發布時間：2021-07-01所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要從我國化肥用量、結構和肥料管理3個角度出發,闡述了化肥生產和使用的基本現狀以及存在的問題.必須通過調整肥料養分和產品類型來均衡作物必需的營養元素;通過肥料產業發展規劃和政策法規管理來實現肥料可持續發展;應當以提高肥料利用率為核心,實施以質量
摘要從我國化肥用量、結構和肥料管理3個角度出發,闡述了化肥生產和使用的基本現狀以及存在的問題.必須通過調整肥料養分和產品類型來均衡作物必需的營養元素;通過肥料產業發展規劃和政策法規管理來實現肥料可持續發展;應當以提高肥料利用率為核心,實施“以質量替代數量”的發展戰略.建議通過技術措施、管理法規和科技創新來建立適合中國國情的綠色肥料保障體系.圍繞綠色肥料,提出了科技界在構建綠色肥料保障體系過程中,需要重視和解決的關鍵科學問題:研究植物礦質營養學說與有機營養學說的融合;深入探究新型肥料作用機理與新產品創制技術,采用新技術革新大宗基礎化肥;加強“肥料-土壤-植物”之間養分轉化規律科學問題的梳理;探討有機肥開發新的技術途徑;呼吁創立以科學家、農學家、工業專家、企業家、政府主管部門共同主導的“科學的中國肥料體系”.
關鍵詞化學肥料環境保護綠色制造中低品位磷礦
化肥是農業持續發展的物質基礎,是糧食的“糧食”.20世紀,糧食單產的1/2、總產的1/3來自化肥的貢獻.全國化肥試驗網表明,施用化肥可提高水稻、玉米、棉花單產40%~50%,提高小麥、油菜等越冬作物單產50%~60%.21世紀初化肥對糧食總產的貢獻率,小麥為30.5%、玉米為25.3%、水稻為18.7%.21世紀前10年與20世紀相比,化肥對糧食增產的貢獻率雖然有所下降,但對3大主糧總產量的貢獻率仍占1/4[1].化肥對保證糧食安全起了重要作用.
1肥料使用的國內外現狀
1.1國內現狀
當前,我國肥料當季利用率,氮肥僅為30%~35%,磷肥只有10%~25%,鉀肥利用率40%~50%.我國是肥料資源約束型國家,人均磷、鉀礦產資源為世界平均的39%和7%.連續大量施用化肥,不僅浪費資源,增加農業生產成本,也帶來水體富營養化、溫室氣體排放、土壤酸化和病蟲害加重等一系列環境問題.
2013年我國商品肥料實物產量高達1.8億噸,按2013年底大陸人口13.6億計算,商品肥料人均年實物產量高達132kg.2030年前后,我國人口將達最大值,糧食總需求將達7.8億噸,未來17年我國糧食平均年增長率還要達到1.6%.我國肥料產量是否還要繼續增長?這是迫切需要研究的問題.
1.2與國外比較
據國際肥料工業協會(IFA)《全球肥料供應和貿易2013-2014》介紹:2013年全球養分需求得到了充足供應,全球合成氨、磷礦石和鉀鹽產量合計達到2.344億噸純養分.2013年養分銷售量達到2.32億噸純養分,農用化肥銷量占總銷量的78%,估計近于1.79億噸純養分,工業消費和去向不明達5300萬噸.2013年我國化肥產量7030萬噸,占全球2.344億噸總產量的30%以上,我國肥料消費量5912萬噸,占全球肥料總消費1.79億噸的33%[2].
20世紀80年代工業發達國家化肥用量達高峰后,化肥施用量均逐漸下降.國外經濟發達了,用肥量減少,而糧食產量不降反增.為什么我國經濟發達了,化肥反而越用越多,而作物產量的增幅卻不斷下降?這反映了肥料生產使用存在問題,在施肥量增加到一定水平后,增(肥)量增產的模式已經走到盡頭,必須轉向增效增產的新模式——“以質量代替數量”.
2我國化肥使用中存在的問題
2.1大部分地區施肥量過大,但不同區域、作物間肥料用量差異大
世界糧農組織(FAO)2013年統計年報(FAOStatisticalYearbook2013)統計了2009年167個國家級地區耕地(可耕地及多年生作物耕地)的施肥水平[3].表1選擇了其中11個國家作為比較.
由表1可知,2009年我國耕地的施肥水平為世界平均水平的4倍,為美國的414%、以色列的280%、德國的250%、英國的187%、日本的160%、韓國的139%、印度的286%、巴西的400%、俄羅斯的29倍.在FAO統計的167個國家與地區中排名第6位.若按《中國統計年鑒2013》,我國2009年化肥施用量5404.4萬噸,耕地(總資源)2008年底為1.217159億公頃,2009年我國耕地的施肥水平為444kg/hm2,與FAO數據比較僅差0.4%[4].
我國耕地的施肥水平表現在作物品種及地區的差異,據中國農業大學大規模農戶調查,2007~2009年全國果樹的平均施肥水平為1226kg/hm2,山東省為1643kg/hm2,湖北省僅405kg/hm2;全國蔬菜平均施肥水平697kg/hm2,廣東為1045kg/hm2,四川僅295kg/hm2;大田作物水稻全國平均施肥水平332kg/hm2,廣西為424kg/hm2,黑龍江為240kg/hm2;小麥全國平均為352kg/hm2,寧夏為443kg/hm2,甘肅為207kg/hm2;玉米全國平均316kg/hm2,湖南為477kg/hm2,黑龍江為263kg/hm2.作物品種或地區間差別均約4倍[1].
總體來說我國單位面積耕地施肥水平過大,但也有施肥不足的地區及作物品種.目前,小麥、玉米、水稻3大糧食作物氮肥施用量超過合理施肥量(225kg/hm2)的比例分別為37%,43%和22%[1];因過量施肥,2003~2013年我國氮肥利用率僅30%~35%[5];我國過量施氮占全球總過量氮的33%[6].
2005年全國化肥施用環境成本(修復環境所需費用)188億元,其中:大氣污染37.8億元,土壤污染51.4億元,水體污染99.1億元.化肥過量施用對水體污染的修復成本最高,其次為對土壤的污染.1990~2005年全國化肥施用環境成本年均增長7.1%.2005年農用化肥使用量4766.2萬噸,而2013年5912萬噸,又增加了23.8%,施用環境成本更高[7].
2.2化肥品種過“精”,導致作物養分失衡
(ⅰ)化學肥料中營養元素的失衡.據統計,2012年全國55個大中型復合肥料廠復合肥總產量3260萬噸,占全國復合(混)廠總產量5320萬噸的61%.55個大中型廠的復合肥產品平均養分N15.27%,P2O516.53%,K2O13.55%,總養分45.35%[8].高濃度復合肥主要含N,P,K,Cl,S5種植物營養,而作物生長必不可少的營養元素有17種.據2014年農業部全國農業技術推廣中心田有國介紹,最新估測我國耕地土壤中微量元素在缺素臨界值以下的比例為:鈣63%,鎂53%,硫40%,硼84%,鐵31%,鋅42%,錳48%,銅25%,鉬59%,與第2次土壤普查相比,缺中、微量元素的耕地面積增加近1倍.
長期施用高氮復合肥、高濃度復合肥、高濃度磷復肥,致使作物營養失調,使作物抗病害、對不良氣候條件的抗逆能力下降,易遭受病蟲害侵襲.高產作物收獲前易產生倒伏,而倒伏是影響產量進一步提高的制約因素之一.
鄭州大學開發的以脲硫酸分解磷礦,不排出磷石膏,并在造粒過程中添加鈣鎂磷肥、熔融磷鉀肥,所形成的中濃度、多營養、功能性復合肥,含有N+P2O5+K2O總養分36%~42%,CaO+MgO超過5%,S+有效SiO2超過10%,還含有一定量的Mn,Fe,Zn等微量營養元素.脲硫酸功能性復肥是一種低成本、環保型復肥新工藝,總養分40%的脲硫酸功能性復肥,其肥效超過45%的普通復合肥,是高濃度復合肥的替代性產品.
新興農業技術大多把重點放在增加農作物的單位面積產量、縮短生長周期和加強抗病蟲害上,而很少關心營養問題,致使果蔬個頭越來越大,而所含營養素越來越少.
美國某研究所對1975~1997年的12種新鮮蔬菜測定表明,它們的平均鈣含量減少27%、鐵減少37%、維生素A減少21%、維生素C減少30%.英國從1930~1980年,50年間蔬菜鈣含量平均減少19%、鐵減少22%、鉀減少14%;美國德克薩斯州大學對美國農業部1950~1999年記錄的近50年蔬菜、水果的營養數據進行對比,這些蔬果的蛋白質、鈣、磷、鐵、維生素B2、維生素C的含量平均減少5%~40%不等[9].
更營養、更有效的方法是通過施入營養全面的肥料,使產出的農產品更營養,營養平衡才能生產高品質農產品.
(ⅱ)無機肥料與有機肥料、含生物菌劑肥料的失衡.2012年我國無機肥料實物產量16030萬噸,商品化有機肥產量1130萬噸、含生物菌劑有機肥料340萬噸,有機無機復混肥870萬噸,商品肥料總量超過1.8億噸.其中無機肥料占87%,其他類型肥料僅占13%.
2012年約有3030萬噸氮磷鉀養分以各種途徑的有機肥形式返回耕地,有機質資源帶入養分占當年無機、有機總帶入養分量的37%.研究表明,當化肥和有機肥各提供植物營養50%時,化肥副作用不明顯,農藥施用量較低;化肥比例高于50%后,化肥副作用隨之出現,農藥施用量急劇增加.在歐盟目前所施用的各種類型的肥料中,僅僅1/2來自化學肥料,近1/2來自禽畜糞便[10].
當前,許多場合作物碳營養不足已成為高產限制因子.通過施小分子含碳化合物肥補碳,可降低化肥用量而獲得高產.與二氧化碳比較,有機碳肥更具明顯優越性,它已是有機態,無需消耗光能進行有機合成,可促進作物更快地生長.在各地大田應用中,有機碳肥顯示了高產、優質、抗病蟲害等效果[11,12].
(ⅲ)生理酸性肥料與堿性礦質肥料的失衡.2012年我國生產的15388萬噸實物氮、磷肥中,明確的生理酸性肥料有11620萬噸,占75.5%,生理中性或生理酸性肥料3635萬噸,占23.6%,而明確的生理堿性肥料133萬噸僅占0.9%;足見2012年我國生產的肥料中生理酸性肥料與堿性礦質肥料相比,嚴重失衡.
(ⅳ)速效與長效肥料的失衡.當前,我國商品肥料中長效的緩釋肥、有機肥約占8%,速效化學肥料占92%.
2.3肥料管理政出多門
目前,我國管理與指導肥料生產的有工業信息化部及相關的肥料協會;頒發生產許可、制定監管肥料質量標準的有質檢部門、工商管理部門;進行肥料登記管理的有農業部;肥料的流通管理、市場監管隸屬工商部門;肥料使用管理有各級農業部門.這種肥料管理的多元化格局、政出多門、法律缺失,造成多年來肥料生產、銷售、使用等環節問題層出不窮.因此,必須確立肥料管理主體部門.
3解決思路與政策建議
我國化肥使用中存在的3大主要問題是肥料施用過量、肥料結構失衡、肥料管理主體缺失.建議肥料發展應當以提高肥料利用率為核心,實施“以質量替代數量”的發展戰略.
3.1可立即實施的建議
實行養分資源綜合管理,進一步推廣測土配方施肥技術;大力發展復合肥料、專用肥料、BB肥料;推行氮素實時監控技術,大力推廣環境友好緩釋肥料、增值肥料等新型肥料;建立多元化、社會化的農化服務體系,引導農民正確施肥.
3.2需進一步研究的技術和建議
在完成《我國化肥使用中存在的問題與對策》咨詢評議項目的調研中,發現下列技術有一定的應用前景,有助于我國走向肥料強國.
(ⅰ)中低品位磷礦、鉀礦的綜合利用.磷礦是一種不可再生的戰略資源.隨著富礦資源開采的日益枯竭,中國磷資源即將邁入以中低品位礦開發利用為主的時代.因此,研究中低品位磷礦的合理利用和經濟開發已成為磷及磷化工領域的前沿問題和當務之急.
鄭州大學化工與能源學院前身鄭州工學院、鄭州工業大學自1963年至今半個世紀以來,一直從事低品位磷礦不經選礦直接利用的研究.許秀成教授領導的課題組長期研究含鎂熔融磷肥玻璃體結構,對各陰陽離子的配位關系及各陰離子電場強度進行深入研究,早在1983年就提出了玻璃結構因子(Ob/Yb)來描述鈣鎂磷肥玻璃網絡大小,建立了計算Ob/Yb的數學表達式.“鈣鎂磷肥采用玻璃結構因子配料方法”在國內鈣鎂磷肥廠得到普遍采用,使磷礦可直接利用的品位從含P2O5³24%降至P2O5³14%,為礦山和磷肥企業創造了巨大的經濟效益及社會效益,1985年獲得國家發明獎[13,14].
為進一步合理利用中低品位磷礦、選礦尾礦、難溶性鉀礦及礦山廢棄物,我們將含鎂熔融磷肥玻璃體結構擴展至含復雜組分的含磷鋁硅酸鹽玻璃體,可以擴展到包含P2O5,K2O,CaO,MgO,SiO2,Fe2O3,FeO,Al2O3,B2O3,MnO,CuO,ZnO,NiO,MoO2,CoO,TiO2等許多組分的復雜體系,建立了包含這些低化學穩定性復雜組分的玻璃體結構模型,推導出擴展的玻璃結構因子(Ob/Yb)ox及其計算式.對高效利用低品位磷礦、磷礦選礦尾礦、難溶性鉀礦和低品位磷鉀礦制造能為農作物吸收的玻璃體肥料具有一定的理論意義和應用價值[15].中低品位磷礦的合理利用,在國外也得到重視[16,17].
(ⅱ)有機廢棄物資源綜合利用.植物秸稈、腐植酸、牲畜糞便、農作物加工廢棄物、沼氣液都是極好的有機肥源,它們不但是天然的“碳源”,同時含有植物生長必需的其他營養元素,是最佳有機“緩控釋肥”.針對現有化學制漿造紙工藝的嚴重環境污染和資源巨大浪費及我國竹子與農作物及加工廢棄物未能高附加值利用的情況,本團隊聯合多所大學歷經8年攻關,發明了具有投資和改造少、成本低、無污染、生態經濟特點的“分段式”化學制漿清潔新工藝和有機緩控釋肥的新工藝.在工藝、工程、裝備和產品等多方面進行了全面創新,解決了一直困擾制漿行業的傳質、傳熱不均,克服了傳統工藝大量用堿、高溫蒸煮、使用硫化物、蒽醌有毒有害原料及工藝的弊端,結合了化學與機械制漿的優勢,最大程度減少了制漿過程對纖維素、半纖維素的破壞,新工藝使漿料得率從現有工藝的45%~50%提高到70%~85%.在年產10萬噸的示范生產線上已經證明新工藝用竹子可高效率、高收率生產出高質量纖維漿料,利用腐殖酸、纖維素或改性纖維素與纖維提余液中的木質素、鉀、磷、氮及化肥原料,已經生產出經過大田試驗鑒定的具有很好增產和提升品質效果的生物基緩控釋肥料.創新了將新工藝制漿黑液作為生物營養源,通過與腐殖酸及無機肥料的化學反應及物理成型,成功開發了具有很好緩控釋及增產、提質效果的富鉀生物基肥及有機無機復合肥系列產品,使植物細胞質中的還原糖、有機氮、磷酸鹽、鉀鹽等營養物質得到了充分應用,展示了植物體的全價開發和高附加值大規模、廣泛利用的新途經,已經形成具備大規模推廣應用價值的完整工藝包.
生物基肥料具有平衡營養,肥效高,富含有木質素、腐殖酸及其他生物生長所需要的微生物可降解有機和無機營養成分,不會造成白色污染,可提高土壤有機鉀、磷的含量,減少鉀和磷元素的流失,促進土壤中固定鉀和磷利用,改善土壤理化性質和土壤團粒結構,降低土壤密實性,增加土壤的保肥、保水能力;提高肥料緩效性,提高作物抗逆能力、改善作物品質、改善土壤生態.
清華大學、廈門大學、西南大學、華南農業大學、西北農林科技大學等與企業在鹽堿地改造、清潔制漿、水性肥、緩控釋有機肥料、腐殖酸磺酸鹽、秸稈磺酸鹽、木質素磺酸鹽水溶性大分子和水溶性有機小分子及構型復合肥等實用生產工藝合作開發和應用評價方面實現重大突破,使大規模、低成本生產具有保水和保肥土壤修復及大規模鹽堿地和沙漠的改造成為可能.
3.3建立統一歸口的肥料管理體系
我國化肥管理呈多元化格局,肥料管理政出多門,建議從肥料生產(工業)、銷售(商業)、使用(農業)等環節進行協調,統一管理.在生產環節,統一生產許可和登記管理,細化產品列單、肥料屬性要求和有毒有害物質指標限制,并納入法規文本,建立標簽制度;在流通環節,統一市場檢查、檢驗、監督機構,加強處罰和賠償;在使用環節,提高農戶施肥的專業技術水平;創建農業科技服務公司;建立現代化的物流運輸體系.通過肥料產業發展規劃和政策法規管理來實現肥料可持續發展.
糧食增產模式應從粗放型轉變為高效、綠色,以提高肥料利用率為核心,實現“以質量替代數量”,建議通過技術措施、管理法規和科技創新來建立適合中國國情的綠色肥料保障體系,使我國化肥事業走上健康發展的道路.
4建立綠色肥料保障體系的關鍵科學問題
4.1綠色肥料
綠色肥料的定義之一為:利用現代技術來設計和生產能夠最大限度減少肥料對人類健康危害、減輕環境污染而又能維持相對高的農產品質量和品質的肥料品種,它必須滿足最少資源和能源消耗、最輕環境污染且具有最大的養分可循環利用[18].它比較全面地提出了對綠色肥料的要求.
4.2綠色肥料保障體系
美、日、歐盟各國肥料總量、肥料源污染強度,在20世紀80年代均已通過頂峰,而我國至今仍處于上升階段,為使我國肥料農用總量及對環境的污染強度盡快跨過頂峰,并迅速減量,必須建立綠色肥料保障系統.
綠色肥料保障體系是指:不單純要生產“綠色肥料”,而必須從“綠色化肥原料”、“綠色生產工藝”、“綠色肥料的性能或特征”多方面構建肥料保障體系.綠色肥料體系的內容包括:綠色原料、綠色制造、綠色產品、綠色流通和綠色施用.對綠色原料、綠色制造的要求在“綠色肥料產業體系構建及其科學問題”已有論述.
(ⅰ)綠色原料.肥料包括化學肥料、有機肥、含微生物菌劑的肥料.氮肥充分利用低熱值非無煙煤制合成氣及工業廢棄資源生產氮肥,符合原料綠色化的要求;磷肥高效利用低品位磷礦、磷礦選礦尾礦、難溶性低品位鉀長石、海綠石、含鉀頁巖、云母礦生產鈣鎂硅磷鉀肥,上述原料均符合原料綠色化的原則.
鉀肥從難溶性鉀礦中制取鉀肥或從海水綜合利用提取鉀鹽,符合原料綠色化原則.
有機肥充分利用有機廢棄物中的養分,符合原料綠色化的原則.
含微生物菌劑的肥料能提供一個解決施肥太多,過量使用農藥的替代方案.
(ⅱ)綠色制造.采用具有低能耗、低排放、零排放的綠色合成路線、綠色反應條件的生產工藝.特別是與工農業廢棄物(秸稈、果汁廠、中藥廠等殘渣等)污染治理技術相結合的制造工藝.西北農林科技大學劉存壽課題組[19]模擬自然植物營養循環原理,生產仿生有機復合肥的生產工藝;磷酸生產用半水或半水-二水法取代二水法工藝,可減少硫酸消耗、提高P2O5得率、減少磷石膏煅燒能耗[20].
草酰胺((NH2)2C2O2)是緩釋氮肥,含氮31.81%,100g水中溶解度0.02g,施入土壤后,被微生物分解,而氮能被緩慢吸收.通過水解雙氰可制取草酰胺,其原子效率100%,反應式如下:N≡C–C≡N+H2O→H2NCOCONH2雙氰價格昂貴,無競爭能力,這種方法未得到發展.而由CO偶聯法合成草酸二酯工藝,生產安全,不污染環境[21].
(ⅲ)綠色產品.具有綠色肥料性能或特征的產品.由工農業廢棄物通過有限制的降解(不必完全氧化至CO2)生成亞微米級(100~1000nm)小分子含碳化合物,如酵母發酵液、味精廢液降解后的產品;由低品位磷礦、難溶性鉀鹽通過熔融或燒結生成的熔融磷鉀肥、硅鈣鉀肥;由微粉碎磷礦,農用微生物與禽畜糞便發酵后所獲得的有機肥;添加0.3%即能減少化肥用量30%的納米碳、納米氫氧化鎂、納米腐殖酸肥等.這些新型肥料具有與污染治理相結合,或者有利于資源可持續利用,或者用量很少而效果顯著等特征,可提高肥料利用率,與大宗基礎肥料相結合可提升肥料性能,達到以“質量代替數量”的發展戰略.
(ⅳ)綠色流通、綠色施用.我國每生產和施用1噸氮肥所引起的溫室氣體排放達13.5噸CO2eq.而歐洲為9.7噸.氮肥溫室氣體排放中,生產和運輸環節占61%,農田施用環節占39%[22].
計算表明,年銷售15萬噸的復合肥料廠,在本省的市場占有率達16%,即可在本省內消化.但是我國很大一部分基礎肥料、復合肥料的銷售運距在1000km以上.
農業的循環之道是地產地銷,遵循最低限度物料移動原則[23].綠色流通、綠色施用是盡可能使用地產化肥,并通過深施,減少揮發損失.合理利用有機肥,種養結合,養分就近還田,減少化肥投入.——論文作者：趙玉芬*,尹應武
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