穩(wěn)定性肥料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

■中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 石元亮，李杰，王玲莉，李忠，魏占波

專題：增效肥料——傳統(tǒng)肥料新思路

穩(wěn)定性肥料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

■中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 石元亮，李杰，王玲莉，李忠，魏占波

穩(wěn)定性肥料是指在肥料的生產(chǎn)過程中，添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑，或者同時添加兩種抑制劑的肥料。其良好的農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效益為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效提供了重要途徑。近年來穩(wěn)定性肥料在基礎(chǔ)科研和生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域均發(fā)展較快，使我國在這一領(lǐng)域一躍成為國際領(lǐng)先。穩(wěn)定性肥料的核心是脲酶抑制劑和硝化抑制劑，我國在抑制劑及其應(yīng)用方面先后提出了協(xié)同增效技術(shù)和雙重調(diào)控的肥料長效增效技術(shù)與產(chǎn)品，使世界的抑制劑應(yīng)用由單相應(yīng)用邁向了復(fù)合時代。根據(jù)農(nóng)田作物的具體情況，我國研究開發(fā)出了緩釋尿素、穩(wěn)定性專用復(fù)合（混）肥、穩(wěn)定性復(fù)合氮肥及穩(wěn)定性二銨（長效二銨）及長效碳銨等一系列產(chǎn)品。同時也根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要開發(fā)出可以由農(nóng)民直接與肥料混合使用的產(chǎn)品，其中包括肥隆、增銨系列產(chǎn)品等，較大程度上補充了穩(wěn)定性肥料的不足的限制。在新材料方面，我國研究并提出了脲酶抑制劑的保護劑，近年也對新的天然材料進行了研究，包括部分中藥、芳香植物等，發(fā)現(xiàn)了30多種材料具有抑制劑功能，其中有10種植物具有硝化和脲酶的雙重抑制劑功能，這些工作為我們進行進一步的研究發(fā)現(xiàn)新抑制劑材料和發(fā)現(xiàn)保護材料奠定了基礎(chǔ)。

肥料是主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料之一，尤其是氮肥對肥料增產(chǎn)更為重要。我國氮肥約占化肥總用量的51%～53%，但是利用率較低，只有30%～35%左右。作為化肥最大的生產(chǎn)國和消費國，我國急需解決化肥利用率低、資源浪費和農(nóng)業(yè)面源污染嚴重等問題，而穩(wěn)定性肥料是解決這些問題的有效途徑之一。農(nóng)業(yè)部提出，到2020年中國農(nóng)業(yè)要實現(xiàn)“一控兩減三基本”的發(fā)展目標(biāo)，其中減肥是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效的提升點和突破口。2015年以來，農(nóng)業(yè)部先后發(fā)布了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年化肥使用量零增長行動方案推進落實方案》。力爭到2020年，我國新型肥料的施用量占總體化肥使用量的比重從目前的不到10%提升到30%，鼓勵開發(fā)高效、環(huán)保新型肥料，其重點是緩控釋肥、穩(wěn)定性肥料所需要的硝化抑制劑、脲酶抑制劑等添加劑。因此發(fā)展穩(wěn)定性肥料對于我國化肥減施增效和實現(xiàn)零增長具有重大戰(zhàn)略意義。

1 穩(wěn)定性肥料研究現(xiàn)狀

縱觀國內(nèi)外化肥工業(yè)發(fā)展，可視為單質(zhì)肥料、復(fù)合肥料和以緩控釋肥料/穩(wěn)定性肥料為主要代表的新型肥料三個發(fā)展階段。穩(wěn)定性肥料是指在肥料的生產(chǎn)過程中，添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑，或者同時添加兩種抑制劑的肥料。穩(wěn)定性肥料在行業(yè)標(biāo)準出臺之前，被稱為長效緩釋肥或長效肥。2013年，國家將穩(wěn)定性肥料納入生產(chǎn)許可證管理時，將穩(wěn)定性肥料做出了分類。即：只在肥料中添加脲酶抑制劑的肥料叫做穩(wěn)定性肥料Ⅰ型；只在肥料中添加硝化抑制劑的肥料叫做穩(wěn)定性肥料Ⅱ型；同時添加兩種抑制劑的肥料叫做穩(wěn)定性肥料Ⅲ型。

我國穩(wěn)定性肥料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已超過三十年，經(jīng)過多年的推廣，目前已經(jīng)成為世界上最大的穩(wěn)定性肥料產(chǎn)品生產(chǎn)和使用國家，穩(wěn)定性尿素產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)等已經(jīng)達到國際先進水平，也使我國的相關(guān)產(chǎn)品具有較大的國際競爭力，其良好的農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效益為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效提供重要支撐。

穩(wěn)定性肥料技術(shù)特點包括：1）氮肥利用率得到提高。氮肥利用率由30%提高到42%，多年多地實驗證明，在玉米、水稻等作物上減少氮肥使用量20%不會造成減產(chǎn)；2）氮肥肥效期得到延長。尿素肥效期由50～60天延長到90～120天，為普通尿素的2倍?？蓪崿F(xiàn)大田作物一次性施肥無需追肥；3）低面源污染環(huán)境友好。減少氮淋失48.2%，降排N2O64.7%；產(chǎn)品對環(huán)境安全，無殘留（當(dāng)年在土壤中降解率達到99%以上）；4）生產(chǎn)工藝簡單成本低。設(shè)備改造投資極少，易于原工藝結(jié)合，對于尿素生產(chǎn)線的改造費用約8萬～12萬元，對于符合肥生產(chǎn)線的改造費用一般在3.5萬～4.5萬元；化肥成本增加只有普通復(fù)合肥的2.5%～3.5%；5）增產(chǎn)效果明顯。等氮量施肥平均增長7%～18%，減少20%用肥量不減產(chǎn)。

脲酶抑制劑和硝化抑制劑是穩(wěn)定性肥料的技術(shù)核心。土壤脲酶抑制劑是對土壤脲酶活性有抑制作用的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱。脲酶抑制劑在我國的研究起步較晚，70年代中期，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所首先進行了系統(tǒng)研究，以周禮愷等為代表的土壤酶學(xué)工作者率先開展了氫醌對尿素水解、氨揮發(fā)、硝化和反硝化及作物產(chǎn)量等方面的工作，做了大量系統(tǒng)的室內(nèi)試驗和田間試驗。自80年代后期，我國對脲酶抑制劑的研究轉(zhuǎn)向磷酰胺類化合物，主要是NBPT和PPD。自90年代中后期以及進入21世紀以來，脲酶抑制劑的研究種類仍多集中于HQ、NBPT和PPD，也開始運用了氮標(biāo)記同位素示蹤技術(shù)來研究施用脲酶抑制劑后肥料氮的去向及土壤氮轉(zhuǎn)化，更深入地揭示脲酶抑制劑的抑制效果。期間也有學(xué)者開展了硫脲對脲酶活性、尿素氮轉(zhuǎn)化及玉米產(chǎn)量影響的研究。目前世界肥料市場上已經(jīng)申請專利并施用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的脲酶抑制劑有很多，多數(shù)集中在德國、印度和美國，但是只有NBPT和HQ兩種脲酶抑制劑已經(jīng)得到實際的應(yīng)用和作為商品在市場流通。

從廣義上來講，凡能夠延緩硝化過程反應(yīng)鏈中任一步或幾步反應(yīng)的化合物都可以稱之為硝化抑制劑。但由于NO2-在土壤中存留的時間較短，所以理想的硝化抑制劑是指能抑制亞硝化細菌的活性，從而抑制硝化作用第一步反應(yīng)（氨氧化作用）的化合物。我國硝化抑制劑的研究始于20世紀60年代的中科院南京土壤研究所李慶奎團隊。70年代，中科院沈陽生態(tài)所張志明團隊針對硝化抑制劑DCD開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的長效碳酸氫銨產(chǎn)品。

由于單一使用脲酶抑制劑的有效作用時間較短，且僅能延緩氨揮發(fā)的生成時間，而不能減少其總損失；硝化抑制劑的作用效果則取決于尿素氮的水解產(chǎn)物在土中的累積進程與數(shù)量。只有將這兩類抑制劑配合使用，發(fā)揮其協(xié)同作用，才能有效調(diào)節(jié)尿素氮在土中轉(zhuǎn)化的整個進程，從而減少尿素氮多種途徑的損失。90年代中期以后，抑制劑開始轉(zhuǎn)向復(fù)合型，即脲酶/硝化抑制劑組合和兩種脲酶抑制劑組合使用，開展了大量的研究。到90年代中后期，中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)所推出復(fù)合型氮肥長效增效劑，集脲酶抑制劑、硝化抑制劑于一體，并且逐步形成“協(xié)同增效”技術(shù)。21世紀以來，德國BASF公司推出DMPP，相比DCD，DMPP具有高效、低毒、穩(wěn)定的特點，使其迅速成為新型硝化抑制劑，同時也豐富了脲酶/硝化抑制劑組合的研究。國內(nèi)學(xué)者們對DMPP及其衍生物也展開了大量研究。DMPP較高的價格限制了其大面積推廣，武志杰團隊研究了DMPP及其改性物質(zhì)DMP（3,5-二甲基吡唑）、DMPZP（3,5-二甲基吡唑磷酸鹽）和DMHMP（1-羥甲基-3,5-二甲基吡唑）、CMP（1-甲基吡唑-1羧酰胺）等吡唑類硝化抑制劑的室內(nèi)效果和田間效果，并篩選出幾種價格低廉性能高效的硝化抑制劑。近十年來，硝化抑制劑的研究也伴隨著分子生物學(xué)技術(shù)手段的運用，逐漸轉(zhuǎn)移到了其對氮相關(guān)微生物（主要是土壤氨氧化微生物）的影響研究，對其抑制機理也有進一步的補充，國內(nèi)學(xué)者也做了相應(yīng)的研究工作。目前，申請了專利并注冊商標(biāo)在市場上流通的硝化抑制劑品種十分豐富，但是只有DCD、DMPP和Nitrapyrin（氯甲基吡啶）在農(nóng)業(yè)上得到應(yīng)用。

我國自本世紀初開始，即進行了大量的抑制劑協(xié)同增效技術(shù)的完善與應(yīng)用研究，這些研究成果使我國的穩(wěn)定性肥料的效果已超過了國際上發(fā)達國家在這一領(lǐng)域的研究，達到了國際領(lǐng)先水平，突出反應(yīng)在氮養(yǎng)分有效期延長和成本降低上。以中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所及沈陽中科新型肥料有限公司為首的相關(guān)單位開發(fā)出的復(fù)合型抑制劑可以使氮養(yǎng)分有效期達到120天，施入土壤120天與普通尿素比，土壤中的有效氮仍可以高64%～123%，達到了120～130天生育期的作物一次性施肥免追肥。由于抑制劑的協(xié)同作用，使抑制劑的用量有了較大的降低，田間用量為德國和北美的30%～60%，成本是國際上同類產(chǎn)品成本增加的40%～50%。到目前這一技術(shù)在我國已得到了廣泛的應(yīng)用，先后已有緩釋尿素、穩(wěn)定性復(fù)合肥、穩(wěn)定性復(fù)合氮肥等產(chǎn)品推向市場，這些產(chǎn)品已成為我國新型肥料的主流產(chǎn)品。

新型抑制劑材料的研究在我國也在不斷的研究，主要涉及到新的抑制劑材料的發(fā)現(xiàn)及抑制劑保護技術(shù)的研究。史云峰團隊研究了17科30種芳香植物水浸提液對土壤中尿素水解和硝化作用的抑制效果。發(fā)現(xiàn)部分植物浸提液能夠抑制脲酶活性和硝化作用，菊科植物洋甘菊和蕓香科植物桔子花提取物既能有效抑制尿素水解，又能有效減緩硝化作用。

此外，植物的根系分泌物也被發(fā)現(xiàn)能夠抑制硝化作用，該現(xiàn)象被科學(xué)家描述為BNI，發(fā)現(xiàn)部分植物根系分泌物對土壤硝化細菌有特定抑制效果。2016年，施衛(wèi)明團隊發(fā)現(xiàn)水稻根系分泌物可以調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化，并首次鑒定到1,9-癸二醇這種化合物具有硝化抑制劑作用，發(fā)現(xiàn)其主要通過抑制氨單加氧酶(AMO)過程來抑制硝化作用，并明確了1,9-癸二醇是水稻根系分泌的天然物質(zhì)，并報道其抑制效果顯著好于DCD。

2 穩(wěn)定性肥料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

隨著脲酶/硝化抑制劑的研究發(fā)展，上個世紀80年代初期，中科院生態(tài)所研究的長效尿素已在遼河化肥廠、盤錦化肥廠、大慶化肥廠、浩良河尿素廠等企業(yè)投入生產(chǎn)，是以脲酶抑制劑為主的長效尿素產(chǎn)品，已在東北、華北、華東等地區(qū)的大田上得到廣泛應(yīng)用。中科院沈陽生態(tài)所成功研制出長效碳酸氫銨，并在90年代中后期，實現(xiàn)了長效碳銨的產(chǎn)業(yè)化，于1998年獲得了國家科技進步二等獎。在此期間由于技術(shù)的限制，穩(wěn)定性肥料均為單抑制劑類肥料產(chǎn)品。

21世紀初，在科技部“十一五”“十二五”國家科技攻關(guān)計劃和支撐計劃項目的支持下，以中科院沈陽生態(tài)所武志杰和石元亮為代表，探明了脲酶和硝化抑制劑在氮素轉(zhuǎn)化調(diào)控中的協(xié)同增效作用及協(xié)同作用的土壤酶學(xué)機理，結(jié)合土壤微生物學(xué)和土壤養(yǎng)分循環(huán)基礎(chǔ)理論的研究，借鑒國外技術(shù)針對我國農(nóng)業(yè)及化肥行業(yè)特點，開發(fā)出了協(xié)同增效作用技術(shù)并用于肥料改性。與施可豐化工股份有限公司、沈陽中科新型肥料有限公司、錦西天然氣化工股份有限公司和黑龍江倍豐集團成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。脲酶/硝化抑制劑復(fù)合產(chǎn)品—NAM、增銨系列產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，使我國穩(wěn)定性肥料真正邁進了工業(yè)化生產(chǎn)階段，根據(jù)一次性施肥簡化農(nóng)作過程等需要將這一技術(shù)應(yīng)用到了復(fù)合肥（專用肥）的生產(chǎn)中，使穩(wěn)定性肥料技術(shù)的應(yīng)用空間更廣泛。為推廣穩(wěn)定性肥料，由中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所牽頭，于2010年創(chuàng)立了“穩(wěn)定性肥料技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，到目前成員單位達到68家。牽頭制定了《穩(wěn)定性肥料》行業(yè)標(biāo)準，于2011年3月正式頒布實施。行業(yè)標(biāo)準的頒布標(biāo)志著我國穩(wěn)定性肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步入了一個新的階段。

針對穩(wěn)定性肥料，我國將脲酶抑制劑和硝化抑制劑在氮素轉(zhuǎn)化調(diào)控中的協(xié)同增效作用用于肥料改性，解決了單一抑制劑作用時間短、氮肥轉(zhuǎn)化釋放過快的問題，實現(xiàn)了長效復(fù)混肥和緩釋尿素一次性基施免追肥。穩(wěn)定性肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的主要有穩(wěn)定性尿素、穩(wěn)定性復(fù)合氮肥、穩(wěn)定性復(fù)合肥和穩(wěn)定性摻混肥。穩(wěn)定性復(fù)合（混）肥企業(yè)包括山東施可豐化工、昆明農(nóng)家樂化肥、黑龍江倍豐集團河北中嘉化肥、重慶江北化工等四十幾家，年產(chǎn)銷量達100萬噸以上。穩(wěn)定性尿素生產(chǎn)企業(yè)包括遼寧華錦化工、山東魯西化工、四川美豐、中化吉林長山、陜西豐喜化工集團、吉林隆源化肥、湖北祥云集團、江蘇華昌化工股份有限公司、中化集團、錦州化工股份有限公司、四川美豐化工股份有限公司在等，年產(chǎn)銷量在30萬噸以上。穩(wěn)定性肥料生產(chǎn)工藝上也進行了一系列技術(shù)研發(fā)。穩(wěn)定性尿素生產(chǎn)中實現(xiàn)了生化抑制劑與溶劑載體的復(fù)合、與尿漿熔液的互溶及均勻分布，并進一步研發(fā)了穩(wěn)定性大顆粒尿素的生產(chǎn)工藝。在穩(wěn)定性尿素生產(chǎn)工藝中開發(fā)出了連續(xù)降解即時加入的生產(chǎn)工藝，解決了抑制劑溶解時間長、分解長效及腐蝕熔融泵的問題。氨酸法工藝是近十年來國內(nèi)出現(xiàn)的一種最新的復(fù)合肥生產(chǎn)技術(shù)，我國已開發(fā)出可以適應(yīng)這一工藝的穩(wěn)定性復(fù)混肥的生產(chǎn)工藝與技術(shù)，減少了抑制劑在高溫和酸性條件下的損失。

我國已建立起了“全國緩控釋肥試驗示范協(xié)作網(wǎng)”，迄今已運行9年，協(xié)作網(wǎng)覆蓋全國22個省份，深度研究了不同作物專用肥配方、施用技術(shù)，為穩(wěn)定性肥料的推廣起到了積極的作用。涉及試驗示范作物包括水稻、玉米、小麥、大豆、棉花、甘薯、花生、油菜、胡蘿卜、大蔥、大蒜、姜、蘋果、菠蘿、甘蔗、荔枝、柑橘、橡膠、香蕉、龍眼和茶葉20余種。田間試驗表明，平均增產(chǎn)50-170公斤/畝，增產(chǎn)率達5%～20%。其中水稻平均增產(chǎn)率為6.5%，玉米平均增產(chǎn)率為9.8%，小麥平均增長率為11.2%，大豆平均增產(chǎn)率為7.4%，馬鈴薯增產(chǎn)23%～35%。在主要作物上能夠達到一次性施肥免追肥，省時省工，節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。

2016年，我國穩(wěn)定性肥料產(chǎn)量約145萬噸，其中穩(wěn)定性尿素33萬噸，穩(wěn)定性復(fù)混肥122萬噸，年總產(chǎn)量已達世界穩(wěn)定性肥料產(chǎn)量的三分之一，居世界第一。肥料產(chǎn)品達60余個，累積推廣面積已達3億畝。應(yīng)用區(qū)域遍及東北、中原、西南、西北及長江流域等22個省。

3 穩(wěn)定性肥料發(fā)展存在問題

環(huán)境友好、穩(wěn)定高效、應(yīng)用便捷雖是未來肥料發(fā)展的總趨勢。穩(wěn)定性肥料技術(shù)在不斷集成創(chuàng)新中蓬勃發(fā)展，但是現(xiàn)有產(chǎn)品與技術(shù)仍存在著成本較高，區(qū)域劃分不清晰、抑制劑有效期短等問題，以綠色環(huán)保、價廉質(zhì)高的抑制劑研發(fā)為突破口，通過規(guī)?；?、連續(xù)化和自動化的工藝和設(shè)備升級換代，創(chuàng)制穩(wěn)定性肥料的新產(chǎn)品，實現(xiàn)新型肥料產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；?，保障國家生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國穩(wěn)定性肥料未來發(fā)展的目標(biāo)。為了進一步促進穩(wěn)定性肥料健康發(fā)展，還要解決以下科學(xué)和技術(shù)問題：

技術(shù)方面：脲酶抑制劑、硝化抑制劑作用效果的持久性；不同抑制劑配伍協(xié)同、抑制劑和增效劑復(fù)合作用機理與技術(shù)；不同種類氮肥專用抑制劑的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化生物化學(xué)過程調(diào)控；新型高效脲酶/硝化抑制劑的篩選與合成、專用脲酶/硝化抑制劑構(gòu)建技術(shù)；提高脲酶/硝化抑制劑穩(wěn)定性、延長有效期的保護技術(shù)等。

目前穩(wěn)定性肥料所使用的抑制劑在不同區(qū)域的作用效果不同，我國土壤肥料研究人員已進行大量工作，篩選了部分抑制劑，以適應(yīng)我國的土壤條件和氣候條件。并且進行了大量的與抑制劑組合使用的研究，取得了很大的進展。但是對于不同種類的抑制劑對不同土壤及作物的適應(yīng)研究進行還不夠，還應(yīng)進行深入研究。

市場和法規(guī)方面：雖然我國從事穩(wěn)定性肥料等新型肥料技術(shù)研發(fā)的機構(gòu)較多，但相關(guān)行業(yè)市場還不完善的情況下，市場混亂，以假亂真，管理的法律法規(guī)不健全等，影響穩(wěn)定性肥料產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。今后應(yīng)當(dāng)快速建立起管理的標(biāo)準，引導(dǎo)穩(wěn)定性肥料產(chǎn)業(yè)向著有利于農(nóng)民，有利于環(huán)境的方向發(fā)展。