劉旭杰，嚴(yán)旖旎，單海勇，張 晉，韓 笑，劉 建

（江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226012）

我國自古以來就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，隨著近幾十年來化學(xué)肥料的發(fā)展和普及，目前我國已成為化肥施用量全球第一的國家，施用量超過全球平均水平的3倍［1-2］。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來深陷肥料成本投入高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重的困局，其根本原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中肥料利用率不高［2-4］。據(jù)統(tǒng)計，2010年歐洲國家三大作物氮利用率為61%，美國三大作物氮利用率為52%［5］，而同時期我國氮肥利用率僅為31%左右，其中玉米的氮利用率僅為30%［6］。2015 年之后，隨著肥料“減量增效”技術(shù)研究深入，提高了肥料利用率，在減少肥料施用量的情況下糧食產(chǎn)量仍然每年都在增加，“減量增效”將是新型肥料研究的主要方向。

1 新型肥料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析

新型肥料相較于傳統(tǒng)肥料，一般是依靠添加有效助劑，創(chuàng)制新配方或者開發(fā)新技術(shù)，形成具有更高肥效的新品種肥料。目前市場上較為常見的新型肥料品種包括包衣（膜）緩控釋肥、脲醛類緩控釋肥、水溶性復(fù)合肥、穩(wěn)定性復(fù)合肥、海藻酸類復(fù)合肥、腐植酸類復(fù)合肥、氨基酸類復(fù)合肥、微生物復(fù)合肥、有機復(fù)合肥、中微量元素肥、土壤調(diào)節(jié)劑，以及以聚多巴胺、水凝膠、多層聚合物電解質(zhì)、自降解多聚體自愈材料、納米材料等智能材料為基礎(chǔ)或主體的智能新型肥料［7-13］。

1.1 復(fù)合肥行業(yè)運行情況

根據(jù)中國磷復(fù)肥工業(yè)協(xié)會（以下簡稱協(xié)會）的數(shù)據(jù)，2021 年，協(xié)會統(tǒng)計范圍內(nèi)的企業(yè)復(fù)合肥總產(chǎn)能為5 268 萬t，占全國復(fù)合肥總產(chǎn)能的26%左右；總銷量為2 703.6萬t，占全國復(fù)合肥總銷量的45%左右，遠(yuǎn)超總產(chǎn)能占比；產(chǎn)能利用率為51.3%，比2020 年高0.9 百分點，也遠(yuǎn)超復(fù)合肥行業(yè)平均水平（30%）；復(fù)合肥行業(yè)產(chǎn)能集中度越來越高［14］。我國肥料產(chǎn)業(yè)布局加速向農(nóng)業(yè)用肥大省轉(zhuǎn)移，復(fù)合肥產(chǎn)業(yè)主要集中在鄂、魯、蘇、皖等地，近幾年開始向東三省、河南、新疆等地轉(zhuǎn)移或擴建產(chǎn)能，降低了綜合成本，提高了市場響應(yīng)速度和企業(yè)的綜合競爭能力。我國肥料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在加速向農(nóng)作物專用肥等新型肥料方向調(diào)整。近10 年間，新型肥料市場逐步擴大，各大復(fù)合肥生產(chǎn)企業(yè)越來越重視新型肥料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，而且隨著我國測土工程的推進(jìn)和升級，針對不同地區(qū)的專用新型肥料逐步出現(xiàn)在市場中，并深受廣大農(nóng)戶青睞。新型肥料的研制和發(fā)展正在逐步引導(dǎo)整個復(fù)合肥行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

1.2 新型肥料市場運行分析

根據(jù)協(xié)會2021 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，受原料價格抬升影響，2021 年統(tǒng)計范圍內(nèi)的企業(yè)新型復(fù)合肥銷售量占比約為36%，較2020 年降低2.93 百分點，各類新型肥料的市場占比如圖1所示。

圖1 2021年不同品種新型肥料的市場占有率

在統(tǒng)計范圍內(nèi)，2021 年各品種新型肥料銷售量第一的企業(yè)都是業(yè)內(nèi)的大中型肥料生產(chǎn)商（見表1），說明我國大中型肥料生產(chǎn)企業(yè)越來越重視新型肥料的研發(fā)和生產(chǎn)。

表1 2021年各品種新型肥料銷售量第一的企業(yè)

1.3 新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

像穩(wěn)定性復(fù)合肥和腐植酸類復(fù)合肥這樣，助劑成本低、肥效好的新型肥料將繼續(xù)占據(jù)新型肥料市場的主導(dǎo)地位。一些市場占有率較低的新型肥料，像海藻酸類復(fù)合肥、中微量元素肥和氨基酸類復(fù)合肥，由于市場同類型產(chǎn)品較少且利潤較高、肥效明顯，未來市場前景較好。微生物復(fù)合肥和有機復(fù)合肥，具有改良土壤、綠色環(huán)保、成本較低、利潤率高等特性，疊加國家政策導(dǎo)向，在未來生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟后，將會很快成為新型肥料市場的主導(dǎo)品種，其生產(chǎn)工藝的研究也將成為未來肥料生產(chǎn)研究的主要方向。

2 我國新型肥料工藝發(fā)展和創(chuàng)新概況

2.1 新型肥料工藝發(fā)展現(xiàn)狀

各類新型肥料主要是顆粒肥或者粉狀肥料，區(qū)別在于配方、有效成分的制備和成型以及包衣工藝。各類包衣（膜）緩控釋肥主要區(qū)別在于包衣材料不同，但都主要用于實現(xiàn)對肥料養(yǎng)分釋放速率的控制，有的還兼顧補充作物生長后期需要的養(yǎng)分。脲醛類緩控釋肥主要是通過尿素和醛類化合物在酸性溶液中溶解，在催化劑作用下發(fā)生加合反應(yīng)生成固體肥料，最后進(jìn)行中和、造粒和包衣，工藝流程較為成熟，需要用到強酸，對生產(chǎn)裝備耐腐蝕性能要求較高。水溶性復(fù)合肥一般是將產(chǎn)品直接或溶于水中后噴灑在作物葉面或土壤表面，省去了開溝深施的過程，施用簡單方便，效果顯著，其主要工藝過程為溶解→除雜→濃縮→晶化→過濾，與其他肥料生產(chǎn)工藝差異較大。穩(wěn)定性復(fù)合肥是一種具有長效性和環(huán)境適應(yīng)性的新型復(fù)合肥，一般采用干式工藝生產(chǎn)，反應(yīng)溫度較高。腐植酸類復(fù)合肥是我國新型肥料中研發(fā)較早的一種，其生產(chǎn)工藝包括干式工藝和濕式工藝，干式工藝一般是將無機養(yǎng)分加熱到熔融態(tài)和腐植酸礦物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，最后冷卻、造粒；濕式工藝一般先將腐植酸處理成溶液或者凝膠態(tài)，再混合、烘干、造粒。海藻酸類復(fù)合肥、氨基酸類復(fù)合肥、有機復(fù)合肥、微生物復(fù)合肥都屬于有機-無機復(fù)混肥，生產(chǎn)工藝過程和腐植酸類復(fù)合肥類似，只是有機成分及其處理和混合工藝存在區(qū)別。

2.2 新型肥料生產(chǎn)工藝創(chuàng)新

近幾年新型肥料在肥料配方、造粒工藝以及包衣技術(shù)等方面都取得了一些創(chuàng)新成果。肥料配方上的創(chuàng)新，主要通過結(jié)合農(nóng)作物生物學(xué)方面的研究成果，在傳統(tǒng)肥料中添加一些有效助劑，形成新的配方，科學(xué)提高作物產(chǎn)量。肥料造粒是新型肥料走向產(chǎn)品化的關(guān)鍵一步，在不損失營養(yǎng)成分的基礎(chǔ)上，將肥料制作成形態(tài)和效果都穩(wěn)定的產(chǎn)品。造粒工藝方面的創(chuàng)新，主要表現(xiàn)為對擠壓造粒技術(shù)、濕法造粒技術(shù)、噴霧干燥造粒技術(shù)、真空造粒技術(shù)、凝結(jié)造粒技術(shù)等傳統(tǒng)且成熟造粒技術(shù)的微創(chuàng)新，重點在于根據(jù)新配方尋找新的關(guān)鍵工藝參數(shù)，進(jìn)而形成適用于特定新型肥料的造粒工藝。包衣技術(shù)的創(chuàng)新是通過新材料和新包衣工藝，實現(xiàn)肥料緩釋、控釋和靶向釋放等功能。

2.2.1 肥料配方創(chuàng)新

新型肥料配方創(chuàng)新涉及營養(yǎng)元素的組合、生物學(xué)因素、環(huán)境友好性等。目前在配方上的創(chuàng)新成果主要有微生物肥料整合、定制化營養(yǎng)配方、緩控釋肥技術(shù)、有機廢棄物再利用等。

微生物肥料整合指的是將有益微生物整合到肥料中，大量活菌可以幫助植物吸收養(yǎng)分，提高作物的耐受性，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制病原菌，促進(jìn)作物生長和提高作物品質(zhì)［15］。目前微生物肥料按照產(chǎn)品形態(tài)可分為菌劑類和菌肥類。菌劑類包括根瘤菌劑、固氮菌劑、溶磷菌劑、光合菌劑、硅酸鹽菌劑、菌根菌劑、促生菌劑、有機物料腐熟菌劑、生物修復(fù)菌劑，菌肥類主要包括將目的微生物經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)增殖后與營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)合制成的復(fù)合微生物肥料，以及將目的微生物經(jīng)工業(yè)化增殖后與以動植物殘體等有機物為來源并經(jīng)無害化處理的有機物料復(fù)合而成的生物有機肥。微生物對植物的作用主要依賴于他們產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物，但關(guān)于有益微生物、次生代謝物、土壤性質(zhì)、植物寄主之間的互作機制目前還沒有一個被廣泛認(rèn)可的研究結(jié)果。

定制化營養(yǎng)配方一般指的是利用現(xiàn)代技術(shù)，根據(jù)具體植物的需求和具體地域的土壤特性定制肥料的營養(yǎng)成分。通過土壤分析和植物需求，可以調(diào)整氮、磷、鉀等元素的比例，提高肥料效益。研究發(fā)現(xiàn)玉米增產(chǎn)率與土壤中鋅元素的含量呈正相關(guān)，合理施用含鋅的肥料能增強玉米的抗病性，提高產(chǎn)量和光合作用，同時還能提高玉米穗的品質(zhì)［16］。定制化營養(yǎng)配方必須與測土工作一起構(gòu)成一個測土配方肥的技術(shù)體系，相較于成品肥料過程更加復(fù)雜，農(nóng)民和散戶的接受程度不高，但隨著高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的建設(shè)和相關(guān)技術(shù)不斷推廣和創(chuàng)新，定制化營養(yǎng)配方肥仍然是將來必不可少的一類肥料。

緩控釋肥料技術(shù)主要是通過緩控釋技術(shù)的創(chuàng)新使肥料養(yǎng)分以更持久的方式釋放，減少養(yǎng)分流失和浪費。施用緩控釋肥料既能夠降低土壤中氮的濃度，減少氮揮發(fā)、淋失以及硝化作用的損失，提高肥料中養(yǎng)分的利用率，又能夠?qū)崿F(xiàn)一季作物一次施肥基本滿足作物全生育期對養(yǎng)分的需求，減少了施肥次數(shù)，同時還能避免因一次性施肥過多造成的燒苗現(xiàn)象。目前我國市場上緩控釋肥料類型繁多，根據(jù)其生產(chǎn)過程可分為兩類，一種是化成型微溶有機氮化合物，主要是脲醛（尿素和醛類的縮合物）緩控釋肥料；另一種是包衣型緩控釋肥，通過造粒→包覆→涂層等工藝，減緩和控制肥料養(yǎng)分的釋放速率。根據(jù)其化學(xué)組成的差異又可將其分為包裹緩控釋肥、混合緩控釋肥、縮合物或聚合物緩控釋肥、吸附緩控釋肥等。馬海生等［17］基于聚氨酯熔點低、易成型、疏水性好等特點，開發(fā)了聚氨酯緩控釋肥生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了聚氨酯緩控釋肥的規(guī)模化連續(xù)生產(chǎn)。但是，目前我國新型緩控釋肥料施用量在肥料中的占比僅為10%左右，究其原因是現(xiàn)有的緩控釋肥價格相較于傳統(tǒng)化肥更高，還需要在降低成本等方面開展相關(guān)研究。

有機廢棄物再利用指的是利用城市廚余垃圾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物等有機廢棄物制作有機肥料或者有機-無機復(fù)混肥，通過循環(huán)利用資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少廢棄物對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。何雪蓮［18］利用啤酒污泥通過圓盤造粒法制備有機-無機復(fù)混肥，并針對啤酒污泥的特性對有機成分和無機成分的比例、含水率等參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。何震［19］分別使用木質(zhì)素原料、生物炭與無機養(yǎng)分混合，制備木質(zhì)素基有機-無機復(fù)混肥和生物炭基有機-無機復(fù)混肥，然后使用木質(zhì)素制備緩釋膜，進(jìn)行包膜，并通過靜水釋放實驗、土柱淋溶實驗、重金屬吸附實驗以及盆栽實驗測試肥料性能，最終發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素基緩釋肥僅在重金屬吸附能力上弱于生物炭基有機-無機復(fù)混肥，其余性能均優(yōu)于生物炭基有機-無機復(fù)混肥和無機化肥。靳鵬杰［20］通過限氧熱解技術(shù)，利用市政污泥制備新型肥料，相較于無機化肥，新型肥料不但單位質(zhì)量養(yǎng)分含量高，且具備吸附重金屬、改善土壤環(huán)境等功能。

2.2.2 造粒工藝創(chuàng)新

新型肥料造粒，需要根據(jù)肥料配方在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行微創(chuàng)新來適應(yīng)新成分的加入，保證肥料的新成分能夠在造粒后不損失且穩(wěn)定。肖光等［21］針對高塔造粒工藝生產(chǎn)尿基黃腐酸復(fù)合肥產(chǎn)品水分、強度等指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的問題，改良了部分工藝參數(shù)，最終確定固態(tài)黃腐酸粒徑控制在75 μm左右或液態(tài)黃腐酸w（H2O）30%左右時產(chǎn)品質(zhì)量最好，且采用固態(tài)法時，使用粒徑較小的黃腐酸制得的復(fù)合肥產(chǎn)品結(jié)塊率較低。楊皓天等［22］設(shè)計了螺旋輸送增壓方式的秸稈炭肥料制粒機，分析了秸稈炭基顆粒肥料品質(zhì)與配置工藝等的影響關(guān)系，確定了秸稈炭基肥料制粒機關(guān)鍵部件的合理運行參數(shù)，并提出了技術(shù)優(yōu)化思路。因此目前新型肥料造粒工藝的創(chuàng)新方向應(yīng)當(dāng)是基于傳統(tǒng)造粒工藝和新配方在一些關(guān)鍵工藝參數(shù)上進(jìn)行適配。

2.2.3 包衣工藝創(chuàng)新

新型肥料包衣技術(shù)的創(chuàng)新基于材料技術(shù)的發(fā)展和生物學(xué)對農(nóng)作物生長規(guī)律的研究。目前除了傳統(tǒng)的尿素包衣、硫包衣、樹脂包衣，一些以智能材料包衣為基礎(chǔ)的智能肥料的創(chuàng)新成果也非常多。多巴胺對堿性或者鹽脅迫下的植物生長有著明顯的促進(jìn)和改善作用，且可以增加土壤中有效磷的含量和增強堿性磷酸酶的活性［23］。FENG 等［24］以磷酸鋅銨為肥芯，以聚多巴胺（Pdop）作為包膜材料，在包膜層表面接枝聚（N,N-二甲氨基甲基丙烯酸乙酯）聚合物刷（PDMAMEA），制備出具有pH 和溫度雙重感知功能的“智能”肥料MCF@Pdop-g-PDMAEMA，能夠根據(jù)土壤環(huán)境的溫度和pH 調(diào)節(jié)養(yǎng)分釋放速率。多層聚合物電解質(zhì)（PEM）包衣材料可以感知植物發(fā)出的信號并做出響應(yīng)，比如當(dāng)植物缺少養(yǎng)分時，根系會釋放出以氨基酸、有機酸、糖和酚類為主的低分子量化合物作為信號物質(zhì)，而這些信號物質(zhì)可以通過PEM 擴散與膜中適體結(jié)合，引起PEM 包衣發(fā)生滲透性的變化從而釋放養(yǎng)分［25］。用氨基甲酸酯（PCL）與聚己內(nèi)酯或聚（L-乳酸）（PLA）混合制備的自降解聚乙醛酸乙酯（PEtG）包衣材料，除了能感知植物根系附近的pH變化，還可以降解為生物毒性很低且在環(huán)境中容易代謝的乙醛酸水合物和乙醇［26］。自愈材料是一種可自動修復(fù)的智能包衣材料，其自愈的機制為解決肥料控制養(yǎng)分釋放曲線與作物生長曲線同步這一瓶頸問題提供了重要的理論和技術(shù)支持。自組裝自愈性生物基聚氨酯包膜尿素（SSBPCU），包衣材料利用海藻酸鈉與鈣離子反應(yīng)生成海藻酸鈉凝膠的原理，在納米級材料表面形成阻塞毛孔限制水流的納米級海藻酸鈉凝膠，從而實現(xiàn)自愈的功能［27］。聚琥珀酰亞胺基納米材料（PSI）可以作為載體攜帶農(nóng)藥、肥料和營養(yǎng)物質(zhì)，并在常溫、pH大于7的環(huán)境下受控釋放，釋放速率隨pH升高而加快，隨官能度的提高而減慢，且毒性很小，可作為肥料和營養(yǎng)元素的運轉(zhuǎn)載體，適合用于特定地點的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［28］。

肥料包衣工藝根據(jù)包衣設(shè)備，一般分為滾筒包衣工藝和流化床包衣工藝。滾筒包衣裝備是在滾筒中心放置噴頭，肥料顆粒滾動時均勻地包裹上鑄膜液；流化床包衣裝備則是利用顆粒流化現(xiàn)象制作流化床，然后混入鑄膜液。經(jīng)過多年的創(chuàng)新和發(fā)展，無論是滾筒包衣工藝還是流化床包衣工藝相關(guān)工藝都根據(jù)肥料特點做了許多細(xì)分，但近幾年相關(guān)的創(chuàng)新較少?？偟膩碚f滾筒包衣工藝適合顆粒較大的肥料，流化床包衣工藝更適合小顆粒的肥料。

3 我國新型肥料創(chuàng)新發(fā)展的目標(biāo)及途徑

在“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展理念指導(dǎo)下，新型肥料成了化肥“減量增效”工程的排頭兵。近十年來我國新型肥料的市場和產(chǎn)業(yè)不斷擴大，但現(xiàn)有新型肥料研發(fā)、生產(chǎn)工藝改進(jìn)和創(chuàng)新還僅僅是從肥料本身著手，近幾年也有結(jié)合土壤、微生物等領(lǐng)域的趨勢與案例，但與先進(jìn)栽培技術(shù)以及新型農(nóng)機結(jié)合不緊密，依舊存在著許多不足［29-30］。

3.1 創(chuàng)新發(fā)展目標(biāo)

將肥料與田間生產(chǎn)的耕、種、管、收等環(huán)節(jié)看作一個整體，充分結(jié)合育種、栽培、農(nóng)機等相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)，研究和開發(fā)能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“減量增效”，且質(zhì)優(yōu)價廉的環(huán)境友好型肥料產(chǎn)品。

3.2 創(chuàng)新發(fā)展途徑

首先，應(yīng)該優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有工藝，提高肥料生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和環(huán)境污染，降低新型肥料的市場價格，進(jìn)一步擴大新型肥料的市場。比如料漿法可利用一些像磷酸等原料發(fā)生反應(yīng)時釋放的熱量來快速烘干；團粒法可以通過粉塵回收技術(shù)創(chuàng)新，利用某些原料的低溫共溶（熔）機制，形成團粒法和料漿法優(yōu)勢互補的新技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低排放。

其次，需要開發(fā)低碳綠色新工藝。一是產(chǎn)品研發(fā)要以“減量增效”為首要目標(biāo)，兼顧針對不同作物的營養(yǎng)平衡。也可適當(dāng)考慮增加功能性物質(zhì)，使用綠色智能材料等，全面提升產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)肥料產(chǎn)品的高效利用。二是要盡可能縮短生產(chǎn)工藝流程，盡量做到無“三廢”排放，降低生產(chǎn)成本和污染物處理成本。三是要因地制宜，針對不同的土壤性質(zhì)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)專肥專用。

最后，要廣泛結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中其他學(xué)科的創(chuàng)新成果。目前，我國新型肥料配方、材料成型工藝技術(shù)積累較為豐富。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，新型肥料生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新關(guān)鍵點在新材料上面；也有研究表明在施用同樣肥料的情況下，先進(jìn)的耕作方式也可以顯著提高肥料利用率，在此基礎(chǔ)上最成功的肥料、農(nóng)藝、農(nóng)機三者相結(jié)合的創(chuàng)新成果就是側(cè)深施肥技術(shù)和側(cè)深施肥機，目前已廣泛應(yīng)用到水稻、小麥生產(chǎn)中。因此，肥料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新也需要拓寬思路，和精準(zhǔn)施肥、保護(hù)性耕作及秸稈還田等農(nóng)藝結(jié)合起來。比如結(jié)合精準(zhǔn)施肥，要求肥料不再以小顆粒的形態(tài)施用，而應(yīng)該以肥料塊或者肥料球的形態(tài)施用在作物根系附近；結(jié)合保護(hù)性耕作，要求肥料塊或肥料球的養(yǎng)分要能滿足作物一個生長周期內(nèi)全部所需，且能緩慢甚至是根據(jù)作物的不同生長期智能釋放，減少動土，保護(hù)耕地；結(jié)合秸稈還田，要求肥料配方能將秸稈進(jìn)行二次利用，或者是肥料在釋放養(yǎng)分過程中能夠加速還田的秸稈腐解，使秸稈能在作物生長后期提供養(yǎng)分。此外將肥料做成球或塊狀可以減少肥料的表面積，減少受潮結(jié)塊情況［31］。

4 展望

未來，在市場驅(qū)動下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的新技術(shù)必然要通過多學(xué)科的融合才能碰撞出新的火花，我國新型肥料生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新工作也應(yīng)當(dāng)走出研究配方和新材料的舒適圈，和育種、農(nóng)藝、農(nóng)機等相互融合，從產(chǎn)品形態(tài)、施用方式、專種專用、專土專用以及秸稈二次利用等方面著手，開發(fā)出真正服務(wù)我國“三農(nóng)”事業(yè)的好產(chǎn)品。