武志杰，張麗莉，石元亮，魏占波，李東坡，宮平，李杰，張蕾，王玲莉，武開闊，薛妍，宋玉超，崔磊

綠色肥料緣起、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

武志杰1,2，張麗莉1,2，石元亮1,2，魏占波1,2，李東坡1,2，宮平1,2，李杰1,2，張蕾1,2，王玲莉1,2，武開闊1,2，薛妍1,2，宋玉超1,2，崔磊1,3

1中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，沈陽 110016；2中國科學院綠色肥料工程實驗室，沈陽 110016；3中國科學院大學，北京 100049

“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念是“十四五”乃至更長時期內我國發(fā)展思路、方向和著力點的集中體現(xiàn)。農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展是貫徹新發(fā)展理念的重要環(huán)節(jié)，對形成人與自然和諧共生、保障食品安全和營造宜居環(huán)境均具有重要的作用。肥料作為最大的外源投入品和生產(chǎn)資料，對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量、質量和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境作用巨大，影響深遠，在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中具有舉足輕重的地位。然而傳統(tǒng)肥料的不合理施用造成了土壤質量退化、環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品品質下降等問題，迫切需要肥料產(chǎn)品的轉型和升級，綠色投入品的研制應運而生，而“綠色肥料”也在這個大背景下被提出。綠色肥料概念或定義：應用質量安全原料，低碳環(huán)保工藝，采用物理-化學-生物改性增效技術生產(chǎn)和使用的，具有養(yǎng)分高效均衡、減排環(huán)保、培肥地力沃土功能的一類肥料。綠色肥料種類主要分為以下五類：養(yǎng)分高效型綠色肥料；固碳培肥型綠色肥料；增效及提高養(yǎng)分轉化效率型綠色肥料；養(yǎng)分均衡型綠色肥料；增值型綠色肥料。如何實現(xiàn)化肥的綠色轉型、有機肥資源高效低成本利用，主要有四方面建議。（1）依靠市場機制，加強頂層設計，構建肥料綠色制造新體系；（2）以養(yǎng)分資源綜合管理為核心，促進有機-大量元素-中微量元素肥料平衡協(xié)調發(fā)展；（3）充分發(fā)揮科研平臺作用，大力發(fā)展智能化綠色肥料產(chǎn)品；（4）融合現(xiàn)代傳感和信息技術，全面推進綠色高效的精準施肥。本文就綠色肥料提出的背景、概念和內涵、種類、特征進行概述，并對未來發(fā)展方向進行探討，以期對今后我國肥料產(chǎn)業(yè)的綠色轉型和農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展提供借鑒。

綠色肥料；養(yǎng)分均衡；培肥土壤；環(huán)境友好

1 綠色肥料提出的背景

肥料是一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是關乎糧食安全、生態(tài)安全與資源可持續(xù)利用等重大國計民生問題的戰(zhàn)略物資。20世紀以來，糧食單產(chǎn)的1/2、總產(chǎn)的1/3來自于肥料的貢獻，肥料在保障我國糧食安全上發(fā)揮著重要且不可替代的作用[1]。但傳統(tǒng)肥料只關注作物所需大量養(yǎng)分（尤其氮素）的供給，長期大量的傳統(tǒng)肥料不合理施用造成了土壤質量退化、環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品品質下降等一系列問題[2]。解決這些問題需要肥料產(chǎn)品的轉型和升級，需要肥料在滿足作物生長營養(yǎng)需求的基礎上，同時具有培肥地力、減少環(huán)境污染、保證農(nóng)產(chǎn)品品質的功效。其核心和實質在于調控產(chǎn)品中養(yǎng)分的去向，使其更多地被作物吸收、留在土壤養(yǎng)分庫容中，從而減少向環(huán)境中的釋放[3-4]。

據(jù)2021年中國統(tǒng)計年鑒（http://www.stats.gov.cn/ tjsj/ndsj/2021/indexch.htm）顯示，1978年以來我國農(nóng)用化肥施用量快速增加，2015年農(nóng)用化肥施用量達到頂峰，從年施用量884萬噸增加至6 022.6萬噸，之后農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織開展化肥使用量零增長行動，化肥使用量逐年下降，2020年農(nóng)用化肥施用量減少至5 250.7萬噸，氮肥、磷肥和鉀肥施用量快速下降，而復合型肥料的施用量逐年上升，占比增加。20世紀，美國、歐洲各國以及日本等發(fā)達國家，也經(jīng)歷了一個化肥施用量不斷增加而后下降的過程。如美國，在20世紀70年代以前化肥用量和糧食產(chǎn)量快速增長，環(huán)境污染加劇，農(nóng)村供水硝態(tài)氮超標率6%，之后采取了精準施肥技術、施肥裝備智能化（3S技術）、施肥管理法制化、開發(fā)緩控釋肥料等一系列措施，實現(xiàn)化肥用量零增長，同時環(huán)境污染得到有效改善。

20世紀90年代，歐洲、加拿大、日本、美國相繼出現(xiàn)“環(huán)境標志計劃行動”，在全面評價企業(yè)的環(huán)境表現(xiàn)時，將資源利用、資源再使用、人類健康與安全、環(huán)境負荷、可持續(xù)性等指標的得分值以顏色表示，以“綠色”代表環(huán)境評價得分最高，這是綠色理念提出的國際背景[5]。2015年10月29日，習近平在黨的十八屆五中全會第二次全體會議上的講話鮮明提出了“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念。新發(fā)展理念符合我國國情，順應時代要求，對破解發(fā)展難題、增強發(fā)展動力、厚植發(fā)展優(yōu)勢具有重大指導意義。綠色發(fā)展注重的是解決人與自然和諧問題。我國資源約束趨緊、環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)退化的問題十分嚴峻，人民群眾對清新空氣、干凈飲水、安全食品、優(yōu)美環(huán)境的要求越來越強烈。為破解經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境質量相矛盾的難題，綠色投入品的研制應運而生，而“綠色肥料”也在這個大背景下被提出。

2 綠色肥料的定義和內涵

目前，國內外明確提出綠色肥料的定義和概念的文章尚不多見。浙江大學黃立章認為：綠色肥料又稱環(huán)境友好型肥料或環(huán)境協(xié)調型肥料，其可理解為：利用現(xiàn)代技術來設計和生產(chǎn)能夠最大限度減少肥料對人類健康的危害、減輕環(huán)境污染而又能維持相對高的農(nóng)產(chǎn)品質量和品質的肥料品種。它必須滿足最少資源和能源消耗、最輕環(huán)境污染且具有最大的養(yǎng)分可循環(huán)利用特征[6]。張福鎖院士提出了綠色智能肥料的概念，他認為綠色智能肥料是指根據(jù)作物-土壤-環(huán)境相匹配的植物營養(yǎng)調控原理，采用大數(shù)據(jù)智能算法進行有針對性的定向匹配設計，應用先進綠色制造工藝生產(chǎn)的具有作物根際效應激發(fā)、養(yǎng)分精準匹配和礦產(chǎn)資源全量利用的一類新型高品質肥料，具有養(yǎng)分高效、低碳環(huán)保，低排無廢、資源全量利用的綠色特點。綠色肥料種類主要分為以下五類：1、養(yǎng)分高效型綠色肥料；2、固碳培肥型綠色肥料；3、增效及提高養(yǎng)分轉化效率型綠色肥料；4、養(yǎng)分均衡型綠色肥料；5、增值型綠色肥料。

綠色肥料產(chǎn)業(yè)體系是在肥料的原料、生產(chǎn)、產(chǎn)品、流通、施用上全鏈條的“五位一體”。即質量安全的綠色原料、低碳環(huán)保的綠色生產(chǎn)、環(huán)境友好的綠色產(chǎn)品、節(jié)能降耗的綠色流通，以及精準輕簡的綠色施肥。因此，綠色肥料概念或定義為應用質量安全原料，低碳環(huán)保工藝，采用物理-化學-生物改性增效技術生產(chǎn)和使用的，具有養(yǎng)分高效均衡、減排環(huán)保、培肥地力沃土功能的一類肥料。

3 綠色肥料研究進展

3.1 養(yǎng)分高效型綠色肥料

為了適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需要，化肥正向復合型、專用型和多功能型發(fā)展，復合高效、全面精準和環(huán)境友好是世界肥料發(fā)展的總趨勢，然而養(yǎng)分資源高效利用仍是肥料發(fā)展追求的核心，養(yǎng)分高效型肥料將為我國化肥減量增效提供強有力的技物支撐。穩(wěn)定性肥料和包膜肥料是傳統(tǒng)意義上的養(yǎng)分高效型的綠色肥料。

穩(wěn)定性肥料是指生產(chǎn)過程中加入了脲酶抑制劑和（或）硝化抑制劑的肥料，有四大類：穩(wěn)定性復合氮肥，穩(wěn)定性尿素，穩(wěn)定性復合肥和穩(wěn)定性摻混肥。目前，國家已先后頒布了《穩(wěn)定性肥料》行業(yè)標準和國家標準，并于2018年7月實施（GB/T 35113—2017）。

國際上對抑制劑的研究起源于20世紀50、60年代，80年代國際上篩選了一批脲酶抑制劑，主要包括磷酰胺類、醌類、多羥酚類等，硝化抑制劑雙氰胺（DCD）也得以在農(nóng)業(yè)上推廣[7]。90年代，美國研發(fā)了Agrotain產(chǎn)品，其活性成分是NBPT。DMPP（3,4-二甲基吡唑磷酸鹽）也是在此期間由德國BASF公司研制并注以商標ENTEC，至今仍被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐[8]，近10年來，德國BASF和歐洲化工Euro Chem公司在脲酶抑制劑NBPT和硝化抑制劑DMPP的基礎上，研發(fā)出一種新型脲酶抑制劑LIMUS和硝化抑制劑DMPSA[9-10]。

20世紀60年代，中國科學院南京土壤研究所李慶奎團隊開始從事硝化抑制劑研究。70年代，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所周禮愷團隊針對硝化抑制劑DCD和脲酶抑制劑氫醌（HQ）開展了土壤酶、硝化、反硝化等方面的研究，80年代開展了脲酶抑制劑NBPT和PPD的研究，并在90年代研發(fā)了含有DCD的長效尿素和長效碳銨產(chǎn)品[11-12]。自90年代中后期以及進入21世紀以來，氮標記同位素示蹤技術普遍被用來研究施用脲酶/硝化抑制劑后肥料氮的去向以及土壤氮素轉化過程，更深入地揭示了抑制劑的抑制效果[13-14]?；谀壳笆袌錾献顬槌Ｒ姷囊种苿㎞BPT[15-16]、DCD[17]、DMPP[18]和CP[19]，大量研究均報道脲酶/硝化抑制劑可在不同類型土壤上有效調控尿素和銨態(tài)氮肥施入土壤后的氮轉化過程，因此穩(wěn)定性肥料可促使氮肥肥效后移，提高作物氮肥利用率，保障不同區(qū)域作物后期養(yǎng)分供給[19-20]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體（CO2、CH4、N2O等）的排放，對全球氣候變化的影響越來越受到重視，肥料氮施用就是溫室氣體產(chǎn)生的一個重要因素[21]。穩(wěn)定性肥料在全球不同區(qū)域、不同作物上均有大量的應用，因此其對生態(tài)環(huán)境的影響也常被評價[10, 22]。薈萃分析發(fā)現(xiàn)[23]，通過施用含有硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料，可平均減少溶解的無機氮浸出48%、N2O排放44%和NO排放24%，但平均增加了NH3揮發(fā)20%，這相當于向環(huán)境釋放的總氮量凈減少16.5%，減輕了污染大氣和水體環(huán)境的風險。當硝化抑制劑與脲酶抑制劑配施，則能顯著減少氨揮發(fā)46.9%[24]和71.9%[25]，施用穩(wěn)定性氮肥可顯著減少稻田CH4排放[26]。

穩(wěn)定性肥料產(chǎn)業(yè)技術戰(zhàn)略聯(lián)盟在全國七大地理區(qū)域進行了穩(wěn)定性肥料施用效果試驗[27]，統(tǒng)計分析了2014—2018年的研究結果，發(fā)現(xiàn)等養(yǎng)分條件下施用穩(wěn)定性肥料顯著增加糧食產(chǎn)量，而施用80%常規(guī)施肥量的穩(wěn)定性肥料，在華南、西南、華中、華東、華北、西北、東北地區(qū)的增產(chǎn)率分別為1.62%、10.38%、1.78%、6.34%、8.35%、1.44%和0.09%，而氮肥的農(nóng)學利用率（NAE）也顯著提高，分別為78.24%、81.41%、49.22%、20.10%、38.96%和62.10%（無華北NAE數(shù)據(jù)），在大部分地區(qū)均有增產(chǎn)增收的效果。由此得知，在保障糧食產(chǎn)量安全的前提下，施用穩(wěn)定性肥料可減施10%—20%氮肥養(yǎng)分，這將減少肥料資源的浪費，如若大面積推廣應用也可減少肥料施用和運輸成本，達到低碳環(huán)保的效果。

包膜肥料是另一類養(yǎng)分高效型綠色肥料，它是指水溶性肥料顆粒表面包被一層半透性或難溶性膜，具有緩慢釋放養(yǎng)分特性的一類肥料。主要有四類：硫包膜肥料，聚合物包膜肥料，熱固性樹脂包膜肥料，無機物包裹型肥料。也有學者把包膜肥料歸納為以下五類：復合型包膜肥料；超吸水性聚合物為外包膜層的復式多層包膜肥料；以低成本包膜材料制成的包膜肥料；環(huán)境友好型可降解型包膜肥料；智能型包膜肥料[28]。

20世紀50年代后期，美國最早研發(fā)硫包膜尿素，并且是商業(yè)化最成功的控釋包膜肥料。1967年美國在加利福尼亞生產(chǎn)的緩控釋肥，其包膜材料是醇酸樹脂，該包膜技術可以很好地控制樹脂膜的成分和厚度，因而對養(yǎng)分的控釋性能好。此后，德國、加拿大、日本等國家也相繼研發(fā)以不同聚合物包膜的肥料。1974年，中國科學院南京土壤研究所和南京化工研究所合作研制出長效包膜碳銨，農(nóng)田試驗增產(chǎn)顯著，但卻未形成規(guī)?；a(chǎn)。之后10年，我國緩控釋肥料研究發(fā)展逐漸加速，以山東農(nóng)業(yè)大學、鄭州工業(yè)大學磷肥與復肥研究所等為代表，共開發(fā)出三類以肥包肥的復合肥料，在國內推廣并遠銷美國。從20世紀80年代中期開始，北京市園科所與化工所、廣州氮肥廠、北京化工大學、北京市農(nóng)林科學院、中國農(nóng)業(yè)大學、華南農(nóng)業(yè)大學、中國科學院石家莊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所、沈陽應用生態(tài)研究所、南京土壤研究所、山東金正大公司等單位均開展了有機高分子聚合物包膜肥料的研制工作[25, 29-32]。自2006年以來，我國包膜肥料產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段，這一階段形成了比較完備的產(chǎn)品系列，山東農(nóng)業(yè)大學張民團隊和華南農(nóng)業(yè)大學樊小林團隊研發(fā)了系列包膜控釋肥和異粒變速控釋肥，并通過合作研發(fā)、成果轉化等實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的生產(chǎn)企業(yè)。

施用包膜肥料可以提高養(yǎng)分利用率，氮肥利用率可提高8%—15%，并可有效減少養(yǎng)分的地表徑流、淋失和氮素揮發(fā)[33-35]。系列研究報道施用包膜肥料可以提高作物產(chǎn)量，在糧食、蔬菜、果樹等作物上進行盆栽試驗和田間試驗的研究表明，與普通速效化肥相比均收到顯著的增產(chǎn)增收效果[36-40]。

脲醛類肥料是指由尿素和醛類在一定條件下反應制得的有機微溶性緩釋氮肥。脲醛類肥料主要包括脲甲醛類肥料（UF，以尿素和甲醛反應制得）、異丁叉二脲（IBDU，以尿素和異丁醛反應制得）、丁烯叉二脲（CDU，以尿素和乙醛反應制得）等。其中，脲甲醛（UF）是最早應用于生產(chǎn)實踐的緩釋肥料，也是目前應用最多的脲醛類肥料，于2017年制定《脲醛緩釋肥料》國家標準（GB/T 34763—2017）和《固態(tài)脲甲醛緩釋肥料》國際標準（ISO 19670—2017）。

不同摩爾比的尿素與甲醛可以制成不同縮合度的脲甲醛，縮合度越高，產(chǎn)物分子鏈越長，水溶性越弱，在土壤中的釋放速率越慢，釋放期就越長[41]，土壤類型、pH、水分和溫度均是影響脲甲醛分解和釋放的因素[42-43]。根據(jù)縮合度，脲甲醛可以分為低聚度（2個縮合度及以下）、中聚度（3—4個縮合度）和高聚度脲甲醛（5個縮合度及以上）。低聚度脲甲醛包含羥甲基脲、亞甲基二脲、二亞甲三脲。中聚度脲甲醛包含三亞甲基四脲（TMTU）和四亞甲基五脲（TMPU）。高聚合度脲甲醛包含五甲基六脲及縮合度更高的甲基脲組分[41,44-45]。根據(jù)組分，脲甲醛分為三類：（1）冷水可溶性組分（CWSN），該組分氮硝化速率較快，在幾周至3月內可以礦化，主要包括未參加反應的尿素和低聚度脲甲醛；（2）熱水可溶性組分（HWSN），為中聚度脲甲醛，該組分氮可在6個月內緩慢釋放，其中被認為最有用的組分是三亞甲基四脲（TMTU）；（3）熱水不溶組分（HWIN），為高聚度脲甲醛，一般認為該組分氮在土壤中無活性，釋放期長達數(shù)年[45-47]。脲甲醛的氮素有效性用活性指數(shù)（activity index，AI）表征，是指冷水不溶氮（CWIN）中熱水可溶氮（HWSN）所占的百分數(shù)，北美和中國制定的標準中均要求AI ≥40[45,48]。

國外對脲甲醛肥料的研究開始較早，早在1884年Tollens第一次報道了H?lzer研究分離出尿素和甲醛反應的最簡單產(chǎn)物——一羥甲基脲[49-50]。1924年，脲甲醛就作為化學物品在德國IG Farben公司（即現(xiàn)在的Badische Anilin & Soda Fabrik A.G，BASF公司）取得第一個專利，并在1955年左右實現(xiàn)脲甲醛緩釋肥料的商業(yè)化生產(chǎn)。1947年美國Rohner 和Wood公司取得了脲甲醛用作肥料的專利[51]，隨后開始生產(chǎn)固體脲甲醛肥料；隨后，美國Scotts、歐洲凱米拉和日本住友等國的專業(yè)公司都開發(fā)了多種新產(chǎn)品，實現(xiàn)脲甲醛肥料的工業(yè)化生產(chǎn)[48]。

我國在1971年研制出脲甲醛緩釋肥料，但之后的較長時間里發(fā)展緩慢，僅有少數(shù)研究機構和企業(yè)初步研究和生產(chǎn)脲甲醛[52-56]。2009年6月25日在京召開的中國脲甲醛肥料技術（住商）高層論壇上，國內外緩釋肥行業(yè)的科研院校學者和知名企業(yè)專家就脲甲醛肥料的發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)化道路探索以及市場競爭能力分析等問題進行了深入探討與技術交流，住商肥料青島有限公司決定在全國11個農(nóng)業(yè)大省推廣緩控釋肥料、時至今日，住商公司推廣的脲甲醛型緩控釋肥料占據(jù)我國脲甲醛復合肥市場的領先地位。

國外對脲甲醛在農(nóng)業(yè)中的應用效果、作用機理和環(huán)境效應開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)脲甲醛作為一種緩釋氮肥，明顯促進作物生長和提高氮肥利用率，還能顯著減少NH3排放[52-56]。國內則在近15年左右才開始詳細探究脲甲醛在農(nóng)業(yè)中的作用效果和機理，研究結果表明脲甲醛的施用能夠明顯提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率[63-68]、改善作物品質[64-65]和減少氮素損失[67,69]。近年來，國內不少企業(yè)開始研發(fā)新的脲甲醛類肥料，例如，鄭州高富肥料有限公司采用最新連續(xù)化工藝生產(chǎn)的聚脲甲醛肥料，用作基肥一次性施入土壤后，與傳統(tǒng)復合肥料相比，在減氮15%—30%的情況下，其增產(chǎn)效果還提高5%—10%，氮表觀利用率提高8.1%—17.3%，且氨揮發(fā)降低28.0%—42.63%，具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效應[70-75]；此外，中北大學研制的磷酸鹽改性脲甲醛緩控釋肥能加速脲甲醛在土壤中的分解速度，更匹配作物生長所需[76]。

作為一種微溶的有機緩釋氮肥，脲甲醛兼具速效和緩釋養(yǎng)分、釋放期可控、肥效長久穩(wěn)定、利用率高和環(huán)境污染少等特點。與普通氮肥相比，脲甲醛肥料具有兩大優(yōu)勢，一是氮肥利用率高，顯著減少氨揮發(fā)等氮損失造成的環(huán)境影響，具有環(huán)保優(yōu)勢；二是可實現(xiàn)一次性施肥或者減少1—2次追肥，具有顯著的經(jīng)濟效應。但是，由于生產(chǎn)成本和商品價格較高，目前脲甲醛緩釋肥料以脲醛緩釋復合肥料或摻混肥料為主，在農(nóng)業(yè)中主要應用于附加值較高的經(jīng)濟作物中，如花卉，高爾夫草坪及觀賞性植物等，只有很小的比例用于大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通過改進生產(chǎn)工藝降低其生產(chǎn)成本和精準調控其釋放周期，未來脲甲醛緩釋肥料在農(nóng)業(yè)中的應用具有顯著優(yōu)勢和廣闊空間。

3.2 固碳培肥型綠色肥料

2020年我國碳排放量約占全球1/3，近10多年來一直高居世界第一（據(jù)世界銀行統(tǒng)計）。我國決定力爭于2030年前將二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，即“雙碳”目標。與此同時，我國近幾年出臺系列文件以促土壤培肥，提升地力和糧食產(chǎn)能。因此，固碳培肥型肥料應運而生，其未來發(fā)展將有助于我國順利達成“雙碳”目標和保障我國農(nóng)田豐產(chǎn)增效。筆者將生物炭基肥料和有機肥料歸類到固碳培肥型肥料之中。

炭基肥料是以生物炭為基質，添加氮、磷、鉀等養(yǎng)分中的一種或者幾種，采用化學方法和（或）物理方法混合制成的肥料（NY/T3041—2016 生物炭基肥料，2016）。生物炭基肥料主要包括炭基無機肥料、炭基有機肥料和炭基有機無機復合肥料（NY/T3041— 2016 生物炭基肥料，2016；NY/T3618—2020 生物炭基有機肥，2020）[77]。

生物炭是以作物秸稈等農(nóng)林植物廢棄物為原料，在絕氧或者有限供氧條件下，400—700 ℃熱裂解得到的穩(wěn)定的固體富碳產(chǎn)物（NY/T3041—2016 生物炭基肥料，2016）[78-79]。生物炭的利用歷史悠久，在20世紀60年代，荷蘭科學家Wim Sombroek在巴西的亞馬孫流域發(fā)現(xiàn)了生物黑炭，當?shù)氐娜藗儗⑷紵蟮哪绢^、陶瓷碳渣、秸稈等富炭物質添加到土壤中，這種特殊的“黑土壤”（Terra Preta），當?shù)厝朔Q其為“印第安人黑土”，含有豐富的生物炭及其他有機物質，具有很強恢復土壤生產(chǎn)力的能力[80-82]。國際上對生物黑炭的研究興起于2006年左右[78]，國內對生物炭的研究興起于2011年左右[79,83-85]。生物炭具有高pH、有機碳豐富、孔隙結構發(fā)達、比表面積大、吸附能力強、保水能力強、功能基團豐富、穩(wěn)定存在等特點[83,86]。以沈陽農(nóng)業(yè)大學陳溫福團隊為代表的科研團隊的研究表明，生物炭通過降低容重、提高總孔隙度、提高持水量等來改善土壤物理結構，通過提高土壤pH、陽離子交換量、有機碳含量等來優(yōu)化土壤化學性質，通過提高微生物數(shù)量、活性和改變群落結構來調控土壤生物學性質[83,87]。另外，生物炭還具有緩解氣候變化、固碳減排的環(huán)境功能[88-92]。此外，生物炭的強吸附性能使其具備緩釋肥料養(yǎng)分的功能，并通過補充、吸附和活化土壤養(yǎng)分而提高土壤肥力[83,86]。

生物炭與肥料混施或復合后對作物生長及產(chǎn)量幾乎都表現(xiàn)為正效應，這源于肥料消除了生物炭養(yǎng)分低的缺陷，而生物炭賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能的互補和協(xié)同作用[93]。因此，以生物炭為載體的炭基肥料應運而生并發(fā)展迅速[84,94]。生物炭肥料同時吸收了生物炭和肥料的優(yōu)勢[95]，炭基肥料在具備常規(guī)化肥功能的基礎上還具備緩釋肥效、增加土壤碳含量、減少N2O和CO2等溫室氣體排放、吸附養(yǎng)分和減少養(yǎng)分損失、提高肥料利用率、改良土壤結構、平衡土壤鹽分等特點[93,95]。多項研究表明，炭基肥顯著增加多種作物產(chǎn)量[95-97]、促進植物氮代謝[96,98-99]和改善作物品質[99-100]。炭基肥是近10年來肥料行業(yè)出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，目前國內產(chǎn)能最大的生物炭基肥企業(yè)為三聚環(huán)保子公司北京三聚綠能科技有限公司，該公司年產(chǎn)能達到50萬噸，另外施可豐化工股份有限公司在未來幾年也有希望將年產(chǎn)能擴大至100噸。

有機肥料是指來源于植物和/或動物，經(jīng)過發(fā)酵腐熟的含碳有機物料，其功能是改善土壤肥力、提供植物營養(yǎng)、提高作物品質（《有機肥料》行業(yè)標準，NY/T 525—2021）。有機肥料主要包括傳統(tǒng)有機肥（人畜禽糞便、秸稈、綠肥）、普通商品有機肥、無機有機復合肥、生物有機肥、復合微生物肥料、全元生物有機肥這5類[101]。自古以來，有機肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就占有重要及主導的地位[102-103]，但在1909年隨著合成氨方法的建立和應用，化肥越來越多地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。20世紀70年代之前，我國主要以傳統(tǒng)的有機肥為主，70—80年代轉變?yōu)閭鹘y(tǒng)的有機與化肥并重，80年代以后傳統(tǒng)的有機肥投入急劇下降，而化肥施用急劇上升，到了20世紀末和21世紀初，我國傳統(tǒng)的有機肥養(yǎng)分投入量只占總養(yǎng)分投入量的10%左右[104]。我國從2016年開始出臺“化肥零增長”和“有機肥替代化肥”政策，之后有機肥占肥料的比重逐年增加，相關的研究和應用也逐年增加[105-110]。目前，我國有機肥行業(yè)處于復蘇階段，市場規(guī)模由2016年733.3億元增至2019年1013.7億元，年均復合增長率為11.4%，2020年有機肥產(chǎn)量達1 560萬噸，需求達1 515萬噸。

國內以沈其榮院士為首的團隊在20世紀90年代開始有機肥研發(fā)與應用方面的研究[111-115]，在有機肥、氨基酸液體和生物有機肥、連作障礙微生物有機肥、中藥渣有機肥、城市污泥肥料化等的產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)技術和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面取得了一系列突破性的成果，構建了多種商品有機肥和生物有機肥的全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)、生產(chǎn)和推廣模式，尤其在抗病菌和生物有機肥的研發(fā)方面處于國際領先地位[105,116-120]。

不同有機肥表現(xiàn)出不同的功能特性[101]，傳統(tǒng)有機肥和商品有機肥存在養(yǎng)分釋放緩慢，無法滿足植物對養(yǎng)分的快速需求的特點，加之植物生長過程中面臨各種逆境脅迫。因此，目前添加有各種功能生防菌的生物有機肥、復合微生物肥料、全元生物有機肥成為有機肥領域中的研究和應用熱點[121]，相較于無機化肥，有機肥能顯著提高土壤肥力，改善土壤物理性狀，緩解土壤酸化，增加土壤有效養(yǎng)分，維持土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤生物和生物化學特性，優(yōu)化土壤微生物群落的結構組成[122]，同時能夠改良作物根際生態(tài)環(huán)境、改善作物的營養(yǎng)品質并抑制病蟲害發(fā)生[123]。然而有機肥（主要來源于畜禽糞便）的長期過量施用會增加土壤重金屬和有機污染物（抗生素和激素）含量，加大作物吸收積累重金屬和有機污染物的風險。另外，有機肥還可能促進土壤溫室氣體（CO2，CH4等）的排放，加重溫室效應[122-124]，對NO2排放的作用效果沒有定論，積極和消極的作用均有報道[124-126]。

3.3 增效及提高養(yǎng)分轉化效率型綠色肥料

增效及提高養(yǎng)分轉化效率型綠色肥料是指能夠應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的含有特定微生物活體的制品，通過其中所含微生物的生命活動，增加植物養(yǎng)分的供應量或促進植物生長，提高產(chǎn)量，改善農(nóng)產(chǎn)品品質及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，也常被叫做生物肥料、菌肥、菌劑等。

生物肥料的研究應用起始于1895年德國推出的“Nitragin”根瘤菌接種劑并應用于豆科植物[127]。到20世紀30、40年代，美國、澳大利亞、英國等國家都建立了自己的根瘤菌接種劑產(chǎn)業(yè)并取得明顯成效。20世紀60年代以后世界各國都加強了對生物肥料的研究，并取得了一定的進展。國際上已有70多個國家生產(chǎn)、應用和大力推廣生物肥料，主要分布在亞洲、南美洲、歐洲和非洲等國家。我國早在50年代就開始了微生物肥料的研究，迄今已有80多年歷史。代表和奠基人有張憲武先生、陳華癸院士和樊慶笙先生等。歷經(jīng)了單一營養(yǎng)菌種、復合營養(yǎng)菌種、營養(yǎng)菌種與生防促生菌種復合的三大發(fā)展階段。經(jīng)過多年的試驗和研究已經(jīng)取得了很大的進展，在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中取得了較好的效果[128]。

生物肥料具有提供或活化養(yǎng)分、產(chǎn)生促進作物生長活性物質、促進有機物料腐熟、改善農(nóng)產(chǎn)品品質、增強作物抗逆性、改良和修復土壤等功效。如南京農(nóng)業(yè)大學沈其榮院士團隊研究的木霉全元生物有機肥，通過調控植物根系與土壤微生物的互作來達到根系促生、解毒和免疫的作用[129]。目前我國生物肥料年產(chǎn)量約3 000萬噸，年生產(chǎn)總值超400億元。截至2020年11月，獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部登記的微生物肥料產(chǎn)品有9 078個，有效登記證8 185個，微生物肥料的功能多樣特點與國家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展相吻合，是發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)之必需品。當前來看，在我國微生物肥發(fā)展的現(xiàn)階段，功能菌種和技術產(chǎn)品創(chuàng)新，成為微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的關鍵問題，未來微生物肥料新技術產(chǎn)品研發(fā)方向將分為修復菌劑對土壤健康維護和修復、微生物肥料對作物增產(chǎn)增效（減肥增效）、應用微生物肥料提升農(nóng)產(chǎn)品質量、增強作物抗逆性功能、低溫等特色腐熟菌劑資源化利用五個方向，向滿足綠色農(nóng)業(yè)需求的“綠色、優(yōu)質”的方向發(fā)展。

3.4 養(yǎng)分均衡型綠色肥料

作物對不同的必需養(yǎng)分吸收量存在較大差別，但是這種量的比例關系對特定作物卻是相對固定的，被稱為養(yǎng)分平衡比例或簡稱為養(yǎng)分平衡。養(yǎng)分均衡型肥料增產(chǎn)的機理是最小養(yǎng)分率的作用結果。當土壤中缺乏某種營養(yǎng)元素時，只增加其他營養(yǎng)元素的數(shù)量會起到相反的作用，而施用缺乏的營養(yǎng)元素會改變原有養(yǎng)分平衡狀態(tài)，明顯提高其他營養(yǎng)元素肥料的利用率，達到增產(chǎn)增收、改善農(nóng)產(chǎn)品品質的作用。

早在20世紀30年代養(yǎng)分均衡型肥料就已經(jīng)應用到農(nóng)業(yè)領域且發(fā)展迅速。目前，主要生產(chǎn)和施用養(yǎng)分均衡型肥料的國家有美國、英國、法國等20多個國家[130]，如德國BASF公司的“全元素肥料”、以色列海法保利豐、含鎂鉀等產(chǎn)品。我國養(yǎng)分均衡型肥料的研發(fā)起步于20世紀50年代，主要經(jīng)歷了無機鹽類通用型中微量元素肥料、螯合態(tài)中微量元素肥料等發(fā)展階段。例如，過磷酸鈣除含磷外，還含有植物所必需的Ca、Mg、S、Fe、Zn、Cu、Mn等，能夠為作物生長提供其所需的中微量元素[131]。

農(nóng)作物所需的營養(yǎng)元素處于土壤這一復雜體系中，各元素之間既可以相互促進，又能夠產(chǎn)生拮抗。在養(yǎng)分均衡型肥料的生產(chǎn)過程中，需要提高養(yǎng)分利用率和肥料間的配伍合理性。例如，大量元素K與中量元素Mg即表現(xiàn)為拮抗作用，隨著K濃度的增加會抑制植物對Mg的吸收。NO3--N與Cl-之間也存在著相互抑制的拮抗作用；此外，NH4+-N濃度升高時會抑制植株對Mg2+、Fe3+、Mn2+的吸收[132]。大量元素N、P、K之間，N能促進P和K的吸收[133]。

隨著人們生活水平的提高，人們對農(nóng)產(chǎn)品品質有了越來越高的要求，中微量元素可以有效地改善農(nóng)產(chǎn)品品質，發(fā)展養(yǎng)分均衡型肥料尤為重要。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，應根據(jù)作物不同時期的養(yǎng)分需求規(guī)律、土壤肥力現(xiàn)狀及肥料利用率（受養(yǎng)分種類和土壤質地的影響）開發(fā)一系列有針對性的肥料配方。比如苗期和開花期，需要高磷配方，小果期需要高氮配方，大果期需要高氮高鉀配方，果實上色期需要高鉀配方等。因此，需要加大研究工作的力度，推動最佳平衡施用技術研制，生產(chǎn)出科技含量高、質優(yōu)價廉、具有較強競爭力的均衡型肥料產(chǎn)品；開發(fā)中、微量元素在內的配方施肥技術等。

3.5 增值型綠色肥料

增值肥料是將安全環(huán)保的有機生物活性增效載體與化肥肥料科學配伍，通過綜合調控“肥料-作物-土壤”系統(tǒng)改善肥效的肥料增值產(chǎn)品[134]。增值肥料主要技術特點包括：（1）載體增效制肥；（2）增效載體通常為天然/植物源物質，安全環(huán)保；（3）綜合調控“肥料-作物-土壤”系統(tǒng)增效；（4）增效載體微量高效；（5）與大型化肥生產(chǎn)裝置結合一體化生產(chǎn)，可實現(xiàn)對“肥料-作物-土壤”系統(tǒng)綜合調控，達到“促吸收、降活性、優(yōu)供應、減損失”的目的，賦予產(chǎn)品有效養(yǎng)分高效化利用特征。增值肥料的增效載體主要包括腐殖酸類（風化酶、褐煤）、海藻酸類（褐藻海藻酸）、氨基酸類（谷氨酸、聚谷氨酸），這些增效載體屬于植物刺激素的范疇，但是增值肥料又不同于植物刺激素類肥料，增值肥料更注重增效載體對肥料的增值作用，不偏重其對植株的生長調節(jié)和刺激作用[134]。增值化肥種類主要有氮肥（尿素、復合肥）、磷肥（磷酸一銨、磷酸二銨）和鉀肥[2]，代表性增值氮肥產(chǎn)品有海藻酸增值尿素、辛腐酸增值尿素、海藻酸增值復合肥、聚合谷氨酸增值尿素，代表性增值磷肥產(chǎn)品有海藻酸增值磷銨[134]。

增值肥料是中國農(nóng)業(yè)科學院趙秉強研究團隊從2000年開始，經(jīng)過20余年的研發(fā)，形成的繼緩/控釋肥料、穩(wěn)定性肥料、脲甲醛類肥料后發(fā)明的綠色高效肥料產(chǎn)品。目前，增值肥料在國內十余家肥料企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，系列增值肥料行業(yè)標準的實施標志著增值肥料新產(chǎn)業(yè)的形成，年產(chǎn)能1 500萬噸，推廣0.3億公頃（4.5億畝）[134]。

海藻酸增值尿素、腐殖酸增值尿素、谷氨酸增值尿素均可顯著提高作物產(chǎn)量、促進作物吸收氮養(yǎng)分、提高氮肥表觀利用率和顯著降低肥料氮損失[135]。最新研究結果表明，葡萄糖改性尿素可延緩尿素水解，提高尿素氮肥利用率，是一種優(yōu)良的新型增值肥料[136]。在不同類型的增值肥料中，腐殖酸類增值肥料的產(chǎn)品最多，相關的研究也最多。腐殖酸尿素施用后能緩沖土壤pH、抑制脲酶活性和減少氨揮發(fā)，通過減緩土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化來延緩尿素的釋放，并增加尿素氮在土壤中的留存，明顯提高玉米和小麥的產(chǎn)量和地上部干物質量以及作物對氮的利用率[137]。腐殖酸還能促進磷在土壤中的橫向和縱向遷移，提高腐殖酸磷肥的有效性[138]。增值肥料對環(huán)境效應的作用效果研究較少，僅有少數(shù)研究表明增值尿素顯著降低脲酶活性和降低土壤氨揮發(fā)[139]。未來應該加強增值肥料作用機理和環(huán)境效應方面的研究，為增值肥料的科學利用和生態(tài)應用提供理論支撐。同時，在開發(fā)增值肥料新品種和增值肥料的提質增效方面也應該加大研究力度，加快推進增值肥料服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的步伐和程度。

4 強化綠色肥料發(fā)展的建議

中國化肥生產(chǎn)量約占全球的1/4，產(chǎn)值占全球的1/3?；蕿槿蚣Z食增產(chǎn)做出了50%以上的貢獻，在發(fā)展中國家化肥的增產(chǎn)作用更大，在糧食增產(chǎn)方面的貢獻可以達到60%左右。因此，化肥是糧食高產(chǎn)的最大功臣。我國的有機廢棄物資源總量有60多億噸，其蘊含著18億噸有機質，是一筆巨大的財富。如何實現(xiàn)化肥的綠色轉型、有機肥資源高效低成本利用，筆者提出以下四點思路和建議。

4.1 依靠市場機制，加強頂層設計，構建肥料綠色制造新體系

為了有效增加化肥供應，保障糧食安全，我國在20世紀80—90年代對化肥價格進行了調控，在能源價格、鐵路運輸、稅收等方面給予化肥企業(yè)優(yōu)惠。但目前化肥產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能已嚴重過剩，并形成了肥料供給側企業(yè)“多、小、雜”的局面。應適時建立合理的市場機制，深化肥料供給側改革，淘汰落后產(chǎn)能；應加強頂層設計，從肥料“原料質量安全、資源節(jié)約；制造工藝低碳節(jié)能、生態(tài)環(huán)保；產(chǎn)品安全高效、環(huán)境友好；流通過程布局合理、減排高效；施用科學合理、精準變量”五個方面全面綠色化，優(yōu)化企業(yè)綠色產(chǎn)業(yè)鏈；規(guī)范市場貿(mào)易、進出口、政策法規(guī)等管理體系，制定頒布綠色肥料行業(yè)和國家標準；建立農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護制度，從源頭、過程和末端全鏈條管控養(yǎng)分資源，保障農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

4.2 以養(yǎng)分資源綜合管理為核心，促進有機-大量-中微量元素肥料平衡協(xié)調發(fā)展

從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)觀點出發(fā)，綜合利用所有自然和化工、生物合成的植物養(yǎng)分資源，通過有機肥與化肥的精準配伍、土壤培肥與土壤保護、生物固氮、植物改良措施，綜合協(xié)調農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中養(yǎng)分的投入產(chǎn)出平衡，調節(jié)養(yǎng)分供應與利用強度，實現(xiàn)養(yǎng)分資源高效利用。通過合理利用有機養(yǎng)分資源（有機肥+秸稈+綠肥等），加強和支持廄肥漚制、生物有機肥補充、秸稈還田、糧草輪作，用有機肥養(yǎng)分替代30%化肥養(yǎng)分，實現(xiàn)有機無機相結合，以耕地內在養(yǎng)分替代外來化肥養(yǎng)分投入。優(yōu)化氮、磷、鉀數(shù)量及形態(tài)配比，促進大量元素與中微量元素的區(qū)域性“適地適作”配伍，發(fā)揮營養(yǎng)元素形態(tài)互作增效優(yōu)勢，適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，引導肥料產(chǎn)品優(yōu)化升級。

4.3 充分發(fā)揮科研平臺作用，大力發(fā)展智能化綠色肥料產(chǎn)品

基于各級綠色肥料研制與開發(fā)平臺，聯(lián)合國內相關研究機構，加強國內外學術交流與合作，攻克綠色肥料產(chǎn)業(yè)鏈核心技術。深入研究肥料原料有害物質去除及提高資源利用效率高新技術，創(chuàng)新先進高效煤氣化技術、高端濕法磷酸精制技術等低碳環(huán)保制造工藝，探究“養(yǎng)分供需”與“精準控釋”規(guī)律，深化不同區(qū)域、不同作物的需肥規(guī)律和土壤供肥能力研究，篩選合成新型環(huán)境友好生化抑制劑、包膜材料、微生物菌劑、肥料助劑等新材料，集成創(chuàng)新精準控釋技術，創(chuàng)制穩(wěn)定性肥料、微生物肥料、緩控釋肥料、炭基肥料、有機-無機復合肥料、增值肥料、功能性肥料等新產(chǎn)品。

4.4 融合現(xiàn)代傳感和信息技術，全面推進綠色高效的精準施肥

智能精準的施肥技術是基于作物品種特性、根際土壤養(yǎng)分供應能力、肥料養(yǎng)分釋放規(guī)律等關鍵要素，利用實時動態(tài)的養(yǎng)分分析技術和智能裝備，實現(xiàn)養(yǎng)分供應與需求的無限吻合。以美國為代表的農(nóng)業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開始研制智能化、變量化的施肥技術，并已經(jīng)取得了一定的進展。利用大數(shù)據(jù)、GPS、新一代智能傳感器等技術和設備，開發(fā)出實時在線調控多種肥料的高效變量施肥機具。而我國對核心智能化控制系統(tǒng)自主研發(fā)能力較弱，高精準性及適用性施肥機械研究較少，且所集成的產(chǎn)品自動化及智能化程度低，應用示范面積小，并未在生產(chǎn)中推廣應用。未來將需加大精準實時養(yǎng)分傳感器研制以及大數(shù)據(jù)、云計算等新技術的集成應用。建立農(nóng)田肥料限量投入指標體系，研制精準施肥系統(tǒng)與水肥一體化智能體系、有機類肥料及液體肥料高效施用機械等綠色施肥技術與裝備。

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Origin, Present Situation and Development Trend of Green Fertilizer

WU ZhiJie1, 2, ZHANG LiLi1, 2, SHI YuanLiang1, 2, WEI ZhanBo1, 2, LI DongPo1, 2, GONG Ping1, 2, LI Jie1, 2, ZHANG Lei1, 2, Wang LingLi1, 2, WU KaiKuo1, 2, XUE Yan1, 2, Song YuChao1, 2, CUI Lei1, 3

1Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;2Engineering Laboratory for Green Fertilizers, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

The new development concept of "innovation, coordination, green, openness and sharing" is the centralized reflection of China's development concept, direction and focus in the 14th Five-Year Plan and even in the longer term. The green development of agriculture is an important part of the implementation of the new development concept, which plays an important role in forming a harmonious coexistence between human beings and nature, ensuring food safety and creating a livable environment. Fertilizer, as the largest exogenous input and production material, plays a significant role and has a profound impact on the quantity and quality of agricultural products and the agricultural ecological environment, and plays a pivotal role in the green development of agriculture. However, the improper application of traditional fertilizers has caused the degradation of soil quality, environmental pollution and degradation of agricultural products, which urgently requires the transformation and upgrading of fertilizer products, and the development of green inputs has come into being. Green fertilizer concept and definition is: the application of quality and safety of raw materials, low-carbon environmental protection process, the use of physical - chemical - biological modification and efficiency technology production and use, with efficient and balanced nutrients, emission reduction and environmental protection, fertilization of fertile soil function of a class of fertilizers. The types of green fertilizers are mainly divided into the following five categories: nutrient-efficient green fertilizers, carbon-fixing and fertilizing green fertilizers, efficiency-enhancing and nutrient conversion efficiency green fertilizers, nutrient-balanced green fertilizers, and value-added green fertilizers. How to realize the green transformation of chemical fertilizers and the efficient and low-cost utilization of organic fertilizer resources? there are four main suggestions: (1) Rely on market mechanisms, strengthen top-level design, and build a new system of green fertilizer manufacturing; (2) Take the integrated management of nutrient resources as the core, and promote the balanced and coordinated development of organic-mass-element-micro-element fertilizers; (3) Fully play the role of scientific research platforms, and greatly develop intelligent green fertilizer products; (4) Integrate modern sensing and information technology to thoroughly promote green and efficient precision fertilization. This paper provided an overview of the background, concept, types and characteristics of green fertilizers proposed, and discussed the future development direction, in order to provide insight into the green transformation of China's fertilizer industry and the green development of agriculture in the future.

green fertilizer; nutrition balance; soil fertility improving; environmental friendly

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.13.008

2022-05-13；

2022-08-26

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）（XDA28090200）、興遼英才計劃高水平創(chuàng)新團隊項目（XLYC2008019）、國家自然科學基金（31971531）、遼寧省揭榜掛帥項目（2021JH1/10400039）、王寬誠率先人才計劃“產(chǎn)研人才扶持項目”（2022-5）

武志杰，E-mail：wuzj@iae.ac.cn

（責任編輯 李云霞）