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我国新型肥料产业发展战略研究

发布时间：2024-10-14

导读

肥料是作物生产的物质基础，全球每年化肥农用消费量在 2 亿 t (N P₂O₅ K₂O 养分量) 左右，对粮食增产的贡献率达 40% 以上，在保障全球粮食安全方面发挥着不可替代的作用。传统肥料养分利用率低，过量施肥导致土壤退化、大气和水体污染以及生物多样性降低等问题，对生态环境安全产生了巨大威胁，发展新型肥料产业是农业绿色可持续发展的必然选择。

近年来，我国化肥产业转型升级取得了积极进展，新型肥料产品研发水平有了明显提高，但仍存在技术创新不足、资源消耗和环境排放较高、产品结构与农业需求匹配度不高、等问题。该文通过对我国新型肥料产业现状、总体水平和最新进展进行总结和分析，重点阐述目前主要新型肥料技术的创新与突破，阐明制约我国肥料产品高效应用的技术瓶颈和肥料产业高质量发展的关键问题，提出适应我国养分资源禀赋特征和农业生产现实需求的肥料产业高质量发展的技术途径与对策建议。

1 新型肥料发展的必要性

1.1 传统肥料过量施用造成资源浪费和环境污染

我国大宗化肥消费结构的 90% 以上依然是传统化肥产品，如尿素、磷铵、氯化钾和复合肥等，其中氮和磷养分利用率相对较低，且易损失到大气和水体中造成环境污染。酰胺态氮肥 (尿素) 在氮肥消费中占比达 64%，氮素易氨挥发损失，导致我国主要粮食作物 (小麦、玉米和水稻) 的氮肥利用率仅有 26%～37%。我国磷肥利用率仅有 10%～20%。磷酸二铵、磷酸一铵在磷肥中占比分别为 44% 和 41%，由于其水溶性磷含量较高，施入土壤后易与钙、镁、铁等结合形成难溶性盐，导致磷素的有效性降低。钾肥品种以氯化钾和硫酸钾为主，占比达 83%，钾肥利用率也仅有 40%～50%，大量化肥养分积累在土壤中或损失到环境中，造成了资源浪费和环境污染。

图1 我国农田每年氮、磷损失量及温室气体排放量估算

1.2 新型肥料是实现化肥减量增效的有效途径

新型肥料的研制生产不仅包括养分增效技术和生产工艺创新，还充分考虑与农艺措施发展匹配融合，因而是更加优质、高效和环保的肥料产品。当前我国新型肥料产品类型主要包括缓/控释肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有机肥、微生物肥料等，其通过优化养分供应、强化根系吸收、增强作物抗逆、调节体内代谢等过程，获得更高的肥料养分效率，协调作物高产与环境保护的矛盾。

国内外学者对各类新型肥料产品的农学和环境效应开展了大量田间试验和 Meta 分析，初步明确了新型肥料在降低肥料投入，提高作物产量和肥料利用率，减少养分损失等方面的潜力 (表 1)。

表1 与传统肥料相比新型肥料的农学和环境效应（%）

2 我国新型肥料产业发展现状

肥料产业始终伴随着肥料产品的创新转型升级，依据肥料产品的性状，肥料产业的发展大致分为 4 个发展阶段：1) 初始阶段，养分浓度低且有效性较差，主要产品有草木灰、骨粉或磷矿粉等；2) 低浓度阶段，生产技术简单且养分含量仅在 14%～ 25%，主要产品有氨水、碳铵、过磷酸钙等；3) 高浓度阶段，养分浓度一般在 40% 以上，但存在养分易损失等缺点，主要产品有尿素、磷铵、氯化钾和高浓度复合肥等；4) 绿色高效阶段，肥料产品具有养分高效、功能多元、环境友好等特点，代表性产品包括缓/控释肥料、水溶肥料、微生物肥料等。

据赵秉强等研究，我国当前正处于由高浓度化肥阶段向绿色高效肥料阶段转变的关键时期，特别是随着我国“双碳”和农业绿色发展战略的实施，推动了绿色肥料产业体系建设和快速发展的过程。

以“新型肥料”、“缓控释肥”、“稳定性肥料”、“增值肥料”、 “水溶肥”、“商品有机肥”、“微生物肥料”及其它相关的 24 个变种主题词进行检索，以年代范围 2000— 2022 年精炼获得 24502 篇相关文献，并将所有文献记录导入 VOSviewer 软件中进行研究领域关键词聚类分析。从所有新型肥料相关研究的关键词 (关键词共现频次≥30) 聚类网络 (图 2) 中可以看出，我国缓/ 控释肥的研究起步较早且研究较多，商品有机肥和微生物肥料研究侧重于生物有机肥的研究，水溶肥的研究主要与水肥一体化技术结合较多，而增值肥料的研究相对较少，在新型肥料整体研究领域中尚未形成明显的聚类。目前，我国已初步建立了新型增效肥料的理论、技术和产品体系，缓/控释肥料、稳定性肥料、脲醛类肥料、增值肥料等绿色高效肥料产品已经初步实现产业化。

图2 我国新型肥料相关研究领域聚类网络图

2.1 缓/控释肥料

缓/控释肥可根据作物需求规律缓慢释放养分，实现一次性施肥满足整个生长期的需求，是轻简化施肥技术的重要载体，已成为我国新型肥料发展的主导方向。我国缓/控释肥技术发展主要历经了 3 个阶段：第一阶段是始于 20 世纪 70 年代，开始探索研究长效肥料、脲甲醛肥料等缓释肥料；第二阶段是 1980—2000 年期间，小规模量产包裹型缓释肥和热塑型树脂包衣；第三阶段是 2000 年至今，实现了多种缓/控释肥产品的产业化，并出口海外。目前我国包膜缓释肥料技术经过引进、集成和创新，整体上已达到国际先进水平，在大田作物的应用技术领域达到国际领先水平。我国缓/控释肥的研究主要集中在控释肥料包膜材料的研究和稳定性肥料的抑制剂研究上，而脲醛类缓释肥料的研究相对较少。高效环保包膜材料研发取得了突破性进展，许秀成等研制出以钙镁磷肥、酸化磷矿粉、磷酸铵钾为包裹层的肥包肥型复合缓/控释肥料，在控制核心氮素释放的同时，包裹层含有的钾、钙、镁、硅等元素也起到促进作物生长、改善土壤结构的作用。在稳定性肥料技术方面，研制开发出同时含有多种脲酶抑制剂和硝化抑制剂的尿素，解决了单一抑制剂作用时间短、氮肥转化释放过快的问题。在植物源新型抑制剂的开发上取得进展，发现芳香植物水浸提液和水稻根系分泌物等具有良好的脲酶或硝化抑制效果。在生产工艺上，建立了无溶剂原位表面反应包衣控释技术工艺、水基树脂控释等技术工艺，实现控释肥生产过程的无溶剂、零排放，大大减少了环境污染。根据 Orbit 全球专利数据库获取的不同国家专利统计结果，我国获得的缓/控释肥产品研发和生产工艺相关专利达 3135项，远超其它国家。在自动化连续化生产设备方面取得重大进展，创建了树脂包膜、硫包膜、复合材料多层包膜工艺的控释肥料大规模生产线，产能大幅度提升。

2.2 增值肥料

增值肥料利用有机生物活性增效载体 (腐殖酸、海藻酸、氨基酸等) 与氮、磷、钾传统化肥科学配伍后，通过调控肥料养分在土壤中的释放、转化、移动、固定等过程，优化肥料的供肥性，从而提高肥料利用率。传统腐殖酸或海藻酸肥料，以腐殖酸或海藻酸为主要原料，通过掺入无机肥料制成，但载体活性相对较低、用量大，难以与化肥大型生产装置结合，存在产能低、成本高和产业化推广难度大等问题。赵秉强通过腐殖酸结构性优化、海藻浓缩提取、氨基酸组合加工等技术，开发高活性、专用型增效载体，将增效载体添加量控制在 5%以内，尿素、磷铵、复合肥等大型生产装置的生产与增效载体添加一次完成，突破了增值肥料生产普遍存在的二次加工、产能低、成本高的技术短板。研发的增值尿素、增值磷铵和增值复合肥等产品具有显著促进根系生长，抑制土壤脲酶活性，降低氨挥发损失，改善磷、钾养分供应等效应，已发展成为全球产量最大的绿色肥料产品类型，推动了我国绿色肥料发展由长期跟踪国外转向自主创新引领，为尿素、磷铵等大宗化肥产品绿色转型升级提供科技支撑。

2.3 水溶肥料

水溶肥泛指全部成分可溶于水的复合肥，可以全部是氮磷钾化肥或中微量元素肥料，也可以是含水溶性有机小分子的肥料。我国水溶肥产业起步于 20 世纪 80 年代中后期，其发展历程主要分为 3 个阶段：1) 初步形成阶段，以溶解性及配伍性好的无机盐类为原料配制叶面肥，养分种类少、浓度低、应用效果不稳定；2) 初步发展阶段，随着对叶面营养机理研究深入，叶面肥产品中开始添加中微量元素及螯合剂和表面活性剂等助剂，养分种类、养分浓度和吸收效率得到较大提升。由于节水灌溉施肥技术发展滞后，水溶肥产业发展较为缓慢；3) 快速发展阶段，随着喷灌、滴灌和无土栽培等技术的快速发展，带动了水溶肥料的生产。在水溶肥中加入氨基酸、腐殖酸、海藻酸等有机活性物质，水溶肥功能走向多元化。

2.4 商品有机肥

有机肥原料来源丰富，包括畜禽粪尿、农业废弃物、沼液沼渣、海洋养殖业废弃物、泥炭、绿肥、工业废弃物、餐厨垃圾等，其替代化肥的潜力巨大。新型商品有机肥技术主要包括无害化处理技术、快速发酵技术、除臭技术、有机无机肥配伍技术、造粒工艺等。商品有机肥克服了有机肥原料养分含量低、运输成本高、施用量大等缺点，提升了农民使用的意愿，促进了商品有机肥的产业化发展。我国近年来商品有机肥研究主要聚焦生物有机肥、有机无机复合/混肥等高效有机肥产品研发和应用，研究重点关注了有机替代实现化肥减量增效，生物有机肥优化土壤微生物群落结构缓解连作障碍的机理等。最具代表性的当属沈其荣等提出的全元生物有机肥产品，该产品具有满足当季作物养分需求、显著抑制土壤酸化、有效调控土壤微生物区系、持久性提高土壤肥力等功能，实现了作物当季高产优质、持续保育土壤的双重目标，在生物有机肥与土壤熏蒸联合防控土传病害综合技术方面取得突破，对防治黄瓜、西瓜和香蕉等作物枯萎病效果显著。

2.5 微生物肥料

微生物肥料不同于其他肥料类型，不以为作物直接提供养分为目的，主要功效是促进养分吸收与利用，调控作物生长，增强植株抗逆性和抗病性，改良和修复土壤功能。微生物肥料通常利用固氮菌株加强土壤–作物体系的生物固氮能力；利用溶磷菌株代谢产生的磷酸酶、核酸酶等生物酶或草酸、琥珀酸、乳酸等有机酸，分解土壤中的难溶性磷酸盐，提高作物对土壤固定磷素的利用效率；利用解钾细菌分泌乙酸、酒石酸、草酸等有机酸，将难溶矿物质中的钾元素释放出来，提高土壤矿物钾的生物有效性。

我国微生物肥料的研究主要集中在高效固氮、解磷以及功能性菌剂的鉴定，有机肥与功能菌株配合生产生物有机肥技术，“肥药兼效型”复合微生物肥料的研究。中国农业科学院、中国农业大学等单位筛选和构建了适应不同作物秸秆类型、不同地域、不同应用条件的多个高效秸秆腐解复合菌系，为不同功能菌种的组配和协同增效提供了一条有效途径。

3 我国新型肥料高质量发展存在的问题

3.1 新型肥料行业起步晚，缺乏原创核心技术

我国各类新型肥料产品研发的起步阶段普遍晚于发达国家 30～50 年。不可否认，我国各类新型肥料有自己的特点，部分产品在养分控制、肥效等方面也与国际先进水平相当，但在包膜材料、胶结材料和酶抑制剂、水溶肥添加剂等领域尚未取得重大突破，在国际上缺乏具有核心竞争力的独创产品。发达国家的新型肥料产品研发集中在企业，在肥料增效新材料创制、大田效果试验方面投入大量人力、物力、财力和时间，而我国肥料产业存在重应用、轻研究的问题，新型肥料的增效机理研究相对薄弱，农艺原理和技术在工业生产端应用研究不足，产品往往未经大面积试验研究便急于推向市场，导致实际施肥效果达不到预期。

3.2 肥料特性与农业需求的多样性匹配度不高

我国不同农业生态区的资源禀赋与种植制度复杂多样，各区域农田管理措施的不同，加剧了与之匹配的新型高效肥料产品开发和高效应用的困难程度，以致某些新型肥料产品在不同区域土壤和作物上表现出差异化的应用效果。不同的作物养分需求规律不同，需要配施不同养分供应特性的肥料产品，而且需要结合特定的土壤和气候条件才能够高效地供应养分，而目前以农业差异化需求为导向的肥料生产市场和供应体系并不完善，市面上新型肥料产品的作物和区域针对性缺乏，且缺乏科学的施用指导，导致部分肥料品种田间应用效果不佳。

3.3 新型肥料施肥技术与装备有待提升

相比于传统化肥产品，新型肥料通过控制养分释放和转化过程或通过功能微生物促进土壤养分释放等方式提高了养分利用效率，因此其养分供应过程存在较大变异，传统的高效施肥技术并不能完全套用在新型肥料上。在施肥技术难以匹配不同肥料养分的差异化供应特征的情况下，很多新型肥料产品并没有发挥出增产效果，与新型肥料特性相匹配的施肥技术仍待发展完善。机械化施肥是现代农业发展的重要趋势，通过机械深施、滴灌施肥、种肥同播等机械化、自动化、智能化施肥方式达到科学精准施肥，是节约劳力、保肥增效的关键措施。目前整个肥料的生产和施用过程仍是肥料生产适应施肥机械的模式为主，肥料产品与施肥机械、农艺间的匹配严重不足，亟需开展面向未来农业肥料新产品和施肥技术的前瞻性施肥机械和装备研究。

3.4 肥料监管薄弱，市场发展混乱

肥料作为重要的农业生产资料，其质量和安全关系重大。长期以来，我国肥料养分含量不足、有毒有害物质超标、随意添加违规成分、隐性风险成分不可预见、假冒伪劣产品屡禁不止、包装标识不规范、故意夸大宣传等产品质量及安全问题屡见不鲜。迫切需要提高肥料登记管理的法律定位，推进肥料立法，从而规范肥料市场，推动肥料产业高质量发展。而且一些新型肥料相关标准尚未完善，如水溶肥广泛运用于水肥一体技术，但目前与水溶肥配套的滴灌系统技术标准缺失。标准缺少或不统一等问题阻碍了新型肥料产品生产、流通和使用的有效监管，不利于新型肥料产业的健康快速发展。

4 新型肥料发展战略

为推动新型肥料产业高质量发展，肥料产品研发将以绿色增产为主要目标，在满足农业生产对肥料产品性能的关键需求的基础上，肥料增效技术途径向高效化、专用化、功能化、精准化和低碳化等方向综合发展，更加重视学科交叉与融合、产品研发与产业化实现结合。

4.1 肥料研发应用以农业需求为导向

农业的需求特征与不同区域土壤、种植体系、农业生产规模、施肥技术与装备以及经济社会发展条件等因素密切相关，因此肥料的供应需求也呈多元化。1) 我国气候环境、土壤类型、作物种类、种植模式复杂多样，区域尺度变异性大，要求肥料养分供应规律与其匹配。2) 施肥方式和施肥技术的发展呈现多元化，如侧深施肥、种肥同播等机械施肥，基于飞防技术的喷雾施肥，用于滴灌、喷灌等的水肥一体化施肥等，要求肥料产品的性状、溶解性、颗粒强度、粒径等各方面特性与之相匹配，满足肥料施用过程中的一些关键需求，如种肥同播不烧苗、一次性施肥不脱肥、管道化施肥溶解快、机械化施用不堵管等。3) 面向未来农业需求开展前瞻性肥料研发。充分考虑未来国家需求、农业需求、农民需求、农业生产体制变化、气候变化、肥料资源状况，以及可能面对的制约国家粮食安全和生态安全的重大生产问题，开展更加高效、更加增产的肥料新产品研发，极端气候条件、逆境条件下的肥料及施肥技术研究，将信息技术、智慧农业技术融入到新产品、新技术、新装备研发，为未来农业生产提供科技储备。

4.2 肥料增效技术实现“养分–土壤–作物–环境” 系统的综合调控

我国农业已走过了仅凭施用单一元素化肥或常规复合肥增产增收的阶段，进入了多营养元素协同供应提质增效、绿色发展的新时代。1）肥料的要营养功能从提高单一养分的有效性向大、中、微量元素综合调控转变；2）产品创新从单纯注重养分浓度调控向同时注重改善土壤环境和根系吸收拓展；3）肥料产品功能从养分供应向调控“营养、调理、植保”多元化发展，新产品应赋予其改善农产品品质、增强作物抗逆能力、保护和改良土壤等功能；4）研发绿色环保肥料增效材料，降低环境风险，加强肥料原料的无害化处理。

4.3 新型肥料生产技术工艺体系向绿色低碳转型

绿色高效新型肥料产品的创制与产业化，不仅是我国“双碳”战略和农业绿色可持续发展的要求，也是新型肥料推广的重要基础。例如：创新中、低品位磷矿养分的全量化综合利用技术，采用高温活化技术综合利用磷尾矿和渣酸，创制含中微量元素的水溶性磷酸一铵、肥料级聚磷酸铵、聚磷酸钙镁、有机磷铵等绿色新型肥料产品；优化升级现有产业化技术工艺，推动化肥高效化及生产工艺绿色升级。

4.4 加强新型肥料统一监管体系建设

新型肥料生产、销售和使用环节实现全链条统一监管体系建设，才能为新型肥料产业高质量健康发展保驾护航，规范新型肥料技术发展方向和产品质量水准。

云南晋宁绿色智能肥料科技小院

培养单位：中国农业大学

联合培养单位：云南云天化股份有限公司，云南大学，西南大学，福建农林大学，石河子大学，云南农业大学，河北农业大学

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