新型尿素發(fā)展現(xiàn)狀及前景

陳全德，王 濤，余永德

(四川瀘天化股份有限公司 四川瀘州 646300)

尿素是我國化學(xué)氮肥的主要品種，約占氮肥消費(fèi)總量的65%。尿素因活性強(qiáng)、損失途徑多，所以利用率較低。國內(nèi)外大量研究表明，未被作物利用的氮肥基本上不能在土壤中直接殘留。我國農(nóng)田氮肥的利用率在30%左右，明顯低于發(fā)達(dá)國家50%～60%的水平，每年通過揮發(fā)、淋洗和徑流等途徑損失的尿素高達(dá)20 000 kt以上，不僅浪費(fèi)大量能源，而且對(duì)環(huán)境也造成極大的威脅，如何提高氮肥利用率成為亟待解決的問題[1]。

針對(duì)尿素在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的諸多問題，國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)已投入大量的資源研究、開發(fā)、生產(chǎn)尿素增效劑和新型尿素，并取得了可喜的成果。

1 新型尿素分類

新型尿素是在基本不改變當(dāng)前尿素生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，通過增加簡單的設(shè)備，向尿液中直接添加增效劑或在尿素顆粒外表面噴涂增效劑后得到的尿素產(chǎn)品。新型尿素主要可以分為緩釋尿素、穩(wěn)定性尿素、聚合氨基酸尿素、含微量元素尿素和增值尿素等五大類。

1.1 緩釋尿素

緩釋尿素最大的特點(diǎn)是力求做到養(yǎng)分釋放與作物對(duì)養(yǎng)分的吸收同步，簡化施肥技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次性施肥滿足作物整個(gè)生長期的需要，肥料損失少，提高了氮素利用率，對(duì)環(huán)境友好。緩釋尿素主要是包膜尿素，即在尿素外表面包裹一層或多層滲透擴(kuò)散阻滯層來緩解和控制尿素溶解釋放。其包膜材料分為無機(jī)物和有機(jī)物兩類，無機(jī)類包膜材料有硫黃、硅酸鹽、磷礦粉、石膏、鈣鎂磷酸鹽、膨潤土等；有機(jī)類包膜材料有屬于天然高分子聚合物類的天然橡膠、纖維素、木質(zhì)素、淀粉、甲殼素等，也有人工合成的樹脂、表面活性劑等。市場(chǎng)上常見的包膜尿素有硫包衣尿素、樹脂包膜尿素、聚氨酯包膜尿素、植物油包膜尿素、聚乳酸包膜尿素等。楊天悅[2]、李玉等[3]研究表明，包膜尿素在降低尿素淋溶損失、提高氮肥利用率、保證土壤有效氮持續(xù)供應(yīng)等方面有良好的效果。但包膜尿素存在以下幾個(gè)問題：①制孔技術(shù)還不成熟；②營養(yǎng)釋放與作物吸收不能完全同步；③容易給土壤帶來污染；④成本較高，產(chǎn)業(yè)化難度大。

1.2 穩(wěn)定性尿素

穩(wěn)定性尿素是通過一定工藝，在尿素造粒過程中加入一定劑量的脲酶抑制劑、硝化抑制劑或二者的組合劑生產(chǎn)的新型尿素。抑制劑可以緩解尿素水解，控制硝態(tài)氮的形成，使氮養(yǎng)分在土壤中保持更長的時(shí)間，提高有效性。脲酶抑制劑是指能夠抑制土壤中脲酶活性，延緩尿素水解的一類化學(xué)制劑。脲酶是土壤中能催化尿素水解的專一性水解酶，脲酶抑制劑控制尿素水解的機(jī)理主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是巰基的氧化降低脲酶活性，二是爭奪配位體降低脲酶活性。目前常用的脲酶抑制劑為有機(jī)化合物類，主要為氫醌(HQ)、正丁基硫代磷酸三胺(NBPT)、苯基磷酰二胺(PPDA)、硫脲等。硝化抑制劑是指一類能夠抑制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的生物轉(zhuǎn)化過程的化學(xué)物質(zhì)。硝化抑制劑通過減少硝態(tài)氮在土壤中的生成和累積，從而減少氮肥以硝態(tài)氮形式的損失及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。目前工業(yè)化生產(chǎn)的硝化抑制劑主要有2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(又稱氮吡啶，CP)、雙氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)，此外還有脒基硫脲(ASU)、2-甲基-4,6-雙(三氯甲苯)均三嗪(MDCT)、2-磺胺噻唑(ST)等[4-6]。王靜等[7]、張素萍等[8]、楊煥煥等[9]使用穩(wěn)定性尿素分別對(duì)水稻、玉米、小麥開展田間試驗(yàn)，結(jié)果表明穩(wěn)定性尿素能有效提高氮素的利用率，延長肥效期，省時(shí)省工，節(jié)肥增產(chǎn)；對(duì)環(huán)境友好，可有效減輕因施肥造成的環(huán)境污染。但穩(wěn)定性尿素生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，存在相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)，特別是脲酶抑制劑和硝化抑制劑添加工藝，目前只有德國巴斯夫公司和美國科氏工業(yè)集團(tuán)擁有成熟的添加工藝，加入的脲酶抑制劑和硝化抑制劑在熔融尿液中不分解，能保持活性。添加脲酶抑制劑和硝化抑制劑的穩(wěn)定性尿素在歐美應(yīng)用廣泛，但在國內(nèi)因工藝和成本原因還沒有得到很好的推廣應(yīng)用。

1.3 聚合氨基酸尿素

聚合氨基酸尿素是在傳統(tǒng)尿素的基礎(chǔ)上，添加聚合氨基酸增效劑生產(chǎn)的新型尿素，目前主要有聚谷氨酸尿素和聚天冬氨酸尿素(又稱多肽尿素)2種。聚合氨基酸高分子化合物能起到離子泵的作用，能強(qiáng)化作物對(duì)氮、磷、鉀及微量元素的吸收。聚谷氨酸是生物發(fā)酵獲得的物質(zhì)，聚天冬氨酸可以通過生物發(fā)酵和人工仿生合成獲得，這2種聚合氨基酸都具有長鏈蛋白質(zhì)和陰離子表面活性劑等特性，可促進(jìn)植物的新陳代謝，增強(qiáng)植物抗性；對(duì)作物所需營養(yǎng)成分具有極強(qiáng)的螯合功能和催化作用；不但能促進(jìn)作物對(duì)尿素的全面吸收，提高氮肥利用率，還能富集土壤中氮、磷、鉀及微量元素供植物吸收利用，進(jìn)而提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量。曹國強(qiáng)等[10]、高山等[11]、揣峻峰等[12-13]研究了聚谷氨酸尿素在大豆、水稻、小油菜上的施用效果，結(jié)果表明聚谷氨酸尿素能提高氮素的利用率，促進(jìn)作物對(duì)除氮外的其他營養(yǎng)元素的吸收和利用，能增產(chǎn)增效。陳秉翼[14]、徐嘉翼等[15]、倪承凡等[16]、唐會(huì)會(huì)等[17]、王娜等[18]研究了聚天冬氨酸/鹽尿素在水稻、玉米上的施用效果，結(jié)果顯示聚谷氨酸/鹽尿素能有效提高氮素的利用率，減少氮素流失，提高產(chǎn)量，同時(shí)還能增強(qiáng)水稻、玉米的抗逆能力。

1.4 含微量元素尿素

含微量元素尿素是在傳統(tǒng)尿素基礎(chǔ)上添加植物所需的微量營養(yǎng)元素，如鋅、硼、銅、鐵、錳、鉬等而生產(chǎn)的一類新型尿素。微量元素雖然含量很低，但由于其參與植物體內(nèi)的生理生化過程，因此在植物的生長發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外許多研究表明，微量元素在提高氮肥利用率上有重要作用。陳永利[19]、李翀[20]、魯榮海等[21]、陳登康等[22]的研究表明，含微量元素的尿素具有以下特點(diǎn)：①含多種養(yǎng)分元素，可減輕作物缺素癥；②微量元素與尿素協(xié)同增效，可提高氮肥的利用率；③促進(jìn)作物酶、蛋白質(zhì)的合成，增強(qiáng)光合作用、新陳代謝等生理功能，從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育；④增強(qiáng)作物抗旱、抗寒、抗鹽堿、抗倒伏、抗病蟲害等能力，可提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)；⑤微量元素隨追肥進(jìn)入，可減少施肥次數(shù)，省工省時(shí)。含微量元素肥料不僅能促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量，還能改善果蔬、谷物品質(zhì)，增加微量元素含量，進(jìn)而提高人體膳食必需的微量元素?cái)z入量，改善人體營養(yǎng)狀況[23-24]。目前市場(chǎng)上常見的含微量元素的新型尿素有含鋅尿素、含錳尿素、含鋅硼尿素等。

1.5 增值尿素

增值尿素是在傳統(tǒng)尿素的基礎(chǔ)上，添加腐殖酸、黃腐酸、海藻酸、核糖核苷酸、殼寡糖以及生物菌等增效劑而生產(chǎn)的新型尿素。通過活性增效載體與傳統(tǒng)尿素的科學(xué)配伍，實(shí)現(xiàn)對(duì)“氮肥-作物-土壤”的綜合調(diào)控，更大幅度地提高氮肥利用率。大量研究表明[25-29]，添加活性增效載體的新型尿素具有以下功能特點(diǎn)：①促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)通透性；②降低表土含鹽量；③增加土壤有機(jī)質(zhì)和有益微生物菌群；④抑制土壤中脲酶活性，減緩尿素轉(zhuǎn)化，減少氮素?fù)p失，長效補(bǔ)充營養(yǎng)，提高氮肥利用率；⑤調(diào)動(dòng)作物根系主動(dòng)吸收養(yǎng)分的能力，促進(jìn)根系生長發(fā)育，增強(qiáng)作物對(duì)氮、磷、鉀及中微量元素的全面吸收；⑥活化土壤中的磷素及中微量元素，補(bǔ)充農(nóng)作物生長過程中對(duì)營養(yǎng)元素的需求，促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量；⑦增強(qiáng)作物抗病、抗旱、抗寒能力，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

2 新型尿素生產(chǎn)工藝

在基本不改變尿素生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有尿素生產(chǎn)裝置進(jìn)行少量改造，即可實(shí)現(xiàn)新型尿素的生產(chǎn)?，F(xiàn)有的新型尿素生產(chǎn)工藝主要有以下3種。

(1)向熔融尿液中添加一定比例的增效劑，再通過噴頭旋轉(zhuǎn)造粒。增效劑的添加方式有兩種，一是通過進(jìn)料泵加到尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的一段與二段蒸發(fā)器之間的U形管處，二是加到二段蒸發(fā)器后、造粒之前的管道中。第1種添加方式的優(yōu)點(diǎn)是配置的增效劑添加管線短，投資少，生產(chǎn)的新型尿素水分含量相對(duì)較低，不易板結(jié)；缺點(diǎn)是會(huì)將雜質(zhì)帶入系統(tǒng)，導(dǎo)致排水指標(biāo)超標(biāo)，造成設(shè)備腐蝕，縮短設(shè)備使用壽命。第2種添加方式的優(yōu)點(diǎn)是增效劑沒有進(jìn)入尿素生產(chǎn)裝置的真空系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備影響??；增效劑與高溫尿液接觸時(shí)間短，結(jié)構(gòu)不易被破壞，更能保證其完整性和活性。第2種添加方式的缺點(diǎn)是配置的增效劑添加管線長，生產(chǎn)的新型尿素水分含量相對(duì)較高。采用此工藝需要添加增效劑配制罐、儲(chǔ)罐、輸送泵及添加管線等。

(2)在尿素造粒后采用噴涂包膜的方式生產(chǎn)新型尿素。除了緩釋尿素中的包膜尿素采用此工藝外，一般在熔融尿液中不穩(wěn)定，容易在高溫堿性條件下變性失活的含菌、酶的增效劑也采用此生產(chǎn)工藝。此工藝需要添加增效劑配制罐、儲(chǔ)罐、輸送泵、添加管線和噴涂包膜設(shè)備等。

(3)采用顆粒尿素或粉狀尿素與固體增效劑混合均勻后再擠壓造粒。

目前絕大多數(shù)企業(yè)都是采用第1種工藝生產(chǎn)新型尿素，而且增效劑主要在一段與二段蒸發(fā)器之間的U形管處添加。

3 新型尿素的發(fā)展及存在的問題

我國新型尿素的發(fā)展在2000年左右開始起步，但當(dāng)時(shí)發(fā)展緩慢，產(chǎn)品品種較少，生產(chǎn)企業(yè)也少，市場(chǎng)推廣難，其效果有待驗(yàn)證。2015年2月17日原農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，新型尿素由此受到了廣泛的關(guān)注，有更多的科研院所和企業(yè)投入到新型尿素的開發(fā)和生產(chǎn)中，新型尿素迎來了快速發(fā)展期。經(jīng)過2年的發(fā)展，新型尿素得到了用戶的認(rèn)可，產(chǎn)量逐年增長，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017—2020年新型尿素產(chǎn)量分別約為2 030、2 230、2 290、2 600 kt；同時(shí)新型尿素生產(chǎn)企業(yè)也逐年增多，品種越來越豐富，發(fā)展趨勢(shì)良好。但新型尿素在發(fā)展中也存在以下幾個(gè)方面的問題。

(1)新型尿素產(chǎn)量雖然在逐年遞增，但增長幅度較小，說明推廣力度不足。

(2)個(gè)別廠商熱衷于炒作概念而輕質(zhì)量，甚至制假、售假，打著“新型尿素”旗號(hào)坑農(nóng)害農(nóng)；業(yè)內(nèi)競(jìng)爭激烈，存在相互貶低、打壓等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響了新型尿素的口碑，阻礙了新型尿素的推廣。

(3)部分新型尿素產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高，性價(jià)比不高，用戶無法接受，推廣困難。

(4)我國在增效劑的基礎(chǔ)研究和復(fù)配技術(shù)的應(yīng)用研究方面與歐美國家相比還有較大差距，新型增效劑及增效劑復(fù)配添加技術(shù)急需突破，增效劑的增效機(jī)理及使用量、安全性等的研究還需持續(xù)加強(qiáng)。

(5)目前不同的新型尿素主要以顏色區(qū)分，如“黃尿素”“綠尿素”“藍(lán)尿素”“黑尿素”等。實(shí)際推廣應(yīng)用時(shí)應(yīng)重視農(nóng)用效果，因?yàn)樘砑由貙?duì)作物和土壤是無益的，如果是工業(yè)級(jí)色素反而會(huì)污染土壤。另外添加色素會(huì)增加生產(chǎn)成本，加重用戶負(fù)擔(dān)。禁止添加色素是必然趨勢(shì)，因此在推廣新型尿素時(shí)應(yīng)有意識(shí)地引導(dǎo)經(jīng)銷商、用戶樹立“去顏色”的觀念。

(6)目前除腐殖酸尿素、海藻酸尿素有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多肽尿素、聚谷氨酸尿素有地方標(biāo)準(zhǔn)外，絕大多數(shù)新型尿素都沒有國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)，造成市面上新型尿素的質(zhì)量良莠不齊，希望相關(guān)職能部門和行業(yè)協(xié)會(huì)加強(qiáng)對(duì)新型尿素的監(jiān)管。

4 應(yīng)用前景

眾所周知，氮肥產(chǎn)品中尿素活性強(qiáng)，損失途徑多，同質(zhì)化嚴(yán)重，肥效單一。高等院校、科研機(jī)構(gòu)開展的氮肥增效研究大多數(shù)都是針對(duì)普通尿素產(chǎn)品，通過研究增效載體、控失技術(shù)、穩(wěn)定性技術(shù)助力氮肥全面改性、增效。實(shí)踐表明，通過添加生物活性增效載體、實(shí)施施肥量精準(zhǔn)化等手段，可大幅提升氮肥產(chǎn)品的性能與功效。隨著“優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興”政策的落地和農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的推進(jìn)，綠色高效是農(nóng)資行業(yè)未來轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向，增值肥料將對(duì)我國化肥減施增效、綠色增產(chǎn)做出重要貢獻(xiàn)。在國家政策的引導(dǎo)下，隨著增效技術(shù)的突破與進(jìn)步，新型尿素產(chǎn)業(yè)將會(huì)更加科學(xué)化和規(guī)范化。