摘要从我国化肥用量、结构和肥料管理3个角度出发,阐述了化肥生产和使用的基本现状以及存在的问题.必须通过调整肥料养分和产品类型来均衡作物必需的营养元素;通过肥料产业发展规划和政策法规管理来实现肥料可持续发展;应当以提高肥料利用率为核心,实施“以质量替代数量”的发展战略.建议通过技术措施、管理法规和科技创新来建立适合中国国情的绿色肥料保障体系.围绕绿色肥料,提出了科技界在构建绿色肥料保障体系过程中,需要重视和解决的关键科学问题:研究植物矿质营养学说与有机营养学说的融合;深入探究新型肥料作用机理与新产品创制技术,采用新技术革新大宗基础化肥;加强“肥料-土壤-植物”之间养分转化规律科学问题的梳理;探讨有机肥开发新的技术途径;呼吁创立以科学家、农学家、工业专家、企业家、政府主管部门共同主导的“科学的中国肥料体系”.
关键词化学肥料环境保护绿色制造中低品位磷矿
化肥是农业持续发展的物质基础,是粮食的“粮食”.20世纪,粮食单产的1/2、总产的1/3来自化肥的贡献.全国化肥试验网表明,施用化肥可提高水稻、玉米、棉花单产40%~50%,提高小麦、油菜等越冬作物单产50%~60%.21世纪初化肥对粮食总产的贡献率,小麦为30.5%、玉米为25.3%、水稻为18.7%.21世纪前10年与20世纪相比,化肥对粮食增产的贡献率虽然有所下降,但对3大主粮总产量的贡献率仍占1/4[1].化肥对保证粮食安全起了重要作用.
1肥料使用的国内外现状
1.1国内现状
当前,我国肥料当季利用率,氮肥仅为30%~35%,磷肥只有10%~25%,钾肥利用率40%~50%.我国是肥料资源约束型国家,人均磷、钾矿产资源为世界平均的39%和7%.连续大量施用化肥,不仅浪费资源,增加农业生产成本,也带来水体富营养化、温室气体排放、土壤酸化和病虫害加重等一系列环境问题.
2013年我国商品肥料实物产量高达1.8亿吨,按2013年底大陆人口13.6亿计算,商品肥料人均年实物产量高达132kg.2030年前后,我国人口将达最大值,粮食总需求将达7.8亿吨,未来17年我国粮食平均年增长率还要达到1.6%.我国肥料产量是否还要继续增长?这是迫切需要研究的问题.
1.2与国外比较
据国际肥料工业协会(IFA)《全球肥料供应和贸易2013-2014》介绍:2013年全球养分需求得到了充足供应,全球合成氨、磷矿石和钾盐产量合计达到2.344亿吨纯养分.2013年养分销售量达到2.32亿吨纯养分,农用化肥销量占总销量的78%,估计近于1.79亿吨纯养分,工业消费和去向不明达5300万吨.2013年我国化肥产量7030万吨,占全球2.344亿吨总产量的30%以上,我国肥料消费量5912万吨,占全球肥料总消费1.79亿吨的33%[2].
20世纪80年代工业发达国家化肥用量达高峰后,化肥施用量均逐渐下降.国外经济发达了,用肥量减少,而粮食产量不降反增.为什么我国经济发达了,化肥反而越用越多,而作物产量的增幅却不断下降?这反映了肥料生产使用存在问题,在施肥量增加到一定水平后,增(肥)量增产的模式已经走到尽头,必须转向增效增产的新模式——“以质量代替数量”.
2我国化肥使用中存在的问题
2.1大部分地区施肥量过大,但不同区域、作物间肥料用量差异大
世界粮农组织(FAO)2013年统计年报(FAOStatisticalYearbook2013)统计了2009年167个国家级地区耕地(可耕地及多年生作物耕地)的施肥水平[3].表1选择了其中11个国家作为比较.
由表1可知,2009年我国耕地的施肥水平为世界平均水平的4倍,为美国的414%、以色列的280%、德国的250%、英国的187%、日本的160%、韩国的139%、印度的286%、巴西的400%、俄罗斯的29倍.在FAO统计的167个国家与地区中排名第6位.若按《中国统计年鉴2013》,我国2009年化肥施用量5404.4万吨,耕地(总资源)2008年底为1.217159亿公顷,2009年我国耕地的施肥水平为444kg/hm2,与FAO数据比较仅差0.4%[4].
我国耕地的施肥水平表现在作物品种及地区的差异,据中国农业大学大规模农户调查,2007~2009年全国果树的平均施肥水平为1226kg/hm2,山东省为1643kg/hm2,湖北省仅405kg/hm2;全国蔬菜平均施肥水平697kg/hm2,广东为1045kg/hm2,四川仅295kg/hm2;大田作物水稻全国平均施肥水平332kg/hm2,广西为424kg/hm2,黑龙江为240kg/hm2;小麦全国平均为352kg/hm2,宁夏为443kg/hm2,甘肃为207kg/hm2;玉米全国平均316kg/hm2,湖南为477kg/hm2,黑龙江为263kg/hm2.作物品种或地区间差别均约4倍[1].
总体来说我国单位面积耕地施肥水平过大,但也有施肥不足的地区及作物品种.目前,小麦、玉米、水稻3大粮食作物氮肥施用量超过合理施肥量(225kg/hm2)的比例分别为37%,43%和22%[1];因过量施肥,2003~2013年我国氮肥利用率仅30%~35%[5];我国过量施氮占全球总过量氮的33%[6].
2005年全国化肥施用环境成本(修复环境所需费用)188亿元,其中:大气污染37.8亿元,土壤污染51.4亿元,水体污染99.1亿元.化肥过量施用对水体污染的修复成本最高,其次为对土壤的污染.1990~2005年全国化肥施用环境成本年均增长7.1%.2005年农用化肥使用量4766.2万吨,而2013年5912万吨,又增加了23.8%,施用环境成本更高[7].
2.2化肥品种过“精”,导致作物养分失衡
(ⅰ)化学肥料中营养元素的失衡.据统计,2012年全国55个大中型复合肥料厂复合肥总产量3260万吨,占全国复合(混)厂总产量5320万吨的61%.55个大中型厂的复合肥产品平均养分N15.27%,P2O516.53%,K2O13.55%,总养分45.35%[8].高浓度复合肥主要含N,P,K,Cl,S5种植物营养,而作物生长必不可少的营养元素有17种.据2014年农业部全国农业技术推广中心田有国介绍,最新估测我国耕地土壤中微量元素在缺素临界值以下的比例为:钙63%,镁53%,硫40%,硼84%,铁31%,锌42%,锰48%,铜25%,钼59%,与第2次土壤普查相比,缺中、微量元素的耕地面积增加近1倍.
长期施用高氮复合肥、高浓度复合肥、高浓度磷复肥,致使作物营养失调,使作物抗病害、对不良气候条件的抗逆能力下降,易遭受病虫害侵袭.高产作物收获前易产生倒伏,而倒伏是影响产量进一步提高的制约因素之一.
郑州大学开发的以脲硫酸分解磷矿,不排出磷石膏,并在造粒过程中添加钙镁磷肥、熔融磷钾肥,所形成的中浓度、多营养、功能性复合肥,含有N+P2O5+K2O总养分36%~42%,CaO+MgO超过5%,S+有效SiO2超过10%,还含有一定量的Mn,Fe,Zn等微量营养元素.脲硫酸功能性复肥是一种低成本、环保型复肥新工艺,总养分40%的脲硫酸功能性复肥,其肥效超过45%的普通复合肥,是高浓度复合肥的替代性产品.
新兴农业技术大多把重点放在增加农作物的单位面积产量、缩短生长周期和加强抗病虫害上,而很少关心营养问题,致使果蔬个头越来越大,而所含营养素越来越少.
美国某研究所对1975~1997年的12种新鲜蔬菜测定表明,它们的平均钙含量减少27%、铁减少37%、维生素A减少21%、维生素C减少30%.英国从1930~1980年,50年间蔬菜钙含量平均减少19%、铁减少22%、钾减少14%;美国德克萨斯州大学对美国农业部1950~1999年记录的近50年蔬菜、水果的营养数据进行对比,这些蔬果的蛋白质、钙、磷、铁、维生素B2、维生素C的含量平均减少5%~40%不等[9].
更营养、更有效的方法是通过施入营养全面的肥料,使产出的农产品更营养,营养平衡才能生产高品质农产品.
(ⅱ)无机肥料与有机肥料、含生物菌剂肥料的失衡.2012年我国无机肥料实物产量16030万吨,商品化有机肥产量1130万吨、含生物菌剂有机肥料340万吨,有机无机复混肥870万吨,商品肥料总量超过1.8亿吨.其中无机肥料占87%,其他类型肥料仅占13%.
2012年约有3030万吨氮磷钾养分以各种途径的有机肥形式返回耕地,有机质资源带入养分占当年无机、有机总带入养分量的37%.研究表明,当化肥和有机肥各提供植物营养50%时,化肥副作用不明显,农药施用量较低;化肥比例高于50%后,化肥副作用随之出现,农药施用量急剧增加.在欧盟目前所施用的各种类型的肥料中,仅仅1/2来自化学肥料,近1/2来自禽畜粪便[10].
当前,许多场合作物碳营养不足已成为高产限制因子.通过施小分子含碳化合物肥补碳,可降低化肥用量而获得高产.与二氧化碳比较,有机碳肥更具明显优越性,它已是有机态,无需消耗光能进行有机合成,可促进作物更快地生长.在各地大田应用中,有机碳肥显示了高产、优质、抗病虫害等效果[11,12].
(ⅲ)生理酸性肥料与碱性矿质肥料的失衡.2012年我国生产的15388万吨实物氮、磷肥中,明确的生理酸性肥料有11620万吨,占75.5%,生理中性或生理酸性肥料3635万吨,占23.6%,而明确的生理碱性肥料133万吨仅占0.9%;足见2012年我国生产的肥料中生理酸性肥料与碱性矿质肥料相比,严重失衡.
(ⅳ)速效与长效肥料的失衡.当前,我国商品肥料中长效的缓释肥、有机肥约占8%,速效化学肥料占92%.
2.3肥料管理政出多门
目前,我国管理与指导肥料生产的有工业信息化部及相关的肥料协会;颁发生产许可、制定监管肥料质量标准的有质检部门、工商管理部门;进行肥料登记管理的有农业部;肥料的流通管理、市场监管隶属工商部门;肥料使用管理有各级农业部门.这种肥料管理的多元化格局、政出多门、法律缺失,造成多年来肥料生产、销售、使用等环节问题层出不穷.因此,必须确立肥料管理主体部门.
3解决思路与政策建议
我国化肥使用中存在的3大主要问题是肥料施用过量、肥料结构失衡、肥料管理主体缺失.建议肥料发展应当以提高肥料利用率为核心,实施“以质量替代数量”的发展战略.
3.1可立即实施的建议
实行养分资源综合管理,进一步推广测土配方施肥技术;大力发展复合肥料、专用肥料、BB肥料;推行氮素实时监控技术,大力推广环境友好缓释肥料、增值肥料等新型肥料;建立多元化、社会化的农化服务体系,引导农民正确施肥.
3.2需进一步研究的技术和建议
在完成《我国化肥使用中存在的问题与对策》咨询评议项目的调研中,发现下列技术有一定的应用前景,有助于我国走向肥料强国.
(ⅰ)中低品位磷矿、钾矿的综合利用.磷矿是一种不可再生的战略资源.随着富矿资源开采的日益枯竭,中国磷资源即将迈入以中低品位矿开发利用为主的时代.因此,研究中低品位磷矿的合理利用和经济开发已成为磷及磷化工领域的前沿问题和当务之急.
郑州大学化工与能源学院前身郑州工学院、郑州工业大学自1963年至今半个世纪以来,一直从事低品位磷矿不经选矿直接利用的研究.许秀成教授领导的课题组长期研究含镁熔融磷肥玻璃体结构,对各阴阳离子的配位关系及各阴离子电场强度进行深入研究,早在1983年就提出了玻璃结构因子(Ob/Yb)来描述钙镁磷肥玻璃网络大小,建立了计算Ob/Yb的数学表达式.“钙镁磷肥采用玻璃结构因子配料方法”在国内钙镁磷肥厂得到普遍采用,使磷矿可直接利用的品位从含P2O5³24%降至P2O5³14%,为矿山和磷肥企业创造了巨大的经济效益及社会效益,1985年获得国家发明奖[13,14].
为进一步合理利用中低品位磷矿、选矿尾矿、难溶性钾矿及矿山废弃物,我们将含镁熔融磷肥玻璃体结构扩展至含复杂组分的含磷铝硅酸盐玻璃体,可以扩展到包含P2O5,K2O,CaO,MgO,SiO2,Fe2O3,FeO,Al2O3,B2O3,MnO,CuO,ZnO,NiO,MoO2,CoO,TiO2等许多组分的复杂体系,建立了包含这些低化学稳定性复杂组分的玻璃体结构模型,推导出扩展的玻璃结构因子(Ob/Yb)ox及其计算式.对高效利用低品位磷矿、磷矿选矿尾矿、难溶性钾矿和低品位磷钾矿制造能为农作物吸收的玻璃体肥料具有一定的理论意义和应用价值[15].中低品位磷矿的合理利用,在国外也得到重视[16,17].
(ⅱ)有机废弃物资源综合利用.植物秸秆、腐植酸、牲畜粪便、农作物加工废弃物、沼气液都是极好的有机肥源,它们不但是天然的“碳源”,同时含有植物生长必需的其他营养元素,是最佳有机“缓控释肥”.针对现有化学制浆造纸工艺的严重环境污染和资源巨大浪费及我国竹子与农作物及加工废弃物未能高附加值利用的情况,本团队联合多所大学历经8年攻关,发明了具有投资和改造少、成本低、无污染、生态经济特点的“分段式”化学制浆清洁新工艺和有机缓控释肥的新工艺.在工艺、工程、装备和产品等多方面进行了全面创新,解决了一直困扰制浆行业的传质、传热不均,克服了传统工艺大量用碱、高温蒸煮、使用硫化物、蒽醌有毒有害原料及工艺的弊端,结合了化学与机械制浆的优势,最大程度减少了制浆过程对纤维素、半纤维素的破坏,新工艺使浆料得率从现有工艺的45%~50%提高到70%~85%.在年产10万吨的示范生产线上已经证明新工艺用竹子可高效率、高收率生产出高质量纤维浆料,利用腐殖酸、纤维素或改性纤维素与纤维提余液中的木质素、钾、磷、氮及化肥原料,已经生产出经过大田试验鉴定的具有很好增产和提升品质效果的生物基缓控释肥料.创新了将新工艺制浆黑液作为生物营养源,通过与腐殖酸及无机肥料的化学反应及物理成型,成功开发了具有很好缓控释及增产、提质效果的富钾生物基肥及有机无机复合肥系列产品,使植物细胞质中的还原糖、有机氮、磷酸盐、钾盐等营养物质得到了充分应用,展示了植物体的全价开发和高附加值大规模、广泛利用的新途经,已经形成具备大规模推广应用价值的完整工艺包.
生物基肥料具有平衡营养,肥效高,富含有木质素、腐殖酸及其他生物生长所需要的微生物可降解有机和无机营养成分,不会造成白色污染,可提高土壤有机钾、磷的含量,减少钾和磷元素的流失,促进土壤中固定钾和磷利用,改善土壤理化性质和土壤团粒结构,降低土壤密实性,增加土壤的保肥、保水能力;提高肥料缓效性,提高作物抗逆能力、改善作物品质、改善土壤生态.
清华大学、厦门大学、西南大学、华南农业大学、西北农林科技大学等与企业在盐碱地改造、清洁制浆、水性肥、缓控释有机肥料、腐殖酸磺酸盐、秸秆磺酸盐、木质素磺酸盐水溶性大分子和水溶性有机小分子及构型复合肥等实用生产工艺合作开发和应用评价方面实现重大突破,使大规模、低成本生产具有保水和保肥土壤修复及大规模盐碱地和沙漠的改造成为可能.
3.3建立统一归口的肥料管理体系
我国化肥管理呈多元化格局,肥料管理政出多门,建议从肥料生产(工业)、销售(商业)、使用(农业)等环节进行协调,统一管理.在生产环节,统一生产许可和登记管理,细化产品列单、肥料属性要求和有毒有害物质指标限制,并纳入法规文本,建立标签制度;在流通环节,统一市场检查、检验、监督机构,加强处罚和赔偿;在使用环节,提高农户施肥的专业技术水平;创建农业科技服务公司;建立现代化的物流运输体系.通过肥料产业发展规划和政策法规管理来实现肥料可持续发展.
粮食增产模式应从粗放型转变为高效、绿色,以提高肥料利用率为核心,实现“以质量替代数量”,建议通过技术措施、管理法规和科技创新来建立适合中国国情的绿色肥料保障体系,使我国化肥事业走上健康发展的道路.
4建立绿色肥料保障体系的关键科学问题
4.1绿色肥料
绿色肥料的定义之一为:利用现代技术来设计和生产能够最大限度减少肥料对人类健康危害、减轻环境污染而又能维持相对高的农产品质量和品质的肥料品种,它必须满足最少资源和能源消耗、最轻环境污染且具有最大的养分可循环利用[18].它比较全面地提出了对绿色肥料的要求.
4.2绿色肥料保障体系
美、日、欧盟各国肥料总量、肥料源污染强度,在20世纪80年代均已通过顶峰,而我国至今仍处于上升阶段,为使我国肥料农用总量及对环境的污染强度尽快跨过顶峰,并迅速减量,必须建立绿色肥料保障系统.
绿色肥料保障体系是指:不单纯要生产“绿色肥料”,而必须从“绿色化肥原料”、“绿色生产工艺”、“绿色肥料的性能或特征”多方面构建肥料保障体系.绿色肥料体系的内容包括:绿色原料、绿色制造、绿色产品、绿色流通和绿色施用.对绿色原料、绿色制造的要求在“绿色肥料产业体系构建及其科学问题”已有论述.
(ⅰ)绿色原料.肥料包括化学肥料、有机肥、含微生物菌剂的肥料.氮肥充分利用低热值非无烟煤制合成气及工业废弃资源生产氮肥,符合原料绿色化的要求;磷肥高效利用低品位磷矿、磷矿选矿尾矿、难溶性低品位钾长石、海绿石、含钾页岩、云母矿生产钙镁硅磷钾肥,上述原料均符合原料绿色化的原则.
钾肥从难溶性钾矿中制取钾肥或从海水综合利用提取钾盐,符合原料绿色化原则.
有机肥充分利用有机废弃物中的养分,符合原料绿色化的原则.
含微生物菌剂的肥料能提供一个解决施肥太多,过量使用农药的替代方案.
(ⅱ)绿色制造.采用具有低能耗、低排放、零排放的绿色合成路线、绿色反应条件的生产工艺.特别是与工农业废弃物(秸秆、果汁厂、中药厂等残渣等)污染治理技术相结合的制造工艺.西北农林科技大学刘存寿课题组[19]模拟自然植物营养循环原理,生产仿生有机复合肥的生产工艺;磷酸生产用半水或半水-二水法取代二水法工艺,可减少硫酸消耗、提高P2O5得率、减少磷石膏煅烧能耗[20].
草酰胺((NH2)2C2O2)是缓释氮肥,含氮31.81%,100g水中溶解度0.02g,施入土壤后,被微生物分解,而氮能被缓慢吸收.通过水解双氰可制取草酰胺,其原子效率100%,反应式如下:N≡C–C≡N+H2O→H2NCOCONH2双氰价格昂贵,无竞争能力,这种方法未得到发展.而由CO偶联法合成草酸二酯工艺,生产安全,不污染环境[21].
(ⅲ)绿色产品.具有绿色肥料性能或特征的产品.由工农业废弃物通过有限制的降解(不必完全氧化至CO2)生成亚微米级(100~1000nm)小分子含碳化合物,如酵母发酵液、味精废液降解后的产品;由低品位磷矿、难溶性钾盐通过熔融或烧结生成的熔融磷钾肥、硅钙钾肥;由微粉碎磷矿,农用微生物与禽畜粪便发酵后所获得的有机肥;添加0.3%即能减少化肥用量30%的纳米碳、纳米氢氧化镁、纳米腐殖酸肥等.这些新型肥料具有与污染治理相结合,或者有利于资源可持续利用,或者用量很少而效果显著等特征,可提高肥料利用率,与大宗基础肥料相结合可提升肥料性能,达到以“质量代替数量”的发展战略.
(ⅳ)绿色流通、绿色施用.我国每生产和施用1吨氮肥所引起的温室气体排放达13.5吨CO2eq.而欧洲为9.7吨.氮肥温室气体排放中,生产和运输环节占61%,农田施用环节占39%[22].
计算表明,年销售15万吨的复合肥料厂,在本省的市场占有率达16%,即可在本省内消化.但是我国很大一部分基础肥料、复合肥料的销售运距在1000km以上.
农业的循环之道是地产地销,遵循最低限度物料移动原则[23].绿色流通、绿色施用是尽可能使用地产化肥,并通过深施,减少挥发损失.合理利用有机肥,种养结合,养分就近还田,减少化肥投入.——论文作者：赵玉芬*,尹应武
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