)的差異使得膜層結(jié)構(gòu)特征各異,因此該方面的研究進(jìn)展較緩慢。聚乙烯包膜控釋肥料一般采用噴霧相轉(zhuǎn)化法制備,目前對其特定的結(jié)構(gòu)特征的研究取得了一些新的結(jié)果,本期也選擇了1篇論文相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行報(bào)道。

緩/控釋肥料的農(nóng)田施用技術(shù)和效益評(píng)價(jià)一直是研究的熱點(diǎn)。最近的研究關(guān)注到黃腐酸、秸稈與控釋尿素配合使用具有很好的協(xié)同增效作用;另外在評(píng)價(jià)控釋尿素對氨揮發(fā)、N2O排放等阻控氮素?fù)p失的領(lǐng)域也有新的研究結(jié)果。本期選擇了2篇相關(guān)最新研究論文對此進(jìn)行相關(guān)報(bào)道。

另外,含抑制劑的穩(wěn)定性肥料是一種養(yǎng)分高效產(chǎn)品,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣,其參與的土壤氮素轉(zhuǎn)化過程也有很多深入研究。目前硝化抑制劑對稻田土壤N2O排放、硝化和反硝化細(xì)菌的抑制作用研究有新的突破,本期??步o予了關(guān)注。

本期??饕獋?cè)重于對“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“新型緩/控釋肥料與穩(wěn)定性肥料研制”中緩/控釋肥料和穩(wěn)定性肥料在新型肥料創(chuàng)制、田間施用技術(shù)、作用機(jī)理及效果評(píng)價(jià)等方面的一些最新研究進(jìn)展。在新型肥料創(chuàng)制過程中,我國科技工作者在復(fù)合肥、水溶性肥料、生物有機(jī)肥等方面均有一些新的和突破性的研究成果,為肥料的持續(xù)科技創(chuàng)新發(fā)揮著作用,形成“百家爭鳴、百花齊放”的局面,希望在以后的報(bào)道中有所側(cè)重。

最后,感謝為本期??e極供稿的科研工作者,希望在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步在緩/控釋肥料與穩(wěn)定性肥料研制和應(yīng)用領(lǐng)域做出更加卓有成效的工作。通過堅(jiān)實(shí)的肥料科技創(chuàng)新,引領(lǐng)化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展,滿足未來農(nóng)業(yè)對化肥的需求。

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