肥料产品绿色智能设计思路

作者：冯瑞 云南云天化股份有限公司研发中心，云南 昆明 650000

通讯作者:周凌翔 云南云天化股份有限公司研发中心，云南 昆明 650000

期刊：现代化工

发表时间：2024-06-17

肥料是保障全球粮食安全不可或缺的农资元素，贡献率超过40%。我国作为全球最大的化肥生产与消费国家，肥料行业绿色、增效发展是保证粮食产量的重要保障。我国化肥产能过剩，市场大量新型肥料产品仍存在施肥效果不稳定、技术创新不足、环境排放较高、产品发展方向不够明确等问题，导致传统化肥产业发展模式难以保障粮食安全和绿色发展的协同实现，化肥产业高耗高排、难以满足“碳达峰、碳中和”和“绿色发展”的新需求。

为减少环境污染，实现稳产目标，针对农业绿色发展的新需求。2021年12月28日农业农村部印发的《“十四五”全国农业农村科技发展规划》，现阶段农业绿色投入品的创制需开发新型产品，提升生产工艺技术，研发靶向性材料，集成推广绿色防控与减肥增效技术。2021年张福锁院士提出了“绿色智能肥料”新理念，该理念协同“绿色”与“智能”，破解工业生产与农业应用全链条资源利用效率低、环境排放大、肥料产品与农业需求不匹配等限制化肥产业绿色发展的难题。工农融合可以为肥料技术的研发和应用提供更好的环境和条件。

涉农科技领军企业应紧密围绕国家农业科技战略目标,发挥市场需求、集成创新、组织平台的优势，由企业牵头，整合集聚创新资源，开展产业共性关键技术研发、科技成果转化及产业化。本文基于工农融合角度提出肥料向绿色化、智能化方向设计思路，为肥料绿色可持续发展、环境节能减排等提供依据。

1肥料绿色智能设计思路

张福锁院士提出“绿色智能肥料”新理念，以增产提质、高效低碳、绿色环保为目标，肥料绿色化、智能化设计强调矿产资源的全量利用及产品绿色生产，高效利用工艺生产，从矿产资源源头实现农业绿色高效发展。主要强调作物：生物感知，根肥互馈；土壤：环境应答，精准释放；时空：动态匹配，供需协同；绿色：低耗低排，全量利用；产品：精准配伍，工业实现理念。

市场需求与顾客期望是产品设计的基础。了解种植户或顾客需要具体什么功能或特点的肥料产品，如防病、防裂果、防落果、简化施肥等；市场同类产品的表现、优缺点分析，如市场现有同类产品田间肥效（如增产效果）、肥料商品性（如颗粒外观）、肥料产品指标参数（如养分含量与形态、增效物质添加）等如何，要明确市场同类产品存在什么缺陷或待改进之处；现有产品与市场、顾客需求的差距：将现有产品的特征与市场、顾客期望的肥料特性进行对比，以进一步明确产品创新方向；新产品与肥料相关政策的匹配：新产品的产品特征/生产要求需满足相关肥料标准/有关政策。以上市场信息可为绿色智能肥料产品的创新提供市场依据。

基于以上市场信息，明确产品创新方向及肥料制造工艺的创新，矿产资源中养分元素的全量化利用，需要新的、低成本的化学工艺实现，工业与农业的有效融合实现肥料绿色智能发展。肥料主要从绿色化、智能化两方面进行设计。从绿色设计方面，应按绿色设计产品全生命周期对产品绿色制造过程管控，能减少制造环节单位肥料能耗、能有效利用中低品位矿产资源、能减少肥料的环境排放量，或者对土壤无不良影响或有改良土壤作用；从智能设计方面，应根据气候、作物、土壤特性更好地为作物提供养分，降低土壤对养分的无效化，对环境信号、作物饥饿信号做出响应并有利于发挥肥效、能活化土壤中的无效养分、能延长肥料的养分供应期（图1）。

2设计方式

2.1绿色化设计

绿色设计是基于产品生命周期全过程，利用研发平台集成技术，对肥料产品的制造工艺进行定向设计，从原料、制造、使用、废弃物回收处理等阶段，在资源属性、能源属性和环境属性等方面实现养分资源充分利用和低碳低排生产的目标。

（1）废弃副产物高效利用

在肥料配方设计中宜考虑养分资源利用，即利用工业端产生的废弃副产物和其他来源的养分资源。通过选择合适的原料和改进肥料制造工艺等途径，防止有效养分无效化、促进有效养分高效化，实现资源的最大化利用。如工业端产生的副产物或伴生资源中的养分元素在农业中应用。我国每年约有1000万t磷尾矿产生，而磷尾矿是改良我国南方酸性土壤和提供钙镁的有效来源，可将磷尾矿制备成高钙镁的肥料产品应用到南方酸性土壤，从而改良酸性土壤。在磷肥生产过程中产生的尾矿土壤调理剂、中微量元素肥料等肥料产品生产原料，合理配置肥料生产原料、肥料品种、生产数量、流通供应等各环节布局是十分必要的。

（2）生产工艺创新

绿色智能肥料的设计能否成功，除了取决于农业配方的创新，也取决于肥料制造技术创新。如矿产资源中养分元素的全量化利用，需要新的、低成本的化学工艺实现。在实际生产过程中，根据配方确定工艺选择及产品质量技术指标后确定关键控制点，如生产过程中水分、主养分在生产环节关键控制点。工业与农业的有效融合才能实现肥料绿色智能高效发展。农业生产向生产工艺提出创新需求，肥料制造方应将农学需求转变为肥料的制造目标，并通过原料选配、材料科学、造粒技术将其转化为实际的产品。具体包括以下几方面：

①根据产品设计方案，确定工艺选择及生产过程。

②确定产品质量技术指标，指标包括内在指标、外观指标，并确定原料指标及原料需求，原辅料需求及进行包装外观设计。

③确定分析项目、评估能耗情况。

④确定生产过程关键控制点，质量风险识别和控制，形成工艺文件，进行生产前准备和培训。

2.2智能化设计

智能设计是基于区域土壤、气候和水文信息等数据库，能针对环境和作物营养需求做出适度相应，减少损失，与作物养分阶段性需求相适应，最大化激发作物高效利用养分的潜力，具体可根据以下几个方面进行配方设计。

（1）目标区域环境状态

目标区域的土壤、作物、气候级水文信息是影响肥料配方设计的重要因素，是进行“土壤-作物-气候”匹配设计的依据，具体包括如下内容。

①土壤养分数据库：主要包括土壤基本理化性状、中微量速效养分信息。

②土壤养分丰缺状况及作物对养分的需求匹配情况：将区域土壤养分是实测值与作物需求养分进行比较，进行区域土壤养分丰缺状况评价。

③区域土壤共性特征及气候特性规律因素：应尽可能收集土壤质地、酸碱度、立地条件等共性特征信息及区域温度、降雨量等气候因素对养分在土壤环境的转化、淋洗等气候规律。

以上区域环境信息均从不同方面影响肥料利用率。为提高肥料利用率，在配方设计时尽可能地收集以上数据库，为“土壤-作物-气候”匹配设计奠定基础。

（2）目标区域作物分析

了解区域土壤环境状况后，对区域作物进行分析，具体包括如下内容。

①作物目标产量水平：产量不同养分供应量不同，目标产量过高或过低都会引起养分比例失衡。应根据区域土壤环境状况分析，将产量水平划分为高、中、低3个水平，明确基于何种产量水平后进行配方设计。

②作物生长周期及营养特征：作物处于不同生育期对养分的需求不同。根据作物不同生育期营养特征有针对性的提供相应养分，进行针对性的配方设计。

③区域作物种植模式及施肥技术：应考虑不同种植模式的肥料种类及施肥量，如间作体系中，2种作物的根际土壤环境互作，需求养分可通过间作补充，配方设计时可降低改养分的配比；轮作体系中前季作物施入肥料的后效。施肥技术（主要包括施肥时间、施肥方式、肥料基追比）主要影响肥料的施用效果，在配方设计时应考虑上述原因对配方进行调整。

（3）配方设计

“土壤-作物-气候”特征是肥料配方设计的核心，利用植物营养原理和数据库从养分配比、养分结构、养分形态方面进行配方设计。

①养分配比：根据目标区域环境状态及作物养分需求特征，进行养分配比的设计。应在优化NPK配比的基础上，结合中微量元素添加，满足作物对各种养分的需求。设计时要考虑作物对某些养分的特殊需求，如烤烟是喜硝态氮且大量需要钾元素，水稻是喜硅作物，需要在肥料配方中满足目标作物的养分种类需求。

②养分结构：肥料在土壤中的释放周期和植物营养的不同生育时期的需求时间通常是不匹配的，通过养分隔离、包衣包膜等方式实现肥料供肥曲线与作物不同生育期的需肥曲线匹配，从而提高肥料利用率，是智能的一种特征。

③养分形态：作物对养分的形态有喜好偏向。如水稻是喜铵作物、菠菜是喜硝作物；马铃薯苗期喜硝，进入块根膨大期又是喜铵作物等。澳洲坚果根系在低磷条件下形成排根的特点，在磷肥供应中，可以使用部分难溶性磷或枸溶性磷，激发根系生长，提高地上部对养分资源的利用效率，形成智能养分促根，根系生长强化，激活土壤养分。因此，在肥料设计中注意这些偏向能取得额外的效益。

（4）利用智能材料配伍

绿色智能肥料应满足环境响应性或实现根肥互馈。基于作物生理特征，通过添加功能性物质材料和科学配伍，提高根系活力，调动作物对养分的感知及伴随的生理变化，提升作物自主吸收养分的能力，实现养分的可控释放。具体包括以下几个方面。

①基于作物生理特性，通过功能性或信号物质的添加和科学配伍，调动作物对养分的感知以及伴随的生理变化。如局部硝酸盐信号可以诱导玉米侧根增长1～1.5倍，氮吸收效率提高25%。

②通过环境敏感（温度、pH、盐度、水分含量）材料的添加和科学配伍，实现肥料养分的可控释放。肥料养分可以按照有利环境因素、根际条件智能精准释放养分。智能材料可通过功能性物质、信号物质实现对“肥料-作物-土壤”系统的综合调控，在提高肥效利用的同时改善肥料品质，提升肥料功能。如利用pH响应材料制备肥料可使肥料智能释放养分，如聚丙烯酸、N,N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、海藻酸、壳聚糖、羧甲基纤维素钠、木质素-Fe等应用在肥料中，可感知作物根际酸化，将作物养分需求信号反馈给肥料。除利用pH响应材料制备肥料外，目前还有几种研究较多的智能材料，主要有聚多巴胺、水凝胶、多层聚合物电解质膜、木质素等其他智能材料。多巴胺可有效增加土壤中的有效磷含量，改善作物生长；聚多巴胺涂层含有大量儿茶酚、苯醌基团，表面可进项二次反应螯合营养元素，制备功能性材料表面，聚多巴胺的黏附作用可对营养物质进行保护与控释。智能水凝胶具有对环境温度、pH等响应能力，增加保水性的同时增进土壤肥力；木质素及其改性材料的pH响应性可引起木质素与分子间的相互作用，实现养分可控释放。

③肥料中加入功能性物质，如加入小分子肽、腐殖酸、γPGA等可提高作物根系活力、生理活性、吸收肥料和土壤中储存养分的能力；通过与微生物源铁载体复合，提高土壤养分有效性从而改善作物的营养。

3案例分析

为了便于理解以上的研究思路，本文通过绿色智能水稻专用肥创制作为案例进行肥料绿色智能初步设计。

（1）市场需求。在复合肥料中，由于水溶性磷肥易于与Ca、Mg、Fe、Zn等元素形成水不溶物，如何让中、微量元素和有益元素与水溶性磷“和平共处”则是复合肥创新的方向。传统方法采用络合技术，从而降低磷与配对离子的作物有效性，虽然可以一定程度实现目标，但是元素含量低是瓶颈，难以突破，且成本高，在市场上缺乏竞争力。

（2）绿色化设计。黄磷渣是电炉法生产黄磷产生的固体废弃物，随着工业化生产黄磷渣存量增加限制企业的发展。黄磷炉渣中含有主要组分硅酸钙（CaSiO₃），其主要组分CaO和SiO₂的质量分数可以达到80%左右，还有F、Mg、Fe、S、Al，绿色智能水稻专用肥利用废弃副产物黄磷渣作为原料之一进行配方设计，以南方强酸性土壤为对象，选择适配的碱性原料为基础，黄磷渣用渣酸进行改性，降低pH后采用分层造粒技术，以无机盐作为为养分固定层，在水田中缓慢释放，以有机物进行外层活化，为肥料和土壤的交互提供媒介，生产了富含硅、钙的水稻绿色智能肥料。

（3）智能化设计。南方酸性红壤区是我国主要稻作区之一，该区域pH较低，酸性较强导致钙镁等阳离子含量降低，严重影响水稻生长。Si元素不单提供养分，其物理结构能改善土壤的松散性，而且作用于水稻作物，能增加抗倒伏、抗病虫害的能力，起到增产增效的作用。水稻缺钙根系前端会死亡，分蘖心叶发黄，硅能让水稻叶片柔韧性增强，镁能促进碳水化合物的转化，茎秆韧性增强，不易倒伏，增加籽粒。因此，在产品设计时以黄磷渣作为原料提供4%的钙、2%的硅和1%的镁，同时添加0.2%的硼。采用分层造粒（黄磷渣在最外部），利用有机质作为空间隔离层，制备成小颗粒，具备崩解散溶的特点，以尿素作核心，利用无机物料多次包裹，形成一定程度缓释效应，可实现肥料的绿色缓释。在云南、广西等地进行田间试验验证，结果表明，在强酸性土壤施用水稻绿色智能肥显著增强水稻抗倒伏性，增加水稻的分蘖数和提高成穗率来增加水稻的有效穗数，其原理与初代绿色智能水稻专用肥富含硅、钙、镁等中微量元素，养分供应时效期长有关。通过利用植物营养原理，匹配南方酸性土壤水稻养分需求，在配方设计时进行养分间调整，效果达到或超过常规肥料的使用效果，是智能的一种体现。

4肥料产品绿色智能发展前景

肥料设计要秉承持续改进的思想。在满足相关标准和规范的前提下，通过对肥料产品进行绿色化、智能化设计，改变传统肥料产业制造过程高耗高排和肥料养分组配与作物需求脱节的生产方式。肥料绿色智能发展主要在于信息化工具的使用，通过设计积累建立不同区域、不同作物植物营养五大规律数据库、测土配方数据库、制造工艺与参数数据库、产品研发平台等要素数据库，通过数据整合、数据挖掘与分析，研发增效绿色、智能材料，有效利用副产物。发展先进的多功能、低能耗、精准化的水肥一体化系统，与肥料高效结合，突破核心技术使矿产资源得到全量化利用，为肥料绿色智能发展提供服务。

肥料绿色设计的未来发展将越来越依赖于科技创新和市场机制的推动，实现肥料产业向“绿色低碳智能”转变，支撑农产品优质高产、资源高效利用、生态环境健康的农业发展道路。

肥料产品绿色智能设计思路

作者：冯瑞 云南云天化股份有限公司研发中心，云南 昆明 650000

通讯作者:周凌翔 云南云天化股份有限公司研发中心，云南 昆明 650000

期刊：现代化工

发表时间：2024-06-17

肥料是保障全球粮食安全不可或缺的农资元素，贡献率超过40%。我国作为全球最大的化肥生产与消费国家，肥料行业绿色、增效发展是保证粮食产量的重要保障。我国化肥产能过剩，市场大量新型肥料产品仍存在施肥效果不稳定、技术创新不足、环境排放较高、产品发展方向不够明确等问题，导致传统化肥产业发展模式难以保障粮食安全和绿色发展的协同实现，化肥产业高耗高排、难以满足“碳达峰、碳中和”和“绿色发展”的新需求。

为减少环境污染，实现稳产目标，针对农业绿色发展的新需求。2021年12月28日农业农村部印发的《“十四五”全国农业农村科技发展规划》，现阶段农业绿色投入品的创制需开发新型产品，提升生产工艺技术，研发靶向性材料，集成推广绿色防控与减肥增效技术。2021年张福锁院士提出了“绿色智能肥料”新理念，该理念协同“绿色”与“智能”，破解工业生产与农业应用全链条资源利用效率低、环境排放大、肥料产品与农业需求不匹配等限制化肥产业绿色发展的难题。工农融合可以为肥料技术的研发和应用提供更好的环境和条件。

涉农科技领军企业应紧密围绕国家农业科技战略目标,发挥市场需求、集成创新、组织平台的优势，由企业牵头，整合集聚创新资源，开展产业共性关键技术研发、科技成果转化及产业化。本文基于工农融合角度提出肥料向绿色化、智能化方向设计思路，为肥料绿色可持续发展、环境节能减排等提供依据。

1肥料绿色智能设计思路

张福锁院士提出“绿色智能肥料”新理念，以增产提质、高效低碳、绿色环保为目标，肥料绿色化、智能化设计强调矿产资源的全量利用及产品绿色生产，高效利用工艺生产，从矿产资源源头实现农业绿色高效发展。主要强调作物：生物感知，根肥互馈；土壤：环境应答，精准释放；时空：动态匹配，供需协同；绿色：低耗低排，全量利用；产品：精准配伍，工业实现理念。

市场需求与顾客期望是产品设计的基础。了解种植户或顾客需要具体什么功能或特点的肥料产品，如防病、防裂果、防落果、简化施肥等；市场同类产品的表现、优缺点分析，如市场现有同类产品田间肥效（如增产效果）、肥料商品性（如颗粒外观）、肥料产品指标参数（如养分含量与形态、增效物质添加）等如何，要明确市场同类产品存在什么缺陷或待改进之处；现有产品与市场、顾客需求的差距：将现有产品的特征与市场、顾客期望的肥料特性进行对比，以进一步明确产品创新方向；新产品与肥料相关政策的匹配：新产品的产品特征/生产要求需满足相关肥料标准/有关政策。以上市场信息可为绿色智能肥料产品的创新提供市场依据。

基于以上市场信息，明确产品创新方向及肥料制造工艺的创新，矿产资源中养分元素的全量化利用，需要新的、低成本的化学工艺实现，工业与农业的有效融合实现肥料绿色智能发展。肥料主要从绿色化、智能化两方面进行设计。从绿色设计方面，应按绿色设计产品全生命周期对产品绿色制造过程管控，能减少制造环节单位肥料能耗、能有效利用中低品位矿产资源、能减少肥料的环境排放量，或者对土壤无不良影响或有改良土壤作用；从智能设计方面，应根据气候、作物、土壤特性更好地为作物提供养分，降低土壤对养分的无效化，对环境信号、作物饥饿信号做出响应并有利于发挥肥效、能活化土壤中的无效养分、能延长肥料的养分供应期（图1）。

2设计方式

2.1绿色化设计

绿色设计是基于产品生命周期全过程，利用研发平台集成技术，对肥料产品的制造工艺进行定向设计，从原料、制造、使用、废弃物回收处理等阶段，在资源属性、能源属性和环境属性等方面实现养分资源充分利用和低碳低排生产的目标。

（1）废弃副产物高效利用

在肥料配方设计中宜考虑养分资源利用，即利用工业端产生的废弃副产物和其他来源的养分资源。通过选择合适的原料和改进肥料制造工艺等途径，防止有效养分无效化、促进有效养分高效化，实现资源的最大化利用。如工业端产生的副产物或伴生资源中的养分元素在农业中应用。我国每年约有1000万t磷尾矿产生，而磷尾矿是改良我国南方酸性土壤和提供钙镁的有效来源，可将磷尾矿制备成高钙镁的肥料产品应用到南方酸性土壤，从而改良酸性土壤。在磷肥生产过程中产生的尾矿土壤调理剂、中微量元素肥料等肥料产品生产原料，合理配置肥料生产原料、肥料品种、生产数量、流通供应等各环节布局是十分必要的。

（2）生产工艺创新

绿色智能肥料的设计能否成功，除了取决于农业配方的创新，也取决于肥料制造技术创新。如矿产资源中养分元素的全量化利用，需要新的、低成本的化学工艺实现。在实际生产过程中，根据配方确定工艺选择及产品质量技术指标后确定关键控制点，如生产过程中水分、主养分在生产环节关键控制点。工业与农业的有效融合才能实现肥料绿色智能高效发展。农业生产向生产工艺提出创新需求，肥料制造方应将农学需求转变为肥料的制造目标，并通过原料选配、材料科学、造粒技术将其转化为实际的产品。具体包括以下几方面：

①根据产品设计方案，确定工艺选择及生产过程。

②确定产品质量技术指标，指标包括内在指标、外观指标，并确定原料指标及原料需求，原辅料需求及进行包装外观设计。

③确定分析项目、评估能耗情况。

④确定生产过程关键控制点，质量风险识别和控制，形成工艺文件，进行生产前准备和培训。

2.2智能化设计

智能设计是基于区域土壤、气候和水文信息等数据库，能针对环境和作物营养需求做出适度相应，减少损失，与作物养分阶段性需求相适应，最大化激发作物高效利用养分的潜力，具体可根据以下几个方面进行配方设计。

（1）目标区域环境状态

目标区域的土壤、作物、气候级水文信息是影响肥料配方设计的重要因素，是进行“土壤-作物-气候”匹配设计的依据，具体包括如下内容。

①土壤养分数据库：主要包括土壤基本理化性状、中微量速效养分信息。

②土壤养分丰缺状况及作物对养分的需求匹配情况：将区域土壤养分是实测值与作物需求养分进行比较，进行区域土壤养分丰缺状况评价。

③区域土壤共性特征及气候特性规律因素：应尽可能收集土壤质地、酸碱度、立地条件等共性特征信息及区域温度、降雨量等气候因素对养分在土壤环境的转化、淋洗等气候规律。

以上区域环境信息均从不同方面影响肥料利用率。为提高肥料利用率，在配方设计时尽可能地收集以上数据库，为“土壤-作物-气候”匹配设计奠定基础。

（2）目标区域作物分析

了解区域土壤环境状况后，对区域作物进行分析，具体包括如下内容。

①作物目标产量水平：产量不同养分供应量不同，目标产量过高或过低都会引起养分比例失衡。应根据区域土壤环境状况分析，将产量水平划分为高、中、低3个水平，明确基于何种产量水平后进行配方设计。

②作物生长周期及营养特征：作物处于不同生育期对养分的需求不同。根据作物不同生育期营养特征有针对性的提供相应养分，进行针对性的配方设计。

③区域作物种植模式及施肥技术：应考虑不同种植模式的肥料种类及施肥量，如间作体系中，2种作物的根际土壤环境互作，需求养分可通过间作补充，配方设计时可降低改养分的配比；轮作体系中前季作物施入肥料的后效。施肥技术（主要包括施肥时间、施肥方式、肥料基追比）主要影响肥料的施用效果，在配方设计时应考虑上述原因对配方进行调整。

（3）配方设计

“土壤-作物-气候”特征是肥料配方设计的核心，利用植物营养原理和数据库从养分配比、养分结构、养分形态方面进行配方设计。

①养分配比：根据目标区域环境状态及作物养分需求特征，进行养分配比的设计。应在优化NPK配比的基础上，结合中微量元素添加，满足作物对各种养分的需求。设计时要考虑作物对某些养分的特殊需求，如烤烟是喜硝态氮且大量需要钾元素，水稻是喜硅作物，需要在肥料配方中满足目标作物的养分种类需求。

②养分结构：肥料在土壤中的释放周期和植物营养的不同生育时期的需求时间通常是不匹配的，通过养分隔离、包衣包膜等方式实现肥料供肥曲线与作物不同生育期的需肥曲线匹配，从而提高肥料利用率，是智能的一种特征。

③养分形态：作物对养分的形态有喜好偏向。如水稻是喜铵作物、菠菜是喜硝作物；马铃薯苗期喜硝，进入块根膨大期又是喜铵作物等。澳洲坚果根系在低磷条件下形成排根的特点，在磷肥供应中，可以使用部分难溶性磷或枸溶性磷，激发根系生长，提高地上部对养分资源的利用效率，形成智能养分促根，根系生长强化，激活土壤养分。因此，在肥料设计中注意这些偏向能取得额外的效益。

（4）利用智能材料配伍

绿色智能肥料应满足环境响应性或实现根肥互馈。基于作物生理特征，通过添加功能性物质材料和科学配伍，提高根系活力，调动作物对养分的感知及伴随的生理变化，提升作物自主吸收养分的能力，实现养分的可控释放。具体包括以下几个方面。

①基于作物生理特性，通过功能性或信号物质的添加和科学配伍，调动作物对养分的感知以及伴随的生理变化。如局部硝酸盐信号可以诱导玉米侧根增长1～1.5倍，氮吸收效率提高25%。

②通过环境敏感（温度、pH、盐度、水分含量）材料的添加和科学配伍，实现肥料养分的可控释放。肥料养分可以按照有利环境因素、根际条件智能精准释放养分。智能材料可通过功能性物质、信号物质实现对“肥料-作物-土壤”系统的综合调控，在提高肥效利用的同时改善肥料品质，提升肥料功能。如利用pH响应材料制备肥料可使肥料智能释放养分，如聚丙烯酸、N,N-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、海藻酸、壳聚糖、羧甲基纤维素钠、木质素-Fe等应用在肥料中，可感知作物根际酸化，将作物养分需求信号反馈给肥料。除利用pH响应材料制备肥料外，目前还有几种研究较多的智能材料，主要有聚多巴胺、水凝胶、多层聚合物电解质膜、木质素等其他智能材料。多巴胺可有效增加土壤中的有效磷含量，改善作物生长；聚多巴胺涂层含有大量儿茶酚、苯醌基团，表面可进项二次反应螯合营养元素，制备功能性材料表面，聚多巴胺的黏附作用可对营养物质进行保护与控释。智能水凝胶具有对环境温度、pH等响应能力，增加保水性的同时增进土壤肥力；木质素及其改性材料的pH响应性可引起木质素与分子间的相互作用，实现养分可控释放。

③肥料中加入功能性物质，如加入小分子肽、腐殖酸、γPGA等可提高作物根系活力、生理活性、吸收肥料和土壤中储存养分的能力；通过与微生物源铁载体复合，提高土壤养分有效性从而改善作物的营养。

3案例分析

为了便于理解以上的研究思路，本文通过绿色智能水稻专用肥创制作为案例进行肥料绿色智能初步设计。

（1）市场需求。在复合肥料中，由于水溶性磷肥易于与Ca、Mg、Fe、Zn等元素形成水不溶物，如何让中、微量元素和有益元素与水溶性磷“和平共处”则是复合肥创新的方向。传统方法采用络合技术，从而降低磷与配对离子的作物有效性，虽然可以一定程度实现目标，但是元素含量低是瓶颈，难以突破，且成本高，在市场上缺乏竞争力。

（2）绿色化设计。黄磷渣是电炉法生产黄磷产生的固体废弃物，随着工业化生产黄磷渣存量增加限制企业的发展。黄磷炉渣中含有主要组分硅酸钙（CaSiO₃），其主要组分CaO和SiO₂的质量分数可以达到80%左右，还有F、Mg、Fe、S、Al，绿色智能水稻专用肥利用废弃副产物黄磷渣作为原料之一进行配方设计，以南方强酸性土壤为对象，选择适配的碱性原料为基础，黄磷渣用渣酸进行改性，降低pH后采用分层造粒技术，以无机盐作为为养分固定层，在水田中缓慢释放，以有机物进行外层活化，为肥料和土壤的交互提供媒介，生产了富含硅、钙的水稻绿色智能肥料。

（3）智能化设计。南方酸性红壤区是我国主要稻作区之一，该区域pH较低，酸性较强导致钙镁等阳离子含量降低，严重影响水稻生长。Si元素不单提供养分，其物理结构能改善土壤的松散性，而且作用于水稻作物，能增加抗倒伏、抗病虫害的能力，起到增产增效的作用。水稻缺钙根系前端会死亡，分蘖心叶发黄，硅能让水稻叶片柔韧性增强，镁能促进碳水化合物的转化，茎秆韧性增强，不易倒伏，增加籽粒。因此，在产品设计时以黄磷渣作为原料提供4%的钙、2%的硅和1%的镁，同时添加0.2%的硼。采用分层造粒（黄磷渣在最外部），利用有机质作为空间隔离层，制备成小颗粒，具备崩解散溶的特点，以尿素作核心，利用无机物料多次包裹，形成一定程度缓释效应，可实现肥料的绿色缓释。在云南、广西等地进行田间试验验证，结果表明，在强酸性土壤施用水稻绿色智能肥显著增强水稻抗倒伏性，增加水稻的分蘖数和提高成穗率来增加水稻的有效穗数，其原理与初代绿色智能水稻专用肥富含硅、钙、镁等中微量元素，养分供应时效期长有关。通过利用植物营养原理，匹配南方酸性土壤水稻养分需求，在配方设计时进行养分间调整，效果达到或超过常规肥料的使用效果，是智能的一种体现。

4肥料产品绿色智能发展前景

肥料设计要秉承持续改进的思想。在满足相关标准和规范的前提下，通过对肥料产品进行绿色化、智能化设计，改变传统肥料产业制造过程高耗高排和肥料养分组配与作物需求脱节的生产方式。肥料绿色智能发展主要在于信息化工具的使用，通过设计积累建立不同区域、不同作物植物营养五大规律数据库、测土配方数据库、制造工艺与参数数据库、产品研发平台等要素数据库，通过数据整合、数据挖掘与分析，研发增效绿色、智能材料，有效利用副产物。发展先进的多功能、低能耗、精准化的水肥一体化系统，与肥料高效结合，突破核心技术使矿产资源得到全量化利用，为肥料绿色智能发展提供服务。

肥料绿色设计的未来发展将越来越依赖于科技创新和市场机制的推动，实现肥料产业向“绿色低碳智能”转变，支撑农产品优质高产、资源高效利用、生态环境健康的农业发展道路。