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肥料是作物生產(chǎn)的物質(zhì)基礎,全球每年化肥農用消費量在2億t左右,對糧食增產(chǎn)的貢獻率達40% 以上,在保障全球糧食安全方面發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。尤其是近年來(lái)食品短缺人口比例大幅度提高,全球糧食安全正面臨嚴峻挑戰,更亟需依賴(lài)肥料的高效施用以支撐作物高產(chǎn)。我國是世界最大的化肥生產(chǎn)國和消費國,氮肥、磷肥和鉀肥的生產(chǎn)量分別占全球總量的26%、30% 和14%,消費量分別占23%、21% 和26%。1980 年至2020 年,我國農用化肥用量從1269萬(wàn)t增長(cháng)到5251萬(wàn)t,化肥的投入在糧食增產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。全國化肥試驗網(wǎng)證明,我國化肥的增產(chǎn)率在50% 左右。然而,傳統肥料養分利用率低,過(guò)量施肥導致土壤退化、大氣和水體污染以及生物多樣性降低等問(wèn)題,對生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生了巨大威脅。因此,傳統化肥產(chǎn)品和施肥技術(shù)難以實(shí)現糧食安全與生態(tài)環(huán)境安全的協(xié)同,發(fā)展新型肥料產(chǎn)業(yè)是農業(yè)綠色可持續發(fā)展的必然選擇。
新型肥料研發(fā)是運用有效養分高效化產(chǎn)品創(chuàng )新的理論與技術(shù),將傳統氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥等產(chǎn)品轉型升級,使其營(yíng)養功能得到提高或使之具有新的特性和功能,或通過(guò)開(kāi)發(fā)新資源、利用新理論、新方法和新技術(shù)等,開(kāi)發(fā)肥料新產(chǎn)品類(lèi)型,以實(shí)現穩定高效、綠色增產(chǎn)、環(huán)境友好等目標。當前,新型增效肥料主要包括緩/控釋肥料、增值肥料、水溶肥料、商品有機肥、微生物肥料等產(chǎn)品類(lèi)型。
一、新型肥料發(fā)展的必要性
1、傳統肥料過(guò)量施用造成資源浪費和環(huán)境污染
我國大宗化肥消費結構的90% 以上依然是傳統化肥產(chǎn)品,我國主要糧食作物(小麥、玉米和水稻) 的氮肥利用率僅有26%~37%。磷肥利用率僅有10%~20%。鉀肥利用率也僅有40%~50%。傳統化肥施用模式下肥料養分利用率低,作物高產(chǎn)建立在肥料高投入的基礎上,通過(guò)過(guò)量施肥以保證作物養分充足供應的現象普遍存在。因此大量化肥養分積累在土壤中或損失到環(huán)境中,造成了資源浪費和環(huán)境污染。高產(chǎn)施肥的環(huán)境矛盾突顯。傳統肥料的局限性越來(lái)越突出,全面建立新型高效肥料產(chǎn)品體系,推動(dòng)傳統肥料產(chǎn)業(yè)的轉型升級,是農業(yè)綠色可持續發(fā)展的必然要求。
2、新型肥料是實(shí)現化肥減量增效的有效途徑
新型肥料的研制生產(chǎn)不僅包括養分增效技術(shù)和生產(chǎn)工藝創(chuàng )新,還充分考慮與農藝措施發(fā)展匹配融合,因而是更加優(yōu)質(zhì)、高效和環(huán)保的肥料產(chǎn)品。當前我國新型肥料產(chǎn)品通過(guò)優(yōu)化養分供應、強化根系吸收、增強作物抗逆、調節體內代謝等過(guò)程,獲得更高的肥料養分效率,協(xié)調作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的矛盾。緩/控釋肥通過(guò)減緩或控制養分釋放速率,最大限度的實(shí)現養分供應與作物不同生長(cháng)階段養分需求協(xié)同,從而提高肥料的利用率并降低各種途徑的養分損失。增值肥料是將腐殖酸、海藻酸、氨基酸等生物活性增效載體與傳統化學(xué)肥料科學(xué)配伍,通過(guò)綜合調控“肥料–作物–土壤”系統改善肥效。水溶肥的特點(diǎn)是其所有成分完全水溶,以滿(mǎn)足噴灌、滴灌、無(wú)土栽培、葉面施肥的需求,通過(guò)水肥一體化,實(shí)現少量多次施肥,獲得高肥料利用率。商品有機肥解決了傳統有機肥養分含量低,運輸困難,就地消納需要很高的環(huán)境容量等問(wèn)題。微生物肥料的主要特征是添加了具有固氮、溶磷、解鉀等功能微生物菌劑,或添加了能夠通過(guò)代謝活動(dòng)產(chǎn)生刺激素的有益微生物,具有促進(jìn)作物利用土壤中的低有效態(tài)養分,或拮抗病原微生物減少作物病害發(fā)生等功能。
二、我國新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀
肥料產(chǎn)業(yè)始終伴隨著(zhù)肥料產(chǎn)品的創(chuàng )新轉型升級,依據肥料產(chǎn)品的性狀,肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大致分為4 個(gè)發(fā)展階段:1) 初始階段,養分濃度低且有效性較差;2) 低濃度階段,生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單且養分含量?jì)H在14%~25%;3) 高濃度階段,養分濃度一般在40% 以上,但存在養分易損失等缺點(diǎn);4) 綠色高效階段,肥料產(chǎn)品具有養分高效、功能多元、環(huán)境友好等特點(diǎn),代表性產(chǎn)品包括緩/控釋肥料、水溶肥料、微生物肥料等。政策的實(shí)施有效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,我國已成為全球新型高效肥料研發(fā)的熱點(diǎn)國家。據趙秉強等研究,我國當前正處于由高濃度化肥階段向綠色高效肥料階段轉變的關(guān)鍵時(shí)期,特別是隨著(zhù)我國“雙碳”和農業(yè)綠色發(fā)展戰略的實(shí)施,推動(dòng)了綠色肥料產(chǎn)業(yè)體系建設和快速發(fā)展的過(guò)程。
1、緩/控釋肥料
緩/控釋肥可根據作物需求規律緩慢釋放養分,實(shí)現一次性施肥滿(mǎn)足整個(gè)生長(cháng)期的需求,是輕簡(jiǎn)化施肥技術(shù)的重要載體,已成為我國新型肥料發(fā)展的主導方向。我國包膜緩釋肥料技術(shù)經(jīng)過(guò)引進(jìn)、集成和創(chuàng )新,整體上已達到國際先進(jìn)水平,在大田作物的應用技術(shù)領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。
2、增值肥料
增值肥料利用有機生物活性增效載體(腐殖酸、海藻酸、氨基酸等) 與氮、磷、鉀傳統化肥科學(xué)配伍后,通過(guò)調控肥料養分在土壤中的釋放、轉化、移動(dòng)、固定等過(guò)程,優(yōu)化肥料的供肥性,從而提高肥料利用率。傳統腐殖酸或海藻酸肥料,以腐殖酸或海藻酸為主要原料,通過(guò)摻入無(wú)機肥料制成,但載體活性相對較低、用量大,難以與化肥大型生產(chǎn)裝置結合,存在產(chǎn)能低、成本高和產(chǎn)業(yè)化推廣難度大等問(wèn)題。
3、水溶肥料
水溶肥是水肥一體化技術(shù)不可或缺的肥料類(lèi)型。我國水溶肥產(chǎn)業(yè)起步于20 世紀80 年代中后期,其發(fā)展歷程主要分為3 個(gè)階段:1) 初步形成階段,以溶解性及配伍性好的無(wú)機鹽類(lèi)為原料配制葉面肥,養分種類(lèi)少、濃度低、應用效果不穩定;2) 初步發(fā)展階段,隨著(zhù)對葉面營(yíng)養機理研究深入,葉面肥產(chǎn)品中開(kāi)始添加中微量元素及螯合劑和表面活性劑等助劑,養分種類(lèi)、養分濃度和吸收效率得到較大提升。由于節水灌溉施肥技術(shù)發(fā)展滯后,水溶肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢;3) 快速發(fā)展階段,隨著(zhù)噴灌、滴灌和無(wú)土栽培等技術(shù)的快速發(fā)展,帶動(dòng)了水溶肥料的生產(chǎn)。在水溶肥中加入氨基酸、腐殖酸、海藻酸等有機活性物質(zhì),水溶肥功能走向多元化。
4、商品有機肥
有機肥原料來(lái)源豐富,其替代化肥的潛力巨大。新型商品有機肥技術(shù)主要包括無(wú)害化處理技術(shù)、快速發(fā)酵技術(shù)、除臭技術(shù)、有機無(wú)機肥配伍技術(shù)、造粒工藝等。商品有機肥克服了有機肥原料養分含量低、運輸成本高、施用量大等缺點(diǎn),提升了農民使用的意愿,促進(jìn)了商品有機肥的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
5、微生物肥料
微生物肥料不同于其他肥料類(lèi)型,不以為作物直接提供養分為目的,主要功效是促進(jìn)養分吸收與利用,調控作物生長(cháng),增強植株抗逆性和抗病性,改良和修復土壤功能。21 世紀以來(lái)我國微生物肥料技術(shù)取得了長(cháng)足發(fā)展,微生物肥料使用的菌種不斷增加,功能得到拓展,施用面積逐年增加。我國微生物肥料的研究主要集中在高效固氮、解磷以及功能性菌劑的鑒定,有機肥與功能菌株配合生產(chǎn)生物有機肥技術(shù),“肥藥兼效型”復合微生物肥料的研究。目前,我國微生物肥料生產(chǎn)企業(yè)達3500 余家,登記微生物肥料產(chǎn)品超過(guò)10000個(gè),年產(chǎn)量約3000萬(wàn)t,應用面積達5億畝。
三、我國新型肥料高質(zhì)量發(fā)展存在的問(wèn)題
1、新型肥料行業(yè)起步晚,缺乏原創(chuàng )核心技術(shù)
我國各類(lèi)新型肥料產(chǎn)品研發(fā)的起步階段普遍晚于發(fā)達國家30~50 年,肥料新產(chǎn)品多為跟蹤和模仿,缺少原創(chuàng )技術(shù)。
2、肥料特性與農業(yè)需求的多樣性匹配度不高
我國不同農業(yè)生態(tài)區的資源稟賦與種植制度復雜多樣,各區域農田管理措施不同,加劇了與之匹配的新型肥料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和高效應用的困難程度,以致產(chǎn)品在不同區域土壤和作物上表現出差異化的應用效果。
3、新型肥料施肥技術(shù)與裝備有待提升
高效施肥技術(shù)在測土配方施肥、精準施肥、輕簡(jiǎn)智能施肥等方向取得了長(cháng)足進(jìn)展。這些推薦施肥技術(shù)主要以傳統化學(xué)肥料為研究對象,是基于傳統肥料產(chǎn)品的養分供應特征開(kāi)展的系統研究。相比于傳統產(chǎn)品,新型肥料通過(guò)控制養分釋放和轉化過(guò)程或通過(guò)功能微生物促進(jìn)土壤養分釋放等方式提高了養分利用效率,因此其養分供應過(guò)程存在較大變異,傳統的高效施肥技術(shù)并不能完全套用在新型肥料上。在施肥技術(shù)難以匹配不同肥料養分的差異化供應特征的情況下,很多新型肥料產(chǎn)品并沒(méi)有發(fā)揮出增產(chǎn)效果。如果不能持續突破各類(lèi)新型肥料的高效施肥技術(shù)瓶頸,施肥技術(shù)將成為新型肥料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的障礙。
4、肥料監管薄弱,市場(chǎng)發(fā)展混亂
長(cháng)期以來(lái),我國肥料養分含量不足、有毒有害物質(zhì)超標、隨意添加違規成分、隱性風(fēng)險成分不可預見(jiàn)、假冒偽劣產(chǎn)品屢禁不止、包裝標識不規范、故意夸大宣傳等產(chǎn)品質(zhì)量及安全問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮。然而,我國尚無(wú)一部專(zhuān)門(mén)規范和指導肥料生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和使用行為的法律法規。開(kāi)展肥料執法監管的依據只有農業(yè)農村部2000 年發(fā)布的《肥料登記管理辦法》,其為規范肥料行業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。但是,肥料登記管理制度法律地位不高,導致肥料管理和執法處于一種半空白狀態(tài)。因此,迫切需要推進(jìn)肥料立法。
四、新型肥料發(fā)展戰略
施肥主體存在利益矛盾,農民施肥關(guān)心收益,而國家關(guān)注糧食安全和生態(tài)環(huán)境保護。因此,需要通過(guò)肥料科技創(chuàng )新,將農民利益和國家利益統一起來(lái)。隨著(zhù)資金投入的增加和農村勞動(dòng)力的轉移,農業(yè)規?;?jīng)營(yíng)進(jìn)程加快,對肥料產(chǎn)品和施肥技術(shù)提出了新的要求,這也是肥料產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng )新發(fā)展的新機遇。為推動(dòng)新型肥料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,肥料產(chǎn)品研發(fā)將以綠色增產(chǎn)為主要目標,肥料增效技術(shù)途徑向高效化、專(zhuān)用化、功能化、精準化和低碳化等方向綜合發(fā)展。
1、肥料研發(fā)應用以農業(yè)需求為導向
隨著(zhù)我國現代農業(yè)技術(shù)的完善,適應現代農業(yè)生產(chǎn)需求的肥料將會(huì )成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。農業(yè)的需求特征與不同區域土壤、種植體系、農業(yè)生產(chǎn)規模、施肥技術(shù)與裝備以及經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展條件等因素密切相關(guān),因此肥料的供應需求也呈多元化。1) 我國氣候環(huán)境、土壤類(lèi)型、作物種類(lèi)、種植模式復雜多樣,區域尺度變異性大,要求肥料養分供應規律與其匹配。2) 施肥方式和施肥技術(shù)的發(fā)展呈現多元化。3) 面向未來(lái)農業(yè)需求開(kāi)展前瞻性肥料研發(fā)。
2、肥料增效技術(shù)實(shí)現“養分–土壤–作物–環(huán)境”系統的綜合調控
我國農業(yè)已進(jìn)入了多營(yíng)養元素協(xié)同供應提質(zhì)增效、綠色發(fā)展的新時(shí)代,這對肥料產(chǎn)品的創(chuàng )新提出了更高要求。因此,新型肥料功能需要不斷拓展,實(shí)現“養分–土壤–作物–環(huán)境”系統的綜合調控。
3、新型肥料生產(chǎn)技術(shù)工藝體系向綠色低碳轉型
綠色高效新型肥料產(chǎn)品的創(chuàng )制與產(chǎn)業(yè)化,不僅是我國“雙碳”戰略和農業(yè)綠色可持續發(fā)展的要求,也是新型肥料推廣的重要基礎。高效、低碳、環(huán)保的新型肥料制造技術(shù)體系,需要整個(gè)化肥生產(chǎn)周期的材料環(huán)?;?、加工低碳化及產(chǎn)品可商業(yè)化的有機結合。
4、加強新型肥料統一監管體系建設
新型肥料生產(chǎn)、銷(xiāo)售和使用環(huán)節都需要科學(xué)合理的監管體系。首先,要推進(jìn)新型肥料立法工作。其次,完善新型肥料使用登記與備案制度。再次,加強新型肥料監管機制建設,重點(diǎn)加強無(wú)害化生產(chǎn)監管,提高不法企業(yè)與商販的違法成本,建立不同部門(mén)之間信息共享和溝通機制。最后,探索生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)報備制度和農產(chǎn)品生產(chǎn)主體肥料施用報備制度,建設信息共享與監管平臺。通過(guò)全方位強化完善肥料監管體系,規范新型肥料技術(shù)發(fā)展方向和產(chǎn)品質(zhì)量水準。
(原文發(fā)表于《植物營(yíng)養與肥料學(xué)報》,2023, 29(2): 201–219,文章篇幅刪減)
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