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”專刊序言

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(duì)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(duì)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]。“十五”以來的4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(duì)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?？蒯尫柿?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(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(duì)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?？M(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)芹菜產(chǎn)量、品質(zhì)有一定的提升。針對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)“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(duì)化肥的需求。